基于故障树理论的船舶柴油机故障诊断系统的开发与测试

王凯*，奚博文，王玉宝，顾鼎锡，刘英杰

（1.沪东重机有限公司，上海浦东，200129；2.江苏科技大学，江苏镇江，212003）

基于故障树理论的船舶柴油机故障诊断系统的开发与测试

王凯1*，奚博文1，王玉宝1，顾鼎锡2，刘英杰2

（1.沪东重机有限公司，上海浦东，200129；2.江苏科技大学，江苏镇江，212003）

随着国内海洋装备的大力发展，大功率船舶柴油机故障诊断系统越来越受到重视，目前国内所研发的故障诊断软件大部分还停留在仿真模拟阶段，并未在船舶柴油机上进行联调试验，这使得国内的故障诊断技术停滞不前。本文所介绍的软件是在前期故障诊断系统的基础上，开发了所配套的故障诊断软件，软件采用故障树理论，层层递进，逐个分析，所有的故障报警点均基于柴油机各个工况下的实际值总结而来，具有较高的可靠性，且报警点的设置界面灵活，可使用户随时修改。实际试验表明，本故障诊断软件配合故障采集系统能处理各种不同的故障类型，适用性强。

船舶柴油；故障；诊断；软件

引言

随着我国“走向深蓝”的提出，我国的海洋装备正处于近海到远海的转型期，海洋装备保障领域日益的受到重视。提高柴油机的维护保障问题，必须依托全新的故障诊断系统的开发建设，柴油机的保障需要故障诊断系统。PA6系列柴油机在我国船舶应用广泛，开展PA6柴油机故障诊断系统的开发具有典型意义，可以为各类柴油机故障诊断系统提供基础性参考。

研究柴油机故障诊断系统，可根据故障征兆信号作出预警，并给出检查及维修建议，为形成柴油机维修技术，提高大功率柴油机维修技术能力，实现快速、精确的柴油机维修奠定技术基础。

1 故障诊断系统的组成

在实现故障诊断之前，必须采集柴油机的各项实时数据，因此，系统由柴油机信号模拟器、现场信号采集柜、状态监控和故障诊断计算机三部分组成，结构如图1所示。

图1 柴油机故障诊断系统结构图

信号采集系统包括柴油机信号模拟器、柴油机信号采集柜及柴油机故障检测与诊断系统，在联调试验时，因集控台本身带有监测系统，所以不能直接从柴油机本体上采集数据信号，只能通过柴油机模拟器将集控台的信号进行转发，从而将柴油机的实际信号输入柴油机故障诊断系统中。

用于船用大功率柴油机故障诊断系统的故障诊断软件基于故障树分析方法，故障树分析法是一种以寻找故障发生的可能原因为目的的由上至下的分析方法，不仅能够进行系统的可靠性分析，而且还可以应用于系统发生故障或事故时的原因调查分析，或者作为排除故障的良好的工具。对于一个柴油机这样复杂的系统来说，寻找某一故障发生的原因是相当困难的，借助故障树所建立起来的逻辑图进行故障分析，就可以非常好的解决这一问题。

2 船舶柴油机故障诊断软件

2.1 故障分析法

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA），在可靠性工程领域中是进行系统分析的一种重要而有效的方法，该方法于1961年由美国贝尔实验室H.A.Watson首先提出，后作为可靠性和安全性分析工具在航天、核能等领域获得广泛应用。近几年，故障树分析法在我国也引起广泛的重视，在化工、核能、电子工业等领域的应用已经取得显著成果。

