船舶气象仪测风故障分析方法与应用.pdf

24 cademic Research 技术交流 A 船舶气象仪测风故障分析方法与应用船舶气象仪测风故障分析方法与应用 黄一清1，漆随平2，王 尼3（1.海军装备部驻上海地区第二军事代表室，上海 200129；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266061；3.山东省海洋仪器仪表科技中心，山东青岛 266061）摘摘 要：要：针对某航次过程中船舶气象仪测风数据出现异常的问题，建立故障树模型；通过故障定性分析，确定出故障原因和故障位置，并通过实证排查和测试对故障原因及位置进行确认，采取措施对故障进行消除；利用实船航行试验方法对所采取措施进行验证。试验结果表明：所分析的故障原因及定位准确，采取措施有效，表明该方法可提高船舶气象仪测风故障的诊断与维修效率。关键词：关键词：船舶气象仪；测风传感器；故障分析；故障定位 中图分类号：中图分类号：P716.+3 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.008 Method and Application of Wind Measurement Fault Analysis for Ship Meteorological Instrument HUANG Yiqing1,QI Suiping2,WANG Ni3(1.The Second Military Representative Office in Shanghai of the Naval Equipment Department,Shanghai 200129,China;2.Institute of Oceanographic Instrumentation,Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences),Qingdao 266061,Shandong,China;3.Shandong Technological Center of Oceanographic Instrumentation,Qingdao 266061,Shandong,China)Abstract:In view of the abnormal data of anemometry during a voyage,a fault tree model has been established,so as to determine the fault cause and location through fault analysis,to confirm the fault cause and location through empirical troubleshooting and testing,to take measures to eliminate the fault,and to verifies the measures taken by the real ship navigation test method.The test results show that the analyzed fault causes and location are accurate,and the measures taken are effective,which shows that this method can improve the fault diagnosis and maintenance efficiency of wind measurement fault of ship meteorological instrument.Key words:ship meteorological instrument;anemometry;fault analysis;fault location 0 引言引言 船舶气象仪提供的风速风向及其他气象要素数据为船舶的安全航行及武器发挥效能提供重要的数据支撑。