基于无线通信的甲板机械远程控制和故障诊断研究

摘要：为了使工程船舶达到一定水平的安全、高效作业能力，必须提高甲板机械设备的远程控制能力。就现状而言，各种甲板机械设备的维护和操作在很大程度上还是取决于技术人员对设备的经验。因此，加强自动化技术在工程船舶作业中的合理应用势在必行。

关键词：甲板机械设备；自动化；无线监控；远程管理；故障诊断

一、引言

在海洋资源开发的不断深入以及全球经济科技迅速发展的背景下，对工程船舶上的甲板机械设备性能和效率提出了更高的要求。同时，在我国新型工业化的新发展理念推动下，使船舶甲板机械设备向安全化、精密化、自动化方向发展[1]。因此，加强自动化技术在工程船舶作业中的合理应用势在必行。本文介绍了一种无线技术管理系统结构，该系统允许用户在使用互联网的任何时间与地点，在终端同时对多个处在不同地点的甲板机械设备同时管理，且基于这个概念，操作人员可以同时操控和管理甲板机械设备。

在环保要求日益严格的今天，智能化设备的应用也有助于减少对环境的影响，促进可持续发展。因此，研究工程船舶甲板机械设备基于无线通信的远程控制和故障诊断，不仅顺应了科技进步和市场需求的双重趋势，还对提升海洋工程装备水平、推动行业技术革新具有重要意义。

二、文献回顾

目前，甲板机械设备自动化技术和机电自动化技术在自动化控制工作中应用最广泛[2]，因为这类控制器工作效率稳定，是甲板机械设备的关键。电气自动化技术，是重点发展的组成部分，具有操作简单的特点，可以从根本上提高甲板设施设备的整体质量与使用的便利性。因此，加强对甲板机械设备自动化技术、机电自动化技术特点、操纵方法的研究，可以积极推动海洋资源开发建设向勘探化、规模化、自动化方向发展，为海洋和市场经济的稳中向好发展作出重要贡献[3]。

由于甲板机械设备作业海况复杂，工程作业对象庞大，机件容易出现故障。目前，甲板机械设备的错误识别及分析方法包括基于数学统计和数据信号分析的方法[4]。本文在现有研究的基础上，提出了一种基于无线通信技术的甲板机械设备远程控制与故障诊断研究方法。本文首先分析了基于无线局域网的端口管理系统架构方案，并介绍了相应的远程监控功能，在此基础上分析了新算法的特点，将该算法引入到网络中，建立了基于新算法的甲板机械设备故障诊断模型。通过仿真实验验证了该算法的成立，以及该模型在甲板机械设备错误分析中的便利性。

三、远程监控系统概述

（一）主要体系构成

监控系统中有多种监控方式可以适应用户的需要。通常选择的系统是无线远程控制系统（WLAN）。该系统采用普遍使用的无线技术，以服务于系统运行，工作原理是利用无线网络技术将船舶站点的真实情况上传至云端服务器，同时利用技术对数据进行加工处理，使信息以更方便、更简单的方式发布给用户，用户则可以通过远程控制终端处理数据获取数据。目前，基于现有技术，云端服务器上的数据内容和处理器所分析产生的结果可以在不同客户端之间实现即时共享。

（二）系统控制逻辑分析

系统控制的实现必须按照一定的逻辑进行。WLAN监控系统的控制逻辑主要包括本地实时监控、数据传输系统、云端计算机信息处理系统，两者都是通过相关系统交流进行信息的上传与分析对远程甲板机械设备进行管理。

四、系统设计

（一）系统构架分析

甲板机械结构检测系统的框架有两个方案。设备终端的数据传导和客户的控制反馈均必须经监控系统主机，所有采集到的数据必须经读取分析后才能根据权限发送给相对应的客户。优点是远程管理系统的主机便于对云端网络进行控制，数据私密性高。缺点是当有多设备客户端连接到网络时，多设备同时对监控系统进行访问，主机会产生网络拥挤。将甲板机械设备终端数据更直接地传送给对应的操作员工端，监控系统主机必须监测设备是否有新接入。

（二）系统功能介绍

甲板机械设备远程无线自动化监控系统的作用分为两类：云端甲板机械设备远程监控（简称远程监控）和云端数据管理（简称数据管理）。

远程监控包括远程数据传输、实时事件监控、统计监控、实时告警等功能、设备状态信息、保养预警、历史信息查询等。其中，数据远程控制将终端设备的工作数据发送给监控主机；实时观察将通过视频进行跟踪监控；包括故障预测在内的实时错误报警。监控数据分析功能包括监控数据存储和统计分析两个步骤；健康通知包括监测设备状态信息和设备健康度评估项两个步骤。

数据管理包括三个功能：信息管理、控制管理和用户数据管理。其中，信息管理包括报表的列表、记录和发现，该功能对报表进行管理；控制管理侧重于日常维护计划和操作记录；数据管理是指修改用户访问和控制权限。

