基于Ment-Coarl法的鋼結構廠房腐蝕快速診斷技術

冶金祥 劉小兵 王 鵬 任永軍 殷顯珺 何 遠 石發才

(中國電建集團青海省電力設計院有限公司，青海 西寧 810008)

1 概述

長期以來，受限于變電站鋼結構廠房在役運行工況的復雜性，綜合多因素的快速診斷辨識技術是實現工程安全管理的重要軟技術支撐。Saptarshi Sasmal[1]、李佩云等[2]專家，應用層次分析法對橋梁構件的腐蝕、老化、結構應力等諸多關鍵因素開展綜合評估，科學預測橋梁安全性狀，較好保障了橋梁安全的可靠運行。近年來，基于多指標因素構建綜合辨識模型，實現鋼結構廠房的安全災度等級評定[3]，較好滿足了工程管理快速化診斷的需要。但受限于評估權向量主觀性以及工程運行響應的滯后性，綜合多指標因素的快速診斷依賴于專家的經驗和主觀局限性，直接導致評定成果的科學性和客觀性不足，制約了快速化診斷技術的工程應用。

基于Monte-Carlo方法通過大數據統計抽樣，發生置信程度解決復雜工程問題，思路相對簡單，客觀性較好，能夠有效解決工程診斷和辨識的客觀性問題。黃殿勛等[4]學者，應用Monte-Carlo模擬法對電力系統的規劃、運行和電能交易等實現客觀性和科學性評估；孫海虹[5]、鄧旭陽等[6]應用Monte-Carlo模擬法，有效地解決實際工程存在客觀性的問題，通過抽樣、模擬、訓練等方式，從而構建適合工程安全性狀快速診斷與辨識的模型，滿足工程快速定性、定量的需求。

2 鋼結構廠房腐蝕性狀快速診斷模型

腐蝕是影響鋼結構抗力的關鍵影響因素[7]，鋼結構的腐蝕將引起構件截面變小，承載力下降，當外部應力超過剩余極限強度時，最終導致鋼結構的破壞，從而降低了鋼結構的整體可靠性。由此可知，腐蝕評估對實現鋼結構廠房安全性狀診斷具有重要的工程現實意義。

2.1 鋼結構廠房腐蝕的快速診斷模型

鋼結構廠房腐蝕性狀的安全診斷涉及多種影響因素，依據鋼結構廠房腐蝕規律、腐蝕特點以及行業的相關規范要求[8]，以影響結構抗力為主要內容，確定相對腐蝕量、腐蝕分布、腐蝕外觀形貌以及防腐涂層蝕厚等在役因素作為主要的診斷指標，建立鋼結構廠房腐蝕的快速診斷評價矩陣。其中基于蒙特卡洛模擬的快速診斷模型算法見圖1。

A=[w]·[φ]

(1)

其中，[w]為量綱評價矩陣；[φ]為鋼結構廠房腐蝕的評價因素指標集合。

2.2 蒙特卡洛模擬法的基本原理[9]

蒙特卡洛模擬法用隨機抽樣或統計模擬解決非確定性問題[10]，構建一種服從指定函數分布的隨機模擬模型，對指標因素x進行重復性抽樣實驗，從而近似確定該x，通過抽樣、計算該函數分布的統計特征區間。針對鋼結構廠房腐蝕影響問題，進行蒙特卡洛模擬，根據鋼結構廠房安全運行的各指標因素，建立狀態函數:

w(φ)=w(x1,x2,…,xn)

(2)

2.2.1蒙特卡洛模擬法的取值

2.2.2因素指標的等級劃分

結合相關研究成果[11]，對鋼結構廠房的腐蝕狀況等級劃分為：輕微(Ⅰ級)、一般(Ⅱ級)、較重(Ⅲ級)、嚴重(Ⅳ級)、受損(Ⅴ級)五個評價等級。結合鋼結構廠房防腐規范，對各單一因素指標分別給出五個等級相對應的劃分指標，如表1所示。

