模糊推理方法在化工機械設備運行中的安全評價分析

張劉洋 趙靜 陳啟宇

摘 要：化工機械設備經常長時間、高負載工作，容易出現各種故障問題，提高其安全運行，有助于提高生產效率、降低經濟損失、減少人員傷亡情況等。文章通過使用模糊推理方法對化工機械設備進行安全評價，目的在于能夠及時發現化工機械設備的故障問題。文章首先對模糊推理方法進行簡介，然后分析化工機械設備運行中使用模糊推理方法進行安全評價的步驟，最后以往復壓縮機作為研究對象，使用模糊推理方法進行實例分析，研究表明，最后得到的安全評價結果和實際結果一致，從而證實模糊推理方法在化工機械設備安全評價中具有可行性。

關鍵詞：模糊推理方法;化工機械設備;安全評價

中圖分類號：TH165+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0124-04

Safety Evaluation and Analysis of Fuzzy Reasoning Method in the Operation of Chemical Machinery and Equipment

Zhang Liuyang， Zhao Jing， Chen Qiyu

（Anhui Yuchen Engineering Science and Technology Co.， Ltd.， Bozhou 236800， China）

Abstract：Chemical machinery and equipment often work for a long time and under high load， and are prone to various failures. Improving their safe operation can help improve production efficiency， reduce economic losses， and reduce casualties. The paper uses fuzzy reasoning method to evaluate the safety of chemical machinery and equipment， the purpose is to be able to find the fault of chemical machinery and equipment in time. The paper first introduces the fuzzy inference method， and then analyzes the steps of using the fuzzy inference method for safety evaluation in the operation of chemical machinery and equipment. Finally， the reciprocating compressor is used as the research object， and the fuzzy inference method is used for instance analysis. The research shows that the final safety evaluation results are consistent with the actual results， which proves that the fuzzy reasoning method is feasible in the safety evaluation of chemical machinery and equipment.

Key words：fuzzy inference method; chemical machinery and equipment; safety evaluation

如今，我國的化工行業不斷發展，其中作為重要的組成部分，化工機械設備在長期的運行狀態下，受到高強度的工作，在運行過程中容易出現各種故障問題。設備發生故障，必然會對生產效率和質量造成影響，嚴重時還會發生人員傷亡情況，所以保證化工機械設備正常運轉極為重要[1-2]。在化工機械設備運行過程中，雖然會有相關監測儀器系統對運行狀態進行監測，但是在監測過程中難免因為相關因素導致監測結果出現問題和錯誤。所以為了進一步保證化工機械設備運行的安全性，有必要對其進行安全評價。安全評價能夠事先了解化工機械設備的運行性能，及時了解容易出現問題的部位，并對容易出現問題的地方進行重點關注，從而降低化工機械設備運行的風險[3-4]。對化工機械設備進行安全評價可是使用專家、技術人員根據相關標準對其進行評價，但是這種安全評價方式其中涉及的指標大都基于單一化參數。一般的化工機械設備結構非常復雜，出現故障問題的地方充滿不確定性，而且還會受到噪音等干擾因素，所以使用專家進行安全評價的方式并不能非常準確的反映化工機械設備問題[5]。于是文章通過對模糊推理方法進行分析，發現這種方式比較適用于機械設備安全評價中，于是研究了模糊推理方法在化工機械設備運行中的安全評價。

1 模糊推理方法的簡介

1.1 模糊推理方法的定義

模糊推理屬于一種用思維過程，一般情況下，模糊推理指的是根據已知條件，然后按照一定的策略，推測出相關結論的過程。其中必須要以初始事實作為出發點，借助相關已有知識，得出具有一定程度可信度的結論[6]。按照確定性關系不同，可以將模糊推理分為確定性推理和不確定性推理，還可以按照推理方式不同，將模糊推理分為演繹推理、默認推理和歸納推理。使用模糊推理對問題進行求解時，其求解效率和質量主要受兩個方面的影響，首先就是求解方法，然后就是求解的控制策略?？刂撇呗缘牟煌?，最終得到的結論將會存在比較大的差別。在控制策略中更包含一個推理方向，該方向主要作用在于確定推理的驅動方式，一般情況向可以是正向推理、反向推理和混合推理[7]。選擇何種推理方向需要根據不同的問題進行分析。由于本文主要是對化工機械設備運行進行安全評價，屬于一個設計型專家系統，在其中使用模糊推理方式時，其推理過程會依據相關約束條件和已知條件然后進行推理，所以在本文的研究中使用正向推理最為合適，并且使用正向推理能夠比較快速的獲取相關安全評價結果。

1.2 模糊推理規則

一般情況下，產生式主要表示的是具有因果關系的規則知識，比如能夠從一組前提條件推理出一組結論。一個產生式表示的就是一個模糊推理規則，可以將產生式規則劃分為4種不同類型，分別為：多輸入單輸出的合取形式、多輸入單輸出的析取形式、單輸入多輸出的合取形式和單輸入多輸出的析取形式[8]。模糊規則在實際的應用過程中，經過一定的轉化，可以將不同的形式轉化為多輸入單輸出的合取形式[9]。然后以產生式規則作為基礎，通過使用相關的模糊數學思想，并且引入相關的參量，即可形成模糊推理規則，該規則就可以表示知識的不確定性。模糊推理規則非常適用于模糊推理中，在后文對化工機械設備進行安全性評價中將會利用到模糊推理規則。

