0 引　言

船舶柴油机作为推动船舶航行的重要动力源，其可靠性和稳定性直接关系到船舶的安全运行和经济效益^[1]。主轴承作为柴油机的关键部件之一，承受着巨大的负荷和摩擦力，其温度状态是反映柴油机运行状态和潜在故障的重要指标^[2]。因此，对船舶柴油机主轴承温度进行实时监测，可以及时发现和处理温度异常，保障船舶安全运行和延长柴油机使用寿命。

李滨等^[3]通过优化温度测点、建立热误差数学模型、测试系统实时性、实施反馈脉冲插入式补偿等关键技术，实现主轴温度场的准确监测和热误差的实时补偿。对主轴温度场进行监测和补偿，虽然精度高，但监测范围相对较窄，不适用于所有类型的轴承。张悦钿等^[4]通过传感器收集轴承的振动、温度等关键数据，并上传至云平台进行存储与分析，识别轴承的异常状态，预测潜在故障，并发送预警信息。依赖于云平台进行数据存储和分析，对网络连接和云平台性能有一定的要求，若网络不稳定，则会影响监测的实时性和准确性。Zhou等^[5]利用最大负熵反褶积技术，提取轴承振动信号中的冲击故障特征，实现对轴承状态的实时监测。依赖振动信号进行故障特征提取，对于温度监测的直接性不足，无法全面反映轴承的温度状态。吴海威等^[6]通过包络检波算法提取包络信号，并对包络信号进行频谱分析得到包络谱，依据包络谱特征，设计盲滤波器，无需先验知识即可从混合信号中分离故障信号，实现轴承状态监测。该方法依赖于信号的稀疏性特征进行故障信号分离，对于噪声干扰较大的信号，无法准确提取故障特征。

高频射频识别（High Frequency Radio Frequency Identification，HF RFID）温度传感器采用无线射频方式进行数据传输，无需与测量对象直接接触，避免因接触而产生的磨损、污染或干扰问题，同时HF RFID温度传感器在恶劣环境下仍能稳定工作，可以实时监测船舶柴油机主轴承的温度，可以及时发现温度异常，避免潜在的安全隐患，提高监测效率。为此，设计船舶柴油机主轴承温度监测系统，为船舶的安全运行和高效运营提供有力保障。

1 船舶柴油机主轴承温度监测系统 1.1 船舶柴油机主轴承温度监测系统的总体结构

高温可能导致主轴承损坏，甚至引发火灾等严重安全事故。传感器能够实时监测温度，当温度超过安全范围时，系统可以立即发出警报，提醒操作人员采取措施，确保船舶和人员的安全^[7]。为此，设计船舶柴油机主轴承温度监测系统。

1）HF RFID温度传感器被安装在船舶柴油机的各档主轴承上，用于实时采集船舶主轴承温度信息。为提高HF RFID温度传感器的主轴承温度信息采集精度，利用径向基函数神经网络，对HF RFID温度传感器的误差进行补偿。

2）机舱本地阅读器负责激活HF RFID温度传感器，并接收它们采集到的温度信息。阅读器与温度传感器之间通过无线射频方式进行通信，使得阅读器能够无需物理接触即可读取传感器的数据。

3）机舱本地无线传感网络模块负责将阅读器接收到的温度信息传输到机舱内的其他设备，如显示模块和可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）控制模块。

4）PLC控制模块根据接收到的温度信息执行保护和控制操作。PLC事先设置温度阈值，当温度超过阈值时，则会自动触发保护机制，如关闭柴油机或启动冷却系统，以防止主轴承过热并导致损坏，并发出预警信息。

5）机舱本地显示模块用于实时显示主轴承温度监测结果，并提供警报信息，以便工作人员能够迅速响应任何异常情况。

1.2 HF RFID温度传感器设计

以HF RFID为核心，设计HF RFID温度传感器，适用于各种复杂环境，包括高温、潮湿、粉尘等恶劣条件，使得它能够在船舶这种复杂多变的运行环境中保持稳定的性能。

