林興志， 潘翔

(1. 廣西職業(yè)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 廣西 南寧 530007；2. 廣西感知物聯(lián)科技有限公司技術(shù)部, 廣西 南寧 530021)

0 引言

目前我國(guó)現(xiàn)有內(nèi)河船舶動(dòng)力來源主要采取單一的柴油消耗居多，高油耗和高排放對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。LNG船舶將大部分柴油替換成天然氣，替代率高達(dá)70%-80%，柴油—LNG混合動(dòng)力方式不僅能夠滿足船舶出行需要，在降低機(jī)油消耗的同時(shí)，減少了硫、碳、煙塵、廢油排放量，提升船舶運(yùn)輸綠色化智能化水平。機(jī)艙作為L(zhǎng)NG船舶的動(dòng)力來源，更是船舶的心臟，其安全性關(guān)乎船舶能否安全有效航行，面臨主要風(fēng)險(xiǎn)有氣體泄漏、火災(zāi)、爆炸等。研究部署探測(cè)溫度、氣體、火焰、煙霧等的傳感器設(shè)備，將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸給控制柜內(nèi)PLC，PLC接收信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法系列運(yùn)算后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警數(shù)據(jù)分析，最終將信號(hào)輸出給執(zhí)行器，由執(zhí)行器對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，并采取發(fā)警報(bào)，關(guān)閉氣罐主閥、電磁總閥和互鎖氣體閥，停用發(fā)動(dòng)機(jī)艙室、停止燃料供應(yīng)、開啟自動(dòng)透氣閥等措施[1]。

1 智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警架構(gòu)

研究采用PLC區(qū)間變量模型、趨勢(shì)曲線組態(tài)技術(shù)、預(yù)制仿真制導(dǎo)技術(shù)和電力冗余諧波抑制方法進(jìn)行船舶數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警架構(gòu)設(shè)計(jì)，利用上位工控機(jī)(PC)及機(jī)旁集控柜內(nèi)PLC控制模塊，對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)艙室、天然氣燃料供氣系統(tǒng)、燃料各處所等其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，滿足船舶監(jiān)控實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)報(bào)告和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理的需求[2]。智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警架構(gòu)

智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警架構(gòu)包括上位工控機(jī)(PC)、機(jī)旁集控柜內(nèi)PLC、燃?xì)鈭?bào)警控制器、串口繼電器模塊等功能模塊。上位工控機(jī)主要功能是對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的接收與邏輯處理以及安全監(jiān)控系統(tǒng)控制命令的發(fā)送。利用安裝在集控室工控機(jī)中的組態(tài)軟件，通過趨勢(shì)曲線組態(tài)技術(shù)，可在遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和態(tài)勢(shì)預(yù)警功能。

機(jī)旁集控柜內(nèi)PLC作為機(jī)旁集控系統(tǒng)的核心，以PLC區(qū)間變量模型實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理工作。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PC)通過USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器通信模塊，根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與機(jī)旁柜內(nèi)PLC、燃?xì)鈭?bào)警控制器、串口繼電器模塊等智能模塊的數(shù)據(jù)交換。可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)艙室、天然氣燃料供氣系統(tǒng)以及燃料各處所設(shè)備的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2 智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警建模

2.1 LNG智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警技術(shù)路線

LNG貨船監(jiān)控系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙室安全監(jiān)控、天然氣燃料供氣系統(tǒng)監(jiān)控和智能控制柜研發(fā)3部分內(nèi)容，LNG智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警以其為監(jiān)測(cè)對(duì)象[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)艙室存在的安全隱患問題主要有機(jī)械通風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、艙室某處有泄漏的可燃?xì)怏w聚集、發(fā)動(dòng)機(jī)艙室失火等。天然氣供應(yīng)管路主要存在的安全隱患有天然氣泄漏、汽化器介質(zhì)溫度低、汽化器出口處燃?xì)鉁囟鹊?、燃?xì)夤?yīng)管路壓力異常、氣動(dòng)閥組氣源壓力低等。智能控制柜對(duì)各個(gè)處所采集到的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，是機(jī)艙監(jiān)控的核心組成部分，分為集控室控制柜和機(jī)旁控制柜兩大部分。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室的氣體燃料噴射閥工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，安全控制箱通電后開始檢測(cè)，不正常選擇報(bào)警和處理，正常則繼續(xù)工作。此外，針對(duì)艙室可能出現(xiàn)的各個(gè)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)艙室安全監(jiān)控在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。船舶安裝了可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)處理天然氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)存在的安全隱患。智能控制柜主要功能是利用PLC將傳感器提供的控制信號(hào)參數(shù)完成壓縮機(jī)自檢和機(jī)艙設(shè)備自動(dòng)化控制[4]。LNG智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 LNG智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警技術(shù)路線

