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摘要：隨著經濟的不斷繁榮發展，貿易交流日趨成熟，水運海航線的發展也就不可避免，船舶的功能就被最大化的挖掘出來。談到船舶的發展，不可不提其動力的支撐點———柴油機，在船舶的航行中，柴油機提供了船舶交通航行的前行的動力支持。因此在船舶開始航行前對柴油機系統的維護與研究不可缺失，以此希冀避免在航行進行過程中，突發性障礙情況的發生。本文對船舶柴油機的監測和故障診斷技術進行簡單論述，在情況分析的基礎上希望能對實際的航行中有所幫助。

關鍵詞：船舶航行；柴油機；檢測故障；故障診斷

0引言

船舶進行運輸離不開動力的支持，柴油機通過柴油的化學轉化釋放能量，推動船舶航行的順利進行，故而對柴油機的檢測和故障診斷決定了船舶航行的正常進行。只有保證柴油機監測得當、障礙診斷準確超前，才能助力航行。本文接下來介紹的柴油機監測與故障診斷技術研究將著重分析現有技術的發展與應用，通過對科學準確故障技術的應用，保證結構復雜的柴油機的順利運行。

1國外柴油機監測與故障診斷技術的發展回顧

國外柴油機的研究早于中國，其中尤其以美國的研究為主要發起對象，截至到上世紀六十年代，已經成立了專門的研究所；上世紀八十年代，美國已經建立起專家診斷系統，伴隨著經濟全球化的發展，其它國家如英國、日本、以及西歐的國家也相應地開展了故障診斷的研究，至此，全世界范圍內對航海事業的重視被提到顯而易見的地位。

1.1柴油機模型的模擬

柴油機的模型建立是進行故障模擬的實驗條件，只有模型的成功建造，才能夠對故障的程度和變化情進行演練。首先進行的模擬式噴油管和排氣管的故障假設，通過對氣路的模型，模擬了排氣管泄露、噴油管低效的研究報告，采用到了當時相對較為前衛的敏感度分析和閾值分析，獲得了精確的實驗數據和報告成果，為后世的研究提供了優良的先決條件。相對于時頻的方法而言，這種方法更具有簡單迅速的效果特點[1]。

1.2柴油機廢棄循環的故障診斷

另一個實驗是建立在神經網絡的基礎上，針對廢氣再循環的流量障礙，實驗的變量控制室是單故障和多故障，測取的數據以包括表面的振動信號和排氣的實時溫度，針對這兩種數據的檢測可以獲得疊加的實驗數據，并通過稀疏線性判別分析能夠得到多重故障的診斷。這種網絡結構配合變量的形式也為信息化網絡的建構奠定了前人基礎。并對噴氣燃油的故障和閥座沖擊的數值也能夠做到良好的警示預測功能。

1.3失火的診斷

采用瞬時轉速信號能夠對突發性火勢進行精密監控，瞬時轉速信號對頻域的分析提供數據支撐，且對失火缸進行精準的的定位，節省了尋找火災源頭的時間，為故障的高速解決節省了寶貴的時間，防止火災的進一步蔓延。曲軸瞬時轉速的波動性在峰值表現上能夠對失火故障進行診斷和定位，并借助其他手段如振動信號的小波轉換進行頻率帶的分析，從而得到各種信息的融合，如壓強、溫度、峰值、聲音、熱能釋放等等方面。

1.4其他類型

日本研發的SUPERASOS系統和挪威的kyma公司也在前人基礎上結合實踐進行了各種豐富的方法進行故障診斷，這些國家優越的海域條件決定了船舶柴油機發展的經濟推動管理，同時各種模糊推理方法和信號處理也為各國的發展奠定基礎。

2我國船舶柴油機監測與故障診斷技術的基礎檢測和診斷技術

截止到20世紀50年代，在新建造的船舶中，柴油機幾乎完全取代了蒸汽機的地位，成為被廣泛應用的動力機器，船用柴油機已是民用船舶、中小型艦艇和常規潛艇的主要動力。在此階段，受科技和時代的發展限制，船舶柴油機的故障檢測和診斷主要以人工的方式進行排查，此方法耗費人力較多，且受各種實踐因素影響，具有較大的誤差，但卻是船舶柴油機發展必經的歷史階段，其監測與故障診斷技術研究也為進一步的發展取得豐富的資料參考。對船舶柴油機初步的監測和診斷是建立在初步船舶航行的基礎上的，在此階段中，船舶的構造已趨完善，但結構相對后世而言較為簡單，因而技術的檢測較為初級。所需動用的專業設備數目也較低，但卻為技術的不斷精進提供了類似實驗數據般的寶貴經驗。

