面向小型无人艇健康监测系统方案设计与实施.docx

面向小型无人艇健康监测系统方案设计与实施

摘要：详细阐述了小型无人艇健康监测系统的设计与实施过程。首先，分析了小型无人艇健康管理的特性及所面临的挑战，确定了以动力电力系统为重点的监测对象。随后，准确设定了测点位置以及传感器的选择，并在实艇上部署安装。数据处理方面，采用了数据预处理和分析的方法。通过采集传感器的数据，并使用时域分析、时频谱分析、基于自编码器的异常检测方法对柴油机上的振动数据进行预处理和分析，证明健康监测系统的有效性。最后，对未来的研究展望进行探讨，提出了进一步优化监测系统的多元发展路径，为小型无人艇健康管理提供了宝贵的启示和参考。

关键词：小型无人艇；健康管理；健康监测系统；方案设计；传感器部署；数据预处理

无人艇近年来逐渐成为各领域关注的焦点，在海洋科学研究、海上救援等方面应用前景广泛[1-2]。这些应用场景对无人艇的可靠性和安全性提出了更高的要求，因此无人艇的健康管理显得尤为重要。健康管理系统可以实时监测、评估无人艇的运行状态，并及时预警潜在的故障和风险，从而提高无人艇的使用寿命，降低运行成本，保障水上安全。船舶健康管理技术在近年来得到了广泛关注，学术界和工业界已经开展了大量研究[3-7]。学者们针对船舶的各种关键设备和系统进行了实时监测和性能评估，如动力系统监测[8-10]、电力系统监测[11-13]、船舶结构健康监测[14-17]、船舶环境与能源系统监测等[18-20]。通过采集各类传感器数据，研究者们利用大数据分析、机器学习、深度学习等先进技术实现了对故障的及时诊断和预测[21-24]。人工智能技术的引入，使得船舶健康管理在故障诊断、预测性维护等方面取得了显著进展[25-26]。当前的船舶健康管理技术已经取得了显著进步，但面对小型无人艇的相关研究仍存在一些问题。首先，针对小型无人艇这一对象的健康管理研究相对较少，其特有的小型化、无人化、自主作业以及在恶劣环境工作等特点，使其面临与传统船舶不同的一系列健康管理挑战。其次，现有的研究更多地关注某一设备的具体故障，如柴油机润滑系统故障、轴承故障、曲轴裂纹故障等，缺乏从系统级角度和船舶整体性能角度进行分析。鉴于此，本文旨在从船舶系统角度出发，充分考虑小型无人艇相较于传统船舶的特殊性以及在运行过程中可能面临的各种挑战，权衡各系统重要程度及复杂程度，针对无人艇动力电力系统进行健康监测方案设计与实施。通过全面监测无人艇动力电力系统的运行状态，希望能为未来小型无人艇的健康管理研究提供参考，以实现对无人艇的全面、深入、精细管理，提高其可靠性和安全性。无人艇的健康管理，特别是针对其动力、电力系统的健康管理，是提高无人艇系统可靠性的关键。本文的研究不仅有助于解决小型无人艇在特殊环境和使用条件下的健康管理问题，而且从系统级别、船舶整体性能角度出发，提供一种新的视角和方法，为无人艇健康管理技术发展提供参考。

1、小型无人艇健康管理特性及挑战

小型无人艇健康管理的特性和挑战涵盖了多个维度，主要围绕艇体小型化、船舶应用环境、无人操作与自主性，以及恶劣环境中的运作等方面展开。小型化及船舶应用特点：小型无人艇体积小，且需要满足高性能的船舶应用要求，健康管理系统需要在有限的体积和载荷下，实现更高的性能。这一特点对传感器的选择、部署和优化，以及数据采集、处理和实时传输的设计提出了挑战。恶劣环境工作：无人艇根据其工作特点和应用场景，需要在恶劣环境中工作，其健康管理系统需要具备强干扰性、防水性和防腐蚀性，对数据采集和通信也提出了更高的要求，也提升了系统设计和实施的难度。无人自主作业：无人艇大部分情况下都需要无人干预地执行任务，自主作业特性要求其健康管理系统具备更强的自主性和智能化水平，具备实时监控和诊断能力，能处理大量的实时数据，包括数据去噪、平滑处理、特征提取等。成本与效益权衡：无人艇的投资和运营成本相对较低，健康管理系统的设计和实施需要在满足性能要求的前提下，尽可能降低成本，使得系统具有高性价比。

2、健康监测系统方案设计与实施

2.1无人艇系统组成与设备介绍

无人艇由一系列互相协作的系统组成，按照功能主要划分为动力系统、电力系统、通信导航系统、态势感知系统、远程控制系统、航行保障系统等。各系统的重要程度和复杂性各不相同，面向全船的健康管理系统以提升全船的可靠性、可用性为目标，按照基于视情维修的开放体系（OSA-CBM）层级划分，分别设定不同的健康管理目标，对各系统进行权衡分级。其中，动力系统负责提供推动力，使无人艇能够在水域中自由移动，其性能好坏直接影响无人艇的速度、灵活性和行驶续航能力。电力系统则提供电力支持，为艇上的所有电气设备供电，其稳定性和可靠性对无人艇的整体运行至关重要。动力电力系统作为支撑无人艇运行的核心，其健康状况直接关系到无人艇的运行安全和效率，因此将其健康管理作为本文研究