通風(fēng)機(jī)故障處理、電流感應(yīng)開關(guān)打開、信號(hào)傳送到PLC、再發(fā)送給ECU、ECU隨即停止燃料供應(yīng)、點(diǎn)亮警鈴指示燈和響起警鈴。機(jī)艙氣體泄露故障處理，氣體探測(cè)器搜集氣體濃度信息，PLC接收信號(hào)，判斷信號(hào)數(shù)據(jù)值大小，如果超過閾值，立即打開警鈴，停用發(fā)動(dòng)機(jī)艙室。火災(zāi)探測(cè)報(bào)警，當(dāng)探測(cè)器動(dòng)作時(shí)，駕駛室火災(zāi)報(bào)警器即刻發(fā)出聲光報(bào)警，并輸出報(bào)警信號(hào)至LNG燃料安全控制器?？扇?xì)怏w探測(cè)報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到冷箱內(nèi)、通風(fēng)導(dǎo)管內(nèi)、機(jī)艙內(nèi)甲烷濃度達(dá)到一定數(shù)值，輸出信號(hào)至LNG燃料安全控制器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，關(guān)閉氣罐主閥和機(jī)艙供氣并開啟自動(dòng)透氣閥。氣體燃料供應(yīng)管內(nèi)壓力異常處理，壓力變送器監(jiān)測(cè)到管路壓力波動(dòng)異常時(shí)，PLC將接收到的信號(hào)輸出給ECU，停止燃料供應(yīng)，關(guān)閉電磁總閥和互鎖氣體閥，打開警鈴。汽化器出口管路里氣體溫度低處理，溫度傳感器釆集溫度信號(hào)，輸出電流給PLC，當(dāng)氣體溫度低于設(shè)定值時(shí)，停止燃料供應(yīng)，關(guān)閉電磁總閥和互鎖氣體閥，打開警鈴。

2.2 原始數(shù)據(jù)清洗

傳感器故障、環(huán)境和人為因素會(huì)對(duì)船舶數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失、出錯(cuò)。數(shù)據(jù)丟失將導(dǎo)致無法采集數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)無法上傳到可編程控制器PLC，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤將導(dǎo)致產(chǎn)生非正常閾值或不符合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤是傳感器在數(shù)據(jù)搜集過程中面臨的問題，采用數(shù)據(jù)清洗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別與修正，通常以在數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入特征數(shù)據(jù)的方法和閾值法結(jié)合關(guān)聯(lián)理論識(shí)別丟失數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)補(bǔ)齊和修正時(shí)，可以采用插值或灰色關(guān)聯(lián)等方法，具體流程如圖3所示。

圖3 故障數(shù)據(jù)清洗流程

數(shù)據(jù)清洗流程中，在對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別后，再進(jìn)行時(shí)間連續(xù)性判斷。錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的前后相鄰時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如果正常，則根據(jù)相鄰數(shù)據(jù)的線性規(guī)律進(jìn)行插值處理。若為離線數(shù)據(jù)，則丟失數(shù)據(jù)Ht修正后的數(shù)值為t-1時(shí)刻和t+1時(shí)刻的數(shù)據(jù)值Ht-1和Ht+1的平均值；若為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則丟失數(shù)據(jù)Ht修正后的數(shù)值為t-1、t-2、t-3、t-4時(shí)刻的平均值。插值法中t為時(shí)間變量。

當(dāng)連續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)均缺失或錯(cuò)誤時(shí)，采用灰色關(guān)聯(lián)法補(bǔ)齊數(shù)據(jù)，具體步驟如下。

Step1：缺失數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)的選取。將缺失數(shù)據(jù)的數(shù)組記為Y0，樣本數(shù)據(jù)的數(shù)組記為x1，…，xm。

Step2：樣本數(shù)據(jù)的獲取。在樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇組數(shù)據(jù)。

