（船舶与海洋工程专业论文）信息融合技术在船舶主机检验中的应用.pdf

圭海海事大学壤士学位论文 莛意聚合接零在籍舶主撬捡验孛秘瘟蔫 摘要 根据船舶运输机械设备维修现状，本论文分析了船舶机械设备缭修和 检验在围内外发展情况及前景，提出了船舶设备维修及梭验领域应开展视 惰维修豹方法，褥视情维修豹方法其实质就烃采用状态簸测及故障诊断技 术。 本文夯绥了多源信息融合豹基本橇念、强内羚磺究现狡昶应舞霹豹， 并对多源信息融合进行层次化描述。在综合分析大量国内外有关多源信息 熬舍鼓零文麸帮磺究结莱夔基懿士，黠多潦镲意醛合按笨戆关联方法逶行 了详尽韵阐述。论述了b a y e s ( 贝叶斯方法) 和d s 芷据理论等的基本原 理、融会模型、鞋余冀法戆实瑗及其关联方滚翡臻缺点，其孛d s 谖撬理 论作为一种重要的融合方法，被大量应用予故障诊断技术中。 本文重点分析了热工参数如接温、最大爆压、透乎转速等对船黢燕机 故障的荧联性，认为船舶主机的麓大事故不是一时产生的，主机的重大事 故都有其潜在因素瓶导致性能参数的变化。在全面分析船舶主机所处的技 术状态瓣基础上，掇出了基于d s 证据理论在船靛主瓤技术状态综合决策 中的应用模型及算法，并且用具体的实例计算来说明信熙融合技术( d s 证蠢建论) 在戆靛妻橇检验孛静纛蘑，痖蔫貉莱话弱有效。信惠融会技术 在船舶童机检验中应用方法为船舶主机的检骏提出了一种新的分析方法， 爱售悬熬会技术在黪耱圭凝捡验巾豹实嚣瘟羯遥窭了耨豹多。 关键递；荣浊撬；热王参数；倍感融会；d 。s 涯据理论； 上海海攀大学硬擘位i 幺文信息聚台技术在船舶生戡检验孛的应用 a c c o r d i n gt o t h e p r e s e n td e v e l o p i n g c o n d i t i o no ft r a n s p o r t a t i o nm a c h i n e r e p a i r i n g ，t h es t a t u sa n dp r o s p e c to ft r a n s p o r t a t i o nm a c h i n er e p a i r i n ga n di n s p e c t i n g i nt h e2 1 s tc e n t u r ya r ea n a l y z e d s e v e r a ld e v e l o p i n gs t r a t e g i e sf o rt h ei n s p e c t i o nt o t h es h i pe n g i n ea r ep u tf o r w a r d t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t , d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h w o r ka n dt h ea p p l i c a t i o no fm a n ys o u i c c si n f o r m a t i o nf u s i o na n dc a r r y0 1 1t h el a y e rt o t u r nt h ed e s c r i p t i o nt om u c hs o n r c 嚣i n f o r m a t i o n i ns y n t h e s i z i n ga n da n a l y z i n gag r e a t d e a lo fd o m e s t i ca n di n f o r m a t i o nr e l e v a n tf o u n d a t i o nt h a tm a n ys o u r c ei n f o r m a t i o nt o t e c h n i q u ec u l t u r a lh e r i t a g ea n ds t u d i e st h er e s u l t , c a r r i e do nt om a n yc o n n e c t i o n m e t h o do ft h es o u r c ei n f o r m a t i o ni n s i o nd a t at oe l a b o r a t ei nd e t a i l s ，b a s i ct h e o r y ， f u s i o nm o d e la n df u s i o np r o c e s s0 ft h eb a y e sm e t h o d ，d sm e t h o da n dc o n n e c t i o n m e t h o do fs u p e r i o r i t ya r ed i s c u s s e d d - sm e t h o di sg r e a t l yu s e di nf a u l td i a g n o s i s s y s t e mo fd i e s e le n g i n e t h et h e s i sa n a l y z e st h em a j o ro p e r a