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摘要：針對純定性的SDG 模型在復(fù)雜系統(tǒng)中建模難度大，分辨率低，可能產(chǎn)生信息爆炸的問題，提出一種結(jié)合層次分析法的結(jié)構(gòu)遞階層次，劃分故障并建立層次SDG圖的方法。在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)，建立了層次SDG分析，提高了診斷速度。
關(guān)鍵詞：SDG；層次分析法；故障診斷
中圖分類號：TP206.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
The Application of AHP-SDG method in FGD system fault diagnosis
ZHANG Xiao-gang，Wang Liang，ZHOU Chao
Abstract: The fault diagnosis model based on common Signed directed graph (SDG) was difficult to built, computationally expensive and with poor resolution to complex system. To solve the problem, a AHP-SDG method based on hierarchy structure was proposed and implemented in Dense-Flow flue gas desulphurization system and was proved to be efficient and effective.
Keyword: SDG, AHP, fault diagnosis
在化工、冶金等工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性日益提高，規(guī)模不斷擴(kuò)大，常常要面對各種不可預(yù)期的變化，使得在線故障診斷受到廣泛關(guān)注。由于實(shí)際系統(tǒng)往往過于復(fù)雜而且知識不完備，無法構(gòu)造出精確數(shù)學(xué)模型，國內(nèi)外一些學(xué)者考慮采用定性建模與仿真的方法去解決這類問題。其中，基于符號定向圖（Signed Directed Graph，SDG）模型的故障診斷具有完備性好（可以找到所有可能的不利后果和非正常原因）、節(jié)省時(shí)間、人力、費(fèi)用、推理深度高等優(yōu)點(diǎn)，成為定性仿真中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文結(jié)合層次分析法遞階結(jié)構(gòu)，構(gòu)建層次SDG模型，將其應(yīng)用于密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)，并對其使用進(jìn)行了分析。
1 SDG方法介紹
SDG是一種由節(jié)點(diǎn)（nodes）和節(jié)點(diǎn)之間有方向連線，又稱支路（branches）構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)圖。SDG圖由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)和若干條支路（即有向邊）組成，節(jié)點(diǎn)表示變量，支路表示變量之間的關(guān)系。若一個(gè)變量的偏差會直接引起另一個(gè)變量的偏差，則在兩個(gè)變量對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間用支路連接起來，由起始節(jié)點(diǎn)（原因變量）指向終止節(jié)點(diǎn)(結(jié)果變量)。用“+”（或用實(shí)線箭頭）和“-”（或用虛線箭頭）分別表示正作用（增強(qiáng)）和反作用（減弱）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的變量取正常值記為“0”，偏大記為“+”，偏小記為“-”。所有節(jié)點(diǎn)的符號組成了系統(tǒng)的狀態(tài)表示，稱為樣本。SDG所建立的模型，針對應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以分為安全評價(jià)和故障診斷兩類。對于安全評價(jià)，主要是為了發(fā)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中所潛在的危險(xiǎn)可能性的問題。對于故障診斷，主要是為了發(fā)掘故障背后的真實(shí)原因。這就需要 SDG 推理的最終結(jié)果的分辨率要高。在測試時(shí)，一般通過事先設(shè)定一個(gè)原因點(diǎn)的故障，讓該點(diǎn)故障在標(biāo)準(zhǔn)圖中進(jìn)行事故的漫延，最后讓 SDG 引擎來進(jìn)行反向推理，觀察其能不能正確的得到事先設(shè)計(jì)好的原因點(diǎn)。
SDG模型具有直觀、清晰的特點(diǎn)，是大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的一種重要描述方式。基于這種模型的推理可用于大型企業(yè)的故障分析和安全評價(jià)，完備性很好。但是當(dāng)系統(tǒng)過于復(fù)雜的時(shí)候，如何建立SDG模型及在模型中的推理將成為一個(gè)難度很大的問題，有可能產(chǎn)生“信息爆炸”。同時(shí)由于推理結(jié)果中包含大量次要的偽相容通路，其故障的分辨率有待提高。因此，如何合理建立SDG的模型與推理問題在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用中被不斷地加以研究。