Step3：缺失數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算。包括數(shù)據(jù)歸一化處理、計(jì)算絕對(duì)差、計(jì)算絕對(duì)差的兩極值、計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。

Xi取[0,1]區(qū)間的數(shù)據(jù)，設(shè)X為m+1維數(shù)組，歸一化后即式(1)。

(1)

設(shè)數(shù)據(jù)的數(shù)量為m+1，每條數(shù)據(jù)維數(shù)為n，缺失數(shù)據(jù)的數(shù)組Y0=[Y0(1),…,Y0(n)]，樣本數(shù)據(jù)Xi=[Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)]，i=1,2,…,m，絕對(duì)差即式(2)。

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|k=1,2,…,n

(2)

max maxΔi(k)兩極最大值和min minΔi(k)兩極極小值計(jì)算方法，先找出樣本數(shù)據(jù)的第i條n多個(gè)絕對(duì)差中的最大值或最小值后，再?gòu)膍條樣本數(shù)據(jù)中找出最大或最小絕對(duì)差。

設(shè)分辨系數(shù)為ξ(k)，取值區(qū)間為[0,1]，關(guān)聯(lián)系數(shù)即式(3)。

(3)

缺失數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度即式(4)。

(4)

Step4：數(shù)據(jù)補(bǔ)齊。關(guān)聯(lián)度Ri按時(shí)間排序，在關(guān)聯(lián)度大于0.95的數(shù)據(jù)中，擇優(yōu)選擇關(guān)聯(lián)度最大前十組數(shù)據(jù)Xi(i=1,2,…,10)，如式(5)。

(5)

式中，xij為數(shù)據(jù)樣本單元中所缺失的數(shù)據(jù)，其修正值以數(shù)據(jù)組j參數(shù)的平均值代替。

2.3 氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法

氣體泄漏是LNG船舶機(jī)艙存在的主要安全故障，會(huì)致使船員中毒，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生火災(zāi)、引起爆炸。因此，對(duì)船舶氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要，研究設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)最小二乘法的LNG貨船監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法是采用移動(dòng)最小二乘法來提高多傳感器數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集、聲光報(bào)警和智能化處理故障，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶機(jī)艙危險(xiǎn)氣體濃度，由上位工控機(jī)接收氣體濃度信息，以便進(jìn)行監(jiān)控處理[5]。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法主要是利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶上泄露氣體數(shù)據(jù)的采集，而外界環(huán)境會(huì)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，為減小周圍環(huán)境對(duì)氣體濃度數(shù)據(jù)造成的誤差，使用移動(dòng)最小二乘法重構(gòu)傳感器信號(hào)，因?yàn)樗谛盘?hào)處理方面具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如函數(shù)收斂快，目標(biāo)參數(shù)跟蹤能力強(qiáng)等[6]。移動(dòng)最小二乘法是在最小二乘算法的基礎(chǔ)之上更優(yōu)的計(jì)算方法，最小二乘算法的計(jì)算量會(huì)隨著時(shí)間和矩陣維度的增加而增加，而移動(dòng)最小二乘法能夠有效地解決此缺點(diǎn)。移動(dòng)最小二乘法在不需要先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的情況下，可以利用修正項(xiàng)和t時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)值對(duì)t+1時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，在時(shí)間域狀態(tài)空間范圍內(nèi)，完成參數(shù)狀態(tài)方程的估計(jì)和預(yù)測(cè)更新。

用(D,S)={(s1,d1),(s2,d2),L,(sn,dn)}表示氣體濃度數(shù)據(jù)序列，用f(s)表示擬合函數(shù)，則有式(6)。

(6)

式中，p(s)=[p1(s),p2(s),…,pm(s)]T；a(s)=[a1(s),a2(s),…,am(s)]T，前者是完備的多項(xiàng)式基函數(shù)，m是項(xiàng)數(shù)，后者為待求系數(shù)(坐標(biāo)s的函數(shù))。為縮小數(shù)據(jù)采樣偏差，獲得可靠和準(zhǔn)確的數(shù)值，分別求兩者帶權(quán)最小的偏差二平方，即式(7)。

(7)

(8)