表1 腐蝕單一因素指標災度等級

3 工程應用

3.1 基于正態分布3σ原則的因素指標φ取值訓練

本文采用青海某變電站鋼結構廠房各腐蝕因素指標檢測的數據，得到各因素指標的相關檢測數據。

采用3σ原則對檢測的各腐蝕指標因素進行抽樣統計，使得因素指標φ的取值集中在(μ-3σ,μ+3σ)區間內，見統計圖2。

3.2 基于蒙特卡洛模擬法的快速診斷模型的應用

因素指標φi根據腐蝕的特性和3σ原則，得到基于蒙特卡洛進行模擬抽樣因素指標φi的訓練區間{x1,x2,x3,x4}∈[xL,xU]，進行歸一化處理，再通過隨機數發生器函數Rnd()產生(0,1)區間內等概率密度分布的隨機抽樣取值，重復N次，得到因素指標φi的取值區間，如表2所示。

表2 蒙特卡洛模擬訓練的因素指標取值

3.3 安全等級評價指標V的取值與訓練

鋼結構廠房安全等級評價指標的取值主要依據專家評估的方法進行取值，本文依據眾多專家的專業知識、智慧和經驗，對鋼結構廠房的安全等級定量分析與定性評估，如圖3所示。經專家現場的巡視、監測以及專業知識判斷，評估青海某變電站鋼結構廠房的腐蝕等級為二級，獲取專家安全等級評估數據，如表3所示。

表3 蒙特卡洛模擬法的安全評價因素指標的取值

3.4 評價因素φ的災害隸屬度函數

對于單一影響因素，按相應等級下的隸屬函數進行計算，可獲得該因素指標的模糊識別矩陣H。采用半梯形分布法，構建鋼結構廠房快速診斷的等級評估隸屬函數。

(3)

其中，H為模糊識別評估矩陣；X為單一因素中各個評價因子；m為評價V為腐蝕病害的等級；LVi為巡視檢測性狀的災度評估隸屬函數；i為第i個單一評價因素指標；x1，…，x4為單一評價因素指標的臨界標準值；u為單一評價因素的評估賦值。

3.5 腐蝕快速診斷量綱評價矩陣[w]的模擬

基于Monte-Carlo模擬抽樣訓練得到的鋼結構廠房腐蝕因素指標集[φ]、安全等級評價因素指標集[V]，采用式(4)模擬計算腐蝕快速診斷量綱評價矩陣的單一因素wi，得到單一因素的數值集合，依據數據統計與Monte-Carlo訓練，得到準確單一因素值。

[w]=[v1v2v3v4]·[x]=[w1w2w3w4]

(4)

其中，v為表3等級取值；x為各因素指標的基于訓練的隨機取值。經式(4)依次模擬計算w1,…,w4，得到腐蝕快速診斷評價量綱矩陣[w]。

[w]=[0.65 1.12 0.85 0.74]。

3.6 基于Monte-Carlo模擬法的安全快速診斷識別

對各單影響因子，按式(3)構建樣本的模糊識別評估矩陣H，結合快速診斷評價量綱矩陣W，實現多種因素(現象)的綜合評估，如表4所示。

表4 鋼結構廠房檢修巡視檢測數據

4 結語

1)根據快速診斷結果可知，鋼結構廠房的綜合多因素最大隸屬度指數為2.937，根據最大隸屬度原則可以確定，其鋼結構廠房安全檢查性狀呈現Ⅱ級災度特征。

2)本文引入了“快速化診斷”評估技術滿足鋼結構廠房的日常巡視監測需要。通過綜合多因素最大隸屬度原則，形成鋼結構廠房性狀檢查定性、快速化的評估，較好地解決了鋼結構廠房在安全運行評估過程的模糊性和不確定問題。

3)根據蒙特卡洛模擬法可以得到安全診斷識別量綱評價矩陣，為相關鋼結構廠房的安全快速化診斷提供重要支撐技術。

4)應用Monte-Carlo模擬法的快速化診斷技術，有效地提高鋼結構廠房安全運行的管理質量、真實性及準確性，以直觀明確的診斷方式反饋決策者，及時預警險情，提供安全的決策信息。