文章主要對化工機械設備進行安全評價，由于設備具有比較大的復雜性，在運行過程中由于眾多因素會導致無法及時發現設備的故障問題，于是有必要使用相關方式對其進行安全性評價。于是文章選擇的是模糊推理方法，選擇該方法的的主要原因在于化工機械設備在運行過程中充滿不確定性，比如時間不確定，對設備進行監控的設備不能及時傳送信息，存在時間上的差異，從而導致化工機械設備出現故障;比如影響因子的分配問題，故障診斷系統中設置的相關權值參數不合理，會導致系統對設備進行分析的結果不能直接反應故障信息;當然還包含其他的不確定性因素，比如保護系統發送錯誤信息、信息轉換過程中信息的丟失等，都會導致化工機械設備運行過程中不能及時發現問題。正因為化工機械設備運行充滿很多不確定性，屬于一個不確定性問題，所示不能使用確定的分析方式對其進行分析，比較有效的方式就是使用近似的方式對其進行解決。模糊推理方式正好可以符合該要求，該方法能夠對不確定性的問題進行描述，還能夠進行動態建模，所以從理論上講，本文將模糊推理方式應用到化工機械設備安全評價中具有可行性。

2 模糊推理方法在化工機械設備運行中的安全評價

2.1 融合故障特征提取

化工機械設備在運行過程中出現的故障問題較為復雜，存在多方面的可能性，通過將獲取不同的信息類型，然后將其進行信息融合處理能夠提高故障感知的準確度。在處理過程中使用主成分分析方式不僅能夠對眾多信息進行最佳簡化，而且還可以降低信息處理過程中的丟失現象。將其應用于本文所研究的化工機械設備安全評級中，能夠更好的提取出融合故障特征。在進行特征融合之前，機械設備中多維故障敏感特征量綱存在差別，于是需要對每一個特征分量進行標準化處理。于是針對某一個特定化工機械設備，構造其故障敏感特征矩陣，該矩陣中m代表的是特征個數，n代表的是運行狀態個數，對其進行標準化處理，處理之后的矩陣使用進行表示，該矩陣中aij用下面公式進行表示，其中表示的樣本均值，Sj表示的是樣本標準差。

得到矩陣A之后，于是就可以計算方差矩陣C，該矩陣能夠對多維特征間的關系進行反映，矩陣C的計算公式如下所示。然后對該矩陣進行特征分解，即可提取出融合故障特征。在獲取融合特征個數時使用累積貢獻率法，取累積貢獻率足夠大時的前k個特征向量作為主成分，其中k遠小于m。

2.2 模糊隸屬度函數的建立

融合故障特征提取完成之后，因其具有不確定性，所以有必要對其進行模糊化處理，首先構建模糊隸屬度函數。其構建方式為：

將獲得的融合故障特征模糊映射到[0，1]中，化工機械設備在運行過程中出現的障礙特征具有模糊性，于是在建立模糊隸屬度函數時依據故障特征對設備安全性能評價貢獻值進行判斷，建立如下所示的隸屬度函數，當計算得到的數值越大時，故障隸屬程度就會越大[10-11]。

2.3 模糊推理的mass函數構建

因為化工機械設備在運行過程中，其出現安全問題的不確定性比較大，于是使用D-S論據理論方法在模糊推理中進行推理應用[12]。其中使用mass函數作為基礎進行安全性能評價，所以需要構建mass函數。首先假設Θ為一個識別框架，其基本概率分配是一個的函數m，將其稱作為mass函數，并且其中m滿足一下要求：

最后通過上述模糊隸屬度函數的建立，得出的mass函數m（f（x））如下：

2.4 對融合故障特征進行安全性評價

通過上述分析，確定了mass函數，然后再根據推理規則，即可進行安全性評價。由于融合故障特征之間屬于一種正交狀態，之間無交集，于是表征設備運行安全性參數p（A）計算公式如下所示，當計算得到的值越大時，表示設備運行安全性越差。

其中，

化工機械設備運行過程中進行安全性評價，即可使用p（A）公式進行計算，當p（A）計算值在不同范圍值之內，代表化工機械設備的運行狀態不同，其對應關系如表1所示。

3 案例分析

由于不同的化工機械設備，其融合故障特征存在差別，所示使用模糊推理方法對機械設備進行安全性能評價需要具有針對性。本文為了更加具體的說明該方法的有效性，將其應用到往復壓縮機中進行安全性能評價。其評價過程如圖1所示，其中使用了4個方面的多元數據進行監測，有助于安全性能評價的準確度，最后得到多維故障敏感特征。

然后在往復壓縮機上的3個缸中選擇6個測點進行安全評價。首先根據上文中的分析，得到多維故障特征，以累積貢獻率90%為限，選擇前面3個融合故障特征，如表2所示。

然后再構建模糊隸屬度，結果如表3所示。最后建立mass函數，得到表征設備運行安全性參數p（A）值，該值結果如表4所示。

結合表1進行分析，從設備運行安全性參數p（A）值可以看出，測點1H和1C的評價參數p（A）值最大，于是可以說明化工機械設備的缸1相對于其他位置具有最差的安全運行性，其安全性處于預警線和報警線之間，可以進行短期運行。另外兩個缸的評價參數p（A）都非常小，表示安全性能良好。此方式是通過模糊推理方式得出的結論，然后正好與往復壓縮機的實際情況一致，于是可以說明本文使用模糊推理方法進行的化工機械設備安全評價具有可行性。

4 結語

化工機械設備在長期高負載的運行過程中，容易出現各種安全問題，必須對其進行及時檢測，對其進行安全性評價，才能及時得到補救措施，降低事故發生的嚴重程度。上文中通過模糊推理方式進行安全評價分析，該方式比較適用于不確定性較大的問題，化工機械設備運行狀態就具有比較大的不確定性，于是從上文的實際應用效果來看，可以證實模糊推理方法在化工機械設備安全運行評價上的有效性。

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