目前，船舶上安装的船舶气象仪配备的测风传感器多为螺旋桨式，该型传感器列装 以来其测量准确性等指标均符合相关标准1。螺旋桨式测风传感器的外形类似飞机，飞机前端螺旋桨转动速度与风速成正比，通过传感器测量螺旋桨转速，即测到相对风速；飞机尾翼摆动带动与机身一体的风向传感器旋转，通过风向传 作者简介：黄一清（1988），女，工程师。研究方向：ZZ 系统通导系统。25 感器信号即可确定相对风向。依据接收到的船舶航行的航速航向数据，计算出实际风速和实际风向的信息2。船舶气象仪对可靠性及电磁兼容性等指标要求较高。曹恒永3根据减额设计法和冗余设计法进行了船舶气象仪的电子线路可靠性设计；漆随平等4采用基于三角Vague集算术运算的模糊算法，建立系统模糊算术运算的可靠性分析模型；杨慧等5阐述仪器研制时采取的防抗电磁干扰措施；于宏波6分别完成了船舶气象仪提高抗电磁干扰能力的电磁兼容性设计；刘涛等7完成了船舶气象仪的电磁兼容性测试及分析；张宁等8研制出了船舶气象仪故障诊断系统，提高了船舶气象仪的维修效率，但该文献没有涉及船舶气象仪测风数据异常等方面的故障诊断；石屹琳等9综述了船舶机电设备的故障诊断方法，对船舶机电设备的故障自诊断方法的现状与趋势进行总结。本文对船舶气象仪测风数据异常建立故障树模型，通过故障定性分析确定出故障原因和故障位置，故障原因涵盖电磁干扰导致设备故障。1 测风工作原理及问题现象测风工作原理及问题现象 1.1 工作原理工作原理 船舶气象仪由主机、测风传感器、温湿度传感器和气压传感器等部分组成，具有测量相对风速、相对风向、气温、相对湿度、气压、能见度和云底高等气象要素的功能，同时，具有接收船舶航速航向信息及计算获取实际风速、实际风向信息等功能。船舶气象仪测量得到的相对风速风向是以船为坐标（船首为0）、相对船的风速风向，计算得到的实际风速、实际风向则是以大地为坐标（大地N向为0）、相对大地的风速风向。船舶气象仪所配置的测风传感器与螺旋桨测风传感器外形类似飞机，如图1所示，其前端装有螺旋桨，风作用于螺旋桨带动其转动，通过风速敏感元件感应与风速成正比的转动速度，对于风向测量，风作用于尾翼转矩使机身旋转，带动风向敏感元件获得尾翼的位置信息，利用通信回路将转动速度和尾翼位置信息输出给主机；主机通过通信板、采集板，获得转速信息、位置信息及航速航向信息，通过主控板计算获得相对风速风向及实际风速风向数据。图 1 传感器外形及工作原理图 1.2 问题现象问题现象 在某船航行试验过程中，船舶气象仪的风速风向数据出现了异常数据，而此时船舶气象仪所测量得到的气温、相对湿度、气压、能见度和云底高等气象要素数据正常。在该航行试验期间，设备先后在6个试验日出现过风速测量结果异常、风测量结果不更新现象，同时在船舶气象仪主机界面中出现风数据乱码，其余气象要素数据正常。大多情况下，由于测风传感器在试验期间的数据正常，因此，通过现场观察分析初步判定出现异常原因属于随机故障或软故障。根据设备使用故障管控规定进行故障记录及问题分析，如表1所示。表 1 船舶气象仪数据异常及故障记录分析排查表 出现问题时间 问题现象 可能原因分析 排查过程 结果确认 2020 年 1011 月，6 个试验日 船舶气象仪风速数据异常、数据显示乱码 传感器故障 通过现场观察分析，大多数数据正常，偶然发生异常，初步判定为随机故障或软故障 需要逐一排查并验证后确认 主机故障 数据传输故障 传感器单片机故障 26 cademic Research 技术交流 A 表 1 船舶气象仪数据异常及故障记录分析排查表（续）出现问题时间 问题现象 可能原因分析 排查过程 结果确认 2020 年 1011 月，6 个试验日 船舶气象仪风速数据异常、数据显示乱码 传感器通信回路故障 通过现场观察分析，大多数的数据正常，偶然发生异常，初步判定为随机故障或软故障 需要逐一排查并验证后确认 传感器敏感元件故障 数采板故障 主机主控板故障 主机通信板故障 主机受干扰 通信线干扰 环境电磁干扰 2 故障分析故障分析 2.1 故障树建立故障树建立 故障树分析法是一种通过图形演绎法进行故障逻辑因果关系分析的故障分析方法，该方法由美国贝尔电话研究所首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统，从而推动了故障树分析法在航天、机械等领域的广泛应用10。