基于集對(duì)分析法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

萬(wàn) 夫，張 健，毛仲?gòu)?qiáng)，趙 輝，王文權(quán)，張俊玲

（1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川廣漢 618300；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，北京 100101；4.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

往復(fù)泵在油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，其運(yùn)行狀態(tài)影響油田的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益[1]。采取有效的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，對(duì)于保證往復(fù)泵的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，具有重大意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方面進(jìn)行了大量的研究。武樺等[2]基于模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)組局部放電評(píng)估模型以有效地評(píng)估其運(yùn)行狀態(tài)。Shen 等[3]基于灰色模糊評(píng)估優(yōu)化模型求解設(shè)備的健康值和重要性，提出了一種基于健康值和重要性的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法。Igba 等[4]匯總了齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估相關(guān)技術(shù)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探索。張興鳳[5]提出了基于遷移學(xué)習(xí)的往復(fù)壓縮機(jī)多工況氣閥泄漏狀態(tài)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了不同工況下氣閥運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。然而，如何評(píng)估往復(fù)泵的運(yùn)行狀態(tài)是一個(gè)多指標(biāo)綜合決策的研究過(guò)程，現(xiàn)行的多數(shù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估主要是從定性的角度進(jìn)行，評(píng)估時(shí)多依靠人員經(jīng)驗(yàn)，過(guò)程簡(jiǎn)單，缺乏科學(xué)性，因此選取科學(xué)、全面的評(píng)估指標(biāo)，建立相應(yīng)的指標(biāo)體系，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性具有重要影響[6]。

針對(duì)現(xiàn)有方法存在的不足，提出一種基于集對(duì)分析（Set Pair Analysts，SPA）法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的方法，將模糊集值統(tǒng)計(jì)、熵值法和集對(duì)分析理論引入到往復(fù)泵的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估中，并對(duì)集對(duì)分析聯(lián)系度的確定方法進(jìn)行拓展，建立往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型。

1 理論背景

集對(duì)分析[7]由學(xué)者趙克勤首先提出，是一種全新的用于分析解決不確定性問(wèn)題的方法。集對(duì)分析的核心思想是把被研究客觀事物的確定性和不確定性包含在一個(gè)互相聯(lián)系、互相滲透、互相制約、互相共存，甚至在一定條件可以相互轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)中進(jìn)行綜合分析和處理[8]。集對(duì)分析理論為當(dāng)今不確定性分析理論提供了新思路，在環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和信息安全、現(xiàn)代科學(xué)管理等自然學(xué)科和社會(huì)學(xué)科的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 集對(duì)

集對(duì)（SP）是指具有一定聯(lián)系的2 個(gè)集合所構(gòu)成的對(duì)子，一定的聯(lián)系是指2 個(gè)集合之間具有一定的同一性、差異性和對(duì)立性。集對(duì)的常用字母表示為H：若集對(duì)H 由集合A 和集合B 組成，則可記為H°=（A，B），簡(jiǎn)記為H=（A，B）。從系統(tǒng)科學(xué)的角度來(lái)看，系統(tǒng)內(nèi)的任意2 個(gè)元素在一定條件下均可以組成集對(duì)，例如對(duì)油田往復(fù)泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，就是將往復(fù)泵機(jī)組的運(yùn)行狀體作為一個(gè)集合，往復(fù)泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)作為另一個(gè)集合，兩者組成集對(duì)。

1.2 聯(lián)系度

設(shè)給定2 個(gè)集合A 和B 構(gòu)成集對(duì)H=（A，B），在某個(gè)研究的問(wèn)題Q 背景下，對(duì)集對(duì)H 的特性進(jìn)行分析，得到在問(wèn)題Q 背景下的N 個(gè)特性。其中：集對(duì)H 中的2 個(gè)集合A 和B 共有的特性為S 個(gè)，相對(duì)立的特性為P 個(gè)，集合A 和B 既不共有也不相互獨(dú)立的特性為F=N-S-P 個(gè)，并定義為S/N 這2 個(gè)集合A 和B 在具體研究?jī)?nèi)容中的同一度，F(xiàn)/N 為在具體研究?jī)?nèi)容中的差異度，P/N 為在具體研究?jī)?nèi)容中的對(duì)立度。用式子可統(tǒng)一表示為：。式中，u 為集合A 和B 的聯(lián)系度；a、b、c 分別為集合A 和B 的同一度、差異度和對(duì)立度，（a，b，c）∈［0，1］，且a、b、c 總滿足歸一化條件a+b+c=1；i 為差異度系數(shù)，在［-1，1］區(qū)間取值；j 為對(duì)立度系數(shù)，規(guī)定取值恒為-1。

1.3 集對(duì)勢(shì)

