CN210864842U - 一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，该系统包括：振动检测系统的第一检测端连接于螺旋桨，振动检测系统的第二检测端连接于轴系，振动检测系统的第三检测端连接于发动机，振动检测系统用于检测动力系统的振动信号；数据处理系统的输入端电连接于振动检测系统的输出端，数据处理系统用于处理振动信号；数据分析系统的输入端电连接于数据处理系统的输出端，数据分析系统的第一输出端电连接于中央控制系统的辅助数据输入端，数据分析系统用于根据处理后的振动信号，生成辅助航行策略，并将辅助航行策略发送至中央控制系统。通过本申请中的技术方案，对无人船动力系统进行故障预测和健康管路，有利于实现无人船的自主航行。

Description

一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统

技术领域

本申请涉及无人船的技术领域，具体而言，涉及一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统。

背景技术

得益于现代工业，尤其是自动驾驶技术的迅猛发展，以及世界性的对于海洋军事、商业问题兴趣的增加，无人船领域在近几年得到广泛关注。智能无人船可以代替传统船舶，在更加苛刻危险的环境条件下执行任务，或协助其进行大规模的商业贸易行动，其中，故障预测和健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)技术被用来对无人船系统和组件进行预期工作状态的分析，以提升无人船的工作效能。

一方面，传统的船舶维修保障方式主要是通过人工经验对船舶故障进行分析，以实验的方法确定具体的故障内容，这种方式的准确性和时间效率难以满足无人船的技术要求。另一方面，由于无人船本身没有随行人员进行监控和维修，若采用事后维修的方法，也难以满足无人船的使用需求。

此外，相较于传统船舶而言，无人船的控制、通信系统复杂度更高，而且执行任务的环境可能更加恶劣。因此，需要无人船故障预测方面，具备快速响应与处理复杂问题的能力。

实用新型内容

本申请的目的在于：对无人船动力系统进行故障预测和健康管路，有利于实现无人船的自主航行，为无人船完成分派任务提供有利条件。

本申请的技术方案是：提供了一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，故障预测与健康管理系统适用于无人船的辅助航行，无人船包括动力系统和中央控制系统，动力系统包括螺旋桨、轴系以及发动机，发动机连接于轴系的一端，轴系的另一端连接于螺旋桨，发动机运行时通过轴系带动螺旋桨旋转，发动机的控制端连接于中央控制系统，故障预测与健康管理系统包括：振动检测系统，数据处理系统以及数据分析系统；振动检测系统的第一检测端连接于螺旋桨，振动检测系统的第二检测端连接于轴系，振动检测系统的第三检测端连接于发动机，振动检测系统用于检测动力系统的振动信号；数据处理系统的输入端电连接于振动检测系统的输出端，数据处理系统用于处理振动信号；数据分析系统的输入端电连接于数据处理系统的输出端，数据分析系统的第一输出端电连接于中央控制系统的辅助数据输入端，数据分析系统用于根据处理后的振动信号，生成辅助航行策略，并将辅助航行策略发送至中央控制系统，其中，辅助航行策略包括故障预测信息。

上述任一项技术方案中，进一步地，振动检测系统包括：三个扭转振动传感器、三个轴向振动传感器以及一个垂向振动传感器；三个扭转振动传感器分为第一扭转振动传感器、第二扭转振动传感器以及第三扭转振动传感器，第一扭转振动传感器通过第一检测端连接于螺旋桨，第一扭转振动传感器用于检测螺旋桨的扭转振动，第二扭转振动传感器通过第二检测端连接于轴系，第二扭转振动传感器用于检测轴系的扭转振动，第三扭转振动传感器通过第三检测端连接于发动机，第三扭转振动传感器用于检测发动机的扭转振动；三个轴向振动传感器分为第一轴向振动传感器、第二轴向振动传感器以及第三轴向振动传感器，第一轴向振动传感器通过第一检测端连接于螺旋桨，第一轴向振动传感器用于检测螺旋桨的轴向振动，第二轴向振动传感器通过第二检测端连接于轴系，第二轴向振动传感器用于检测轴系的轴向振动，第三轴向振动传感器通过第三检测端连接于发动机，第三轴向振动传感器用于检测发动机的轴向振动；垂向振动传感器通过第二检测端连接于轴系，垂向振动传感器用于检测轴系的垂向振动。