2.1瞬時轉速波動法

瞬時轉速會對柴油機的運行造成輕微影響，但這種影響有屬于自己的安全波動范圍，當正常的工作時，各缸的波動保持在一定范圍內，且具有規律性。當柴油機缸內出現障礙而導致瞬時波速停止時，對波速的規律檢測就會出現異常，因而柴油機的障礙狀態就能夠被快速識別并報告[2]。這項技術立足于對柴油機運行的狀態，通過系統的運行監測，缸內的瞬時轉速數據就能夠為分析整體的柴油機動力系統狀況提供直觀可靠的數據。在實踐中固然能夠高效地發現障礙的產生，并進行工作質量、工作狀態的評定，但是只能作為檢測手段，且無法再進一步找出引發障礙的具體原因。因而在應用中對角速度的體現不夠明確，需要更為精準的方式。

2.2油液磨粒分析法

油液磨粒分析依據的是潤滑油的磨粒狀況進行分析，通過對油品化驗、鐵譜分析和含鐵量檢查等內容。對潤滑油中的磨粒濃度、形狀大小以及油質的含鐵量進行檢測，以此來進行柴油機的故障認可。一般油液的分類包括油液本身液體的分析和油液內不潔物的分析，對其中元素的檢測可以看出柴油機的磨損情況。例如：柴油機大部分部件都為金屬材質，對其中鐵含量的磨損可以初步判斷金屬器件的受磨損情況，但是對于同時存在多種器件的情況下，僅憑借元素含量無法判斷具體的摩擦部位。在結合鐵譜和光譜技術的情況下，鐵譜能夠揭示出磨粒的形狀、大小和差別成分，光譜較之鐵譜在反應有色金屬的能力上占有優勢，兩部分相配合，能夠獲得互補的效果。

2.3熱力分析法

熱力分析的應用原理是工作部件的熱力狀況，熱力的參數含義復雜，不僅包括氣缸壓力、排氣溫度，還有轉速、冷暖口溫度等等，這些參數離不開示功圖最豐富的數據指示，如指示功、壓縮壓力、壓力變化率比等。柴油機工作時對顏料燃燒的好壞程度以及各個缸的功率具有直觀的指示效果，但是精準的檢測憑借的是精準的測量，示功圖的測量難度較大，而且壓力傳感器的壽命相對較短，更新周期快也成為了熱力分析的弊病[3]。作為彌補遺憾的熱力測錄法，對于公示圖的獲取能夠加以改良，其中直接測錄法能對缸內壓力被曲軸轉角變化進行實時監測，而間接測錄法能夠對柴油機的其他信息進行計算，因而改良效果相對顯著。

2.4振動分析法

基礎的物理知識講到，物體的振動會產生運動的信號，在柴油機的工作中，也相對應的必然產生振動信號，振動分析法依據的就是這類信號。通過振動信號的采集和歸納分析，進行故障的檢測結果。因此首先在信號的采集中，數據的準確性至關重要，類似于實驗數據的采集，只有源頭數據發生偏差，那么“失之毫厘，差之千里”帶來的將會是結果的廢棄。其次在信息的處理中，震動的信息轉變為數字化的參數，借助的信息分析技術不可或缺，在此階段離不開專業的數據分析能力；最后一方面是判斷柴油機的工作狀態，信息的成果與柴油機的使用習慣所造成的運轉狀態、維修歷史以及診斷等進行分析判斷，進而得出故障狀況的判定，快速準確地完成檢測任務，得出結果。