2 層次分析法在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用
層次分析法(analytic hierarchy process, AHP）是一種系統(tǒng)的分析方法，其基本思路是把復(fù)雜問題分解成因素，把這些因素按照支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，并權(quán)衡其各方面的影響，綜合人的判斷，已決定諸因素相對重要性的先后優(yōu)劣次序。復(fù)雜系統(tǒng)往往具有明顯的層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的層次性決定了故障的層次性。故障診斷實(shí)質(zhì)是一類模式分類問題，層次診斷的基本思想是將診斷對象由高層次的普通模式向低層次的具體模式逐級專門診斷，級別越高的模式概念越抽象、越普遍，所代表的系統(tǒng)的級別也越高。
采用層次診斷策略，應(yīng)當(dāng)對診斷對象及其故障傳播關(guān)系進(jìn)行層次劃分，一般采用結(jié)構(gòu)分解、功能分解和故障分解的方法。結(jié)構(gòu)分解是在結(jié)構(gòu)上對系統(tǒng)進(jìn)行劃分，把系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)逐級細(xì)化分解到最低層次的零部件，這種方法可以最終確定系統(tǒng)故障的物理位置， 但難于表達(dá)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，對于由聯(lián)系惡化而引起的故障不易診斷。功能分解是從功能上對診斷對象進(jìn)行分解，可以到基本功能，并且不涉及診斷對象的具體結(jié)構(gòu)，可以診斷出聯(lián)系的故障，但此方法最終確定的不是系統(tǒng)故障的物理位置，而是失效的功能模塊。故障分解是指對診斷對象的故障類型進(jìn)行分解，下層子故障總是上層父故障的特例，上層故障是下層故障的概括，這種分解可以到最具體的故障。故障分解層次模型有時(shí)也難以確定系統(tǒng)故障的物理位置。因此，在應(yīng)用中，我們提出一種建立結(jié)構(gòu)層次，進(jìn)行層次SDG故障診斷的方法，這樣在復(fù)雜系統(tǒng)中可以提高SDG方法的分辨率，同時(shí)可以滿足對聯(lián)系故障的診斷。
首先，根據(jù)各類因素間的隸屬關(guān)系建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的遞階層次。按照屬性的不同，將元素分組形成互不相交的層次，上一層次的元素對相鄰的下一層次的全部或部分元素起支配作用，形成按層次自上而下的逐層支配關(guān)系。以北京科技大學(xué)環(huán)境中心研究開發(fā)的密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)遞階層次如圖1所示：
圖1密相干塔煙氣脫硫遞階層次圖
在AHP中，根據(jù)各因素的重要性關(guān)系可以構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是進(jìn)行層次分析的基本信息，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，為了獲得信息準(zhǔn)確、一致性好的判斷矩陣，可以采取了專家綜合判斷、線性加權(quán)和區(qū)間估計(jì)的方法。利用AHP方法進(jìn)行計(jì)算，通過建立專家判斷矩陣、區(qū)間判斷矩陣，可得綜合判斷矩陣及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。再然后，進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗(yàn)。根據(jù)排序權(quán)重可以建立定量的SDG模型，這里我們不進(jìn)行相關(guān)討論，主要研究定性的層次SDG模型。\
3. 層次SDG法模型
我們將層次法和SDG模型結(jié)合起來，以遞階層次為基礎(chǔ)對系統(tǒng)建立SDG模型，首先建立基于分系統(tǒng)、子系統(tǒng)的系統(tǒng)SDG模型，然后再建立基于設(shè)備、基于元器件的各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)SDG子圖集合。根據(jù)分、子系統(tǒng)故障在其下一級子圖集合內(nèi)查找設(shè)備、元器件故障原因。這樣比全排列組合搜索計(jì)算量大為減少。可以快速找到故障源，使SDG分辨率大為提高。
3.1 子系統(tǒng)級SGD模型
以密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)為例，根據(jù)其工藝，建立子系統(tǒng)級的SDG模型如圖2所示：
圖2基于子系統(tǒng)的密相干塔煙氣脫硫SDG模型
其中：V1——進(jìn)風(fēng)閥；V2——加水電磁閥；V3——出風(fēng)閥；V4——旁路閥；N1——原料供料子系統(tǒng)；N2——加濕器子系統(tǒng)；N3——排料子系統(tǒng)；N5——循環(huán)輸灰子系統(tǒng)；N6——除塵輸灰子系統(tǒng)；N7——除塵器子系統(tǒng)；N8——風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)；N9——循環(huán)提升子系統(tǒng)；S0——前端鍋爐工況；S1——入口煙氣SO2濃度；S2——出口煙氣SO2濃度；S3——塔內(nèi)SO2含量；S4——儲灰倉料位；F0——出口煙氣流量；F1——入口煙氣流量；F2——加濕器加水量；F3——進(jìn)入反應(yīng)塔灰量； T1——反應(yīng)塔內(nèi)溫度；G1——結(jié)露情況。