对于船舶柴油机系统所建立的故障树一般均为单调关联的，所谓单调关联的故障树意味着它仅由或门和与门组成，且所有的底事件可以包含重复事件，但是这些事件都是相互统计独立的。用布尔代数可以表示事件之间的逻辑关系，直接由布尔代数表示的故障树可以经过布尔运算化简，从而得到故障树的最后布尔表达式，它是基本事件（底事件）的乘积之和表达式。每一个基本事件的乘积项称之为故障树的最小割集（MCS），即系统的故障模式，故障树的定性分析的任务就是求出故障树的全部最小割集，由于全部最小割集反映了系统的全部故障模式，所以全部最小割集的集合又称之为系统的故障谱。通过对故障谱的分析，可以找出系统的薄弱环节，提高系统的可靠性与安全性。

由于故障树分析方法发展历史长，技术成熟，经验数据丰富可靠，采用确定性推理能够保证系统的诊断质量。所以本故障诊断系统采用了确定性推理方法和基于事例的推理方法。确定性推理是指由一个或一组前提必然地推导出某个结论的过程，这种方法诊断结果准确可靠。基于事例的推理就是将过去成功的事例存入数据库中，遇到问题时，在数据库中寻找类似的过去事例，利用类比推理的方法，得到最终的结论，这种方法更有利于知识的扩充。

考虑到故障树是一种逻辑关系图，本文中采用的是正向推理方式，试验表明，该推理方式效率高，速度快。

该故障诊断系统开始的时候总是依据节点的入口条件进入某一个节点，用户从已选的节点根据提示一步一步完成诊断。如果用户没有选择某一入口条件时，系统就默认从第一个节点开始往下进行，用户只能从第一个节点开始依据提示往下判断，而在当前节点的节点事实（船舶柴油机显现出来的故障征兆和一些必要的检查、试验、测试等）决定了下一个诊断节点，也就是决定了诊断的流向。当前节点的这个作用称为当前节点拥有节点控制权，诊断节点的变化称为节点控制权转移。

图2是该故障诊断系统的分析流程图，图中显示了节点控制权转移和诊断与推理结合的情况。

图2 船舶柴油机故障诊断系统的分析流程图

在故障诊断的过程中，首先要判断入口条件，如果入口条件为真，即该条件被用户选中时，则进入下一个环节，系统就会进入此节点（被用户选中某一个入口条件所在的当前节点）；然后判断该节点属性，如果是提问节点，则依据提示判断下一节点是肯定节点还是否定节点，并做出正确判断，进入下一个节点。无论进入的是哪一个节点，系统重新判断该节点的属性，如果还是提问节点，则重复前一个过程，就这样不断的判断下去，直到无记录为止。如果系统判断出某一节点是结论节点，则系统显示该节点字段中的内容，此字段中的内容即为最终的结论，而不需要进行下一步的判断。

2.2 故障诊断软件的基本结构

故障诊断软件，其核心思想是在测试诊断知识的引导下，根据发生的故障征兆和测试结果，对测试对象进行判断，判断出故障所在的部位。诊断过程的实质就是对诊断知识库的搜索过程，对基于故障树诊断来说就是对故障树的搜索过程。

为此，本故障诊断系统采用基于规则的产生式系统，并在开发本系统时，主要用以数据库为载体的构造模型，用Visual C++程序设计语言构造推理机。根据传统专家系统的基本结构，并考虑到该故障诊断系统的实际应用环境，本文所开发的故障诊断系统的基本结构如图3所示。

图3 船舶柴油机故障诊断系统的基本结构

在本故障诊断系统中，故障数据库用来存放输入的原始事实、中间结论和最后结论。故障推理机则利用故障数据库的知识进行推理。故障诊断结论则显示最终系统的诊断结果，即给出系统故障的原因所在。

解释数据库则存放解释信息，即向用户解释得到此结论的推理过程，用户不仅能够明白产生此故障的前因后果，而且还能学习很多的专业知识。

此外，本船舶柴油机故障诊断系统还能向故障数据库中添加新的原始事实、中间结论和最后结论，即添加新的故障事实、产生该故障的原因、最后得出的正确结论及推理路径，并在相应的解释数据库中添加新的解释内容。也就是说，可以不断丰富、补充原有故障树。

