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船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨
2005年第5期中国修船21
船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨
吴浩峻,孟宪尧,赵殿礼
(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026)
摘要:船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分.随着电力电子设备在船舶中的大量应用,
非线性负载的增多,对船舶电站控制的可靠性及故障预防提出了更高的要求.多传感器数据融合
技术是近年发展起来的一门新兴技术,文章根据多传感器数据融合技术的基本思想,采用扩张的
卡尔曼滤波法对电站参数进行冗余数据融合,在船舶电站控制的实时性和可靠性方面取得了较好
的效果.
关键词:船舶电站;数据融合;可靠性
中图分类号:U674文献标识码:C文章编号:1O01—8328(2005)05一O021—03
Abstract:Marinepowerstationisanimportantpartofmarineelectricpowersystem.Withmoreapplication
ofelectricandelectronicdevicesonship,moreandmorenonlinearloadstakehigherdemandforreliabilityand
faultpreventionofpowerstationcontro1.Muhisensorinformationfusionisakindofnewtechnology.Thispaper
analysesredundancydatafusionforpowerstationparameterswithKalmanTheory,improvingtherealtimefunction
andreliabilityofmarinepowerstationcontrolsystem.
Keywords:marinepowerstation;datafusion;reliability
1概述
目前,对于现代化船舶而言,电站已成为船舶
的最重要组成部分之一,电站运行的可靠性,经济
性及自动化程度对保证船舶的安全运行有重要的意
义.尤其是船舶电站具有特殊的工作环境以及现代
船舶电力系统对电站供电品质和供电连续性的要求
愈来愈高,电站系统的可靠性就显得更加突出.
近年来,多传感器数据融合技术作为一种新颖
的技术已广泛用于处理实际控制系统中的信号综合
处理问题,它对控制系统有4个益处:冗余性,互
补性,实时性和低成本性,从而使系统的可靠性极
大地提高.随着船舶向大型化,高速化,自动化及
智能化方向发展,对船舶电站提出了更高的要求,
这就是船舶电站自动化.实现船舶电站自动化具有
如下优点.
(1)维持船舶电力系统供电的连续性和提高
可靠性,增强船舶运行的生命力.
(2)提高船舶电站供电质量,使各用电负载
处于良好的工作状态.
(3)大大改善船员的劳动条件,减轻值班强
度,使船员能有更多的时间和精力从事设备的维修
工作.
(4)减少船员,提高劳动生产率,提高船舶
运行的经济指标.
早在20世纪60年代初期,13本,英国,德国
等国家就开始进行船舶电站单元自动化控制的研
究,代表性的产品有英国的MMF自动并车装置,
13本的XET自动并车和XPT自动负荷分配装置.
20世纪80年代,随着微型计算机的发展和推广应
用,出现了微机的单机控制系统,如丹麦SEMCO
公司的APM电站自动控制系统.
近年来,由于微机网络技术的13趋成熟,国内
外已研制出分布式网络型的电站自动控制系统,如
SEMENS,AEG,DEIF等大公司的产品及我国上海
船研所的CY8802C等.这些系统在各种船舶电站
作者简介:吴浩峻(1971一),男,浙江义乌人,讲师,硕士,主要从事船舶电气自动化研究.

22中国修船2005年第5期
控制中得到了广泛的应用.
船舶电站自动控制系统一般由三大主要子系统
组成,即自动控制子系统,安全保护子系统和自动
监测报警子系统.图1是目前在实船中较多使用的
DEIF公司DELOMATIC(德龙)多功能电站控制
系统结构框图.
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图1DELOMATIC(德龙)
船舶电站由于自身的特点和在船舶上的作用,
设计其控制系统时,除考虑到控制功能的实现外,
特别要重视的是抗干扰能力,可靠性及维护问题.
目前,先进的船舶电站控制系统采用了以微型机为
核心的设计方法,这就使得其功能13趋完善.之所
以能做到这一点,是因为控制系统的功能不仅仅是
靠硬件电路来实现,而是靠硬件和软件相结合,并
且在很大程度上是靠软件来实现的.
但是近年来,随着船舶侧推设备及电力推进技
术的发展,在船舶中越来越多的采用变频设备.由
于变频器中逆变电路的开关特性,对船舶电站而言
相当于形成了一个典型的非线性负载.变频器输出
的电压波形不是正弦波,波形中含有大量的谐波成
分,其中高次谐波会使变频器输出电流增大,造成
电机绕组发热,产生振动和噪声,加速绝缘老化,
还可能损坏电机;同时各种频率的谐波会向空间发
射不同程度的无线电干扰,干扰电子设备的正常运
行,可能导致其它电子设备误动作.
