摘要：針對(duì)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(wèn)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(hào)：TP206.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)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(guò)于復(fù)雜而且知識(shí)不完備，無(wú)法構(gòu)造出精確數(shù)學(xué)模型，國(guó)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(wèn)題。其中，基于符號(hào)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(duì)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(huì)直接引起另一個(gè)變量的偏差，則在兩個(gè)變量對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間用支路連接起來(lái)，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(duì)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(hào)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(duì)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以分為安全評(píng)價(jià)和故障診斷兩類。對(duì)于安全評(píng)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(wèn)題。對(duì)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(cè)試時(shí)，一般通過(guò)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(lái)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?；谶@種模型的推理可用于大型企業(yè)的故障分析和安全評(píng)價(jià)，完備性很好。但是當(dāng)系統(tǒng)過(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(duì)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(wèn)題，層次診斷的基本思想是將診斷對(duì)象由高層次的普通模式向低層次的具體模式逐級(jí)專門診斷，級(jí)別越高的模式概念越抽象、越普遍，所代表的系統(tǒng)的級(jí)別也越高。

　　采用層次診斷策略，應(yīng)當(dāng)對(duì)診斷對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，把系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)逐級(jí)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(duì)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(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行分解，可以到基本功能，并且不涉及診斷對(duì)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(duì)診斷對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)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(guò)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(lái)，以遞階層次為基礎(chǔ)對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)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(chǔ)灰倉(cāng)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(jí)SDG模型

　　與建立子系統(tǒng)級(jí)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(jí)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(shuō)明：對(duì)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(kāi)度太小）和N8（風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出風(fēng)量太?。渌窂街械墓?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(kāi)度太小）；N8←Q1←V1（進(jìn)風(fēng)閥開(kāi)度太小，可以排除）；N8←S10←T3（電機(jī)軸承溫度過(guò)高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)）；N8←S10←T4（電機(jī)繞組溫度過(guò)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(hào)，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(guò)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(guó)西門子公司的S7-300系列PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(yǔ)

　　對(duì)給定的SDG和給定的故障源，由于SDG在預(yù)測(cè)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(wú)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(guò)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(guò)收斂性檢驗(yàn)來(lái)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(wèn)題。

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