实船数据环境下船舶主柴油机性能评估方法
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ｒｕｎｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｅａｒｃｈ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，
ｔｈｅ ｍ ａｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅ— ｓｕｉｔ．Ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ Ｍ ＡＮ Ｂ＆Ｗ ６Ｓ３５Ｍ Ｃ ａｔ ｔｈｅ ｏｃｅａｎ－ｇｏｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ａｃｃｕ－ ｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍ ｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍ ｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｆｏ ｒ ｔｈｅ ｍｉｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｖａｒ－ ｉｅｓ ｆｒｏｍ ０．５％ ｔｏ １．５％ ．Ｔｈｅ ｍ ａｐｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ Ｍ Ｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ａｎｄ ａｒｅ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ ｐｅｒｆｏｒ ｍ — ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｄｅｇ ｒ ａｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｓｈｉｐ； ｍ ａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ； ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ； ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆ ｉ ｃｉｅｎｔｓ； ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓ—
均值模 型为基础 ，建立 柴油机非线性状 态空间模型 ，并定 义以状态导数 为 自变量 的准则 函数 ，利用梯度搜 索优化对
缺失运行参数 和性 能偏 移系数进行循环迭代辨识 ；最 后 ，通过三维 曲面拟合 将辨识结果拟合 为主机 性能 ｍａｐ．选取
某远洋船 由高纬度 向低 纬度 航行过程 中 ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ６Ｓ３５ＭＣ 主机监 测数据为算例 ，对评估算法 进行验证．结果表
ｔｅｍ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
船舶 主机作为船舶的心脏 ，其性能对船舶 的可靠 性 和经 济 性都 有 重要 意 义 ．与 视情 维 修 不 同 ，故 障预 测 和 健 康 管 理 （ＰＨＭ）技 术 引 入 了 对 设 备 未 来 状 态 （故障 、退化量或剩余寿命 ）的预测 ¨．该方法通过传
（７２连海事 大学 轮机工程学 院 ，辽宁 大连 １ １６０２６）
摘要 ：针 对现 阶段 营运 船舶的监测数据存在 部分运行参数缺失 和数据频率低 的问题 ，提 出一种 实船数据环境下 船舶
主柴 油机性能评估方 法．首先 ，使用柴 油机 台架试验数据 进行 曲面拟合 ，生成性能参数 的初 始估算值 ；然 后 ，以平
中 图分 类 号 ：ＴＫ４２７
பைடு நூலகம்
文 献标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： １０００—０９０９（２０１８）０２．０１８２ １０
Ａ Ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍ ｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍ ａｉｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｄａｔａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ
第 ３６卷 （２０１８）第 ２期
Ｔ内ｒａｎｓ燃ａｃｔｉｏ机ｎｓ ｏｆ学 ＣＳＩ报ＣＥ
ｖ０１．３６ （２０１８）Ｎｏ．２
ＤＯＩ：１０．１６２３６￣．ｃｎｋｉ．ｎｑｘｂ．２０１８０２０２４
实 船 数 据 环 境 下 船 舶 主 柴 油 机 性 能评 估 方 法
刘伊凡 ，黄连 忠，孙培廷 ，马冉祺
Ｌｉｕ Ｙｉｆａｎ， Ｈｕａｎｇ Ｌｉａｎｚｈｏｎｇ， Ｓｕｎ Ｐｅｉｔｉｎｇ， Ｍ ａ Ｒａｎｑｉ （Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐａｒｔ ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｍｉｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｓａｍ ｐｌｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ， ａ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｄａｔａ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｉｎｉｔｉａｌ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗ ｅｒｅ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ ｄａｔａ．Ｔｈｅｎ
ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｔａｔｅ ｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＶＥＭ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ
ｏｆ ｓｔａｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ， ａｎｄ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｓｓｉｎｇ
明 ：算法对缺失运行参数辨识 的平均误差在 ０．５％ ～１．５％．通 过．性能偏移系数修正之后的 ｍａｐ不受环境和 工况 的影