因此,以变频设备为代表的电力电子装置已经
成为船舶电站系统中最主要的谐波源之一,电力电
子装置所产生的谐波污染已成为船舶电站安全运行
的重大障碍.所以如何克服,避免故障率的发生及
扩大显得尤为重要.
多功能电站控制系统结构框图
2数据融合技术的基本原理
数据融合技术是一种对多源信息进行有效融合
处理的新型理论和技术.它于20世纪70年代初在
美国国防部的声纳信号处理系统中最早得到体现,
之后经过几十年的快速发展,至今已被广泛应用在
军事,工业,金融及空中交通管制等领域.所谓的
数据融合(DataFusion)是一种多层次,多方面的
处理过程,通过对多元数据进行检测,结合,相
关,估计和组合以达到精确的状态估计和身份估
计,以及完整,及时的态势评估和威胁评估.
在船舶电站控制系统中,由于谐波等各种干扰
源的存在,利用传感器进行测量时总是不可避免地
存在测量噪声,因此由传感器获得的信息往往是不
完全和不精确的,这必将降低系统控制的可靠性.
数据融合技术中常用多传感器并行处理,即传
感器冗余的方法减小测量噪声的影响,对冗余数据
融合的方法主要包括:加权平均法,卡尔曼滤波
法,贝叶斯估计法等.
3扩张卡尔曼滤波法的冗余数据融合技术
考虑到船舶电站控制系统的非线性,本文采用了
扩张的卡尔曼滤波法进行冗余数据融合,其方法如下.

2005年第5期吴浩峻,孟宪尧等?船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨23
不失一般性,一个非线性时变随机系统,其状态模型为:
fx(t+1)=(t,(t))+G(t,(t))(t)+T(t)(t)
【Y(t+1)=h(t+1)(t+1)+D(t+1)6(t+1)+e(t+1)
其中:∈R,输入∈R,输出Y∈R,传感器偏差6∈R,非线性函数:R一R,G∈R,h:R一
R.D∈R～,T∈R,系统噪声∈Rp,测量噪声e∈R,是不相关且与X(0)统计独立,此外协方
差函数为:
COV[(￡)(￡,)]=Q,COV[e(￡,)e(￡,)]=Q2f,
其中,为克罗内克符号函数.
假定:①所有系数矩阵已知;②测量值可连续得到;③递归算法中包括新的的估计算法,并把它
作为新的的测量值.
这里不考虑传感器本身的误差,只考虑测量噪声造成的误差,最优滤波方程为:
叠(t+1lt)=(f(t)叠(tlt)+G(t)U(t),
圣(t+1lt+1)=叠(t+1lt)+W(t+1[Y(t+1)一h(t+1lt),t】,
上式中,是卡尔曼滤波增益,它由下式决定:
W(t+1)=P(t+1lt+1)h(t+1)[h(t+1)P(t+1)lt)h(t)+Q2(t)一】P(tlt)
=cov{[(t)一叠(tlt)】[(t)一(tlt)】).
递归的初始条件为:(00)=.W(0l0)
=Wo.
假定船舶电站控制系统中被测量的状态使用
2个传感器进行反馈,传感器的测量值分别为:
和:,即要估计的状态为:X=+e,=1,2.
e是方差的零均值高斯随机变量,融合过
程为:
=
[妻】=[:]+[】=+e.
根据假定,测量值可连续得到,且初值.=
,当:也可得到时,的最优估计为:
=0+[2一0】=0+Poh[^P0h+e】一
=X1+(+i)(X2一X)
::+.
如果采用3个以上的冗余传感器进行数据融
合,效果会更加明显.
4结束语
数据融合技术以其显着的特点和独特的优势,
已经在相当多的领域发挥出明显的作用.在船舶自
动控制领域采用融合技术,已经引起国内外学者的
广泛兴趣,并取得很多积极的成果.本文结合多传
感器数据融合技术的理论,针对船舶电站非线性负
载日益增多的特点,探讨了扩张的卡尔曼滤波法进
行冗余数据融合的方法,并用在船舶电站的控制系
统中,采用该方法后,能够显着的提高系统控制的
实时性和可靠性.由于船舶电站控制的复杂性,本
文所做的探讨仅仅是初步的,要应用到实际船舶上
还需要进行很多实际工作.
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2
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2参考文献
方差估计为:,由此可见,融合后比[1]MoJamshidi:Fuzzycontmlofcomplexsystems,softing
任一单独测量值的方v1
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小,此外,估计中的方[2]c
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差提供了确定每个测量值权值的手段,它可以保证事大学出版社,2003.
把最小方差的测量值给出最大权值.收稿日期:2005—01
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