□劉靖遠(yuǎn)

柴油機(jī)具有輸出扭矩大、熱效率高等顯著優(yōu)勢，是當(dāng)前船舶與海工行業(yè)的主要動力裝置。由于其工作環(huán)境復(fù)雜、條件極其惡劣，各類故障的發(fā)生將直接影響機(jī)械設(shè)備的正常工作。柴油機(jī)健康狀態(tài)評估是對故障進(jìn)行診斷、分析、維修及預(yù)測的基礎(chǔ)，為機(jī)械設(shè)備的維護(hù)提供客觀準(zhǔn)確的參考信息。因此，深入研究柴油機(jī)健康狀態(tài)評估方法對經(jīng)濟(jì)收益、安全建設(shè)等方面具有重要意義。

一、柴油機(jī)健康評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

國內(nèi)外對柴油機(jī)的性能監(jiān)測與評估僅側(cè)重于特定對象的局部功能部件、特性試驗，或單純依靠熱力參數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整。巨大的故障損失與高昂的設(shè)備維修費用推動了柴油機(jī)健康評估方法的智能化研究。當(dāng)前，科技的成熟發(fā)展與智能制造的逐步實施為柴油機(jī)健康評估方法智能化提供了堅實的基礎(chǔ)條件。其主要智能發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.在線診斷

柴油機(jī)故障診斷是結(jié)合柴油機(jī)的工作特點與歷史狀態(tài)對可獲得的信息進(jìn)行比對、分析與預(yù)測的技術(shù)。傳統(tǒng)的經(jīng)驗診斷法和現(xiàn)代儀器診斷法往往都是故障發(fā)生之后或定期對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測，未能及時將故障發(fā)生率降到最低。鑒于此，在線監(jiān)測方法應(yīng)運而生，結(jié)合故障診斷方法，柴油機(jī)的在線診斷技術(shù)符合時代的需求。

2.大數(shù)據(jù)分析

柴油機(jī)長期運行積累了大量的數(shù)據(jù)，具有數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)多樣、增速快等特點，而傳統(tǒng)技術(shù)的落后限制了這些數(shù)據(jù)作用的發(fā)揮。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，并進(jìn)一步應(yīng)用信息融合技術(shù)，通過對不同來源數(shù)據(jù)的管理、處理、分析與優(yōu)化，可提高柴油機(jī)診斷的效率和精度，減少了人工操作強(qiáng)度。

3.基于深度學(xué)習(xí)的智能診斷

傳統(tǒng)的故障診斷方法僅利用溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)使用信號處理方法對柴油機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析，但由于柴油機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，耦合故障信號多呈非平穩(wěn)、多源異構(gòu)性等特點，傳統(tǒng)故障診斷方法對數(shù)據(jù)的泛化能力較差。因此，結(jié)合歷史故障檢測經(jīng)驗與故障分析邏輯判斷的亮點，智能診斷逐步發(fā)展應(yīng)用于柴油機(jī)故障診斷中。

二、柴油機(jī)健康狀態(tài)在線評估方法

隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的日益發(fā)展和機(jī)械設(shè)備自動化、智能化程度的提高，柴油機(jī)的可靠性需求日益提高，而且設(shè)備的故障診斷、健康評估技術(shù)也不斷革新，在線監(jiān)測的方法正逐步應(yīng)用在柴油機(jī)的故障診斷方向。當(dāng)前，關(guān)于柴油機(jī)診斷的研究主要針對振動、熱力參數(shù)、油液、振聲信號、瞬時轉(zhuǎn)速等5個方面。

1.振動分析

振動分析法通過對采集柴油機(jī)的振動信號進(jìn)行分析處理來診斷柴油機(jī)振動狀態(tài)。診斷過程包括3個部分。

（1）數(shù)據(jù)采集。使用振動放大器與傳感器采集振動信號并確保信息的正確性和完整性。

（2）數(shù)據(jù)處理分析。使用信號分析技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，處理采集的原始信息，提取反映柴油機(jī)工作狀態(tài)的特征參數(shù)。

（3）狀態(tài)的診斷與預(yù)報。將柴油機(jī)維修經(jīng)驗?zāi)Ｐ突?，建立故障診斷知識庫，分析振動特征參數(shù)，進(jìn)行狀態(tài)的診斷與趨勢預(yù)報。