响 ，可 以用来描述柴油机性能 ；长期 主机性能评估结果 可以描述 主柴油机的性能退化过程．
关键词 ：船舶 ；主柴油机 ；性能评估 ；性 能偏移 系数 ；非线性迭 代辨识
ｔｈｅ ｍ ａｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅ— ｓｕｉｔ．Ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ Ｍ ＡＮ Ｂ＆Ｗ ６Ｓ３５Ｍ Ｃ ａｔ ｔｈｅ ｏｃｅａｎ－ｇｏｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ａｃｃｕ－ ｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍ ｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍ ｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｆｏ ｒ ｔｈｅ ｍｉｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｖａｒ－ ｉｅｓ ｆｒｏｍ ０．５％ ｔｏ １．５％ ．Ｔｈｅ ｍ ａｐｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ Ｍ Ｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ａｎｄ ａｒｅ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ ｐｅｒｆｏｒ ｍ — ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｄｅｇ ｒ ａｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｓｈｉｐ； ｍ ａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ； ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ； ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｅｆ ｉ ｃｉｅｎｔｓ； ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓ—
均值模 型为基础 ，建立 柴油机非线性状 态空间模型 ，并定 义以状态导数 为 自变量 的准则 函数 ，利用梯度搜 索优化对
缺失运行参数 和性 能偏 移系数进行循环迭代辨识 ；最 后 ，通过三维 曲面拟合 将辨识结果拟合 为主机 性能 ｍａｐ．选取
某远洋船 由高纬度 向低 纬度 航行过程 中 ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ６Ｓ３５ＭＣ 主机监 测数据为算例 ，对评估算法 进行验证．结果表
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船舶 主机作为船舶的心脏 ，其性能对船舶 的可靠 性 和经 济 性都 有 重要 意 义 ．与 视情 维 修 不 同 ，故 障预 测 和 健 康 管 理 （ＰＨＭ）技 术 引 入 了 对 设 备 未 来 状 态 （故障 、退化量或剩余寿命 ）的预测 ¨．该方法通过传
（７２连海事 大学 轮机工程学 院 ，辽宁 大连 １ １６０２６）
摘要 ：针 对现 阶段 营运 船舶的监测数据存在 部分运行参数缺失 和数据频率低 的问题 ，提 出一种 实船数据环境下 船舶
主柴 油机性能评估方 法．首先 ，使用柴 油机 台架试验数据 进行 曲面拟合 ，生成性能参数 的初 始估算值 ；然 后 ，以平
中 图分 类 号 ：ＴＫ４２７
பைடு நூலகம்
文 献标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ： １０００—０９０９（２０１８）０２．０１８２ １０
Ａ Ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍ ｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍ ａｉｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｄａｔａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ
第 ３６卷 （２０１８）第 ２期
Ｔ内ｒａｎｓ燃ａｃｔｉｏ机ｎｓ ｏｆ学 ＣＳＩ报ＣＥ
ｖ０１．３６ （２０１８）Ｎｏ．２
ＤＯＩ：１０．１６２３６￣．ｃｎｋｉ．ｎｑｘｂ．２０１８０２０２４
实 船 数 据 环 境 下 船 舶 主 柴 油 机 性 能评 估 方 法
刘伊凡 ，黄连 忠，孙培廷 ，马冉祺
Ｌｉｕ Ｙｉｆａｎ， Ｈｕａｎｇ Ｌｉａｎｚｈｏｎｇ， Ｓｕｎ Ｐｅｉｔｉｎｇ， Ｍ ａ Ｒａｎｑｉ （Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐａｒｔ ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｍｉｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｓａｍ ｐｌｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ， ａ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｄａｔａ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｉｎｉｔｉａｌ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗ ｅｒｅ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ ｄａｔａ．Ｔｈｅｎ
ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｔａｔｅ ｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＶＥＭ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ
ｏｆ ｓｔａｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ， ａｎｄ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｓｓｉｎｇ
明 ：算法对缺失运行参数辨识 的平均误差在 ０．５％ ～１．５％．通 过．性能偏移系数修正之后的 ｍａｐ不受环境和 工况 的影
响 ，可 以用来描述柴油机性能 ；长期 主机性能评估结果 可以描述 主柴油机的性能退化过程．
关键词 ：船舶 ；主柴油机 ；性能评估 ；性 能偏移 系数 ；非线性迭 代辨识