CN110553807A - 船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船体结构应力监测领域，尤其涉及一种船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法。本发明通过统计由布置在结构监测位置的传感器所采集的一段时间内的应力实时数据，根据其测得应力数据信号的特点，确定了传感器开路故障的判定条件，实现船体结构应力监测系统传感器开路故障的实时有效诊断。该算法可以准确、实时地判断传感器的工作状态，并能有效识别发生开路故障的传感器，且给予设备操作或维护人员以及时的警示。

Description

船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法

技术领域

本发明属于船体结构应力监测领域，尤其涉及一种船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法。

背景技术

船体结构强度是影响船舶安全性的主要因素之一，对于在实际海洋环境中航行的船舶，船体结构受到的外载荷具有很强的随机性，这些随机因素很难通过规范或准则进行完全准确地预报。为保障船舶在航行过程中的安全性，考虑在船体结构上安装结构监测系统，对其进行全寿命期、实时在线监测。

船体结构应力监测系统是综合运用结构参数识别技术、光纤传感技术、数据库技术、多数据信息融合技术、超大信息量数据处理技术、船体结构有限元分析技术和强度评估理论，综合相关的传感器、软硬件设备等，实现船舶结构安全性的实时监测与评估。船体结构应力监测系统主要具备数据采集、环境监测、应力监测、数据处理、强度评估、报警与记录、数据库、交互界面等主要功能，从而提高航行船舶的安全性能，并为船舶结构设计积累数据。船体结构应力监测系统主要功能如图1所示。

船体结构应力监测系统是智能船体的重要组成部分，而传感器作为船体结构应力监测技术的重要元件，其能否正常工作决定了整套系统的有效性和可靠性。鉴于光纤光栅应变传感器的量程大、不需配备温度补偿传感器和可避免电磁干扰等外界影响的优点，可保证监测数据的准确性。因此，船体结构应力监测系统采用光纤光栅应变传感器。以下所述传感器均为光纤光栅应变传感器。由于传感器的工作环境复杂、恶劣，安装部位特殊等原因，使得传感器成为系统中最易发生故障的部件。

由于传感器折断、传感器脱落、传输线路折断、接口破坏等造成的开路故障是传感器最常见的故障之一。若传感器发生开路故障，其主要的信号特征是传感器测得的应力数据为零值，特征曲线见图2，但也并不能简单的以零值作为故障判别的条件。为了能准确地判断传感器是否发生开路故障，需要设计一种精度高的传感器开路故障的诊断算法，既能有效区分传感器测得数据的正常零值与开路故障造成的数据零值，又能实时诊断传感器的开路故障，并能将传感器的开路故障信息及时反馈给船舶操作及设备维护人员。

发明内容

本发明针对上述的船体结构应力监测系统中传感器故障的准确诊断问题，提出一种船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，包括：

将传感器采集的应力数据进行低通滤波，去除高频噪音和高频砰击成份；

计算过去一段时间内的应力实时数据的跨零周期T_i、各个跨零周期的数据幅值和所有跨零周期的数据幅值的均值；

计算上述应力实时数据的应力幅值；

结合传感器发生开路故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。

作为优选，所述传感器发生开路故障的判定条件为：测得应力时历信号数据同时满足：

1)所述传感器在一段时间内测得的应力时历信号数据的幅值均值为零；

2)找到与所述应力时历信号数据运动幅值相同或接近的船舶运动幅值历史数据所在的历史时间段，所述历史时间段内测得应力的幅值均值不为零。

作为优选，所述低通滤波时将阻带截止频率设为采样频率。

作为优选，所述船舶运动幅值历史数据的统计，具体采用如下方法：将首次出现的船舶运动幅值数据记录为历史数据；若在未来的某时刻，相同的船舶运动幅值数据再次出现，则更新数据库。

作为优选，所述数据幅值的统计通过分析应力时历信号数据在跨零周期内的极值，并计算得到对应的数据幅值。

作为优选，当船舶当前运动幅值的平均值与船舶运动幅值历史数据的平均值相差小于5％时，认为该船舶运动幅值历史数据与当前船舶运动幅值接近；如果船舶运动幅值的平均值与历史数据平均值相差大于等于5％，则可认为当前工况是新的工况，将其存在数据库中，作为将来同海况的参考或比较值。

作为优选，所述历史时间段内测得应力的幅值均值大于钢材材料屈服极限的5％。

作为优选，所述参考零值的确定，由船舶的装载状态所决定，船舶状态包括船舶的装载状态和运动状态(升沉、纵摇)；船舶的装载状态由配载仪确定，海况信息由测波雷达或船上天气预报来获得，相应地可获得船舶的运动状态(包括升沉、纵摇)。

