王 茂, 張鈺奇, 王童童, 張 聰, 鄭艷萍
(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001; 2.河南省智能制造研究院, 河南 鄭州 450001)
水工機(jī)械裝備擔(dān)負(fù)著防洪、抗旱、引水發(fā)電等重任,在水利水電工程中占據(jù)重要地位,倘若發(fā)生故障或失效,將造成極大的損失,且嚴(yán)重影響人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。然而,傳統(tǒng)的原型觀測手段并不能充分表達(dá)水工金屬結(jié)構(gòu)長期工作以來的實(shí)際工作狀態(tài)和安全狀況。因此,針對水工機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)以及遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)(ROM)顯得至關(guān)重要[1]。
水工結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)及遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)(ROM)系統(tǒng)的部署離不開對傳感器的合理配置。近年來,對于傳感器優(yōu)化布局和系統(tǒng)可監(jiān)測性的探索,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。Jia等[2]使用猴群算法對三軸加速度傳感器進(jìn)行優(yōu)化布局,并將這種方法應(yīng)用到大連星海一號大橋,驗(yàn)證了這種方法的有效性。Mahdavi等[3]利用自適應(yīng)小波函數(shù)對基于遺傳算法的適應(yīng)度評價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種基于小波的遺傳算法優(yōu)化傳感器配置策略。周碩等[4]針對傳感器優(yōu)化布置,創(chuàng)新性地提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法,并以桁架結(jié)構(gòu)中振動傳感器的優(yōu)化布置為例,驗(yàn)證優(yōu)化方法的可行性。Lin等[5]通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,將環(huán)境和噪聲干擾從監(jiān)測數(shù)據(jù)中分離,在此基礎(chǔ)上建立更為有效的監(jiān)測模型,提高了監(jiān)測性能。Liu等[6]針對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)不穩(wěn)定和監(jiān)測值漂移,提出一種結(jié)合灰度理論、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的大壩安全自我診斷系統(tǒng),這一模型相比單一故障診斷模型能夠提高故障預(yù)測精度,更好地實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測與故障診斷。盧劍華[7]提出水工金屬設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的必要性,并根據(jù)事故原因,分析了水工閘門和啟閉機(jī)的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)布置方法。嚴(yán)新平等[8]、陳雪云[9]、張新智[10]提出了可監(jiān)測性設(shè)計(jì)理論,構(gòu)建出可監(jiān)測性設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論框架,同時(shí)對監(jiān)測點(diǎn)的合理分配方法進(jìn)行了研究。
上述研究為機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)合理分配提供了理論依據(jù),其研究方法對傳感器的優(yōu)化布局具有一定效果,然而現(xiàn)有絕大部分的傳感器優(yōu)化布局方法僅針對機(jī)械系統(tǒng)中的某一結(jié)構(gòu)或某一種傳感器展開定性分析,對于總體機(jī)械系統(tǒng)上的傳感器監(jiān)測點(diǎn)的分配具有一定的盲目性。正因如此,研究水工機(jī)械裝備系統(tǒng)整體可監(jiān)測水平,合理優(yōu)化監(jiān)測點(diǎn)分配,對了解系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期范圍內(nèi)的狀態(tài)性能具有重要意義。
目前,對機(jī)械系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)合理分配方案的研究越來越多,但對于水工機(jī)械裝備系統(tǒng),尤其是水工鋼閘門及啟閉設(shè)備的監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配相關(guān)的研究相對較少。