在人机接口界面中用到的知识库和用于保存推理过程中产生的中间结果数据库以及读取和存储传感器数据的数据库等，都需要在SQL Server中设计相应的数据表。整个系统主要包括以下数据表：传感器属性库、数据记录库、逻辑规则库、对策库、故障记录等。图4和表1-表6给出了整个故障诊断的数据库结构和用到的数据表。

图4 数据库表

表1 故障逻辑库表

表2 传感器限值表

表3 故障对策库

表4 故障记录库

fault_time 故障时间 nvChar 14 NO fault_state 故障是否确认 Char 1 NO fault_re_time 故障确认时间 nChar 14 YES fault_class 故障分类 Char 1 NO

表5 数据记录表

总之，本故障诊断系统的基本结构能够满足故障分析软件的各项功能要求，并能够逐步完善其功能。

2.3 故障诊断软件的界面

2.3.1 主界面

主界面左侧可同时显示4个量的变化曲线，并可以根据比对需要，通过下拉框选择任意需要显示的通道值。主界面右侧显示故障报警，并按照级别分色显示。如图5所示。鼠标点击数据曲线，可显示该光标处曲线数值及时间，如图6所示。

图5 故障诊断主界面

图6 光标处曲线数值及时间

2.3.2 故障知识库维护界面

图7 故障知识库维护界面

界面左边为逻辑树的显示，右边为逻辑数据的输入。

新建测试点：用于建立“或”关系，点击选择逻辑树某一节点后，点击“新建测试点”按钮后输入“测试点参数”，保存后，新的测试点将和树上选择的节点建立“或”关系。

增加测试点：用于建立“与”关系，点击选择逻辑树某一节点后，点击“增加测试点”按钮后输入“测试点参数”，保存后，新的测试点将和树上选择的节点建立“与”关系。

删除测试点：点击选择逻辑树某一节点后，点击“删除测试点”按钮后，和选择节点后保持“与”关系的节点将同时被删除，同时与被删除节点有关系的故障也将被删除。

故障确认：点击故障确认后，树根节点到选择的节点所构成的“与”关系树枝将被确认为故障的测试点集合（用于对故障的定义）。同时输入故障的描述文本和说明文件，选择相应的“故障分类”并保存，完成故障的设置。

2.3.3 数据采集点维护界面

数据采集点维护界面主要用来修改传感器采集点的属性。如名称、数据类型、单位等。

图8 数据采集点维护界面图

选择要修改的采集点点击右键，可以进入修改页面。

图9 数据采集点修改界面图

2.3.4 外部调用程序功能界面

图10 外部调用程序功能界面图

点击菜单“调用外部文件”—“设置”可以对菜单中“调用维修手册”、“调用备件清单”、“调用其他程序”的路径进行设置，设置完毕后，诊断出故障结果的同时，可同时显示维修视频或备件清单等文件。

2.4 故障报警点

故障报警点是故障诊断系统中最为重要的数据，本系统的故障报警点均根据不同温度，不同转速下柴油机真实的数据，经过总结得到，例如。

主轴承温度测量范围为0～150℃，主轴承实际测量温度在不同环境温度下的数值由表7所示。

表7 主轴承温度实际测量值

由表7可知，柴油机正常运行时，在不同环境温度下，主轴承最高温度均在94℃左右，因此，可设置报警温度为110℃，自动降速温度为115℃，自动停车温度为120℃符合实际温度规律。

2.5 故障诊断流程

软件对上传的数据进行读取，对每个传感器数据进行报警值比对，建立实时报警序号集合，由于每个故障是由若干个报警序号组成的，通过在实时报警序号集合中比对故障集合，实现故障报警。