1）整流电路负责将阅读器发射的射频能量（AC）转换为直流能量（DC），为整个温度传感器提供稳定的直流电压，确保后续电路能够持续获得稳定的能量供应。

2）基准稳压电路为温度传感器中的其他单元提供与工艺、电压和温度无关的电压和电流。

3）解调电路负责从阅读器接收到的射频信号中提取出温度信息采集指令。

4）调制电路负责将温度信息编码为射频信号，以便发送回阅读器，实现阅读器与温度传感器之间的通信，使得温度信息能够被读取和记录。

5）时钟电路为整个温度传感器提供稳定的时钟信号，确保各个单元能够按照预定的时序工作。

6）当电源电压上升到设置阈值时，上电复位电路会产生复位信号，将数字基带复位到就绪状态，有助于确保数字基带在启动或复位后能够正常工作，避免出现异常状态转换。

7）带隙基准温度检测电路负责检测船舶柴油机各档主轴承的温度信息，并将温度信息转换为电信号。

8）温度量化/处理电路负责将带隙基准温度检测电路输出的电信号转换为数字信号，以便进行后续的处理和分析。

9）数字基带负责船舶柴油机主轴承温度信息的编解码和分析，并打包成适合传输的格式，传输至阅读器^[8]。

10）存储器用于存储船舶柴油机主轴承温度信息和相关配置信息。

1.3 HF RFID温度传感器的误差补偿

HF RFID温度传感器虽然具有高精度和稳定性，但在实际应用中仍受到多种因素影响，如环境变化、制造工艺等，产生一定的误差。这些误差如果不进行补偿，则会影响到温度信息的准确性，进而影响到对船舶主轴承温度状态的判断。为此，利用RBF神经网络对HF RFID温度传感器进行误差补偿。船舶各档主轴承的HF RFID温度传感器，在其设计的测量范围内，误差表现具有明显的区间特性：低温范围（从−20 ℃直至低温阈值T_d），以及高温范围（从高温阈值T_u至150 ℃），误差较为明显且波动较大；相比之下，在介于T_d与T_u之间的中温区域，误差则相对较小，且其变化趋势较为平稳。为此，T_d与T_u作为误差特征阈值，分别标志着低温与高温误差增大的起始界限。

依据T_d与T_u，建立3个成员RBF神经网络，记作RBF1、RBF2、RBF3，T_d为RBF1和RBF2的分界点，T_u为RBF2和RBF3的分界点。在每个成员RBF神经网络内输入采集的对应区域的船舶各档主轴承温度信息${T_i},(i = 1,2,3 )$，输出补偿后的温度信息${\hat T_i}$。公式如下：

${\hat T_i} = \sum\limits_{j = 1}^N {{g_{ij}}{w_{ij}}} + {b_j} 。$

(1)

式中：${g_{ij}}$为径向基函数；${b_j}$为第$j$个节点的偏置；$N$为隐层节点数量；${w_{ij}}$为权值。

${g_{ij}}$的计算公式如下：

${g_{ij}} = {e^{ - \dfrac{{{{\left\| {{T_i} - {Z_{ij}}} \right\|}^2}}}{{2\delta _{ij}^2}}}}。$

(2)

式中：$\delta _{ij}^{}$为扩展常数；${Z_{ij}}$为中心矢量。

以加权融合的方式，处理3个RBF成员网络输出的温度补偿结果，得到最终补偿后的船舶柴油机主轴承温度信息采集结果。公式如下：

$\hat T = {\alpha _1}{\hat T_1} + {\alpha _2}{\hat T_2} + {\alpha _3}{\hat T_3} 。$

(3)