鑒于此,本文針對水工機(jī)械裝備系統(tǒng)中最為重要的閘門及啟閉設(shè)備所面臨的監(jiān)測點(diǎn)傳感器合理分配問題進(jìn)行研究,通過采用模糊層次法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)的綜合評價(jià)手段,最終得到監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配的合理應(yīng)用方案。
在水工機(jī)械裝備中,弧形閘門通常采用液壓啟閉設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動,從而達(dá)到排水、截止水流、發(fā)電、灌溉、調(diào)節(jié)水位的作用,水工弧形閘門及其啟閉系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本文主要以水工機(jī)械裝備中應(yīng)用較為廣泛的弧形閘門和液壓啟閉機(jī)為例[11],對其進(jìn)行全面的層次結(jié)構(gòu)建模與分析。
圖1 水工弧形鋼閘門與啟閉設(shè)備示意圖
該機(jī)械系統(tǒng)由閘門、埋設(shè)構(gòu)件、液壓啟閉機(jī)3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。水工閘門及啟閉機(jī)常見的故障原因有:閘門支臂失穩(wěn)、閘門面板焊縫開裂、閘門主橫梁和主縱梁彎曲、支鉸磨損、止水裝置破損、液壓啟閉機(jī)不能正常工作等[12-15]。根據(jù)以上常見故障和閘門啟閉機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及可靠度分析建立其層次結(jié)構(gòu)模型,如圖2所示。
圖2 水工弧形閘門及其啟閉系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型
為了能夠?qū)﹂l門啟閉機(jī)系統(tǒng)實(shí)行更加準(zhǔn)確有效的監(jiān)測,本文以系統(tǒng)的可靠性、在各種情況下的安全性、使用和維修的經(jīng)濟(jì)性、可監(jiān)測性以及可維修性等原則為基礎(chǔ),結(jié)合專家評分確定監(jiān)測項(xiàng)目指標(biāo)因素[16]。其中:
(1)可靠性包括:失效對閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)功能的影響,該部分失效的頻率。
(2)安全性包括:系統(tǒng)失效對水電站工作人員和流域安全的影響。
(3)經(jīng)濟(jì)性包括:維修費(fèi)用和系統(tǒng)停機(jī)造成的損失。
(4)可監(jiān)測性:監(jiān)測的可實(shí)行性。
(5)可維修性:維修的難易程度。
上述評價(jià)指標(biāo)因素的評分和等級劃分根據(jù)該機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況和專家評分決定,并可以根據(jù)后續(xù)的數(shù)據(jù)反饋不斷進(jìn)行修正,使該評分系統(tǒng)適用性更強(qiáng)。
(1)失效對閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)功能的影響(SF):這一指標(biāo)因素是針對系統(tǒng)運(yùn)行過程中,系統(tǒng)的突然失效對系統(tǒng)的整體功能造成的不良影響的評價(jià),分為有備用系統(tǒng)和無備用系統(tǒng)兩種情況;
(2)閘門及啟閉機(jī)系統(tǒng)失效對安全的影響(PS):該指標(biāo)因素主要考慮系統(tǒng)對安全性的影響,包括人員安全和財(cái)產(chǎn)安全保障,也分為兩種工況:水位低于等于常水位、水位高于常水位;
(3)監(jiān)測的可實(shí)行性(M):想要了解閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,可以在閘門啟閉機(jī)的適當(dāng)位置上安裝相應(yīng)的傳感器,對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測,但是由于資金和傳感器類型及安裝方式的限制,以及避免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的考慮,往往不能在所有位置上安裝傳感器。因此需要精簡傳感器的安裝,同時(shí)保證安裝傳感器的有用和高效;
(4)系統(tǒng)停止運(yùn)行造成的損失(OC):損失包括系統(tǒng)不能正常運(yùn)行,影響灌溉、防洪、航運(yùn)、發(fā)電等所有經(jīng)濟(jì)損失;
(5)失效頻率(FF):在評價(jià)指標(biāo)中失效頻率指的是水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)某一部分的失效的頻繁程度,與故障率有關(guān),可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場人員工作經(jīng)驗(yàn)等確定;
(6)維修費(fèi)用(MC):維修費(fèi)用指標(biāo)是對維修過程中所需的購買產(chǎn)品的費(fèi)用,包括運(yùn)輸費(fèi)和人工費(fèi)用(安裝費(fèi)用、調(diào)試費(fèi)用、咨詢費(fèi)用等)等一系列費(fèi)用的總和的度量;