由于该方法具有逻辑清晰、层次鲜明等优点，可以清晰地分析出故障机理以及其发生的逻辑，因此该方法成为故障诊断专家系统中可快速识别故障的常用方法11。在利用故障树分析法进行故障分析时，建立的故障树的质量对故障分析的结果产生直接的影响。因此，需要在充分掌握好故障分析方法之后，还需要熟悉了解具体设备结构、组成及工作原理，在此基础上要掌握设备故障现象以及故障原因这两者之间的关系。测风数据异常故障树建立过程：将数据异常故障作为顶事件，用T表示；列出可以使此事件发生的全部影响要素，将这些影响要素作为中间事件，用Ai表示；找到引起这一中间层中的各个事件发生的全部的直接原因，即底事件，用Bi表示；重复此步骤，建立故障树，将这些事件之间存在的逻辑关系表示出来。在此基础上，通过建立边界条件将不允许出现的电源故障、不可能出现的接插件故障等事件予以排除，获得测风数据异常故障树各节点编号对应的事件逻辑关系，见表2。表 2 传感器故障事件对应分析表 节点号 事件名称 节点号 事件名称 近两故障统计 T 风数据异常 A1 传感器故障 2 A2 主机故障 0 A3 数据传输故障 1 A1 传感器故障 B1 单片机故障 0 B2 通信回路故障 1 B3 敏感元件故障 1 B4 数采板故障 0 A2 主机故障 B5 主控板故障 0 B6 通信板故障 0 A3 数据传输故障 B7 主机受干扰 0 B8 数据线干扰 1 B9 环境电磁干扰 0 27 在故障树分析中，如果故障树多个底事件集合同时发生，则会引起顶事件的发生，该集合称为割集，是系统的一种故障模式，导致系统故障发生的最小故障模式的集合称为最小割集。最小割集是底事件数目不能再减小的割集，一个最小割集代表着引起故障树顶事件发生的一个故障模式。采用最小割集方法利用如下公式求解出测风数据异常故障树的最小割集Xi，从而得到简化的测风数据异常的故障树。T=A1+A2+A3=B1+B2+B3+B4+B9 （1）式（1）中：最小割集为X1=B1,X2=B2,X9=B9。根据所求结果可知，测风数据异常的故障树的最小割集为9个，采用通用故障事件符号、逻辑门符号及转移符号，并将符号与相应的事件（顶事件T、中间事件Ai、基本事件Bi）、逻辑（与或非门逻辑）及转移关系对应起来，建立故障树，如图2所示。图 2 传感器数据异常故障树 2.2 故障树分析故障树分析 利用所建立的故障树，结合船舶气象仪及测风传感器研制、维护过程中总结的经验，从故障树故障源处在树的最底层（底事件），按自下而上的传播方向，根据底事件中间事件顶事件进行逻辑分析。由故障树分析可知，可能造成风速风向测量不准确故障的原因有以下3种：1）测风传感器故障，不能正确感知环境风速风向。2）主机故障，不能正确接收风传感器的测量结果或测量结果解算出错。3）数据传输故障，风传感器的测量结果不能正确传输至主机。结合测风数据异常的现象，通过故障树逻辑分析，推断出引起该次数据异常的原因为底事件B9环境电磁干扰所致。2.3 故障实证排查故障实证排查 利用故障树分析法确定出故障底事件，但需要对故障进行实证排查以验证分析结果。为充分验证分析结果，结合船舶气象仪研制维护经验，对故障按中间事件进行逐项排查。1）风传感器故障。对试验过程中替换下的测风传感器进行返厂检测，传感器均功能正常，排除了风传感器故障的可能性。2）主机故障。除风速风向参数以外设备同时进行采集处理的温湿度、大气压、能见度和云底高参数均正常稳定，且在故障现象出现时，设备主机软件重启不能暂时消除故障，说明该故障现象与设备主机无关。3）数据传输故障。经现场观察和调取设备数据记录，设备风速风向测量结果异常或不更新时，在设备状态界面的内部接口数据中观察到风传感器报文有乱码现象。如某天20:43观察到的数据为：$?1.=,V,120,A，与规定格式$xx.x,A,xxx,A不符。在设备出现故障分析时，针对出现乱码的风传感器电缆进行热拔插，乱码及风速风向测量不准确现象可暂时消除，但工作一段时间后异常现象依然出现。因此，上述现象可以确定风数据传输故障造成了风速风向数据异常。