五、研究方法

（一）监测系统的总体方案

监控系统的主要功能是实现对甲板机械设备工作状态的远程实时监控、管理和在线数据分析。该系统由现场设备、无线局域网、监测站、网络服务器和互联网用户五部分组成。

1.监测系统中的关键技术

在海洋环境中工作的船舶，甲板机械设备通常会在海洋露天工作，经常面对极其恶劣的环境影响，如风、雨、雪、雷、电、盐雾等空间电磁干扰。因此，基于无线技术的数据传递路径应具有一定的免外界因素打扰能力和优质完整的信息传递能力。本文阐述的监测系统采用扩频技术满足海洋工程作业的需要。扩频技术可以将信号扩展到一个更宽的带宽程度上，并在接收端对传输信号进行一定的格式处理，即带宽压缩，并返回到窄信号[7-8]。

2.算法简介

本算法是基于现有AP聚类算法基础上改进的聚类算法，它通过引入不完全相似性提高算法的聚类效果。实现过程如下：

第一步：计算样本相似度矩阵S；

第二步：根据压缩相似度矩阵算法计算压缩相似度矩阵S；

第三步：对S'进行稀释，得到稀疏度的相似性矩阵S*；

第四步：迭代计算通用矩阵以及性能矩阵；

第五步：判断算法是否达到迭代次数并判断是否需要终止计算。

3.基于新算法的甲板机械错误判断模型

根据以上对新算法的分析，该算法组不需要预先设置，过程简单易用。因此，选择该算法进行甲板机械设备的错误判断，该模型包括三个模块：错误数据提取、聚类分析和故障诊断。

第一个模块是错误数据提取。故障特征提取的目的是更具有针对性及精确地获取甲板机械的错误特征，从而提高故障分组的准确性，进一步提高故障诊断的准确性。首先，对甲板机械设备阈值振动信号进行解构得到模型分量，然后采用近似熵分析法计算模型分量的近似熵，从而转化为错误数据向量。

第二个模块是聚类分析。聚类分析结果直接影响甲板机械设备错误分析判断的针对性。本研究通过计算上述算法的模型精度是否达到指定数据范围来，以判断算法的实际运用效果。

第三个模块是故障诊断。故障诊断是为了识别故障样本，是整个模型的核心目标。

（二）仿真实验

为了测试算法的有效性，使用模拟数据集对新算法和标准AP算法进行模型构建。在四个合成数据集中，标准AP算法与新算法的相似度和聚类准确率得分差异较小，但新算法聚类计算时间更短，聚类计算时间优势增大。与数据标准AP算法和新算法在四个真实数据集的非差异度指标之和方面的差异很小；在聚类精度方面，标准AP算法接近于新算法。

为了验证模型分析效果，选取了某工程船甲板机械设备的曾经获得的数据作为错误样本进行错误分析，本研究提出的算法对一般状况下的内部元件故障的错误识别准确率极高；对外表面损坏故障的判断准确率较低，对螺丝零件类问题的诊断准确率为0，原因是外表面损坏故障和螺丝零件累故障的数据来源较少，特别是螺丝零件故障的数据只有6个，使算法难以提取有效的数据进行拟合分析并生成错误报告，导致诊断准确率低。

综上所述，基于新算法的故障诊断方法可以识别不同类型的机械故障。与标准AP算法和W-variance算法相比，本研究算法的综合性与全面性表现更佳，在相似性之和、信息互通的标准化、聚类模拟准度、聚类分析用时等方面表现更好。与W-variance算法相比，本算法的故障分化程度更高，达到97%以上。该算法的操作可行性和数据精确性通过在甲板机械的错误分析诊断中的应用得到了验证，它能准确诊断甲板机械设备未出现问题的状态、内部元件的故障情况，判断精准度达到100%。

六、结束语

本文介绍了一种基于无线通信技术的甲板机械远程控制和故障诊断方法。针对甲板机械设备的不同特征，甲板机械设备远程控制系统得以开发，两种不同的系统架构方案应运而生，为数据远程传输、状态即时监察、监测信息收集、故障诊断、数据导出、历史数据收集与查询、故障报告、维护计划形成、用户信息收集与分析等功能，并且基于无线通信实现了甲板机械设备的故障诊断与远程管理。根据测试结果表明，该系统数据传输稳定，错误诊断准确。同时，报告通过分析新算法的特点，将该算法引入甲板机械的误差分析中，并提出了基于新算法的甲板机械错误分析诊断模型。通过数据模拟实验，验证了该算法及其在甲板机械故障诊断中的普适性。

作者单位：俞钧杰 居晓俊 王顺 张运 上海交通建设总承包有限公司

参考文献

[1]梁泽勇，邝建荣，党彤，等.海上换流站无线通信系统设计[J].南方能源建设，2024，11（04）：88-101.

[2]吴中岱，王振辉，韩德志，等.智能船舶网络安全及防护技术研究综述[J].舰船科学技术，2024，46（10）：1-8.

[3]郭乃琨，李修深，杨继坤.复杂电磁环境下船舶自动通信系统优化设计研究[J].舰船电子工程，2023，43（12）：80-85.

[4]刘逸飞.基于北斗卫星通信技术的远洋船舶通信自动化控制系统[J].电子设计工程，2024，32（05）：150-155.

[5]汪作凡，吕晓威，鞠进.海南洋浦国际集装箱码头信息系统设计研究[J].中国港湾建设，2023，43（12）：12-20.