3目前廣泛應用的船舶柴油機監測與故障診斷技術

新世紀的技術伴隨著信息化、智能化的特點，機械的智能化能夠解放人類簡單機械的勞動力，以機械抽樣檢查和網絡程式化分析數據的新型技術已經取代舊有的技術手段。人工經驗逐漸被社會所淘汰，現階段的信息化技術成為航行的必備，它不僅能夠節省人力成本，還能夠提高工作的效率和準確性。常用的幾種船舶柴油機監測與故障診斷技術如下：

3.1依托專家團隊

有專家團隊的智力做后盾，作為智能化的計算機處理程序，船舶柴油機故障專家系統由信息的儲存和展示兩部分構成，具體的結構分為推理機、知識獲取部分、知識庫和解釋部分四部分構成。首先需要做的是將專家掌握的信息進行數據庫的建立，將有關專家的知識儲備通過數字化的手段進行網絡的儲藏，為其他非專業人士或者接觸較少的人員進行數據信息的索引做準備；其次是在專家知識的教育過程中做好對專家思維的模仿和還原，只有這樣才能帶入到柴油機的故障診斷中，提高辨識度和專業化；但是在問題解決后也要注意對知識庫進行更新，與時俱進，發展新的具有代表性的案例，只有這樣才能不斷推動其他人員的診斷水平，進而推動全行業的發展。

3.2依托神經網絡

神經網絡具有的突出優點是非線性映射能力，非線性映射能力能夠處理復雜多變的任務，這一點十分契合柴油機結構復雜的特點。神經系統同樣立足于計算機技術的發展，智能化的多層次網絡在處理柴油機的故障中具有高效性。神經網絡首先需要進行故障診斷，在進行故障診斷中必不可少的是參數輸入層和輸出層的建設，柴油機在實踐運行中的關鍵參數是輸入層的主要內容，與切實故障產生的輸出層構成差值，在二者的輸出權值的比較中得出是否出現故障的診斷的判斷結果。第二個方面是利用人工網絡技術進行信號的進一步處理，柴油機在運行過程中產生各種復雜的信息，在進行信息的收集之后必然要進行的是信息的簡單處理，以得到有價值的信息；最后進行的是依據信息進行故障的診斷，其中模糊神經原理具有高效的處理能力，它能夠結合識別、學習、聯想和處理于一體，節省了無用功，因而對于船舶柴油機監測與故障診斷有準確高效的能力。

3.3依托遠程故障

該系統建構的平臺是無線ip的應用，通過對船載監控的信號的分析，在通信手段的不斷提高下將船舶的航行狀況與陸路系統相連合，以達到能夠發現早期故障的能力，該系統對于在海域海洋進行施工作業的船舶具有獨到的優勢。遠程故障系統的成功離不開區域網的建設，通過區域網連線能夠做到對實際航行的航船進行數據的實時分享，尤其是對自動化設備的控制和檢測，可以為航行提供更為全面的保駕護航工作。但是遠程故障系統的弊端在于對單條船舶的控制檢測能夠做到，但對于同時段的多種不同運載信息和型號的船舶無法全面分析，應對此弊端就離不開網絡化的硬件設施的建設，隨著網絡通信的不斷發展，3G、4G、5G網絡的無線建設取得較高成績，機務人員可以同時通過對不同船舶的運行進行參數的分析，并與船載系統進行信息的交匯和傳遞，從而優化船舶的運行方式基于最全面的考慮作出最正確的決策。

4船舶柴油機監測與故障診斷技術的未來發展展望

現代技術的發展日新月異，具有典型代表性的測量技術、信息化網絡技術、自動化技術不斷提高，推動診斷技術的不斷智能發展和精密發展。

4.1堅持人工智能為核心的智能化診斷

就目前的發展狀況來看，傳統船舶的柴油機檢測和故障診斷技術在智能化的發展方面還存在著很大的空間，盡管依據專家的系統構建已經日趨完善，人工神經和模糊診斷的能力也在不斷提高，但是相對與智能化而言，還不夠緊密和系統，在應對較為復雜的船舶運行情況時就顯得余力不足。智能化的發展側重是為了應對不斷復雜的航行狀況和種類日漸增加的故障類型。一方面，需要加強信息捕捉和檢測的手段，對故障產生的信息信號進行全面的采集，借助神經系統的構建可以多手段、多措施地為接下來的智能化診斷進行必備的信息數據讀取。另一方面是與已有的知識信息庫相結合，尤其是專家系統，它的應用可以為船舶故障的診斷提供強大的智力支持和理論支撐，專家經驗多為系統化的理論，在診斷速度和據情況而言的具體舉措中還不夠精確，知識庫不僅對理論，而且對于解決的實例也要進行收納與整理。對網絡的信息進行歷史性的學習和總結，不斷推動網絡的智能化分析功能。