(9)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法中氣體源的定位，通過在船舶機(jī)艙室內(nèi)以及周邊其他地方安裝傳感器，利用傳感器節(jié)點(diǎn)獲取氣體濃度數(shù)據(jù)，傳感器位置數(shù)據(jù)要與其采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，運(yùn)用算法搜尋氣體源位置。以船舶實(shí)際情況和外界因素合理布置傳感器節(jié)點(diǎn)，這對(duì)快速精準(zhǔn)定位氣體源很重要，直接影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠度。

在對(duì)各方位氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，需要通過氣體泄漏判斷模型綜合判斷是否是氣體泄漏，如果是，則立即啟動(dòng)預(yù)警對(duì)氣體泄漏發(fā)出警報(bào)。氣體泄漏判斷模型建立的關(guān)鍵在于自變量和因變量的設(shè)置，設(shè)X3為自變量；φ為因變量；{1/Um,Um}7×2為自變量具體矩陣維度;Um為對(duì)應(yīng)氣體濃度下的電壓值，則有式(10)。

(10)

根據(jù)船舶機(jī)艙環(huán)境的氣體濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警。

Step1:連續(xù)監(jiān)測(cè)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)氣體濃度值的平均值，實(shí)時(shí)更新和存儲(chǔ)，如式(11)。

(11)

其中，φ0為氣體實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的濃度值；φ(t1)+φ(t2)+…+φ(tn)為單位時(shí)間內(nèi)氣體全部的濃度值；n為單位時(shí)間內(nèi)讀取氣體濃度值的次數(shù)。

Step2:判斷氣體濃度變化情況，并賦予其邏輯值。用φ(t)表示實(shí)時(shí)濃度值；Δt表示時(shí)間，設(shè)為15 s；v表示變化速率；x1表示其邏輯值，則有式(12)。

(12)

Δφ表示變化值，x2為其邏輯值，則有式(13)。

(13)

Step3:計(jì)算x1與x2的綜合邏輯值。用yt表示綜合邏輯值，即式(14)。

yt=x1∩x2=min|x1,x2|

(14)

Step4:判斷輸出的邏輯值必須滿足上述綜合邏輯值的所有條件，即式(15)。

Y=yt-4∩yt-3∩yt-2∩yt-2∩yt=min|yt-4,yt-3,yt-2,yt-2,yt|

(15)

以5s時(shí)間內(nèi)為限的綜合邏輯值yt-4,yt-3,yt-2,yt-2,yt。根據(jù)報(bào)警輸出邏輯值判斷輸出信號(hào)，若輸出正常信號(hào)，機(jī)艙設(shè)備正常工作；若輸出故障信號(hào)，機(jī)艙設(shè)備停止并報(bào)警。

3 智能化機(jī)艙氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警數(shù)據(jù)分析與仿真

表1 氣體泄漏源定位仿真結(jié)果

圖4 氣體泄漏源定位仿真結(jié)果

從表1和圖4中4組數(shù)據(jù)可以看出，氣體源第1次搜尋結(jié)果距離真實(shí)氣體源位置較遠(yuǎn)；第2次繼續(xù)搜尋，與第1次相比距離明顯縮短；到了第3次搜尋，發(fā)現(xiàn)實(shí)際氣體源位置基本重合；第4、第5次搜尋距離會(huì)慢慢拉近，在第10次搜尋距離只有0．000 1米的極為微小誤差。所以氣體源搜尋次數(shù)越多離設(shè)定位置就會(huì)越近。智能化機(jī)艙氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警數(shù)據(jù)分析表明，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)算法對(duì)LNG貨運(yùn)船舶機(jī)艙的氣體濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和態(tài)勢(shì)預(yù)警具有實(shí)效性，可以用于船舶機(jī)艙的智能自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程，保障船舶的安全航行。

4 總結(jié)

內(nèi)河LNG貨運(yùn)船舶智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警研究對(duì)LNG貨船機(jī)艙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)其變化情況自動(dòng)控制各設(shè)備，及時(shí)處理機(jī)艙安全故障。智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警建模作為研究的核心部分，提高了船舶計(jì)算精確度和分析準(zhǔn)確度，得到船舶能效數(shù)據(jù)，有效監(jiān)測(cè)船舶的安全狀態(tài)。智能化機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)預(yù)警運(yùn)用PLC控制器，自動(dòng)完成機(jī)艙設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)監(jiān)控，生成數(shù)據(jù)報(bào)告和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，減少船舶維護(hù)，對(duì)保障船舶安全航行有著重要的意義。