目前，柴油機(jī)都通過安裝振動傳感器來監(jiān)測軸系振動，使用時域、頻域分析法等方法對振動信號進(jìn)行分析處理，檢測范圍有限，且振動信號具非平穩(wěn)性。因此，使用振動分析法對柴油機(jī)進(jìn)行故障診斷的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提升。

2.熱力參數(shù)分析

熱力參數(shù)法可通過柴油機(jī)自帶的監(jiān)測儀表或者溫度、壓力等傳感器來實現(xiàn)，通過監(jiān)測柴油機(jī)工作時的示功圖、轉(zhuǎn)速、冷卻水進(jìn)出口溫度、排氣溫度、燃油壓力等熱力參數(shù)，來判斷柴油機(jī)工作時各缸燃燒質(zhì)量的好壞以及功率是否平衡，其診斷過程與振動分析相似。

3.油液分析

近年來，在線油液監(jiān)測方法與基于油液監(jiān)測的智能診斷方法成為了柴油機(jī)油液分析領(lǐng)域的研究和開發(fā)熱點。當(dāng)前，比較具有代表性的儀器有流體工況檢測儀、在線示蹤法磨粒測量儀、金屬微粒檢測儀等，可在線實時監(jiān)測機(jī)械磨損顆粒和潤滑油粘度的壓電傳感器采用磁塞監(jiān)檢查法，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。雖然油液在線監(jiān)測技術(shù)在柴油機(jī)方面已有了實際應(yīng)用，但還待全面普及。

4.噪聲信號

噪聲信號可通過柴油機(jī)工作時內(nèi)部機(jī)械產(chǎn)生的振動在聲電轉(zhuǎn)換傳輸中反映出來，通過對噪聲信號的分析來對聲源做出識別，可對柴油機(jī)各個零部件進(jìn)行健康狀態(tài)判別。噪聲信號的3種主要研究方法分別是聲功率測試法、聲壓測試法和聲強(qiáng)測試法。聲壓級和聲功率都可以用來評價柴油機(jī)輻射出噪音的大小，聲強(qiáng)積分可求得升功率，通過聲功率可預(yù)估出聲壓級。

5.瞬時轉(zhuǎn)速

多缸柴油機(jī)某個氣缸工作不正常時會使柴油機(jī)動力的一致性遭到破壞，因此可通過研究柴油機(jī)曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速波動來評估柴油機(jī)失火情況、各缸的燃燒差異，進(jìn)而獲取柴油機(jī)的工作狀態(tài)。應(yīng)進(jìn)一步通過扭振分析可確定故障所在，準(zhǔn)確對故障原因做出判斷，為基于瞬時轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)在線監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

由于柴油機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，以上單域信息的分析評估僅揭示某方面的特征，無法對柴油機(jī)進(jìn)行全面的故障特征提取及診斷，而信息不足往往會產(chǎn)生漏檢或誤判的情況，因此，應(yīng)該從眾多的方法中擇優(yōu)組合以提取出更多對故障診斷有價值的信息。同時，所選取的特征信息不僅要考慮狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性，還要考慮測量可行性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、測量成本等。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)也是驗證評估方法的保障，對柴油機(jī)進(jìn)行多域特征提取是當(dāng)前診斷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，應(yīng)充分結(jié)合各特征域及各診斷方法以發(fā)揮優(yōu)勢互補作用，提高柴油機(jī)故障診斷精度。

三、柴油機(jī)智能診斷方法

傳統(tǒng)的柴油機(jī)故障診斷依賴人工經(jīng)驗，根據(jù)維修人員的經(jīng)驗，憑視覺、聽覺以及簡單的測試工具進(jìn)行初步的故障判斷，其準(zhǔn)確性依賴于診斷人員的技術(shù)水平和實際經(jīng)驗且不利于推廣。隨著傅里葉變換、小波變換和希爾伯特變換等信號處理工具的應(yīng)用，狀態(tài)數(shù)據(jù)時頻分析技術(shù)逐漸提升，而柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間存在很多錯綜復(fù)雜、強(qiáng)關(guān)聯(lián)耦合的相互關(guān)系，且不確定性因素和不確定性信息充斥其間，使得柴油機(jī)耦合故障信號多呈現(xiàn)出非平穩(wěn)、非線性、多源異構(gòu)性和價值低密度性等特點，因此，迫切需要將信號分析、數(shù)學(xué)建模與知識處理相融合進(jìn)行耦合故障的智能診斷。