上述任一项技术方案中，进一步地，数据处理系统包括：传感器分析模块和离散化处理模块；传感器分析模块设置于数据处理系统的输入端，传感器分析模块用于对振动信号进行滤波处理和短时傅立叶变化提取，生成评分信息；离散化处理模块设置于数据处理系统的输出端，离散化处理模块的输入端电连接于传感器分析模块的数据输出端，离散化处理模块用于根据评分信息生成动力系统评分。

上述任一项技术方案中，进一步地，数据分析系统，具体包括：舰载健康管理模块，通信模块以及卫星天线；舰载健康管理模块设置于数据分析系统的输入端，舰载健康管理模块的第一输出端电连接于数据分析系统的第一输出端，舰载健康管理模块用于根据动力系统评分生成辅助航行策略；通信模块的输入端电连接于舰载健康管理模块的第二输出端，通信模块的输出端电连接于卫星天线，通信模块用于发送辅助航行策略；故障预测与健康管理系统，还包括：岸基管理系统；岸基管理系统电连接于中央控制系统，岸基管理系统用于接收并存储辅助航行策略，岸基管理系统还用于根据辅助航行策略向中央控制系统发送维修指令。

上述任一项技术方案中，进一步地，电连接的连接方式为通信电缆连接和/或无线局域网连接。

本申请的有益效果是：通过获取振动检测系统的传感器数据，由数据分析系统生成辅助航行策略，对无人船设备状态进行实时监测，实现对无人船的动力系统进行故障预测信息，以实现对无人船的安全监控、异常预警、综合诊断、故障预测与健康评估。并对无人船在不同状态下的实际工作能力进行充分评估，辅助岸上人员安排调整无人船的工作目标，提升无人船完成分派任务的执行能力。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的无人船动力系统故障预测与健康管理系统的示意框图；

图2是根据本申请的另一个实施例的无人船动力系统故障预测与健康管理系统的示意框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

以下将参照图1对本申请的实施方式进行说明。

如图1所示，本实施例提供了一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，故障预测与健康管理系统适用于无人船的辅助航行，无人船包括动力系统10和中央控制系统60，动力系统10包括螺旋桨11、轴系12以及发动机13，发动机13连接于轴系12的一端，轴系12的另一端连接于螺旋桨11，发动机13运行时通过轴系12带动螺旋桨11旋转，发动机13的控制端连接于中央控制系统60，故障预测与健康管理系统包括：振动检测系统20，数据处理系统30以及数据分析系统40；振动检测系统20的第一检测端连接于螺旋桨11，振动检测系统20的第二检测端连接于轴系12，振动检测系统20的第三检测端连接于发动机13，振动检测系统20用于检测动力系统10的振动信号；

具体地，在故障预测与健康管理系统中设置振动检测系统20，在振动检测系统20的检测端设置多个振动传感器，利用振动传感器检测动力系统10中螺旋桨11、轴系12以及发动机13的振动情况，以便于数据处理系统30以及数据分析系统40根据螺旋桨11、轴系12以及发动机13的振动情况对无人艇进行故障预测，生成辅助航行策略。

进一步地，振动检测系统20包括：三个扭转振动传感器、三个轴向振动传感器以及一个垂向振动传感器213；三个扭转振动传感器分为第一扭转振动传感器201、第二扭转振动传感器211以及第三扭转振动传感器221，第一扭转振动传感器201通过第一检测端连接于螺旋桨11，第一扭转振动传感器201用于检测螺旋桨11的扭转振动，第二扭转振动传感器211通过第二检测端连接于轴系12，第二扭转振动传感器211用于检测轴系12的扭转振动，第三扭转振动传感器221通过第三检测端连接于发动机13，第三扭转振动传感器221用于检测发动机13的扭转振动；三个轴向振动传感器分为第一轴向振动传感器202、第二轴向振动传感器212以及第三轴向振动传感器222，第一轴向振动传感器202通过第一检测端连接于螺旋桨11，第一轴向振动传感器202用于检测螺旋桨11的轴向振动，第二轴向振动传感器212通过第二检测端连接于轴系12，第二轴向振动传感器212用于检测轴系12的轴向振动，第三轴向振动传感器222通过第三检测端连接于发动机13，第三轴向振动传感器222用于检测发动机13的轴向振动；垂向振动传感器213通过第二检测端连接于轴系12，垂向振动传感器213用于检测轴系12的垂向振动。