(7)維修的難易程度(D):維修時(shí)在空間環(huán)境上是否容易進(jìn)行,進(jìn)入所要維修部分的危險(xiǎn)程度,如高空作業(yè)、井下作業(yè)、水下作業(yè)、帶電作業(yè),還包括在維修時(shí)所需物品的供應(yīng)難易程度、維修時(shí)對專業(yè)技術(shù)人員的技能要求以及維修時(shí)間的長短。
指標(biāo)評分等級與標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)評分表
表1表示各個(gè)指標(biāo)在兩種情況下等級評分情況,其中OC、FF、MC、D只有一種情況。各評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)分?jǐn)?shù)在實(shí)際運(yùn)用過程中可以根據(jù)后續(xù)的反饋來不斷修正,以得到更為準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。根據(jù)表1建立水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)重要度評價(jià)體系,如圖3所示。
表2 水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)重要度取值表
圖3 水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)重要度評價(jià)體系
采用模糊層次分析法確定權(quán)重[17-21],可以將定性與定量分析相結(jié)合,減少人為主觀因素的影響,使主觀判斷和客觀判斷差異減小,使結(jié)果更準(zhǔn)確。由于水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)相對復(fù)雜,指標(biāo)權(quán)重直接影響最終結(jié)果,因此采用模糊層次分析法確定權(quán)重。首先要對系統(tǒng)重要度評分中的同一層各個(gè)指標(biāo)因素進(jìn)行兩兩比較,將比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為定量分析,本文采用0.1~0.9的標(biāo)度法進(jìn)行兩兩比較數(shù)量標(biāo)度,評價(jià)指標(biāo)重要度取值如表2所示。
對評價(jià)因素進(jìn)行兩兩比較,根據(jù)表2確定的評價(jià)尺度確定其相對重要程度。則模糊判斷矩陣R可以表達(dá)為:
(1)
模糊判斷矩陣是根據(jù)人的判斷來構(gòu)造的,但因?yàn)閭€(gè)人對于一個(gè)復(fù)雜問題的看法可能缺乏全局性,構(gòu)造出的矩陣可能缺乏一致性,因此通過一致性檢驗(yàn)對模糊判斷矩陣進(jìn)行改進(jìn)。
判斷模糊判斷矩陣是否為模糊一致矩陣的判斷步驟如下:
(1)R為模糊互補(bǔ)矩陣,0 ≤rij≤1 ,rij=rik-rjk+0.5(i,j,k=1, 2,…,n) 。
(2)矩陣任意兩行的對應(yīng)元素之差為常數(shù)。
如果模糊判斷矩陣不符合判斷要求,則需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟:恢屡袛嗑仃?。采用如下方法求該矩陣的行和為?/p>
(2)
建立優(yōu)先關(guān)系矩陣:
(3)
其中:pij=(pi-pj)/2n+0.5(i,j=1,2,…,n),即可得出模糊一致判斷矩陣。
(4)
式中:n為R的階數(shù);a=(n-1)/2。
歸一化處理得到權(quán)重:
(5)
即可確定各指標(biāo)因素的權(quán)重wi。
閘門啟閉機(jī)機(jī)械動力系統(tǒng)的各部分重要度評分P用線性加權(quán)數(shù)學(xué)模型來確定:
(6)
式中:P為各系統(tǒng)重要度評價(jià)分?jǐn)?shù);mi為系統(tǒng)中各部分在各評價(jià)因素下的評分;wi為各評價(jià)因素的權(quán)重,i=(SF,PS,FF,OC,MC,D,M)。
對系統(tǒng)各部分的重要度評分進(jìn)行排序,按照排序的先后順序以及現(xiàn)場情況,結(jié)合監(jiān)測實(shí)施的難易程度和所需經(jīng)費(fèi)確定應(yīng)該優(yōu)先監(jiān)測的監(jiān)測項(xiàng)目,后根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容,選擇合適的傳感器,制定合理的監(jiān)測方案。
某水庫的溢洪道工作閘門為露頂式弧形閘門,主要材料為Q345B,閘門垂直高度12 m,寬10.5 m,最高擋水位323 m,閘門數(shù)為3個(gè),啟閉條件為動水啟閉,最大溢洪量38 010 m3/s,溢洪道全長435 m。閘門啟閉機(jī)為液壓啟閉機(jī),最大啟閉力為2×1 250 kN,閉門方式為自重閉門,工作行程為6.5 m。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和測量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)閘門涂層良好,但存在漏水情況,部分構(gòu)件有應(yīng)力過大情況,閘門啟閉機(jī)存在少量漏油情況。