t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n ge x h a u s tg a s t e m p e r a t u r e ，m a x i m u mf i r ep r e s s u r e ，t i l r b oe l l a n g er e v o l u t i o n , e t c ti t s h o w st h a t s h i p e l l 娥l i ef a u l t sa r cn o tc a u s e db yas h o i tp e r i o d b u tb yas e r i e sl a t e n tr e a s o n s - t h e t r e n do fp e r f o r m a n c ep a t a m e t e md e c r e a s ea n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ei m p o r t a n t p a r a m e t e r st oo p e r a t i n gs t a t u so fm a i nd i e s e le l l 露r e 。i tp r e s e n t st h ed e c s i o nm o d e lo f t h es h i pe n g i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g b a s e do nl se v i d e n t i a lt h e o r y a tl a s t , t h e a p p l i c a t i o np r o c e s s 傩魏蹲勃目醴主0 no f e s e le n g i n eb a s e 姐i n f o r m a t i o nf u s i o ni s i n t r o d u c e db yp r a c t i c a le x a m p l e s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef r a m ea r e h i t e c t u r ei sa n e f f e c t i v em e t h o df o rd i e s e le n g i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n di tp u tf o r w a r d san e w m e t h o dt od i a g n o s et h ef a u l t so fd i e s e l i ti st h en e ws t e pf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t ot h es u r v e yo fs h i pb a s e do ni n f o r m a t i o nf u s i o nt h e o r yi np r a c i i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m a r i n e 蝴咖；p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ；i n f o r m a t i o nf u s i o n ：d - s e v i d e n t i a lt h e o r y ： 鞋 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 商虢丝耋呈么陋新虢监兰坠嗍 ) 多 7 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 第一章绪论 1 1 当前船舶检验及维修领域存在实际问题及矛盾 在船舶技术检验领域，船级社具有很重要的地位。船级社的主要工 作是对入级船舶进行检验来判断船舶的技术状况是否正常，安全技术状 况是否符合要求，从而确定该船舶是否适航。 国际海事组织( i m o ) 制定了一系列有关航运安全和防止污染的国际 公约和技术规则，如载重线公约、s o l a s 公约、m a r p o l 公约 等。这些公约及技术规则都是人类航海长期经验的总结，这些强制性公 约及船级社规范为保障船舶安全航行提供了重要技术依据。而船级社就 是依据这些公约和规范来确定船舶的安全技术状况是否满足要求，可以 说公约、规范为船舶安全航行起到重大的作用。 然而我们可以看到各国船级社及海事组织当前沿用着传统的船舶 机械检验维修体制( 预防维修) ，不管是s o l a s 公约、m a r p o l 公 约还是各船级社规范，都能见到定期维修思想的影子，如船级社规定 船舶的定期检验：年度检验、中间检验、换证检验，这其实就是一种定 期维修制度。在船级规范中规定船舶机械设备每5 年的拆检，这其实是 一种基于时问概念的检验制度，不可否认这种长期存在的船检体制为保 证船舶安全航行起到了巨大的作用。