集對(duì)勢(shì)也稱為聯(lián)系勢(shì)，是集對(duì)分析方法的另一重要指標(biāo)，用來(lái)衡量系統(tǒng)中確定與不確定性程度。集對(duì)勢(shì)表示為當(dāng)聯(lián)系度表達(dá)式u（A，B）=a+bi+cj 中的對(duì)立度c≠0 時(shí)同一度a 與對(duì)立度c 的比值，記為sh（iH）=a/c。在解決特定問(wèn)題時(shí)，可根據(jù)同一度a 與對(duì)立度c 之間的比值不同，將集對(duì)勢(shì)劃分為同勢(shì)、反勢(shì)、均勢(shì)3種不同的聯(lián)系趨勢(shì)。

2 往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型構(gòu)建

基于集對(duì)分析方法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型，計(jì)算往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估等級(jí)之間的聯(lián)系度和加權(quán)平均聯(lián)系度，并利用最大隸屬度準(zhǔn)則確定運(yùn)行狀態(tài)所屬等級(jí)?；舅悸肥牵菏紫却_定各指標(biāo)評(píng)估值集合與評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合的集對(duì)H，并確定聯(lián)系度矩陣u；其次根據(jù)各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重向量W，確定其加權(quán)平均聯(lián)系度Ak；最后根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則，即評(píng)估對(duì)象對(duì)應(yīng)于哪個(gè)評(píng)估等級(jí)的加權(quán)平均聯(lián)系度最大，表明評(píng)估對(duì)象與該評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，則評(píng)估對(duì)象的評(píng)估結(jié)果屬于該評(píng)估等級(jí)，進(jìn)而確定評(píng)估對(duì)象的評(píng)估結(jié)果，基于集對(duì)分析法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估流程如圖1 所示。

圖1 往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為更好地評(píng)估所提模型的可行性與可靠性，以塔里木油田某作業(yè)區(qū)4 臺(tái)同型號(hào)往復(fù)泵機(jī)組2018 年6 月—2019 年2 月的9次運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合權(quán)重確定，并以該作業(yè)區(qū)某往復(fù)泵機(jī)組2019 年3 月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析與驗(yàn)證，數(shù)據(jù)值見表1。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和指標(biāo)確定

請(qǐng)5 位油田現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理專家對(duì)往復(fù)泵的各運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分，以該機(jī)組電機(jī)主觀初始依據(jù)權(quán)重計(jì)算為例，5 位專家對(duì)電機(jī)輸入端振動(dòng)、輸入端溫度、輸出端振動(dòng)、輸出端溫度4 個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間打分結(jié)果見表2。

表2 專家對(duì)電機(jī)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的估計(jì)區(qū)間

計(jì)算各評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重并作歸一化處理，得到電機(jī)各評(píng)估指標(biāo)的主觀權(quán)重向量為：W1=（0.386，0.098，0.418，0.098）。修正其電機(jī)權(quán)重動(dòng)態(tài)，9 次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 電機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

得到電機(jī)各評(píng)估指標(biāo)修正后的權(quán)重向量：W1=（0.422，0.090，0.399，0.089）。根據(jù)聯(lián)系度確定方法，結(jié)合各指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分表，對(duì)指標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行聯(lián)系度確定，其中振動(dòng)和溫度指標(biāo)計(jì)算聯(lián)系度，壓力指標(biāo)計(jì)算聯(lián)系度。

將各評(píng)估指標(biāo)聯(lián)系度與熵值法動(dòng)態(tài)修正后的權(quán)重結(jié)合，計(jì)算權(quán)平均聯(lián)系度，見表4。

表4 加權(quán)平均聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果

3.3 評(píng)估結(jié)果

結(jié)合表4 的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則確定評(píng)估等級(jí)，得出整機(jī)的評(píng)估等級(jí)為B；電機(jī)、柱塞泵和齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等級(jí)分別為C、A 和B。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)已達(dá)到C 級(jí)，可短期運(yùn)行，但需列為關(guān)注設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)措施。為提高運(yùn)行可靠性，應(yīng)盡快安排檢修。

2019 年3 月24日現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)該注水泵機(jī)組進(jìn)行了停機(jī)檢修，停機(jī)檢修后發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承磨損，與評(píng)估結(jié)果基本一致，軸承磨損情況如圖2 所示。因此，通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了采用基于集對(duì)分析法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型可以很好地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。本文所提方法具有較好的可靠性，為往復(fù)泵的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估提供了一種新方法，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖2 磨損的軸承

4 結(jié)論

研究基于模糊集值統(tǒng)計(jì)和熵值法建立了一種基于集對(duì)分析的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法，利用模糊集值統(tǒng)計(jì)法確定各評(píng)估指標(biāo)的主觀初始權(quán)重、熵值法對(duì)主觀初始權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，得到了相對(duì)優(yōu)化的指標(biāo)權(quán)重。再將集對(duì)分析理論引入到往復(fù)泵的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估中，建立了基于集對(duì)分析法的往復(fù)泵運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型。最后，通過(guò)對(duì)塔里木油田某作業(yè)區(qū)往復(fù)泵實(shí)例分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例檢修結(jié)果與評(píng)估結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了該方法具有較好的可靠性。