基于可拓層次分析的機器人系統(tǒng)安全評價方法*

劉 旭，王 頌，于洪鵬，李志海

(1. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣州 510080； 2. 中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016； 3. 中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169)

0 引言

電力作為中國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重點，是國民經(jīng)濟和民生保障的基礎(chǔ)，智能電網(wǎng)建設(shè)要求對電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)進行有效地維護，以保證電網(wǎng)的可靠、連續(xù)運行。在此要求下，電力機器人市場應(yīng)運而生，機器人自動化監(jiān)控操作越來越多地應(yīng)用在電力系統(tǒng)工作現(xiàn)場，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定不間斷運行。而電網(wǎng)場所中的高壓等復(fù)雜環(huán)境，對電力機器人的安全性提出了更高要求，對電力機器人系統(tǒng)的安全評價顯得尤為重要[1]。目前我國尚缺乏電力機器人全生命周期的國家標準，尤其是安全評價方面的標準[2]。機器人行業(yè)中，以往的安全評價方法多針對工業(yè)機器人，但其結(jié)果無法兼顧定性和定量的評價[3-4]。而在電力行業(yè)的設(shè)備中，通常采取在模糊層次分析法的基礎(chǔ)上研究新的評價方法，對配電運行、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備效能及安全性等進行評價[5]。典型的有云南電網(wǎng)公司針對輸電線路鳥害故障的風險評估，建立了鳥害風險評估層次結(jié)構(gòu)模型，最終建立輸電線路鳥害故障風險評估模型，消除了傳統(tǒng)評價中主觀性強、數(shù)據(jù)繁雜的缺點[6]。

綜上所述，文中針對電力機器人采用可拓層次分析，將可拓學的基元理論、共軛分析理論以及可拓分析理論與多元耦合原理相結(jié)合，對安全評價指標進行耦合計算，形成了對電力機器人安全評價進行定性定量分析的有效工具。運用此工具，以電力環(huán)境特征為基礎(chǔ)，建立安全評價指標集，通過建模解析安全指標權(quán)重的形成機理、以及與安全評價結(jié)果的量化映射關(guān)系，此方法可以提升安全評價的精度，推動電力機器人更加安全化、標準化。

1 基于可拓層次分析的安全評價

依據(jù)安全評估國標GB/T 38260-2019《服務(wù)機器人功能安全評估》中提出的機器人可能造成的危害，結(jié)合電力機器人自身及使用環(huán)境的特性，構(gòu)建機器人系統(tǒng)安全評價指標體系，由8項影響機器人系統(tǒng)安全的指標構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 電力機器人系統(tǒng)安全評價指標體系

可拓學評價的關(guān)聯(lián)函數(shù)權(quán)重計算方法能夠?qū)崿F(xiàn)基于評價指標自身的客觀動態(tài)計算，可拓學是由蔡文提出用于解決矛盾問題的學科，以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開拓創(chuàng)新的規(guī)律和方法[7]。它具有形式化、邏輯化和數(shù)學化的特點，目前已廣泛應(yīng)用于機器人、無人機領(lǐng)域[8-9]。利用可拓層次分析法能夠?qū)崿F(xiàn)對電力機器人系統(tǒng)整體層次進行定權(quán)、評價，從而得到可量化的機器人整體安全評價。

1.1 建立評價指標集

根據(jù)建立的機器人系統(tǒng)安全評價體系，對電力機器人系統(tǒng)進行安全評價，首先為評價項目建立一個評價集，記為L={L1,L2,…,Lm}。另外，依據(jù)工業(yè)及服務(wù)機器人風險監(jiān)測中常用的危險等級劃分方法，將機器人系統(tǒng)安全評價等級分為4個等級，記為D={D1,D2,D3,D4}，如表1所示。

表1 機器人評價等級區(qū)間標準

1.2 計算可拓區(qū)間數(shù)與權(quán)重

針對于機器人系統(tǒng)安全評價這個目標，利用權(quán)重向量來定義評價集內(nèi)元素對機器人系統(tǒng)整體安全的影響，將評價集內(nèi)的元素兩兩進行對比，構(gòu)造可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣P。

(1)

權(quán)重向量的求解步驟為：

(1)將判斷矩陣P表示為左右矩陣的形式，即P=[P-,P+]。

(2)分別計算左右矩陣P-,P+的最大特征值λ-,λ+，則λ=[λ-,λ+]為P的區(qū)間數(shù)特征值，并得到左右矩陣歸一化后的特征向量x-,x+。

(3)計算權(quán)重系數(shù)k、m的值。

(2)

(4)求出P關(guān)于λ=[λ-,λ+]的特征向量x，也就是各個指標對機器人系統(tǒng)整體安全的權(quán)重W。

(3)

(4)

則所有指標對電力機器人系統(tǒng)安全評價的歸一化權(quán)重為:

(5)