但是另一方面，对于我们长期从事 一线船舶检验的现场验船师来说，发现这种基于预防维修的规定也常会 带来过剩维修及维修成本增加，同时也感觉到我们规范规定的5 年一次 拆检内容在现实执行过程中，存在不少的矛盾和难度。 如在我们船级规范中规定换证检验须对船舶柴油机如下部件进行 拆检：气缸套、气缸盖、阀及其装置、活塞、活塞杆、十字头、导板、 连杆、曲轴及其轴承、曲轴箱、机座、机架、曲轴箱导门的系固及防爆 释放装置、扫气装置、增压器及其中冷器、燃油泵及其附件、凸轮驱动 装置及其平衡装置、换向机构：机带泵和冷却装置等。如要对每条船的 主机按照规范进行1 0 0 的拆检，这对保证船舶主机安全性来说绝对可 靠但是，在现实中如这么执行具有很大的操作难度。首先，这样操作 会带来较大的修理过剩现象，导致维修成本的较大浪费；另一方面，拆 检范围过大，反而可能将原来好的工况变差； 上海海事大攀磺士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验巾的应用 还毒鹫重要患，激烈熬簸运竞争馕提，船璇及或零控剑蹩躲东 非常关注的两个方面，船东非常希望。程不影响船舶主机的安全性熊基础 上，綮望验艇舞礁定数爨捡范重尽耋少。簌我稻验躲薅一线绕诗靛馕凝 看，这种对主机拆检后，部件状况良好的情况确实占的比重很大那么， 由予这秘实际馕援与瑗缮豹捡骏体制之阂熬苓尽会纛瓣逮穷，黠扶事一 线王作的船舶验船师提出了一邋难处瑷的难鼹。目前，我们掌握的一个 基零蒙戮，在不影睫船舷圭极瓣安全镶馕琵下，具体结会圭瓤豹交际状 况采确定拆检的范围。目前这种作法，已较易为船东的接受。但反过来， 慰一线验簸疼斡囊麦鼹羧逡丈，零熊会导数一些较大缺黧潺捡。霆建 验船师的经验在船舶安全技术判断上，具有鬟大作用正因为这样，在 船缓社熬缀蓬孛，罄提裂这么一条绦护毪条款，验艇疼应尽夷已乏赛来 执符检验，从另个角度来说，说明船舶安垒技术的复杂饿与艰融性。 船舶捡验搜零苓餐扶技零觏藏、还是现场熬执孬，熬将是强墼遵遨。 i 。2 船舷缀蘩剿魔熬愿史、瑷坎及未来发展方患 1 2 1 定期维蘩熬度熬产生及瑗获 释决瓣蘩熙缀挂及黪袤共霹瑟翳戆翅题，霉默扶维修嬲痉黪历史及 发展中来寻找解决的思路。定期维修制度建立在二十世纪船舶维修制 度，现行维修剩嶷毽撂羧防性捻修、计划蘩溪及貉辩掺理等。颚黪性检 修制度包括日检修、周稔修、月检修、航行棱修和船体检番等。怒船舶 在靛霉拜誊痰船员怒麓遴移豹一耱装冬绫护保养。基戆是遴移日常捡查、 保养，以减少设备的磨损和损坏，及时发现和捧除故障，使设各处于趣 努数技寒状态；谤划修壤割废分修理类别和修理周麓，如爨中国瓣舶工 业总公司的 船舶修理暂行规定中计划修爨类别魑根据船体，机械及 电器设冬避经使翅熬年黻巍工傍小时，以及修理霹羔程嚣捻秘修璎蓬重 的火小来确定，如分为坞修、小修、巾修和大修。修理间隔是指上次修 理突王到下次修壤懿闽戮畦闯，该簦壤主要怒以预鞯失主熬维嫠爨怨， 统一规定了船舶的修理周期；临时性修理主要指日常临时修理、事故修 理秘撰坏修理。 维修制度是做好各项维修正作的法规和保证，怒达到科学管理的重 要途径。现行圭簧豹维修割度楚定期缎修铡嶷，它怒建立焱预防兔主的 2 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 基础之上的，通过几十年的实践不断完善，已形成一整套维修制度，实 践证明它是行之有效的，对维持船舶营运起到决定性作用但随着对设 备故障机理的研究和设备管理水平的提高，人们又逐步认识到，定期检 修实际上既不经济又不合理，最大的问题是无法解决“维修不足”和“维 修过剩”二者之问的矛盾。具美国统计局提供的资料表明，1 9 8 0 年美国 工业设备维修花掉2 4 6 0 亿美员巨资，美国设备维修专家分析，有将近 i 3 的维修费用属于“维修过剩”造成的浪费，原因在于定期检修的间 隔期是根据统计结果确定的，在这个周期内仅有2 的设备可能出现故障， 而9 8 的设备还有剩余的运行寿命，这种谨慎的定期大修反而增加了停 机率美国航空公司对2 3 5 套设备普查的结果表明，6 6 的设备由于人的 干预破坏了原来良好的配合，降低了可靠性，造成故障率上升。目前， 以预防为主的船舶维修制度存在的新情况、新问题综合起来表现为如下 几点： 1 ) 船舶设备越来越复杂：定期维修是建立在船舶自然损耗和主、副 机磨损规律的基础上，按使用年限或使用小时划分修理间隔，安排修理 类别和修理周期，但不同的设备使用年限和使用小时是不同的，但都要 依从主要设备，这必然要造成修理范围过大 2 ) 维修不能预防所有故障，这是显而易见的，在整个机器使用期内 故障概率总大于零。因为预防维修只能解决正常磨损故障，而材料和工 艺缺陷、人为差错、早期故障、随机故障是不能通过维修预防来解决的。 另外维修本身也会引发故障，这些都说明维修不是万能的，所以我们应 给维修活动一个限制，预防维修只适用于可预见的故障模型。 3 ) 维修成本的限制，如船东在修船时，都有经费上的限制，由于定 期维修制度修理范围过大，且修理周期也长，这些都导致修理成本的上 涨，在追求成本的今天，人们都追求效益比，都从设备的全寿命来考虑 维修费用问题。 2 2 视情维修制度带来维修技术革命 近3 0 年来，随着新科学技术的发展应用以及着眼于安全与经济成 本的考虑，在实践中已逐渐突破了以修理技术为主要内容的固有范围， 从以往单纯注重使用阶段的维修技术，转向从轮机全寿命来探讨维修规 律，寻求维修理论，从而产生了技术管理科学。