图11 诊断流程

故障诊断流程程序如下：

3 柴油机状态监测与故障诊断装置装机联调测试

联调测试的主要目的在于测试柴油机信号监测与故障诊断系统的数据采集准确性 ，包括热电阻温度信号、热电偶温度信号、4-20mA电流信号、高频转速信号等。同时测试柴油机信号故障诊断软件对于故障诊断的准确性。在本次测试的故障诊断系统测试的同时，还测量了PA6型柴油机的在各个工况下的爆压及振动数据，但因故障诊断软件还未能判断这两项数据，因此并没有进行对振动及爆压的故障诊断。（爆压和振动的测试是否要写入文章）图12为50%负荷下在线监测与实际值的对比。

图12 50%负荷下柴油机在线监测与实际值的对比

在试车台现场，通过现场采集数据及模拟器设置故障的方法，对以下22个故障进行了测试，测试结果表明，故障诊断准确率为100%。

故障测试的表有些长，可否选取典型的几个。因为单列22个感觉有些没有内容

故障项目：

1.滑油冷却器出水温度过高故障

2.滑油冷却器出水温度过低故障

3.主机海水泵出口压力过低故障

4.主机淡水出口温度过高故障

5.主机淡水出口温度过低故障

6.主机淡水进口压力过低故障

7.主机滑油进机温度过高故障

8.滑油进机压力过低故障

9.滑油进机压力过高故障

10.主机燃油进机压力过低故障

11.空冷器进口空气温度、空冷器进口空气温度过高故障

12.主机空冷器进口空气压力且增压器转速过高故障

13.增压器转速过低故障

14.单个气缸排气温度过高故障

15.所有气缸排气温度同时过高故障

16.气缸排气温度升高故障

17.气缸排气温度急速降低故障

18.气缸排气温度过低故障

19.主轴承温度过低故障

20.主轴承温度过高故障

21.主轴承温度过高导致停车故障

22.STC报警故障

故障测试如图13所示。

图13 柴油机故障测试软件（这个图不是很清晰，但是挺有用的，故障诊断的图就这一张，其他都是实验数据）

4 结束语

柴油机故障诊断系统所用传感器可真实再现所测信号，数据传输的失真率控制在5%以内。知识库中的量化指标可准确表示故障特征，便于形成可执行语句，经试验检验，整体正确率为100%。可以准确的诊断出输入在数据库内的故障。本系统使用实时监测诊断系统的接口，很好的将现场的诊断系统扩展为故障诊断专家系统，并形成船维修子系统，可以进行3D维保、故障建议、故障分析等功能调用。对PA6型柴油机的测试结果表明，该系统能够取得良好的诊断效果。

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Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing

WANG Kai1*,XI Bowen1,WANG Yubao1,GU Dingxi2,LIU Yingjie2
(1.Hudong Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai Pudong,200129,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang,212003,China)

With the development of marine equipment in China,more and more attention is paid to the fault diagnosis system of marine diesel engine.most of the fault diagnosis software currently developed in China is still in the simulation stage.it is not tested on the marine diesel engine,which makes the technology of fault diagnosis in China stagnant.The software introduced in this paper is based on the early fault diagnosis system,developed the fault diagnosis software,the software uses the fault tree theory,layer by layer progressive,one by one analysis,all the fault alarm points are based on the actual value of diesel engine under various operating conditions,has high reliability,and the setting interface of alarm point is flexible,can make users change at any time.The actual test shows that the fault diagnosis software cooperated with the fault acquisition system can deal with a variety of different fault types,and the applicability is strong.

marine diesel; fault; diagnosis; software

TH16，TK43

A

1672-9129(2017)04-0056-10

王凯,奚博文,王玉宝,等.基于故障树理论的船舶柴油机故障诊断系统的开发与测试[J].数码设计,2017,6(4):56-65.

Cite：WANG Ka,XI Bowen,WANG Yubao,et al.Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing[J].Peak Data Science,2017,6(4):56-65.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.016

2017-01-10；

2017-02-13。

王凯（1980-）男，上海，本科，沪东重机有限公司，研究方向：柴油机开发。E-mail:wak@hhm.com.cn