具体地，在振动检测系统20的检测端设置7个振动传感器，如光纤加速度计，采集螺旋桨11的扭转振动(发动机13产生)和轴向振动(螺旋桨11自身产生)，轴系12的扭转振动(发动机13产生)、轴向振动(螺旋桨11产生)和垂向振动(轴系12的偏心产生)，发动机13的扭转振动(发动机13自身产生)和轴向振动(螺旋桨11产生)。并将检测到的振动信号传递至数据处理系统。

在本实施例中，数据处理系统30的输入端电连接于振动检测系统20的输出端，数据处理系统30用于处理振动信号；

进一步地，数据处理系统30包括：传感器分析模块31和离散化处理模块32；传感器分析模块31设置于数据处理系统30的输入端，传感器分析模块31用于对振动信号进行滤波处理和短时傅立叶变化提取，生成评分信息；离散化处理模块32设置于数据处理系统30的输出端，离散化处理模块32的输入端电连接于传感器分析模块31的数据输出端，离散化处理模块32用于根据评分信息生成动力系统评分。

具体地，由传感器分析模块31对振动传感器检测到的振动信号进行滤波处理，以保证振动信号的准确性，进而对振动信号进行短时傅立叶变化提取，将提取出的数据传输至离散化处理模块32，由离散化处理模块32生成动力系统评分，并将动力系统评分发送至数据分析系统40。

在本实施例中，数据分析系统40的输入端电连接于数据处理系统30的输出端，数据分析系统40的第一输出端电连接于中央控制系统60的辅助数据输入端，数据分析系统40用于根据处理后的振动信号，生成辅助航行策略，并将辅助航行策略发送至中央控制系统60，其中，辅助航行策略包括故障预测信息。

进一步地，数据分析系统40，具体包括：舰载健康管理模块41，通信模块42以及卫星天线43；舰载健康管理模块41设置于数据分析系统40的输入端，舰载健康管理模块41的第一输出端电连接于数据分析系统40的第一输出端，舰载健康管理模块41用于根据动力系统评分生成辅助航行策略；通信模块42的输入端电连接于舰载健康管理模块41的第二输出端，通信模块42的输出端电连接于卫星天线43，通信模块42用于发送辅助航行策略；故障预测与健康管理系统，还包括：岸基管理系统50；岸基管理系统50电连接于中央控制系统60，岸基管理系统50用于接收并存储辅助航行策略，岸基管理系统50还用于根据辅助航行策略向中央控制系统60发送维修指令。

具体地，舰载健康管理模块41接收到动力系统评分之后，生成辅助航行策略，对无人船的动力系统10进行故障预测和健康管理。一方面，将辅助航行策略发送至中央控制系统60，为中央控制系统60生成无人船航行指令提供参考。另一方面，将辅助航行策略传输至通信模块42，由通信模块42通过卫星天线43将辅助航行策略发送至岸基管理系统50进行存储，对无人船的运行数据进行备份。当岸基管理系统50判定无人船需要进行维修时，由岸基管理系统50向中央控制系统60发送维修指令，控制无人船返航维修，以保证无人船的航行安全。

优选地，电连接的连接方式为通信电缆连接和/或无线局域网连接。

具体地，振动检测系统20、数据处理系统30、数据分析系统40以及中央控制系统60之间的可以通过通信电缆(如RJ45接口线、USB-RS232串行接口线)进行数据传输，也可以通过设置无线局域网进行数据传输，还可以采用通信电缆和无线局域网两者并存的方式进行数据传输。

实施例二：

以下将参照图2对本申请的实施方式进行说明。

如图2所示，本实施例提供了一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，包括：待监测的无人船动力系统、船载数据采集与分析系统、船载健康管理系统、岸基管理系统，其中，船载数据采集与分析系统通过有线传输与船载健康管理系统进行互联，船载健康管理系统通过无线传输(主要为卫星传输)与岸基进行通信互联。船载数据采集与分析系统，包括1#-7#号光纤加速度计(振动传感器)，以及用以预处理接收到的振动信号的光纤传感分析仪。

船载数据采集与分析系统负责对无人船动力系统进行在线监测，并将监测数据进行初步处理后传输给船载健康管理系统。1#-7#号光纤加速度计采集由船舶主机(发动机)、轴系、螺旋桨带来的三向振动，包括螺旋桨的扭转振动(由船舶主机产生)、轴向振动(由螺旋桨自身产生)；轴系的扭转振动(由船舶主机产生)、垂向振动(由轴系的偏心产生)、轴向振动(由螺旋桨产生)；船舶主机的扭转振动(由船舶主机自身产生)、轴向振动(由螺旋桨自身产生)。光纤传感分析仪对传感器采集到的振动数据进行预处理，生成船体数据，并传入健康管理系统。

