基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，包含：操纵系统、动力系统和负载系统，所述船舶主推进系统根据转速波动率、转动方向和转速得到的各参数的变化规律来表征操纵系统的工作状态；用主机的热力工作过程参数来表征动力系统的工作状态；存储器，一个或多个处理器；以及一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并配置成由一个或多个处理器执行以完成以下故障类型判断以及对机舱系统进行综合评估的过程。本发明专利技术结合常规热工参数的分析，并具有通过振动信号的巡检监测其运动部件的机械状态，避免重大的突发性事故，实现对机舱环境、轮机员素质和船舶管理水平进行综合评估。

【技术实现步骤摘要】
基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统
本专利技术涉及船舶建造
，特别涉及一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统。
技术介绍
船舶在正常航行过程中，主机、发电机组以及机舱中其他设备的工作状态和参数都在不断地变化，为了能随时了解设备的运行情况，需要一套实时性强、工作可靠的机舱监视报警系统。当设备的运行参数超过某一预先设定的极限值时，能发出声光报警提醒值班轮机员，可以提高故障预防能力及缩短排查处理故障的时间。现有的船舶机舱监测报警系统通过采集主、副机的温度、压力、转速、流速、油雾浓度、各油水舱的液位等信号来监视整个机舱各种设备的工作情况，当运行设备发生故障时，会自动发出声光报警信号并进行报警打印记录，相关的参数信息全部都显示在集控室的监视屏上。这样，值班轮机员不需要到机舱进行巡视，只要在集控室内就可以了解机舱所有设备的运行状态及其参数。对于无人值班机舱，机舱监测报警系统还可将机舱故障报警信号分组后延伸到驾驶台、公共场所、轮机长及值班轮机员的住所。一个完整的监视报警系统由三大部分组成：(1)分布在机舱各监视点的传感器；(2)安装在集中控制室内的控制柜和监视仪表或监视屏；(3)安装在驾驶台、公共场所、轮机长和轮机员居室的延伸报警箱。船舶机舱监视报警系统一般都具备(1)数据采集和转换；(2)声光报警；(3)参数与状态显示；(4)打印报警记录；(5)报警延时；(6)延伸报警这几种功能。尽管船舶机舱监测报警系统的发展历程已经历了四个阶段：即常规仪表监测阶段；电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控阶段；以微机为基础的集散型监控阶段；基于现场总线技术的机舱监控系统与全船自动化系统联网监控阶段，但它的基本功能仍然是参数的超限报警。实际上，船舶机舱是一个集机、电、热、液为一体的复杂系统，故障激发源多，监测参数量大，关系错综复杂，且受到船体状况、航行条件、主机运行工况等因素的影响，仅仅依靠参数的超限报警是很难判断设备具体的故障部位，特别是船舶柴油主机、发电柴油副机等重大设备。以柴油主机排气温度为例，常规的监测报警系统只有50℃温差报警，而温差过大既可能是燃油泵磨损引起的，也可能是喷油器滴漏引起的，或者是排气阀漏气等故障。又如250℃的排气温度，对于低工况来说是属于排温过高，对于高工况来说又是低温。这些都是常规的监测报警系统所无法解释的，需要依靠轮管人员的经验判断。而对于柴油机的气阀机构、活塞组件、连杆-曲轴等运动件以及辅助机械的泵浦，需要结合振动分析来判断，这是一般轮管人员无法做到的。现有技术中，船舶机械设备种类繁多、数量很大，要全部实现振动的在线监测，需要安装大量的振动传感器，使系统成本很高，长期在线监测可靠性也难以保证。特别是船舶设备的机械故障大多数是渐发性故障，也没有必要进行长期的实时监测。现有的船舶机舱监测报警系统只能提示超限的报警参数，不能给出设备明确的故障信息；缺乏设备振动信号的监测内容，特别是船舶柴油主机、发电柴油副机、空压机、泵浦、分油机的振动监测；没有考虑船舶航行条件和人员素质对安全的影响因素，对船舶机舱的状态评估不够全面。