分析结果与后期的故障统计相吻合。3 舰用测风传感器抗干扰技术分析舰用测风传感器抗干扰技术分析 3.1 舰船环境下的干扰源分析舰船环境下的干扰源分析 船舶环境下测风传感器所可能经受的干扰源主要有3类12。1）传导干扰。由导线耦合或由共模阻抗耦合引入传感器造成的干扰。2）辐射干扰。由空间存在电磁波，产生辐射之后对传感器造成的干扰。3）串音干扰。由传感器自身的一个信号线路对另外一路邻近的信号线路造成的干扰。28 cademic Research 技术交流 A 3.2 干扰源及干扰传输定位干扰源及干扰传输定位 通过试验现场的观察记录分析发现，船舶气象仪出现数据传输故障时都是处于某型雷达加高压工作时段，表明风传感器的数据报文乱码与某型雷达加高压过程密切相关。因此，传感器所承受的干扰为辐射干扰，即辐射干扰所致的串行数据出错，故可定位为干扰是通过信号传输电缆的屏蔽层未可靠接地引入的。4 针对某型船针对某型船测风传感器测风传感器的抗干扰措施的抗干扰措施 及验证及验证 经上述故障分析及实证排查发现，在出现故障现象时，该船使用的风传感器底座为非金属材质，其信号传输电缆的外屏蔽层接至传感器航插尾夹，没有进行接地处理。后续将测风传感器更换的金属底座风传感器后，故障消除，表明传感器信号电缆的外屏蔽层通过航插接至传感器金属底座，再与船体可靠连接，处于良好接地状态。证明了上述故障分析定位准确，所采取通过测风传感器金属底座和屏蔽电缆可靠接地的措施可行。对处理结果进行了实船验证。在更换金属底座传感器后进行的航行试验过程中观察，设备在某型雷达多次加高压工作时，船舶气象仪都处于正常稳定工作状态，未出现风数据乱码及测量结果异常现象。调取船舶气象仪记录的原始数据进行分析，也未发现异常数据。2021年，在其他同型号船航试期间，对某型雷达施加高压进行了专项验证，经现场观察和数据记录分析，船舶气象仪在试验过程中工作正常稳定，未发现异常数据。5 结论结论 针对船舶气象仪测风数据异常问题，本文提出了故障树方法并建立了相应的模型，通过故障树分析确定出了故障类型及故障点，对故障问题采取了相应的措施，并通过实船航行试验方法对所采取的措施进行了验证。结果表明：所提出的故障分析方法故障定位准确，采取的措施有效，可提高测风传感器的故障诊断与维修效率。本文研究过程也表明，随着舰船自动化程度的提高，船用电子设备的种类、数量不断增加，电子设备功率不断增大，导致舰船电磁辐射及干扰问题越来越严重，船用电子设备自身产生电磁场辐射增大，且船舶舱位空间狭小，使设备电磁场环境更加恶劣，对测风传感器等舱外传感器有必要进行电磁兼容性设计，在安装过程中也要做好接地、屏蔽等防干扰措施。参考文献：参考文献：1 中国仪器仪表学会.船舶气象仪通用技术规范:T/CIS 470012018S.2018.2 崔国友,庞佑军,涂大斌.W 型船舶气象仪设计与实现J.中国造船,2012,53(4):192-197.3 曹恒永.海洋船舶气象仪的可靠性设计J.山东科学,1999,12(4):39-45.4 漆随平,王东明,王平,等.基于 Vague 集运算的船舶气象仪可靠性分析J.制造业自动化,2012,34(12):18-20.5 杨慧,王平.船舶气象仪的电磁兼容性设计J.机械管理开发,2007(3):20-21.6 于宏波.船舶气象仪的电磁兼容设计J.机械,2012,39(增刊 1):132-134.7 刘涛,漆随平,王洋,等.船舶气象仪电磁兼容性试验及分析J.机械管理开发,2010,25(6):37-38.8 张宁,石小梅,成文.船舶气象仪故障诊断系统的研制J.机械管理开发,2012(3):80-81.9 石屹琳,马大鹏.船舶机电设备故障诊断方法J.设备管理与维修,2021(16):179-181.10 郭济鸣,齐金平,李兴运.故障树分析法的现状与发展J.装备机械,2018(2):61-66.11 潘宇雄,李清东,任章.基于模型的故障诊断专家系统测点优选策略J.东南大学学报(自然科学版),2013,43(增刊 1):98-101.12 汤恒,易艳春.舰用电子设备结构电磁兼容性设计要点J.舰船电子工程,2017,37(8):17-20.