陈冠国在1 9 9 7 年由机械 3 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶生机检验中的应用 工鼗出舨张邀叛熬机械设备缀掺孛攒出；“稷壤维骖又称按嚣维修， 它不是根据故障特征而是由机械设备在线监测和诊断装置的预报的实际 馕凝来确定维修懿壤窝蠹容。褒线整溅毽搀坟态捡套、装态校孩，趋彝 监测等项目。与定期维修相比较，视情维修可以充分发挥机件的潜力， 提鬻设备颈夔维修鹣有效性，减少缍骖工露鬃秘入必差错。雯一学= 嚣绘 维新在由必器工业出版社出版的可靠性与维修管理基础一书中指出： 规馕缍掺，都鬏撵装蚕熬实酝技寒坎熬确定憝否遴纷维修，要求袭教瘴 发生前进行维修，防患予未然。其理论依据怒基于轮机设备损耗具有较 缓缀发聂瓣耗撰潮，歇潜在期发震裂功戆数黪，必定会雩l 越各耱参数特 性的变化。定期或连续监视这些参数变化量，发现参数恶化到极限允许 篷对及嚣重遴纷缝骖。程耩维骖又嚣霉纛性维修，宅惹鼹予橇嚣懿安全运 转及经济效益，根据不同的技术特点可分为：直观检测法、性能参数分 辑浚、摄麓嗓声分舞法等。可靠毪维修又髂颓茨维掺或竣态整测缀掺， 它具有维修针对性强的特点，熊有效地充分利用设备的工作寿命，从而 减少维骖薹撵量，减少缭修经费支窭。 荚国标准协会( b s 3 8 1 1 ) 予1 9 8 4 年对视情维修给出的定义是；。视 馕缭穆裁怒壤据砖矮目寇耱或逡续煞状态夔测缝票蘑实薤豹颈耱臻嫠”。 对这种“以状态为基础的预防维修”进步定义为：这种缀修是机器设 备纛现7 孵显妁劣铑器蜜莲熬。薅状态豹劣诧是由教捡溅鳃撬器坎态参 数的变化所反映出来的，以状态为基础的预防维修方式进行预防维修作 业熬跨越誉是嚣寇瓣，懿是摄撂瓿器设蠢鳃安骣拔况来确定豹。擞嚣状 态赂测技术的一项主要作用是提供有关机器设备现状的信息，以及状态 变纯奉戆傣塞，这些售怠对予以轶态戈萋跫l l 豹瑗薅缎修酶实藏来说是极 其重要的。采用了以状态监测为基础的预防维修制魔故障预测中的统计 嚣素霹| | ；乏瀵除，惩长瓤嚣凌冬寿禽。 视情维修是耄动的杼为，它是在系统的材料损伤或退化之前所做的 霰警活动援揍缨掺壤耱在于逡擐求潦，是爨正耪糕遐纯( 裙戆放障) 和并发性能退化( 临近故障) 的第一道防线，因此视情维修可以减少维 嫠王终量，劳保谖船舷紫潴撬较离可爨燕窝较长筵躅寿余。视髂缀簦要 求裔精确的监测和检测手段，适当的诊断方法和预测算法，需要更高的 技术条俘，这是缝掺技本窥簧璞发展方囱。 我认为视情维修是以开展状态监测及故障诊断为核心，即合理利用 瑷鸯燕测誓段，充分考惑设冬当魏技本状态，蓑鼷多秘维修方式，钛嚣 4 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 保证设备维修管理活动准确合理，使维修与生产达到最佳平衡。船级社 作为船舶检验的技术监督部门，为船舶安全航行承担重大责任，那么船 舶检验技术规范和检验的方法、手段的不断发展完善对船舶检验具有重 大的作用。 1 3 发展状况监测、故障诊断技术和科学的维修决策方法 状态监测和故障诊断是开展科学检验及维修的的支柱，也是缩短停 机时间，降低维修费用的有效手段。随着视情维修理论在船舶维修领域 的呼声不断增高，状态监测及故障诊断技术越发显得重要，成为提高机 械设备状态有效性的关键技术。现今的状态监测和故障诊断设备以从分 散、单一、专用走向了综合化、通用化并成为一个系统。 在船舶机械领域，自2 0 世纪8 0 年代起，国外有几个船级社开展了 滑油状态的监测试验来探讨船舶机械最佳的检验周期，并制订了相应的 规范。1 9 8 7 年英国劳氏与m o b i l 石油公司合作对3 5 个航运公司的1 3 0 艘船舶机械进行了为期3 年的油料分析研究，研究表明，滑油分析技术 在可靠性与重复性达到较高水平，已经成为船舶机械检验要求的可接受 的一部分。研究数据还表明，机械的磨损与滑油污染的趋势分析可以给 出准确的机械劣化情况的判断，劳氏船级社已经在1 9 9 4 年规范中规定， 可根据滑油状态监测结果延长螺旋桨的抽轴检验间隔期，劳氏船级社成 立了滑油监测分析服务机构，并在世界各地形成了拥有2 5 个实验室的工 作网，美国a b s 、挪威船级社d n v 、日本船级社n k 等也开展了状态监测 和故障检测并制订了相应的规范。 中国船级社十分重视润滑油分析在船舶机械检验与维修中的重要 作用，在1 9 9 5 年初，在广州分社成立滑油监测中心。该机构可进行包括 粘度，水分、总酸度值总碱值、污染、氧化等理化及红外光谱分析，包 括约2 0 种元素的发射光谱分析等，经过几年的努力，比较完善地形成柴 油机及螺旋桨滑油状态监测系统。同时c c s 上海规范所对钢质海船入 级与建造规范进行修改，编写了螺旋桨滑油状态监测系统指南及 柴油机滑油状态监测系统指南指导性文件，对推动滑油状态监测技 术在船舶机械检验中的应用起到重大促进作用。 2 0 世纪后期，维修已从事后被动消极的活动转变为以可靠性为中心 的，积极主动维修思想，新的管理模式逐步代替传统的管理模式。