目前远洋船舶正向着大型化、高速化、少人化、智能化方向发展，船员将面对更为丰富的信息交互和更加复杂的人机界面，对人的信息处理能力将提出更高的要求，对人的认知能力极限将提出更大的挑战，矛盾将越来越突出，现有的监测报警系统已无法适应现代大型远洋船舶状态监控的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，通过将船舶主推进动力装置的分层诊断模型、船舶柴油机振动载荷的识别模型、船舶泵浦等回转机械的振动巡检方式和机舱系统综合安全评估模型应用到船舶机舱监测报警系统中，对机舱设备进行故障分析和诊断，对机舱的安全状态进行全面和综合的评估，解决了复杂船舶机舱系统的信息分析和故障源识别的难题，大大提高船舶机舱系统的运行安全的目的。为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，包含：操纵系统、动力系统和负载系统，所述船舶主推进系统根据转速波动率、转动方向和转速的变化规律来表征操纵系统的工作状态；用主机的热力工作过程参数来表征动力系统的工作状态。所述船舶主推进系统根据主机有效功率Pe与转速n的关系指数CP＝Pe/n3，或者根据主机油门位置S与转速n的关系指数CS＝S/n2表征负载系统的状态。存储器；一个或多个处理器；以及一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并配置成由一个或多个处理器执行以完成以下程序步骤：建立船舶柴油机以及船舶泵浦振动监测载荷识别模型；利用柴油机运动学和动力学的知识，建立内部结构故障与表面振动信号激励载荷关系，通过采用时域或频域激励力识别法从柴油机表面振动信号中识别振动载荷。基于船舶泵浦振动的振动样本进行快速傅里叶变换，得到振动信号频谱图，根据振动信号的频谱图确定故障类型。采用线性加权综合法的线性模型对机舱系统进行综合安全状态评估。优选地，所述操纵系统包括以下子系统：启动系统、换向系统、调速系统、遥控系统和安保系统，各个子系统实时向所述船舶主推进系统提供转速波动率、转动方向和转速参数。优选地，所述动力系统包括以下子系统：燃烧系统提供热力工作过程参数；燃油系统提供高压燃油管压力波形数据；冷却系统提供冷却水进机压力、温度和流量数据；润滑系统提供润滑油进机压力、温度和流量数据；传动系统提供表面局部振动和轴系扭转振动数据。优选地，所述负载系统包括：船体、螺旋桨和航行环境；所述负载系统向船舶主推进系统提供功率关系指数和油门关系指数信息。优选地，所述一个或多个处理器执行建立船舶柴油机振动监测载荷识别的程序时还包含以下过程：采用振动检测仪对新装船舶柴油机进行标准建模采样和特征值提取，作为检测待测船舶柴油机振动状态的振动标准值Yrms0(Ni，Sj)；Yrms0(Ni,Sj)＝(D2+D3+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(1,1)/3+(D1+D3+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(2,2)/3+(D1+D2+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(3,3)/3+(D1+D2+D3)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(4,4)/3其中：Xrms0(i)为振动检测仪采集的M个振动信号的均方根值，i＝1，2，…，M；Ni为船舶柴油机转速，Sj为船舶柴油机油门开度，j＝1，2，…，M；Xrms0(1，1)，Xrms0(2，2)，Xrms0(3，3)，Xrms0(4，4)为M个现场特征值Xrms0(i，j)中最靠近(Ni，Sj)的4个特征值；待测船舶柴油机的各个振动测点的振动特征值Xrms通过如下公式进行计算：式中，N＝T/fs点(Xi，i＝1,2,3，…，N)为待测船舶柴油机的每个振动测点的采集点数；fs为每个振动测点采样频率，T为船舶柴油机的工作周期；待测船舶柴油机的各个振动测点的振动特征值Xrms与对应的振动标准值Yrms0(Ni,Sj)比较；当Xrms＜1.5Yrms0(Ni,Sj)时，则该待测船舶柴油机处于正常状态，当1.5Yrms0(Ni,Sj)≤Xrms＜2.5Yrms0(Ni,Sj)时，则该待测船舶柴油机处于较为严重状态，当Xrms≥2.5Yrms0(N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