基于物元理論的艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估

牛建釗，耿俊豹，魏曙寰，劉凌剛

(1. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

基于物元理論的艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估

牛建釗1,2，耿俊豹1,2，魏曙寰1,2，劉凌剛1,2

(1. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

對艦船離心泵進行技術(shù)狀態(tài)評估是提高離心泵運行可靠性，為狀態(tài)維修提供合理決策的重要手段。為了完善艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估技術(shù)，在參閱有關(guān)標準等文獻的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地建立了評估指標體系，并應用物元理論對離心泵技術(shù)狀態(tài)進行評估。在對離心泵指標進行量化的基礎(chǔ)上，可以定量地評估離心泵的技術(shù)狀態(tài)，同時采用專家打分法，能夠合理、快速地給出各指標權(quán)重。經(jīng)實例分析證明，基于物元理論的離心泵技術(shù)狀態(tài)評估方法合理有效。

離心泵；技術(shù)狀態(tài)；物元理論；關(guān)聯(lián)度

0 引 言

艦船離心泵運行工況多樣，工作環(huán)境惡劣，影響泵技術(shù)狀態(tài)因素眾多，獲得其準確的技術(shù)狀態(tài)存在一定困難[1,2]。艦船離心泵一旦發(fā)生故障，可能會對其他設(shè)備的運行產(chǎn)生一定影響，導致整個艦船或者某些系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成重大損失。目前，為了提高技術(shù)狀態(tài)評估的準確性，許多作者提出了不同的評估方法，例如 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾科夫模型、模糊數(shù)學理論、灰色理論等[3-5]。這些方法各有特點，具有各自的優(yōu)點和不足之處，因此，往往采用多種評估方法來提高評估的準確度。

物元理論從可行性和優(yōu)化角度對研究對象進行評估，可以從定性和定量 2 個角度去分析和解決矛盾問題[6]。物元理論的核心是研究物元的變換、物元變換的性質(zhì)以及物元的可拓性，它以形式化的方式描述事物之間的可變性和變換性[7]。目前，物元理論主要集中在生態(tài)安全、機械設(shè)備維修保障能力、風險評估等領(lǐng)域[8-12]，還沒有看到在離心泵技術(shù)狀態(tài)評估中應用物元理論的文獻。因此，針對物元理論特點，提出采

用物元理論對艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)進行評估。在參考艦船離心泵有關(guān)標準的基礎(chǔ)上[13-15]，從定量角度建立艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估指標體系，運用專家打分法確定離心泵各評估指標的權(quán)重，建立基于物元理論的艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估方法。

1 離心泵技術(shù)狀態(tài)評估指標體系建立

根據(jù) GJB3206A-2010《技術(shù)狀態(tài)管理》，技術(shù)狀態(tài)定義為：“在技術(shù)文件中規(guī)定的并且在產(chǎn)品中達到的功能特性和物理特性”。艦船離心泵的技術(shù)狀態(tài)受多種因素的影響。通過調(diào)研、專家咨詢和有關(guān)文獻，確定影響艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)的主要評估指標有流量、揚程、功率、轉(zhuǎn)速、噪聲、振動烈度和滑油溫度[13-15]。

2 基于物元理論的技術(shù)狀態(tài)評估模型

在物元理論中描述事物的基本元是物元，用 N 表示事物，C 表示特征的名稱，V 表示事物 N 關(guān)于特征C 的量值。用 R=（N，C，V） 來表述，這三者被稱為研究物元的三要素。一個事物有多個特征，如果事物 N 以 n 個特征和相應的量值描述，則可以表述為：

稱 R 為 n 維物元，記 R=（N，C，V）。

2.1 物元模型的建立

2.1.1 經(jīng)典域的確定

2.1.2 節(jié)域的確定

2.1.3 待評物元的確定

針對待評估的艦船離心泵技術(shù)狀態(tài) D，將整理分析得到的技術(shù)狀態(tài)評估指標原始數(shù)據(jù)或者得到的結(jié)果用物元表示為