除了權(quán)重值外，還需要求解出各評價指標得分歸屬于評價等級的隸屬度矩陣rij，確定隸屬度矩陣的方法有很多，本文選用可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)得到隸屬度矩陣[10]。

(6)

其中，

式中，λ(xi,xmi)-λ(xi,xji)代表第i個評價指標關(guān)于第j個等級區(qū)間和電力機器人評價集整體區(qū)間組成的區(qū)間位置關(guān)系，λ(xi,xji)代表評價指標xi與第j個評價等級域的距，λ(xi,xmi)代表評價指標xi與電力機器人評價集整體域的距。xji是第j等級關(guān)于xi的取值范圍，即(aij,bij)，xmi是電力機器人評價集整體關(guān)于pi的取值范圍。

1.3 系統(tǒng)安全綜合評價

由各個評價指標的歸一化權(quán)重向量U與隸屬度矩陣R耦合計算，得到電力機器人系統(tǒng)整體安全評價向量E：

E=UT×R

(7)

通過計算得到整體安全評價向量，但該向量不能直觀的反映電力機器人系統(tǒng)的整體安全程度。為了綜合權(quán)重的全部信息，將評價等級與整體安全評價向量進行耦合計算，得到一個可量化的數(shù)據(jù)，使評價結(jié)果更符合實際需求。假設(shè)n個評價等級區(qū)間D={D1,D2,…,Dn}，取每個評價區(qū)間的最大值，則最終安全評價結(jié)果為：

N=E×D

(8)

2 實驗驗證

以某型號變電站巡視機器人的安全測試為例，設(shè)基本機械安全、基本電氣安全、充電電池安全、環(huán)境安全、輻射安全、電磁兼容安全、定位和導(dǎo)航安全、振動安全8個評價項因素為L={L1,L2,…,L8}，由行業(yè)專家對各項打分，得到機器人系統(tǒng)整體安全的可拓區(qū)間判斷矩陣P。

P=

(9)

2.1 確定權(quán)重及隸屬度矩陣

利用第1節(jié)中的公式，結(jié)合式(9)的數(shù)據(jù)，計算得到電力機器人系統(tǒng)安全中各評價變量值，結(jié)果如表2所示。

表2 電力機器人系統(tǒng)安全評價變量值

得到各評價因素的權(quán)重W后，根據(jù)公式將權(quán)重向量進行單值化處理和歸一化處理，最終得出8個評價項因素對電力機器人系統(tǒng)安全評價的重要程度排序U。

(10)

通過可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)和該電力機器人各評價指標的得分情況，再利用1.2節(jié)中的計算函數(shù)，計算得到各評價指標對于綜合評價結(jié)果的隸屬程度，即構(gòu)造一個隸屬度矩陣R，如表3所示。

表3 各評價指標權(quán)重及隸屬度

2.2 評價結(jié)果

綜合電力機器人系統(tǒng)安全各個指標的權(quán)重，以及本次測試的指標得分相對于評價等級的隸屬度矩陣，得到該系統(tǒng)安全評價的整體評價值。

(11)

為了更加直觀地表達系統(tǒng)安全評價結(jié)果，將得到的向量量化成數(shù)值。

N=E×D=0.314 9×25+0.344 8×
50+0.201 9×75+0.142 9×100=54.5

(12)

則該變電站巡檢機器人系統(tǒng)的整體安全評價得分為54.5，屬于電力機器人評價等級中的低風險等級，與本次測試中行業(yè)專家對其系統(tǒng)定性評估出的結(jié)果情況一致。然而，傳統(tǒng)的組織專家評審的方法耗時耗力，對于實際中大批量的檢驗需求，傳統(tǒng)方法效率低。本文中提出的基于可拓層次分析的機器人系統(tǒng)安全評價方法，可以克服傳統(tǒng)方法無法定量給出結(jié)果，以及普遍存在著由于主觀因素影響評價結(jié)果的問題。

3 結(jié)論

提出了一種基于可拓層次分析的機器人系統(tǒng)安全評價方法，考慮基本機械安全、基本電氣安全、充電電池安全、環(huán)境安全、輻射安全、電磁兼容安全、定位和導(dǎo)航安全、振動安全8個因素，建立了機器人系統(tǒng)安全評價體系及評價指標集。以某型號變電站巡檢機器人為研究對象，采用可拓層次分析法確定評價指標的權(quán)重系數(shù)，通過將權(quán)重系數(shù)與隸屬度引入評價體系進行耦合計算，得到可量化的機器人系統(tǒng)安全評價結(jié)果，對機器人的安全性能進行了準確的評價。本文提出的機器人系統(tǒng)安全評價方法可以作為機器人安全檢測、安全評價及安全認證的理論參考，適用性強、效率高，兼顧了定性與定量分析的特性，減少傳統(tǒng)評價方法的主觀因素。由于機器人的特殊與部分定性安全指標的存在，目前評價指標體系不能完全反應(yīng)機器人的安全性，對指標體系的改進是所要關(guān)注的方向。