基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)周期壓力容器安全評(píng)價(jià)評(píng)估系統(tǒng)

鄭金標(biāo)

摘??要：為保障長(zhǎng)周期壓力容器的連續(xù)不間斷生產(chǎn)，研究設(shè)計(jì)了一套基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）的長(zhǎng)周期壓力容器安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)整合各種在線檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析處理，做出可靠的安全評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)在線安全管理。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)周期壓力容器;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);壓力容器安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著工業(yè)不斷發(fā)展，安全管理水平的提高，企業(yè)對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的訴求越來(lái)越強(qiáng)烈，對(duì)延長(zhǎng)壓力容器檢驗(yàn)周期的呼聲越來(lái)越多，特別是石油化工行業(yè)，各類長(zhǎng)周期壓力容器的數(shù)量逐漸增多。

1.長(zhǎng)周期壓力容器的特點(diǎn)

長(zhǎng)周期壓力容器是指那些因生產(chǎn)裝置連續(xù)運(yùn)行，停產(chǎn)困難或開(kāi)罐成本大，致使其檢驗(yàn)檢測(cè)成本高，而需要延長(zhǎng)檢修周期的壓力容器。長(zhǎng)周期壓力容器是一種可以提供長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的承壓設(shè)備，它以設(shè)備管理、技術(shù)管理和安全管理為依托，滿足企業(yè)生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，以達(dá)到降本增效。例如：石化裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行是企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。尤其是在今天，石化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)跨越了粗放發(fā)展的階段，降本增效是企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

如何保證生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)成為世界跨國(guó)石油公司必須高度重視，并加以研究、解決的技術(shù)和管理問(wèn)題。從總體上講，我們目前設(shè)備管理許多方面還是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型和規(guī)定型的，我們生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行水平與世界跨國(guó)石油公司相比仍有較大差距。因此，為了保證壓力容器在較長(zhǎng)的周期內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)這類壓力容器進(jìn)行安全性分析是十分必要的。

2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，BP模型是應(yīng)用最為廣泛的。BP模型是一種多層感知器網(wǎng)絡(luò)，它是具有三層或三層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中較典型的是三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。相鄰層之間的各神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)全連接，即下一層每個(gè)神經(jīng)元與上一層每個(gè)神經(jīng)元都實(shí)現(xiàn)全連接，而每層中各神經(jīng)元之間無(wú)連接。最早的感知器模型即單層感知器僅由輸入層和輸出層構(gòu)成，只能解決線性可分的分類問(wèn)題，因此引入了能夠解決一些非線性分類問(wèn)題的多層感知器模型。但由于感知器學(xué)習(xí)算法的限制，其模式分類能力仍然有限。BP算法采用非線性連續(xù)變換函數(shù)，使隱含層神經(jīng)元具有了學(xué)習(xí)能力，于是多層感知器采用了BP學(xué)習(xí)算法。人們通常將采用BP學(xué)習(xí)算法的多層感知器模型稱為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

BP網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差梯度下降原則進(jìn)行權(quán)值調(diào)整，具有很強(qiáng)的非線性映射、自組織、泛化和容錯(cuò)能力。然而，基本BP網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷也嚴(yán)重影響著它的實(shí)用效果。這些缺陷可歸結(jié)為：（1）收斂速度較慢（2）全局優(yōu)化性不高（3）缺乏理論指導(dǎo)（4）包容能力差。

針對(duì)基于BP算法的多層感知器模型具有的缺陷，我們通過(guò)基于二次動(dòng)量項(xiàng)的改進(jìn)BP算法進(jìn)行建立基于改進(jìn)BP算法的多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分類的準(zhǔn)確性。

基于二次動(dòng)量項(xiàng)的改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)周期壓力容器智能評(píng)估系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，其數(shù)值計(jì)算能力使其具有較高的預(yù)測(cè)能力。我們使用改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行長(zhǎng)周期壓力容器安全評(píng)估預(yù)測(cè)大致分為兩個(gè)階段：首先通過(guò)對(duì)大量的已知類別的有標(biāo)簽樣本進(jìn)行脫機(jī)訓(xùn)練，使其具有對(duì)無(wú)標(biāo)簽樣本進(jìn)行檢測(cè)的分類能力;然后在訓(xùn)練完成后即可將該模型用于實(shí)際的樣本預(yù)測(cè)環(huán)境中。

3.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)定系統(tǒng)

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以建立一套長(zhǎng)周期壓力容器安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在對(duì)長(zhǎng)周期壓力容器的腐蝕機(jī)理、應(yīng)力分析及主要失效模式理論研究的基礎(chǔ)上，以標(biāo)準(zhǔn)GB/T?19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》為依據(jù)，整合聲發(fā)射、導(dǎo)波檢測(cè)、相控陣技術(shù)、TOFD技術(shù)、漏磁檢測(cè)、低頻渦流檢測(cè)等長(zhǎng)周期壓力容器在線檢測(cè)技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)周期壓力容器的器壁、焊縫、支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步運(yùn)用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析，創(chuàng)建應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合壓力容器的性能數(shù)據(jù)，所受到的載荷大小，所處的工作環(huán)境等條件，對(duì)在役壓力容器進(jìn)行安全評(píng)定，進(jìn)而得出評(píng)定結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立反饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而創(chuàng)建一套基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)各種在線檢測(cè)的結(jié)果和長(zhǎng)周期壓力容器的技術(shù)參數(shù)、服役條件等參數(shù)進(jìn)行分析處理。安全評(píng)價(jià)評(píng)估系統(tǒng)主要包括材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、分類應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、缺陷復(fù)合模塊、斷裂評(píng)定模塊、安全性與經(jīng)濟(jì)性平衡模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示

4.結(jié)論

長(zhǎng)周期壓力容器的安全評(píng)定是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，具有高度非線性，評(píng)定結(jié)果是多種因素如材料性能、缺陷幾何尺寸、缺陷所在部位及應(yīng)力分布與外加載荷等綜合影響的結(jié)果。通過(guò)引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，很好的解決了長(zhǎng)周期壓力容器安全評(píng)定中的難題，而且通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，與GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》的評(píng)定結(jié)果完全一致，說(shuō)明基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)周期壓力容器安全評(píng)定系統(tǒng)是可行的。

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