式中：RD為 D 的待評物元；Vi為 D 關(guān)于 Ci的量值，即待評技術(shù)狀態(tài)所獲得的具體數(shù)據(jù)。

2.2 關(guān)聯(lián)度的計算

關(guān)聯(lián)函數(shù)表示為待評物元 RD的某一個指標數(shù)據(jù)取值為實軸上一點時，符合所劃分等級取值范圍的程度。待評估指標 Ci關(guān)于第 j 個技術(shù)狀態(tài)等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

2.3 權(quán)系數(shù)計算

由于各個評估指標對艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的作用有輕重之分，為了進行綜合評估，需要以權(quán)重系數(shù)來表示技術(shù)狀態(tài)指標的重要程度，在此采用專家打分法確定各個指標的權(quán)系數(shù)。

2.4 綜合關(guān)聯(lián)度及等級評定

關(guān)聯(lián)函數(shù) K（v）只能表示艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的某一評估指標特性符合所劃分等級取值范圍的程度。當 K（v）≥ 1.0，表示待評估對象超過標準值上限，值越大開發(fā)潛力越大；當 0 ≤ K（v）≤ 1.0，表示待評估對象在標準范圍之內(nèi)，值越大越接近標準上限；當 -1.0 ≤ K（v）≤ 0，表示被評估對象不符合標準，值越大越容易轉(zhuǎn)化；當 K（v）≤ -1.0，表示被評估對象不符合標準，又不具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件。令待評估指標關(guān)于第 j 個等級的關(guān)聯(lián)度為

比較不同等級綜合關(guān)聯(lián)度的大小以確定技術(shù)狀態(tài)評估結(jié)果，與等級 j 的關(guān)聯(lián)度越大，則表明離心泵的技術(shù)狀態(tài)與該等級集合的符合程度越好。假如，則評定 D 屬于等級 j。

3 實例研究

設(shè) ci為某型離心泵技術(shù)狀態(tài)評估指標，依次表示流量（m3/h）、揚程（mH2O）、功率（kW）、轉(zhuǎn)速（r/min）、滑油溫度（℃）、噪聲（dB）和振動烈度（mm/s）。離心泵技術(shù)狀態(tài)等級分為優(yōu)（I）、良（II）、中（III）、差（IV）四個等級

假設(shè)某型號離心泵技術(shù)狀態(tài)分級標準如表1 所示。表1 中的分級標準不夠明確具體，表中指標僅為額定分級值，沒有考慮各個指標的實際變化上限值和下限值。為此，參閱國軍標文獻，結(jié)合實際過程，得出流量的變化范圍為 10%、揚程為 5%、功率 5%、轉(zhuǎn)速 5%、滑油溫度 10%、噪聲 15% 以及振動烈度 3% 之內(nèi)，進而可以得到具體的分級標準如表2 所示。待評估技術(shù)狀態(tài)指標如表3 所示。

表1 某型離心泵技術(shù)狀態(tài)分級標準Tab. 1 A centrifugal pump technology state grading standards

3.1 無量綱指標優(yōu)化

從表1～表3 中可以發(fā)現(xiàn)，由于指標的量綱和數(shù)量級不同，直接利用原始數(shù)據(jù)評估，就可能突出那些數(shù)量級特別大的指標，而減弱甚至于排斥一些數(shù)量級較小的指標作用。因此需要對原始指標進行無量綱標準化處理。指標有正指標和負指標，正指標是指隨著指標實際值的增大，相應級別越高（如 c1，c2，c3，c4）；負指標是指隨著指標值的增大，相應級別越低（如c5，c6，c7）。因此對離心泵技術(shù)狀態(tài)分級標準和技術(shù)狀態(tài)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)采用式（7）進行歸一化處理。

表2 改進版某型離心泵技術(shù)狀態(tài)分級標準Tab. 2 Improved version ofacentrifugal pump technology state grading standards

表3 離心泵技術(shù)狀態(tài)指標檢測數(shù)據(jù)Tab. 3 The index detection data of the centrifugal pump technology state