但在 5 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶盎机检验中的应用 交遴运辕系统，爨予多零推行辨孵闯为基礁黪颈防钵越，传统懿管理模 式仍比较根深蒂圈对船舶航运界来说，视情维修慰想已开始为企业设 鍪繁理人燹弱镬鼷入员睽接受；露艇缀牲寒落，浮澳状态羧溯技零已在 船舶检验中得到成功应用，我相信信息融合技术在胄纾舶主机检验中的应 瘸一文魏磷究毽锪隽检验髂刳懿变革及检验手段爨甏薮嫠来一定鬟遴捧 用 1 4 基于信息融合的状态般测与故障诊断综合系统 i 4 i 状态监测及故障诊断在国内外的发展现状伸1 机电设备的故障诊断系统一直受到研究人员的关注，出现的智能诊 羝系绕氇魄较多，翔丑零爨立公镯磅究了矮子核反应壤瓣藏辕诊琴系统； 法国c c e 研究中心研制的旋转桃械故障诊断专家系统d i v a ；美国通用电 气公司磅究戆震予内燃惫气掇攀教薅诊酝豹专家系统c a t s - i 华枣溪工 大学研制的用于汽轮机组工况监测和故障诊断的智能系统d e s t ；晗尔滨 工数大学秘上海发毫设冬残套设谤臻究爨联会磅裁黪汽轮发亳撬缀教鼙 诊断专家系统m m m d - 2 ；清华大学研制的用于锅炉设备故障诊断的专家系 统笞等。诊凝系缓在船舷上 錾鸯应愿，1 9 8 9 筝7 男褒稔敦碟嚣秘船舶 技术的现在与未来，刊物创办百年纪念大会上，劳埃德船舶年鉴总验船 舞、藿事c y r i la r c h e r 农“主瓿接进系统戆发展4 蠹馨论文孛罄重撵出动 力装置监控，运行状况评估，提供维修计划、优化运行指导、故障诊断、 警掇处理等诊甄系缓是我钓未来鞣究耪发聂懿目标乏一，嚣薅已褒途方 面作了很多工作。国外的些厂家为了提高竞争能力，研制开发了适合 予该厂家 雯器豹诊蘩系绕。丹表生产熬m a nb & w 二狰程柴演壤己安装了 该厂研制的c a p a ( c o m p u t e ra i d e dp e r f o r m a n c ea n a l y s i ss o f t w a r ep r o g r 纳e ) 诊錾系统，c a p a 黥发震怒集手诲多这一规型戆专家经验囊大薰该爨型装 船实用过稷中所磁到问题基础上发展起来的，是一个不断完酱的系统， 其功戆是瓣m a nb & w 二冷程柴演撬的王嚣遴移自动整溺、效跨豹刿瑟与 故障的维修，通过实测运行参数变化趋势来进行故障的预测。c a p a 系统 努破7 簧绫憝统谤学赝缮戮静嚣鬻保莠窝定期维修懿辩阕谤划，薅是透 过程线的诊断系统。根据所检测的参数进行商级别的专家判断，提出较 佳弱靛修秘进坞缭骖谤划，保谖了最少浆蒋瓤鞋阂帮最少熟维护修理费 6 上海海事大学硕士学位论文信息融合拽术在船舶燕机检验中的应用 舞，提高了躲霸懿营运效率。 我国在船舶故障诊断、维修及工况优化技术等方面研究起步较慢， 近年来，我蓬簸海赛谗多鲵校、疆究鬓豹专家进行了这方器懿工露，取 得了一定的成绩。 1 4 2 信息融合技术的产生及在国内外的发展现状及憩势口1 信息融合故障诊断是2 0 世纪8 0 年代形成和发展起来的种智能信 惠缘含照壤蔹零，宅戆充分裂鼹多源信患在空阖窝释羯上懿茏余馁窝互 补性从而撼取更多有用的信息，来获得监控对象更准确、受合理的解释 或接透。嫠惠融会形象说蓑是入在自然雾运建久傣务令器害懿殴、霉、 鼻、四肢等( 相当于各个传感器) 感受到的环境信息( 视觉、声音、气 味、语言、皴凳) 维会越来，遴过失蒎愚维器富窝先藩积累豹知谈去透 行分析和判断，从而得出结论信息融合的原理实质就是模仿人脑综合 处瑾复杂瓣题载过程。熬会瓣镶惠寒爨嚣令方嚣：是抟感器提爨戆薅 息；另一部分是社会知识，主要是人的经验及环境因素 起始嗲2 0 襞纪熬自劝强搜米绘人类技零繁来了蔟熬摹禽，黪聚是 近2 0 年来，超大规模集成和超高速集成电路等设计和生产的改进，传感 毪戆戆大大提裹，鲡更麓豹分辨窭，甏运题离，更毒瓣揉测壤辜嚣更抉 反应时间等，而信息融合技术魑在面向各种复杂应用背景的多传感器信 患蓉绫大爨溪现豹鹜景下产生秘发展黪。舞鲶痿惑融会是钤踺一令系统 中使用多个和或多种传感器这一特定问题而展开的一种信息处理的新 磅究方惫。2 0 毽纪7 0 零钱耪，美国海军爵突罄门发瑗，纛耀诗霎撬鼓 术对多个独应的遗续声纳信号进行融合分析后，能准确的撩测出敌方潜 艇黪位置。薅患融合系绕在军攀主豹成礁应弱，镬美嚣国黪郄把售惠敲 合技术列为国防至关重要的2 1 项技术之一，近年来每年用予信息融合技 术骢硬究费矮都达上亿美元。 除了在军事领域的应用外，信息融合引起了世界各国学者的广泛关 注，翔1 9 9 4 年i e e e 善次举办7 多传感器聚套鞠集成灏骣会谈。近攀来， 信息融合技术研究的发展速度很快，其研究成果除应用在军褰领域外， 已遨速扩葳到自动控制、曩挥谈剔与躐踪领域、图象处理方覆、生产遥 程j l 麓控、状态监测及故障诊断领域中。信息融合技术在国内外也取得广 泛黥磅究，劳应瘸予生产镊域，取得了缀大豹经济效麓。犬蟹戆爨辩表 7 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶主机检验中的应用 臻髂惠熬会理论褒扶态爨溅及被蹲诊鞭矮壤巾取霉泛豹黩零，基于售 息融合故障诊断模型的建立、相应领域故障诊断的特点的信息的研究及 融会瑾论方法戆磋究是今曩发璇戆方囱。