隨著傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入使數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)維度激增，數(shù)據(jù)分析與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的智能診斷方法成為未來柴油機(jī)智能診斷的必然趨勢。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析與處理，對照大量數(shù)據(jù)提取異常數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)的模型對柴油機(jī)故障進(jìn)行評估，獲取故障的主要特征和形成機(jī)理。

智能診斷方法，是將長期積累下來的故障檢測、診斷的經(jīng)驗和判斷邏輯推理的相關(guān)知識，通過利用專家系統(tǒng)、模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)模仿人類的思維判斷過程，實現(xiàn)柴油機(jī)耦合故障的監(jiān)測與診斷。目前，應(yīng)用比較成熟的智能診斷方法有專家系統(tǒng)、模糊識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及深度學(xué)習(xí)等，其主要特點和局限性見表1所列。

表1 常見的診斷方法對比

深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，通過建立深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的信息處理機(jī)制，來學(xué)習(xí)、解釋并分析學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得解讀數(shù)據(jù)知識的能力。同時，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)特征自動調(diào)整與更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，提高特征提取或者學(xué)習(xí)新知識的能力。其中，機(jī)械設(shè)備故障診斷中常見的深度學(xué)習(xí)模型如下。

1.深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network，DBN）

DBN是模擬人類大腦處理外部信號的功能、由多個限制玻爾茲曼機(jī)組成的多隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首先使用無監(jiān)督逐層訓(xùn)練的方式，有效地挖掘待診斷設(shè)備運行狀態(tài)信號中的故障特征，然后在相應(yīng)的分類器中通過反向的有監(jiān)督微調(diào)來優(yōu)化DBN的故障識別能力。

2.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）

CNN是一種有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，偏重于提取監(jiān)測數(shù)據(jù)的局部特征，并逐層組合抽象生成高層特征，針對高維監(jiān)測數(shù)據(jù)，可自動識別出影響判定的關(guān)鍵特征，進(jìn)而實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的故障診斷與識別。

3.堆棧式自動編碼器（Sparse Auto Encoder，SAE）

SAE是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，采用具有無監(jiān)督特征提取優(yōu)勢的稀疏自編碼模型來學(xué)習(xí)故障特征，有效地剔除了特征提取的干擾項，再加上適當(dāng)?shù)姆诸愖R別技術(shù)即可實現(xiàn)較高性能的故障診斷效果。

4.遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recursive Neural Network，RNN）

RNN是具有樹狀階層結(jié)構(gòu)且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按其連接順序?qū)斎胄畔⑦M(jìn)行遞歸的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，充分考慮了樣本之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可用于處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間動態(tài)行為，在基于時序數(shù)據(jù)的故障診斷中表現(xiàn)更好，適用于復(fù)雜設(shè)備的實時故障診斷。

5.生成式對抗網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Nets，GAN）

船舶與海洋工程領(lǐng)域柴油機(jī)可靠性要求較高，出現(xiàn)故障且被監(jiān)測到的案例較少，故障狀態(tài)的樣本缺乏會導(dǎo)致模型的訓(xùn)練難以進(jìn)行。GAN是一種復(fù)雜分布上無監(jiān)督學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)模型，以獨特零和博弈與對抗訓(xùn)練的思想生成具有相似特征的樣本，可部分彌補故障診斷訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足的缺陷。

四、結(jié)語

基于深度學(xué)習(xí)的柴油機(jī)智能診斷方法已有不少相關(guān)研究且已取得不錯成果，但以當(dāng)前深度學(xué)習(xí)方法的評估過程可見，要想實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的設(shè)備健康狀態(tài)評估，必須建立在充足可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上。建立設(shè)備健康評估驗證所需的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平臺，提供有效測試數(shù)據(jù)是評估與驗證設(shè)備健康方法的基礎(chǔ)。因此，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析解決數(shù)據(jù)樣本的問題，基于深度學(xué)習(xí)的柴油機(jī)智能診斷方法還有待進(jìn)一步研究。