，包含：操纵系统、动力系统和负载系统，所述船舶主推进系统根据转速波动率、转动方向和转速得到的各参数的变化规律来表征操纵系统的工作状态；用主机的热力工作过程参数来表征动力系统的工作状态；所述船舶主推进系统根据主机有效功率Pe与转速n的关系指数CP＝Pe/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，包含：操纵系统、动力系统和负载系统，所述船舶主推进系统根据转速波动率、转动方向和转速得到的各参数的变化规律来表征操纵系统的工作状态；用主机的热力工作过程参数来表征动力系统的工作状态；所述船舶主推进系统根据主机有效功率Pe与转速n的关系指数CP＝Pe/n3，或者根据主机油门位置S与转速n的关系指数CS＝S/n2表征负载系统的状态；存储器，一个或多个处理器；以及一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并配置成由一个或多个处理器执行以完成以下程序步骤：建立船舶柴油机以及船舶泵浦振动监测，利用柴油机运动学和动力学的知识，建立内部结构故障与表面振动信号激励载荷关系，通过采用时域或频域激励力识别法从柴油机表面振动信号中识别振动载荷；基于船舶泵浦振动的振动样本进行快速傅里叶变换，得振动信号的频谱图，根据振动信号的频谱图确定故障类型；采用线性加权综合法的模型对机舱系统进行综合安全状态评估。2.如权利要求1所述的基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，所述操纵系统包括以下子系统：启动系统、换向系统、调速系统、遥控系统和安保系统，各个子系统实时计算所述船舶主推进系统提供转速波动率、转动方向和转速参数。3.如权利要求1所述的基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，所述动力系统包括以下子系统：燃烧系统，其利用所述动力系统提供的热力工作过程参数；燃油系统，其利用所述动力系统提供高压燃油管压力波形数据；冷却系统，其利用所述动力系统提供的冷却水进机压力、温度和流量数据；润滑系统，其利用所述动力系统提供的润滑油进机压力、温度和流量数据；传动系统，其利用所述振动检测仪提供的表面局部振动和轴系扭转振动数据。4.如权利要求1所述的基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，所述负载系统包括：船体、螺旋桨和航行环境；所述负载系统利用船舶主推进系统提供的功率关系指数和油门关系指数信息。5.如权利要求1所述的基于模型的智能型船舶机舱监测报警系统，其特征在于，所述一个或多个处理器执行建立船舶柴油机振动监测载荷识别模型的程序时包含以下过程：采用振动检测仪对新装船舶柴油机进行标准建模采样和特征值提取，作为检测待测船舶柴油机振动状态的振动标准值Yrms0(Ni，Sj)；Yrms0(Ni,Sj)＝(D2+D3+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(1,1)/3+(D1+D3+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(2,2)/3+(D1+D2+D4)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(3,3)/3+(D1+D2+D3)/(D1+D2+D3+D4)×Xrms0(4,4)/3其中：Xrms0(i)为振动检测仪采集的M个振动信号的均方根值，i＝1，2，…，M；Ni为船舶柴油机转速，Sj为船舶柴油机油门开度，j＝1，2，…，M；Xrms0(1，1)，Xrms0(2，2)，Xrms0(3，3)，Xrms0(4，4)为M个现场特征值Xrms0(i，j)中靠近(Ni，Sj)的4个特征值；待测船舶柴油机的各个振动测点的振动特征值Xrms通过如下公式进行计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：胡以怀，郭慧茹，吴长杰，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31