作为优选，所述参考零值的范围上限为钢材材料屈服极限的5％。

作为优选，所述跨零周期T_i为应力时历曲线中两个相邻的横坐标轴跨零点的差值，可表示为：

T_i＝t_i-t_i-1

式中，t_i为横坐标轴跨零点i对应的时刻值。

作为优选，当{X_k,X_k+1,…,X_n}为某跨零周期内应力实历数据，则采用遍历该跨零周期内各数据的、比较各数据值大小的方法，找出周期内的最大的极大值X_l和最小的极小值X_m；那么，该跨零周期内的数据幅值X_s可表示为：

X_s＝X_l-X_m

平均应力幅值为各跨零周期内幅值的平均值，可表示为：

式中：n为该段时间内总的跨零周期个数，X_si为第i个跨零周期内传感器应力数据的幅值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明为实现船体结构应力监测系统传感器开路故障的实时有效诊断，通过统计由布置在结构监测位置的传感器所采集的一段时间内的应力实时数据，根据其测得应力数据信号的特点，确定了传感器开路故障的判定条件。该算法可以准确、实时地判断传感器的工作状态，并能有效识别发生开路故障的传感器，且给予设备操作或维护人员以及时的警示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为船体结构应力监测系统功能分解图；

图2为传感器发生开路故障时的数据特征曲线；

图3为本发明传感器开路故障诊断算法的计算流程图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

为实现对船体结构应力监测系统中传感器开路故障的实时准确地诊断，本发明的算法根据传感器发生开路故障时，其测得数据信号的特点，确定了传感器发生开路故障的判定条件，该算法可以实时地判断传感器的工作状态，并能准确识别出发生开路故障的传感器，可给予设备操作或维护人员及时的反馈。

造成传感器发生开路故障的原因有传感器折断、传感器脱落、传输线路折断、接口破坏、芯片引脚没连接上、线路短接等。而传感器开路故障的信号特征包括结构断开会导致信号瞬间消失，而短路会导致测量值为常数。事实上，若传感器在该时间内测试数据为零值，那么，通过比较该段时间内的传感器测得应力数据和船舶运动相同的某历史时间内的正常传感器测的数据，即可判断传感器是否发生开路故障。

本发明实施例的船体结构应力监测系统中应力的采集利用光纤光栅应变传感器，信号传递过程如下：光纤光栅应变传感器将船体结构的应变信号转化为波长信号，并通过光缆传输到信号解调仪，由解调仪将波长信号转化为电信号并上传至应变信号处理程序，再由应变信号处理程序将信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库系统中。应变转化为应力的计算公式见表1，其具体由传感器的布置形式决定。

表1

本发明实施例由布置在船体结构监测位置的光纤光栅应变传感器采集某段时间内的应变信号，先经船体结构应力监测系统的解调仪处理和应变处理；然后以采样频率滤波，去除数据中混杂的高频噪音和高频砰击成分；最后，结合数据库中存储的正常历史数据和传感器发生开路故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。具体流程如图3所示，

本实施例的传感器开路故障诊断算法的具体步骤如下：

将传感器采集的应变信号经解调仪处理和应变处理转化为应力数据；

将上述应力数据进行低通滤波，阻带截止频率设为采样频率，去除高频噪音和高频砰击成份；

计算过去60秒(即5-10个周期)的应力实时数据的跨零周期T_i、各个跨零周期的数据幅值和所有跨零周期的数据幅值的均值；

计算上述应力实时数据的应力幅值；

结合传感器发生开路故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。

本实施例传感器开路故障通过幅值判别，而不是通过样本均值，因为样本均值本身可能为零。

进一步的，本发明中传感器发生开路故障的判定条件为：测得应力时历信号数据同时满足：

1)所述传感器在一段时间内测得的应力时历信号数据的幅值均值为零；

2)找到与所述应力时历信号数据运动幅值相同或接近的船舶运动幅值历史数据所在的历史时间段，所述历史时间段内测得应力的幅值均值不为零。

具体为：若{X₁,X₂,…,X_n}为应力测量值的总样本，则样本的幅值均值X_s满足：

其中：n为该段时间内总的跨零周期个数；X_Si为第i个跨零周期内传感器应力数据的幅值；σ_s为钢材材料屈服极限。

且历史均值满足：

其中：X′_S为该传感器历史应力幅值。

其中，{X₁,X₂,…,X_n}为1分钟内的应力时历信号，则样本均值可表示为：

跨零周期T_i为两个相邻的横坐标轴跨零点的差值，本发明中跨零周期定义为应力时历曲线中应力值为零，且是应力值由小于零变为大于零的横轴坐标点，可表示为：

T_i＝t_i-t_i-1

式中，t_i为横坐标轴跨零点i对应的时刻值。

如上所述，传感器测得数据的幅值统计采用1分钟内的应力实时数据。首先，分析这些数据在各个跨零周期的极值，并计算其对应的幅值。

当{X_k,X_k+1,…,X_n}为某跨零周期内应力实历数据，则采用遍历该跨零周期内各数据的、比较各数据值大小的方法，找出周期内的最大的极大值X_l和最小的极小值X_m；那么，该跨零周期内的数据幅值X_s可表示为：