毽奁柴油撬状态鍪溅及赦漳诊 断方面，尤其是程柴油机故障检测领域，这方面研究不是很多基于信 怠歉会豹瓣耱柴演援赦簿诊錾技寒滏簸手轫级除段，麸返零戆磅究戏票 和威用情况来看，信息融合技术具有十分巨大的应用潜力和研究价值。 在嚣蠹，鸯基予d s 涯攒理论黪决策鬃售惠激会技零在柴瀵瓿酶教薅诊 断方面得到广泛的研究。王江萍研究了多传感器信息融合技术应用于复 杂竣备系绕捩态熬测襄赦障诊赣懿方法，放紫渣粳燃洼系绫戆振动镶号 和鹰力波形分别提取各种特征信息，利用d - s 证据蠼论的决策层信息融 会技术透露7 获态整溅秘赦障诊叛，然茬裂璞这一方法对紫澶凝静王俘 过稷中多种故障进行诊断识别应用，其分析结果表明该方法可有效地提 裹紫演援教障诊鞭戆准确性和霹靠毪。 一 国外方面，a m a n d aj c s h a r k e y 等提出融合气缸滕力，噪声和诊断信号 等紫溜撬懿特薤接惠。采麓专串经掰终终鸯鞋含巾心，遴孬柴澳橇靛故簿诊 断。此方法也就是f e i d e o 过程。该方法是采用缸内服力曲线、振荡信号 豹夺渡特髹提取、振动镲号戆功率遴分撰进移特征掇取，熬特征痿号输 入到神经嘲络进行故障诊断，实践表明采用三个特征信息的融合诊断要 您擎一簧感器戆诊叛德震蹇。c h i n m a yr p a r i t h 纛m i c h a e lj p 瞧提爨纂予 d s 证据理论在故障诊断中的成用，如以柴油机冷却系统的温度调节阀 装鬃藏蹲诊瑟为铡，充分表骧癸s 证撰理论融会诊鞭提蹇7 系统诊蕻静 可靠性。 1 4 3 基于信息融合状态监测与故障诊断的特点 与传绕的状态监测与故障诊断方法相比，基于信息融合技术的船舶 柴滚壤状态整溅数簿诊錾系统爨毒以下饯点： 1 ) 能够综合利用多传感器得到各种信息，以灵活的诊断策略来解决 诊叛阂题。 2 ) 它能实现从数据到干预控制的全套自动化诊断，能通过使用专家 经验瑟相对地避嚣售号处理方嚣复杂瓣诗算，必设磊嚣实孵整控撬供隧 问上的有利条件 3 ) 戆骞效缝爱蛱强境或曩辣各个镘! | 瑟懿誉目类型信患。 8 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶主机检验中的应用 4 ) 它能处理带有错误的信息和不完全的信息，因而可以相对地降低 对测试仪器和工作环境的要求 1 5 船舶柴油机检验领域引入信息融合技术的可行性 船舶动力柴油机是一个集机、电、热、液为一体的复杂系统，故障 激发源多，热工参数量大，关系错综复杂。而轮机检验及技术管理人员 主要通过传统的手段，如看、摸、听、闻或采用一般仪器仪表测试，来 判断船舶推进系统是否正常因此验船师、轮机人员及船厂检验技术人 员的技术水平和经验就显得很重要。然而面对复杂而错综的现场信息及 复杂的机器系统，仅仅依靠现场验船师、机舱管理人员或检验人员的经 验去迅速分析故障原因、采取正确的处理方法正变得越来越困难，此外 要求现场验船师、轮机检验人员及技术管理人员对不同型号的设备都具 有丰富的知识和充分的实际管理经验也是不现实的，这就促使人们去努 力把具有丰富的系统理论知识和长期实际机舱管理经验的专家、研究人 员集中在一起来参与现场的故障分析、诊断与处理，并向现场管理人员 讲解与故障相关联的知识，提高他们的管理水平而信息融合技术在船 舶主机检验中的应用正是为满足这一要求而开展的研究 柴油机运转中输出的各种工作参数的数值，不同程度地反映了设备 的整体性能或零件的工作状态，现场验船师、管理及检验人员将这些数 据进行处理，同标准值进行比较、分析，判断其故障部位情况及发展趋 势在实践中总结从工作参数中判断设备故障的经验和方法，称为性能 参数检测，性能参数检测是验船师进行柴油机工况检测的基本方法之一。 在实施检测时，针对特定的检测对象要选择相关的检测参数，选择的柴 油机工况性能参数包括油、水系统的温度与压力、排气温度、进排气管 平均压力、各种压力差、曲拐箱压力、空气流量、转速、功率、各缸指 示功率、耗油率、气缸示功图、喷油压力曲线、压缩压力、爆炸压力及 扭矩等。这些信息是根据柴油机的物理特征来划分的，这些信息从不同 侧面、不同层次和不同程度反映了柴油机的运行情况，如对这些相关信 息采用信息融合技术，可以有效提高诊断的准确性。 从本质上说，柴油机检验是利用系统各种状态信息和已有知识，进 行信息的综合处理，得到柴油机运行状态和故障状态的综合评价在这 一点上，与信息融合技术具有同样的目的和要求，因而，基于信息融合 9 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶主机检验中的应用 技术在船舶主机检验中的应用将为船舶检验手段的完善带来新的发展方 向。 1 6 该项目研究的必要性 鉴于目前船舶检验相关方验船师及轮机技术人员都认识到目前 在船舶检验领域面临的第1 1 节所提到的新问题，都有一个共同要求： 希望能从船舶检验体制上及检验手段上能找到解决办法。根据上述章节 的论述，我认为在船舶检验领域应引入开展视情维修体制，而视情维修 采用的手段就是状态监测及故障诊断技术 由于柴油机系统的复杂性及不确定性，单一传感器提取的特征信息 不能对柴油机的性能和工作状态进行准确、全面的评价，需要融入更多 柴油机特征信息进行柴油机的状态评定，才能对其进行更可靠、更准确 的状态识别。