式中，di為歸一化后的標準值；vi為未歸一化標準值；vmax，vmin分別為未歸一化時一個指標中的最大值和最小值。

3.2 離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的物元模型

3.2.1 經(jīng)典域與節(jié)域的確定

由表4 可得經(jīng)典域為歸一化后的 4 個級別的分級標準取值范圍，離心泵技術(shù)狀態(tài)指標檢測數(shù)據(jù)如表5 所示。

表4 歸一化后的離心泵技術(shù)狀態(tài)分級標準Tab. 4 Normalized centrifugal pump technical state grading standard

表5 歸一化后的離心泵技術(shù)狀態(tài)指標檢測數(shù)據(jù)Tab. 5 Normalized index detection data of the centrifugal pump technology status

由節(jié)域定義和表4、表5 中的數(shù)值范圍可以確定節(jié)域 Rp，并由表5 中的數(shù)值確定待評估對象 RD。

3.2.2 綜合關(guān)聯(lián)度的計算

在確定經(jīng)典域和節(jié)域后利用第 2.2 節(jié)關(guān)聯(lián)度計算公式（5）可以求得不同技術(shù)狀態(tài)等級下各個指標的關(guān)聯(lián)度，如表6 所示，該表顯示各指標與各技術(shù)狀態(tài)等級之間的關(guān)聯(lián)度。采用專家打分法可以求得各指標權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表6 第 7 列。

由綜合關(guān)聯(lián)度公式（6），并結(jié)合表6 數(shù)據(jù)，可以求得多指標加權(quán)求和的綜合關(guān)聯(lián)度：

KII（D）的值最大，即評定 D 屬于等級 II，當前技術(shù)狀態(tài)為良，這與模糊評判法的結(jié)果保持一致，同時符合離心泵的實際使用狀態(tài)情況，說明基于物元理論的艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的方法可行。

表6 不同等級下的各個指標關(guān)聯(lián)度Tab. 6 The correlation degree of each index of different grades

4 結(jié) 語

1）本文首次采用物元理論開展艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估，拓展了艦船離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的方法，有助于提高評估的可信度。

2）大部分文獻僅選取典型少數(shù)指標，忽略了其他指標對離心泵技術(shù)狀態(tài)評估的影響，本文在參閱有關(guān)標準等文獻基礎(chǔ)上，建立了艦船離心泵的多指標評估體系。

3）本文所提出的基于物元理論的技術(shù)狀態(tài)評估方法能起到補充借鑒作用。

不足之處是，不同型號設(shè)備的指標等級評估標準不同，在開展評估時，需要根據(jù)具體設(shè)備修改相應的評估標準。

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Ship centrifugal technical condition assessment based onmatter element theory

NIU Jian-zhao1,2, GENG Jun-bao1,2, WEI Shu-huan1,2, LIU Ling-gang1,2
(1.military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The assessment of the ship centrifugal pump technical condition is to improve the operational reliability of centrifugal pump, and is an importantmeans for the state to provide reasonablemaintenance decisions. To improve the technical condition assessment technology of themarine centrifugal pump, this paper systematically establishes evaluation index systembased on the available standards and other information, andmatter element theory is applied to assess the technical condition of centrifugal pump. On the basis of the quantification of the centrifugal pump, the operational condition of the centrifugal pump can be evaluated quantitatively, and the weight of each index can be given reasonably and quickly by using the expert scoringmethod, which can improve the accuracy of the evaluation. The case analysis proves that themethod is reasonable and effective for the condition assessment of the centrifugal pump based on the theory ofmatter element.

centrifugal pumps；technical condition；matter element theory；correlation degree

TJ83

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0094 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.018

2016 - 04 - 30；

2016 - 05 - 31

國家部委基金資助項目（9140A27040215JB11434）；中國博士后科學基金資助項目（2013T60921）

牛建釗(1991 - )，男，碩士研究生，研究方向為可靠性維修性保障性工程。