3.2 設(shè)備元器件級SDG模型
與建立子系統(tǒng)級模型的方法相似，在各子系統(tǒng)內(nèi)部，建立起基于設(shè)備和元器件的SDG模型，以脫硫系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)為例建立的SDG模型如圖3所示：
圖3 基于風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)的SDG子圖
其中，V1——進(jìn)風(fēng)閥；D1——風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉（執(zhí)行器）；D2——冷卻風(fēng)機(jī)1；D3——冷卻風(fēng)機(jī)2；D3——環(huán)境溫度；Q1——風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量；T2——風(fēng)機(jī)軸承溫度；T3——主電機(jī)軸承溫度；T4——主電機(jī)繞組溫度；S10——風(fēng)機(jī)主電機(jī)運(yùn)行運(yùn)行狀況；P1 ——產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速；P2——風(fēng)機(jī)機(jī)殼振動(dòng)；N8——風(fēng)機(jī)出口流量。
3.3 故障診斷的路徑
模型建立后，這樣我們就可以根據(jù)子系統(tǒng)級模型中的一個(gè)子圖單元，在系統(tǒng)中作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷，初步劃分故障源所在的子圖，然后在子圖內(nèi)，進(jìn)行二次的故障定位，精確地確定故障源。
以密相干塔托流系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行說明：對于反應(yīng)塔內(nèi)壓力報(bào)警，出口煙氣流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)口煙氣流量的故障時(shí)，根據(jù)圖2推理共找到如下相通路徑：F0←V3；F0←N8。這樣，將故障定位到V3（出風(fēng)閥開度太小）和N8（風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出風(fēng)量太小），其他路徑中的節(jié)點(diǎn)不用進(jìn)行下一步分析。在N8子系統(tǒng)中，根據(jù)圖3進(jìn)一步定位得到相通路徑：N8←Q1←D1（前導(dǎo)葉開度太小）；N8←Q1←V1（進(jìn)風(fēng)閥開度太小，可以排除）；N8←S10←T3（電機(jī)軸承溫度過高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)）；N8←S10←T4（電機(jī)繞組溫度過高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)）；N8←S10←P2（風(fēng)機(jī)殼體振動(dòng)劇烈導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)）；N8←S10←T2←…(風(fēng)機(jī)軸承溫度太高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù))。結(jié)合采集的溫度、振動(dòng)信號，就可以精確定位故障源。這樣就可以大大減少工作量，提高了故障尋找速度。顯然，層次SDG的診斷策略的基本思想類似于人類專家在診斷過程中由粗到細(xì)的解題思路。
3.4 診斷系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)
在診斷系統(tǒng)的硬件構(gòu)建中，我們使用德國西門子公司的S7-300系列PLC來實(shí)現(xiàn)信號的采集工作，研華工控機(jī)為上位機(jī)，以北京三維力控的ForceControl 3.62軟件進(jìn)行組態(tài)編程并配合VC++。取得了良好的效果。
4 結(jié)束語
對給定的SDG和給定的故障源，由于SDG在預(yù)測故障傳播途徑時(shí)的不確定，存在故障傳播的多種解釋，實(shí)際診斷中相當(dāng)?shù)暮臅r(shí)，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)性要求。本文提出一種從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遞階層次出發(fā)建立各結(jié)構(gòu)層次SDG圖進(jìn)行故障診斷的方法，通過在密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用，證明可以提高故障診斷的分辨率，便于找到故障的物理位置，提高了故障尋找的速度。
同時(shí)，層次分析法本身能把定量分析同定性分析相結(jié)合，通過收斂性檢驗(yàn)來衡量定量分析的正確性。因此，結(jié)合層次分析法建立定量SDG圖也是進(jìn)一步要研究的問題。
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