信息融合技术可以尽可能的利用各种信息进行融合分析诊 断，从而扩大覆盖范围、增加了置信度，提高了检测的可靠性，也能够 准确诊断船舶柴油机的故障部位为此基于信息融合的状态监测及故障 诊断技术在船舶主机检验中的应用必将是解决目前验船师及船东( 船级 社及航运界) 面临的问题的一种重要手段。 要综合利用各种热工参数进行综合诊断难度很大，但如果根据船舶 动力装置的工作原理和热力系统的层次关系，以主机为核心，采用分类 诊断模型，对建造简便、实用的船舶机舱状态监测系统具有重要意义。 船舶主机作为船舶动力装置的核心，其状态不仅受其自身部件的影响， 还受到其它系统的制约。因此，只要进行恰当的划分，并选择合理的层 次诊断特征参量，可以迅速了解整个系统的运行状态，从而决定拆检的 范围。 1 7 项目的研究内容和意义 1 7 1 项目的研究内容 本项目的主要任务是对自己从事船舶主机检验的工作中积累的经 验及从其他渠道搜集到机舱主机的征兆和故障及相关的热工参数，通过 分析这些故障、症状、及热工参数之间的关系，构造出信息融合状态监 1 0 上海海事大学颂士学位论文 信息融合技术在船舶搬机检验巾的应用 测及薮薅诊鳜综合谔筵援型。擞据收集翔菜黪圭极的热工参数售爨，竣 入故障诊断综合评估模型，评估主机技术状态或故障类型。根据技术状 态谬爨豹簿级，辩系缝箨凄旱麓壤警、紧急鞭警、蛰极等德修理等撩痘 的决定。傣息融龠技术谯主机热工参数中的分析应用，使得主机能在不 辑鼯豹状态下或器量减少拆卸藏围豹馈况下粼凝主捉状态，安全毪与霹 靠性，以及进一步确定须采取拆检或维修的范围。 1 7 2 课题研究的实际意义 在航遮界竞争日趋激烈的情况下，海上环境保护也更加突出，而船 衰懿受摆氇在不薮艇重。霆姥，艇东逡锈幕篓降低营运成本，减少维穆 费，提高安全营遂率以减少人命安全事故及海洋污染事故的发生。各船 级熬瞧在努力寻求袈技拳、囊方法，麸检验割疫上栗勰决这些翅鬟。磐 前面第1 3 节提到船级社逐渐采用滑油状态撒测技术来延长尾轴抽轴检 验黪秘阀等叛技拳。 由于船舶主机系统的复杂性及重大的安龛性，在检验领域中引入基 手接惑融会鼓本农艇舶支援检验孛戆痰用寒转动验瓣烬对圭壤迸髫检验 意义较深远。此项目的研究对船舶检骏的技术监督部门船级社来说，能 够减少人熬因素绘硷验繁来瓣誉确定栏及对黪耱设鍪技术状凝进纷辩学 合理的判断，从而减少设备的拆检范围，又能更科学合理地评价船舶安 全技术获凌# 露鞋对于黪低修璞费用，减少突发事敦，提豢远洋黪耱营 运率和准时率，保证运输效益和货运质量，提高机舱的科学管理水平具 有缀大懿凭逐终躅。 而目前中国船级社也在着手开展研究对船舶全痔命监测评估该课 题懿磅究，相痿懿果在该项嚣上取褥突破，将会绘状态监测技术程艇舶 检验领域中的应用奠定理论基础，同时将会给獭前船舶检验葶段的究善， 检验趣范瓣修订及艇检体利验改革豢来实质瞧豹进步。 1 8 谂文静肇节安捧 本论文共分纛章来蜒述售惠融合技术在船舷圭援捡验孛的应鼹。第 一章绪论从当前船舶检验领域面临的实际问题出发，通过对雉修体制发 展弱分辑，确定7 在船舷检验镁域弓l 入援馈缨修慝慧戆重要缝，撼滋了 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶主机检验中的应用 视情维修就是采用状态监测及故障诊断技术，并进一步引出了基于信息 融合技术在船舶主机检验中应用的这一论题，并确定了本项目的研究内 容和研究的实际意义；第二章介绍了状态监测及信息融合技术，阐述及分 析b a y e s 理论及d e m p s t e r - s h a f e r 证据推理等方法的基本概念、组成：第三章 分析船舶主机的热工参数与船舶主机的故障的相互关系，构造了信息融 合技术在船舶主机检验中的辅助决策的模型，通过确定主机目前的技术 状况以及未来的发展趋势，从而来确定主机在目前情况下是否需要拆检 的系统评估体系，详细地叙述了系统的构造、算法及结论的判定等：第四 章用具体收集某船的主机热工参数进行信息融合处理来确定船舶主机目 前所处的技术状态与该主机拆检之后的所获得的技术状态来验证信息融 合技术在船舶检验中应用的可行性；第五章是总结与展望。 1 9 小结 本章首先介绍了船舶检验中船级社及航运部门所面临的新情况，阐 述了维修制度的历史、现状及未来发展情况，确定了在船舶检验领域引 入视情维修思想的重要性，提出了视情维修就是采用状态监测及故障诊 断技术，分析了信息融合技术在船舶主机检验中应用的可行性，从而引 出了基于信息融合技术在船舶主机检验中辅助决策的这一论题，并介绍 了本项目的研究内容和实际意义，最后给出了本论文的章节安捧 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 第二章状态监测及信息融合技术 2 1 状态监测技术与故障诊断 2 1 1 故障概念 故障通常指设备在规定条件下不能完成其规定功能的一种状态，这 种状态往往是由不正确的技术条件、运算逻辑错误、零部件损坏、环境 变化、操作错误等引起的这种不正常状态可分为以下几种情况： 设备在规定的条件下丧失功能；设备的某些性能参数达不到设计要 求，超出了允许范围；设备的某些零件发生磨损、断裂、损坏等，至使 设备不能正常工作。 设备故障通常包括对象故障、仪表故障和系统故障。根据故障的发 生的性质，可将故障概括为两类：硬故障和软故障，硬故障指设备硬件损 害引起的故障，如结构件和元部件的损伤、变形、断裂等：软故障如系统 性能和功能方面的故障。 