式中：${\alpha _1}$、${\alpha _2}$、${\alpha _3}$均为权重。

1.4 船舶主轴承温度的保护与控制

PLC控制模块根据1.3小节误差补偿后的船舶柴油机各档主轴承温度信息执行保护和控制操作。PLC控制模块的执行流程如图1所示。

船舶柴油机运行期间，机舱本地PLC控制模块会接收来自各档主轴承补偿后的温度信息。PLC控制模块内部的CPU会执行必要的逻辑保护和控制操作。同时，这些温度信息也会被实时显示在机舱内的显示模块上。根据既定的标准，如果柴油机主轴承的温度超过90℃，则被视为温度报警的触发条件。在柴油机持续运行过程中，如果报警计数器显示有报警记录（即不为0），那么显示模块上的柴油机报警指示灯就会开始闪烁，提醒工作人员至少有一档主轴承的温度已经触发报警条件，需要工作人员立即关注和处理。

2 结果与分析

柴油机作为船舶的核心动力设备，其运行状态直接关系到船舶的安全和性能。主轴承作为柴油机的关键部件，其温度状态是反映柴油机运行状况的重要指标之一。为此，以某大型商用船舶为实验对象，利用本文系统监测该船舶柴油机主轴承的温度，及时发现潜在的故障隐患。

利用本文系统实时采集该船舶柴油机各档主轴承的温度信息，并对其进行误差补偿，主轴承温度信息实时采集结果如图2所示。分析可知，本文系统可有效利用HF RFID温度传感器，实时采集船舶柴油机1档主轴承的温度信息，未经过补偿时，温度信息采集结果与标准值存在较大的误差，经过补偿后，温度信息采集结果与标准值非常接近，说明经过补偿后，可有效提升船舶柴油机主轴承温度采集精度。原因是本文方法将HF RFID温度传感器安装在船舶柴油机的各档主轴承上，实时采集船舶主轴承温度信息；PLC事先设置温度阈值，当温度超过阈值时，则会自动触发保护机制，一定程度上有利于提升温度采集精度。

利用本文系统对HF RFID温度传感器采集的各档主轴承温度信息进行误差补偿，本文系统的误差补偿效果如图3所示。

可知，本文系统可有效完成各档主轴承温度信息的误差补偿，未对温度传感器进行误差补偿时，温度信息采集结果与拟合线相差较大，利用RBF神经网络对温度传感器进行误差补偿后，温度信息采集结果始终在拟合线附近波动，说明经过误差补偿后的主轴承温度信息采集精度较高。本文方法利用RBF神经网络对HF RFID温度传感器进行误差补偿，船舶各档主轴承的HF RFID温度传感器，在其设计的测量范围内，误差表现具有明显的区间特性。

利用本文系统对该船舶柴油机的主轴承进行温度监测，温度监测结果如图4所示。可知，本文系统可有效监测船舶柴油机主轴承温度，设置PLC控制模块的执行流程，在船舶柴油机运行期间，机舱本地PLC控制模块会接收来自各档主轴承补偿后的温度信息。大概在08:00至15:00时，1档主轴承的温度超过报警阈值，在11:00至13:00时，2档主轴承的温度超过报警阈值，在12:00时，3档主轴承的温度超过报警阈值，在10:00至13:00时，4档主轴承的温度超过报警阈值。在上述时间段内，船舶柴油机各档主轴承温度异常升高，存在过热风险。因此，本文系统会及时发出报警信息，以提醒工作人员迅速响应，采取有效措施处理这些温度异常情况，确保船舶柴油机主轴承持续、稳定运行。

3 结　语

1）本文系统可有效利用HF RFID温度传感器，实时采集船舶柴油机1档主轴承的温度信息，经过补偿后，可有效提升船舶柴油机主轴承温度采集精度。

2）本文系统可有效完成各档主轴承温度信息的误差补偿，经过误差补偿后的主轴承温度信息采集精度较高。

3）本文系统可有效监测船舶柴油机主轴承温度，确保船舶柴油机主轴承持续、稳定运行。