4.2堅持數據與技術的結合發展

現代船舶的系統已經十分精密復雜，因此數據的采集和存儲技術具有龐大的知識庫，概率神經元網絡是一種利用線性的方式處理非線性問題的網絡神經，這種網絡的結構簡單但是精準度高，在機械設備的診斷中經常用到，尤其是輸入層、模式層、求和層和輸出層四部分對于數據的處理能夠高效化。數據庫為診斷技術提供簡明扼要的數據目標，結合診斷技術，進行無用信息的篩選可以成為新數據庫的建構目標，數據為技術提供信息的支持，技術為數據提供改進的方向指導，這樣一來，可以大大節省信息和技術的無用功，最高效的優化數據處理模式，尤其是數據的存儲和讀取技術，廉潔高效，更能為故障技術的診斷提供典型的范例指導。

4.3堅持學習國外先進的理論研究

只進行本國內的船舶柴油機檢測與故障診斷技術的發展，而不進行其他國家的學習是封閉的。在國外的檢測系統中，COCOS-EDS監測系統是船舶航行情況檢測的重要系統，它有數據領域的四個功能，分別能對數據的記錄、檢測、診斷和趨勢分析進行工作，尤其是對渦輪的增壓系統和空氣冷卻器的運行具有顯著成效，其他方面還對燃油濾器進行狀態的評估和檢測，對于船舶的故障診斷提供合理可靠的安全保障。另一個系統是warlsiaMAPEX系統，此系統側重的是柴油機系統的溫度、油溫以及燃燒值的統計計算，它的工作經過三個方面，首先在油溫的操縱中，可以借助油溫操縱系統進行船舶運行過程中的溫度檢測，著重表現的是主活塞運動的運行狀態，并通過生成數據曲線對決策者進行數據的支撐；然后再進行溫度差的掃描，確定溫度的峰值和峰谷，確定運行的安全范圍；最后進行液壓值的確定，推斷柴油機的燃燒值，將壓力值進行數據加工，通過壓力值的提升和降低檢驗柴油機的耐用性，進而避免機械做工的失效性。

4.4加強對典型故障的軟件開發

實際的船舶運行情況固然千變萬化，但是在故障的初步發生中，總會存在著共同之處，因此對典型故障的系統化總結就顯得具有很強的必要性，目前已成形的針對典型故障診斷的軟件有labview，這是由美國科學家研發的應用程序，不僅在船舶的航行應用中，在其他工業也被廣泛應用，它是一個全面的采集軟件，主要采用G語言來替代文本的表現形式，從而獲得了更具形象化的表現手段。它通過對數據的采集和儀器的控制進行故障分析，在檢測界面首先進行實時的顯示和故障認定的報警，同時提供基礎的解決方案，在問題結束后還會對此進行數據的儲存和文件的管理。

5總結

經濟的全球化要求國際交通的便捷發展，地球過半的海洋環境是發展航海的先決條件，因此建設船舶航行不可避免，船舶在其運行的航程中離不開強勁的動力能源，柴油機是目前航船動力的主要提供者，因而柴油機的規范使用和維護處理直接關系到航行的狀況。因而保證船舶的運行，必不可少的要對柴油機進行硬件設施的完備檢測，本文從柴油機監測與故障診斷技術現狀入手展開論述，加以對發展趨勢的展望，希望能夠推動該技術的進一步應用和可持續發展。

參考文獻：

[1]孫飛.船舶柴油機監測與故障診斷技術現狀及發展趨勢[J].科技風，2018（29）：145.

[2]王堅.船舶柴油機監測與故障診斷技術研究[J].內燃機與配件，2018（01）：152-153.

[3]高偉沖.船用柴油機典型故障分析與診斷技術研究[D].哈爾濱工程大學，2016.

作者:萬云 單位:深圳華威近海船舶運輸股份有限公司