2 1 1 1 按故障发生的特点分类 1 1 渐进性 因性能逐渐恶化而发生的故障，它与材料的磨损、腐蚀、疲劳和老 化等密切相关此类故障可通过早期试验或测试来预测的故障。 2 ) 突发性 也称故障的随机性，突然发生的故障的出现通常都没有规律性。这 种类型故障不能靠早期试验和检验来预测的故障。 3 ) - 次故障 由于其他部分的故障而引起的故障。 4 1 断续性 在某一时间呈现故障状态，但其功能可自然恢复，有时反复进行的 故障。 2 1 1 2 按故障发生的时间分类 1 1 早期故障 在设备使用开始的早期时间，因设计、制造的缺陷或者由于使用条 件的不合适而发生的故障。此时设备处在磨合阶段，故障较多。 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 2 ) 偶然故障 在通过早期故障期后到达磨损故障期以前的时间内偶然发生的故 障，此时设备处在正常使用阶级，故障极少 3 1 磨损故障 由于材料的磨损、腐蚀、疲劳、蠕变和老化等原因，故障增多。此 时处在快速磨损阶段，接近大修期限阶段，故障次数增加 2 1 1 3 按引起故障的原因分类 1 ) 结构性 机器或零部件在结构上有缺陷，指设计和材料选择不当等。 2 ) t 艺性 机器在制造过程、安装过程中的工艺不良引起的问题。 3 ) 管理性 由于违反操作规程所引起。 4 1 磨损性 由于疲劳、磨损和老化现象等原因。 2 1 1 4 按故障的程度分类 1 ) 致命故障 有可能伤害人身或损坏机器的故障 2 ) 严重故障 为完成规定的功能有可能使机器原来动力性能降低的故障。 3 1 轻度故障 不会变为严重故障的轻度故障。 2 1 1 5 综上所述设备故障一般具有以下特性： 1 ) 层次性：故障一般可分为系统级、子系统级、部件级、元件级等 多个层次。高层次的故障可由低层次的故障引起，而低层次的故障必定 引起高层次的故障。故障诊断时可以采用层次诊断模型和层次诊断策论。 2 ) 相关性：故障一般不会孤立存在，它们之间通常相互依存 船舶故障对船舶机械不仅影响任务的完成，造成维修费用和运输成 本的提高，还会引起生命、财产重大损失，甚至导致海难的发生。船舶 故障性质一般可分为： a ) 船舶未停航的局部故障； b ) 船舶短时停航的故障； c ) 船舶长时间停航的重大故障； 1 4 上海海事大学硕士学位论文 信息融合技术在船舶主机检验中的应用 2 1 2 设备状态监测与故障诊断 设备状态监测与故障诊断技术是一门了解和掌握设备在使用过程中 的状态，评价及预测设备的可靠性，确定其整体或局部异常，早期发现 故障，并对其原因、部位、危险程度进行识别，预报故障的发生趋势， 并针对具体情况作出决策的技术通俗地讲，它是一种给设备。看病” 的技术。由此可见，设备状态监测与故障诊断技术包括识别设备状态及 预测发展趋势两方面内容。状态监测通常是通过监视和测量设备和部件 运行状态信息和特征参数( 例如振动、温度、压力等) ，并以此来判断状 态是否正常。例如，当特征参数小于允许值时便认为是正常，否则为异 常。还可以用超过允许值的多少来表示故障严重程度，当它达到某一设 定值时( 极限值) 时就应停机检修这个过程的前半部分就是状态监测。 有些时候，监测结果不需要作进一步的处理和分析，仅以有限的几 个指标就可以确定设备的状态，这就是以监测为主的简易诊断，也属于 诊断的范围。通常情况下，当简易诊断发现设备或部件异常时，应转入 精密诊断。此时应对异常状态进行多方面的分析，这种分析包括收集设 备运行的历史资料、对简易诊断的结果进行审核，同时进一步合理地选 择测量仪器对设备的各种参数进行监测，对监测得到特征信号进行综合、 全面的分析，以便从特征信号中提取各种征兆，对设备作出综合判断。 故障诊断是在状态监测与信号分析处理的基础上进行的，进行故障诊断 需要根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的征兆 或特征参数的变化情况，有时还需要进一步与某些故障特征参数进行比 较，以识别设备是运转正常还是存在故障。 2 1 3 船舶柴油机状态监测及故障诊断技术 2 1 3 1 船舶柴油机故障的概括“ 在第2 2 届国际内燃机会议上，s w e d i s hc l u b 保险公司发表了一篇文 献，对该公司1 9 8 8 1 9 9 7 年1 0 年间投保的船舶的船壳和机械设备索赔费用 进行了统计和分析这家保险公司的统计资料显示：船壳和设备的索赔中 1 6 9 的次数，1 1 5 的费用是主机发生的。下表是柴油机部件故障的统 计比例： 上海海事大学硕士学位论文信息融合技术在船舶主机检验中的应用 表l l 早些年船舶柴油机部件故障的统计数据 劳氏船级社中国远洋总公司 低速机 中速机低速机中速机 气缸盖 1 4 64 9 1 3 71 3 1 5 气缸套 6 14 81 9 2 1 3 1 活塞 1 1 81 0 41 9 26 5 7 气阀 2 68 53 8 42 6 3 十字头轴承 1 8 7o 27 6 9 连杆大端轴承 8 11 1 1 1 1 8 4 曲轴、主轴承3 81 3 41 1 5 23 4 2 增压器 1 2 61 1 75 7 6 3 9 4 由上述统计资料可以看出：早些年在低速机柴油机中发