X_s＝X_l-X_m

平均应力幅值为各跨零周期内幅值的平均值，可表示为：

式中：n为该段时间内总的跨零周期个数，X_si为第i个跨零周期内传感器应力数据的幅值。

参考零值的选取与船舶的装载状态有关，船舶的装载状态确定，则参考零值可相应地确定，船舶状态包括船舶的装载状态和运动状态(升沉、纵摇)；船舶的装载状态由配载仪确定，海况信息由测波雷达或船上天气预报来获得，相应地可获得船舶的运动状态(包括升沉、纵摇)。

所述船舶运动幅值历史数据的统计，具体采用如下方法：将首次出现的船舶运动幅值数据记录为历史数据；若在未来的某时刻，相同的船舶运动幅值数据再次出现，则更新数据库。

数据幅值的统计通过分析应力时历信号数据在跨零周期内的极值，并计算得到对应的数据幅值。

当船舶当前运动幅值的平均值与船舶运动幅值历史数据的平均值相差小于5％时，认为该船舶运动幅值历史数据与当前船舶运动幅值接近；如果船舶运动幅值的平均值与历史数据平均值相差大于等于5％，则可认为当前工况是新的工况，将其存在数据库中，作为将来同海况的参考或比较值。

历史时间段内测得应力的幅值均值大于钢材材料屈服极限的5％。

本申请由布置在结构监测位置的光纤光栅应变传感器采集某段时间内的应变信号，先经船体结构应力监测系统的解调仪处理和应变处理；然后以采样频率滤波，去除数据中混杂的高频噪音和高频砰击成分；最后，结合数据库中存储的正常历史数据和传感器发生开路故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。该算法可以实时地判断传感器的工作状态，并能准确识别出发生开路故障的传感器，可给予设备操作或维护人员及时的反馈。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，包括以下步骤：

将传感器采集的应力数据进行低通滤波，去除高频噪音和高频砰击成份；

计算过去一段时间内的应力实时数据的跨零周期T_i、各个跨零周期的数据幅值和所有跨零周期的数据幅值的均值；

计算上述应力实时数据的应力幅值；

结合传感器发生开路故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。

2.根据权利要求1所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述传感器发生开路故障的判定条件为：测得应力时历信号数据同时满足：

1)所述传感器在一段时间内测得的应力时历信号数据的幅值均值为零；

2)找到与所述应力时历信号数据运动幅值相同或接近的船舶运动幅值历史数据所在的历史时间段，所述历史时间段内测得应力的幅值均值不为零。

3.根据权利要求1所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述低通滤波时将阻带截止频率设为采样频率。

4.根据权利要求2所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述船舶运动幅值历史数据的统计，具体采用如下方法：将首次出现的船舶运动幅值数据记录为历史数据；若在未来的某时刻，相同的船舶运动幅值数据再次出现，则更新数据库。

5.根据权利要求4所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述幅值数据的统计通过分析应力时历信号数据在跨零周期内的极值，并计算得到对应的所述幅值数据。

6.根据权利要求2所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，当船舶当前运动幅值的平均值与船舶运动幅值历史数据的平均值相差小于5％时，认为该船舶运动幅值历史数据与当前船舶运动幅值接近。

7.根据权利要求2所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述历史时间段内测得应力的幅值均值大于钢材材料屈服极限的5％。

8.根据权利要求2所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述参考零值的范围上限为钢材材料屈服极限的20％。

9.根据权利要求1所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，所述跨零周期T_i为应力时历曲线中两个相邻的横坐标轴跨零点的差值，可表示为：

T_i＝t_i-t_i-1

其中，t_i为横坐标轴跨零点i对应的时刻值。

10.根据权利要求1所述的船体结构应力监测系统传感器开路故障诊断算法，其特征在于，当{X_k,X_k+1,…,X_n}为某跨零周期内应力实历数据，则采用遍历该跨零周期内各数据的、比较各数据值大小的方法，找出周期内的最大的极大值X_l和最小的极小值X_m；那么，该跨零周期内的数据幅值X_s可表示为：

X_s＝X_l-X_m

平均应力幅值为各跨零周期内幅值的平均值，可表示为：

式中：n为该段时间内总的跨零周期个数，X_si为第i个跨零周期内传感器应力数据的幅值。