根據(jù)表1、2的標(biāo)度邀請相關(guān)專家和現(xiàn)場工作人員,對指標(biāo)因素的相對重要性進(jìn)行打分,構(gòu)造7個(gè)指標(biāo)因素的兩兩比較模糊判斷矩陣。根據(jù)打分得到的模糊判斷矩陣為:
采用上文方法將該模糊判斷矩陣R變?yōu)槟:恢戮仃嚕?/p>
通過計(jì)算得到監(jiān)測項(xiàng)目各指標(biāo)因素歸一化之后的權(quán)重為:
w=(0.166 7, 0.176 2, 0.138 1, 0.142 9, 0.128 6, 0.135 7, 0.111 9)
即可得出7個(gè)指標(biāo)因素(失效對閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)功能影響、失效對工作人員和流域內(nèi)安全的影響、失效頻率、停機(jī)損失、維修費(fèi)用、維修的難易程度、監(jiān)測的可實(shí)行性)的權(quán)重依次為:0.166 7,0.176 2,0.138 1,0.142 9,0.128 6,0.137 5,0.111 9。之后通過對系統(tǒng)內(nèi)各部分歷史運(yùn)行情況調(diào)研并向現(xiàn)場專家和工程人員咨詢等方式,對閘門及啟閉系統(tǒng)的各部分在指標(biāo)下進(jìn)行打分,經(jīng)過與以往采用的專家打分法相比,由于獲取權(quán)重的一致性,本方案可在一定范圍內(nèi)專家意見不一致的情況下得出一致性結(jié)論,而不需要獲取更多專家打分才能獲取更加可靠一致的結(jié)論。專家打分表如表3所示。
表3 水工閘門及啟閉系統(tǒng)專家打分表
結(jié)合各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重,根據(jù)公式(6)計(jì)算閘門每部分各自的重要度,按照重要度的大小進(jìn)行排序依次為:支臂、支臂支撐、閘門面板、液壓泵站、閘門主橫梁、閘門縱梁、液壓缸及液壓桿、固定鉸座承重構(gòu)件、閘門支鉸、液壓缸支鉸、吊耳、側(cè)軌、止水裝置、底檻,結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)閘門各部位的重要度和歷史故障發(fā)生情況,選擇合適的傳感器實(shí)施監(jiān)測,其水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化分配方案如表4所示。
從圖4中重要度評價(jià)結(jié)果可以直觀地看出,側(cè)軌、底檻及止水裝置重要度評價(jià)分?jǐn)?shù)較低,布設(shè)方案可結(jié)合現(xiàn)場情況采用人工巡檢方式監(jiān)測。同時(shí),對于重要度較高的液壓泵站監(jiān)測點(diǎn),由于存在顯示設(shè)備儀表,因此無需布置傳感器。
圖4 水工閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)重要度評價(jià)圖
由于環(huán)境因素對水工機(jī)械裝備系統(tǒng)有較大影響,因而本方案綜合考慮環(huán)境變量因素布設(shè)相應(yīng)傳感器。表4所給出的水工閘門及啟閉系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配方案對于水工機(jī)械裝備系統(tǒng)具有普遍的適用性,也為后續(xù)水工機(jī)械裝備的具體傳感器類型優(yōu)化布置奠定了基礎(chǔ)。
表4 水工閘門及啟閉系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配方案
(1)本文所采用的水工閘門啟閉系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配方法相比專家打分法,其權(quán)重的獲取具有一致性,將指標(biāo)權(quán)重與閘門各部分重要度相結(jié)合,得到一致客觀的評價(jià)結(jié)果,通過實(shí)際案例證明該種方法簡單有效,能夠得到合理的監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配方案。
(2)根據(jù)本文所提方案,針對水工弧形閘門的面板、支臂、主縱橫梁及啟閉機(jī)液壓泵站等關(guān)鍵部位的應(yīng)力、裂紋、腐蝕、磨損、傾角等情況進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測,以確保閘門及啟閉機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行。
(3)在水工結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中,將本文所提出的監(jiān)測點(diǎn)傳感器優(yōu)化分配方案與特定類型傳感器優(yōu)化布置相結(jié)合,可以在有限造價(jià)內(nèi)完成傳感器的精確布置,并對重點(diǎn)對象進(jìn)行有效監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)水工機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)和遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)(ROM)。