船载健康管理系统包括控制模块，卫星模块以及对应的卫星天线。控制模块置于船体内部水密单元中，通过RJ45接口线与光纤传感分析仪相连并接收船体数据；通过USB-RS232串行接口线与卫星模块相连，将船体健康状况通过卫星通讯与岸基机进行交流。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，振动检测系统的第一检测端连接于螺旋桨，振动检测系统的第二检测端连接于轴系，振动检测系统的第三检测端连接于发动机，振动检测系统用于检测动力系统的振动信号；数据处理系统的输入端电连接于振动检测系统的输出端，数据处理系统用于处理振动信号；数据分析系统的输入端电连接于数据处理系统的输出端，数据分析系统的第一输出端电连接于中央控制系统的辅助数据输入端，数据分析系统用于根据处理后的振动信号，生成辅助航行策略，并将辅助航行策略发送至中央控制系统。通过本申请中的技术方案，对无人船动力系统进行故障预测和健康管路，有利于实现无人船的自主航行。

在本申请中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对实用新型所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (2)

1.一种无人船动力系统故障预测与健康管理系统，所述故障预测与健康管理系统适用于无人船的辅助航行，所述无人船包括动力系统(10)和中央控制系统(60)，所述动力系统(10)包括螺旋桨(11)、轴系(12)以及发动机(13)，所述发动机(13)连接于所述轴系(12)的一端，所述轴系(12)的另一端连接于所述螺旋桨(11)，所述发动机(13)运行时通过所述轴系(12)带动所述螺旋桨(11)旋转，所述发动机(13)的控制端连接于所述中央控制系统(60)，所述故障预测与健康管理系统包括：数据处理系统(30)以及数据分析系统(40)，

所述数据处理系统(30)的输入端电连接于所述振动检测系统(20)的输出端，所述数据处理系统(30)用于处理所述动力系统(10)的振动信号，

所述数据分析系统(40)的输入端电连接于所述数据处理系统(30)的输出端，所述数据分析系统(40)的第一输出端电连接于所述中央控制系统(60)的辅助数据输入端，所述数据分析系统(40)用于根据处理后的所述振动信号，生成辅助航行策略，并将所述辅助航行策略发送至所述中央控制系统(60)，其中，所述辅助航行策略包括故障预测信息，

其特征在于，所述故障预测与健康管理系统，还包括：振动检测系统(20)，所述振动检测系统(20)包括：三个扭转振动传感器、三个轴向振动传感器以及一个垂向振动传感器(213)；

三个所述扭转振动传感器分为第一扭转振动传感器(201)、第二扭转振动传感器(211)以及第三扭转振动传感器(221)，所述第一扭转振动传感器(201)通过所述第一检测端连接于所述螺旋桨(11)，所述第一扭转振动传感器(201)用于检测所述螺旋桨(11)的扭转振动，所述第二扭转振动传感器(211)通过所述第二检测端连接于所述轴系(12)，所述第二扭转振动传感器(211)用于检测所述轴系(12)的扭转振动，所述第三扭转振动传感器(221)通过所述第三检测端连接于所述发动机(13)，所述第三扭转振动传感器(221)用于检测所述发动机(13)的扭转振动；

三个所述轴向振动传感器分为第一轴向振动传感器(202)、第二轴向振动传感器(212)以及第三轴向振动传感器(222)，所述第一轴向振动传感器(202)通过所述第一检测端连接于所述螺旋桨(11)，所述第一轴向振动传感器(202)用于检测所述螺旋桨(11)的轴向振动，所述第二轴向振动传感器(212)通过所述第二检测端连接于所述轴系(12)，所述第二轴向振动传感器(212)用于检测所述轴系(12)的轴向振动，所述第三轴向振动传感器(222)通过所述第三检测端连接于所述发动机(13)，所述第三轴向振动传感器(222)用于检测所述发动机(13)的轴向振动；

所述垂向振动传感器(213)通过所述第二检测端连接于所述轴系(12)，所述垂向振动传感器(213)用于检测所述轴系(12)的垂向振动。

2.如权利要求1所述的无人船动力系统故障预测与健康管理系统，其特征在于，

所述电连接的连接方式为通信电缆连接和/或无线局域网连接。

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