鄭祥盤

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

(2.福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350008)

目前，眾多學者致力于設備狀態(tài)評估方法研究，主要集中在核電、電力、航空、船舶等領域。鄭冬琴等[1]應用層次分析和模糊決策理論對核電事故應急決策的多個目標進行綜合分析;張金萍[2]運用模糊數(shù)學理論，結合專家系統(tǒng)，針對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、預防性試驗數(shù)據(jù)和歷史運行狀況數(shù)據(jù)，提出了一種電力設備健康狀態(tài)評估的新算法;李秀云等[3]對火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性進行了指標設計和定量評價;王永剛等[4]基于組織因素，從事故類型出發(fā)，采用層次分析法尋找影響航空安全的因素，評價得出各個指標因素的權重，確定事故鏈中居于前3位的因素;王吉星[5]開發(fā)了民用航空發(fā)動機狀態(tài)評估與診斷系統(tǒng)的主要運算程序，建立了發(fā)動機健康狀態(tài)評估模型。

可以看出，上述研究涉及的評估體系方法大多針對某一行業(yè)領域的設備狀態(tài)或特征值進行分析和討論。電梯作為城市垂直運行交通工具，其重要性不言而喻。但由于電梯系統(tǒng)內(nèi)部以及零部件之間結構形式多樣化、內(nèi)在機電耦合性強、運行環(huán)境復雜、影響參數(shù)眾多，往往難以形成通用的系統(tǒng)評估指標、相關設備性能指標和各因素對影響電梯特定性能目標的診斷理論及量化評估方法。因此，很有必要研究運用于電梯系統(tǒng)的評估模型和方法，綜合反映電梯安全狀態(tài)，實現(xiàn)電梯系統(tǒng)狀態(tài)量化評估，以滿足使用單位決策層對電梯維護與管理評估的應用期望。

1 電梯系統(tǒng)功能層次評估模型

電梯是一個實現(xiàn)特定功能的復雜機電系統(tǒng)，種類繁多，結構復雜，影響其安全狀態(tài)的因素眾多。這些因素之間的關系錯綜復雜，絕大多數(shù)不能定量地用一個函數(shù)關系表達，因此有必要把電梯狀態(tài)評估這個復雜的問題分解為相對簡單且容易操作的多層子系統(tǒng)進行分析和評估。根據(jù)電梯歷史運行狀況、在線檢測數(shù)據(jù)以及同類設備的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用完善的評估系統(tǒng)對電梯的安全狀況進行評估。

考慮到電梯系統(tǒng)結構劃分原則和簡化系統(tǒng)評估程序，將電梯按照一定功能原則進行系統(tǒng)結構劃分，然后逆向從底層結構狀態(tài)到上層結構狀態(tài)逐一進行評估，逐層綜合，計算出各系統(tǒng)狀態(tài)評估值，得到整個電梯系統(tǒng)安全狀態(tài)分值與等級?；陔娞菹到y(tǒng)功能結構劃分原則[6]，一般電梯大致可劃分為曳引系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)等8個功能系統(tǒng)，將安全性能試驗、運行環(huán)境、8個功能系統(tǒng)等10個指標作為一級指標，然后再在各子系統(tǒng)層次上繼續(xù)劃分出二級指標，二級指標根據(jù)功能復雜性可再分為三級指標，如圖1所示。

2 基于模糊層次分析法的電梯安全性能定量評估

圖1 電梯功能層次評估模型

層次分析法 (Analytical Hierarchy Process，AHP)是20世紀70年代由美國運籌學專家托馬斯·塞蒂(T.L.Saaty)提出的一種定性和定量相結合、系統(tǒng)化、層次化的分析方式。多層次分析法應用于電梯安全狀態(tài)評估，可將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標分解為多個目標或準則的若干層次，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的權重，通過定性定量指標模糊量化加權和的方法遞階歸并得到系統(tǒng)總目標的最終量化安全指標[7]。

2.1 構造判斷矩陣

層次分析法要求評估人員組織專家對每一層次各評估指標的相對重要性給出判斷，構造判斷矩陣。判斷矩陣的形式為:

式中:bij表示Bi對Bj的相對重要性。這些重要性用數(shù)值表示，通過同一層次指標兩兩比較其相對重要性，得出相對權值的比值bij，具體判斷可根據(jù)Saaty的量化方法，如表1AHP1－9比例標度所示，建立兩兩比較的判斷矩陣。

表1 判斷矩陣元素標度值

2.2 計算權重向量

解判斷矩陣G的特征根問題

式中:λmax為G的最大特征根;ω是對應的特征向量。所得到的ω經(jīng)歸一化后即為權重向量:

式中:ωi(i=1，…，n)為因素xi對應權重值。

由上述公式計算出各層次指標重要度數(shù)值，進行整理、匯總后獲得最終各層次指標權重向量ω。

2.3 確定安全狀態(tài)模糊隸屬度

根據(jù)電梯系統(tǒng)安全面臨的安全風險特點，將評估指標的安全風險等級劃分為5級，分別賦值為80，70，60，45，30 分，對應的評估語言見表2。

表2 安全風險等級表

用隸屬度A(x)來描述電梯評估指標安全狀況的模糊性及準確性。A(x)=1時，說明x完全屬于A;而A(x)=0時，說明x不屬于A。A(x)介于0與1之間時，說明隸屬于A的程度介于“屬于”與“不屬于”之間。隸屬度A(x)的值越大，x的隸屬程度就越高。采用德爾菲法逐個確定每項評估指標關于5級安全風險等級的隸屬度，即針對每個評估指標的安全狀況，組織專家分別按上述5個安全評分等級投票，記錄專家投票歸屬情況，每個安全評分等級所得票數(shù)在總票數(shù)中所占的百分比即為該等級隸屬度，每個評估指標x的5個隸屬度數(shù)值即構成該評估指標的評估向量:

如此進行評估打分，便可得到各評估指標隸屬度的離散表示，完成各具體指標評估工作。

2.4 計算安全級別相關參數(shù)

電梯安全綜合評估的數(shù)學模型為

式中:ω為式(2)得到的各評估指標的權重;R為式(4)中各評估指標的評估向量;算子“·”為矩陣向量乘法。

層次遞推，即計算某一層Bi時，以下一層各因素的Bi－1作為該層次評估矩陣 Ri。如此遞進計算，得到電梯安全評估指標體系的綜合評估結果B，其是個五維向量，表示系統(tǒng)綜合安全狀況為5個評分等級隸屬分布的描述。

電梯系統(tǒng)安全狀態(tài)綜合評估得分F為:

式中 e=[8070604530]。

根據(jù)安全級別分數(shù)表2，由最終評估得分F即可確定該電梯安全狀態(tài)最終安全級別。各安全級別分別對應相應處理建議，實現(xiàn)對電梯運行系統(tǒng)的模糊量化安全評估。

3 示例驗證

將某電梯按8個功能系統(tǒng)、使用環(huán)境、試驗等10個子系統(tǒng)作為該電梯一級指標，建立的判斷矩陣為10×10階矩陣，將上述過程定值量化，一級指標的矩陣如下:

將上述一級指標得到的矩陣按2.2所述方法求得電梯一級指標權重表，見表3。

假設(一級指標)曳引系統(tǒng)、轎廂、導向系統(tǒng)、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、試驗、使用環(huán)境安全狀況得分分別為 70，70，80，70，80，75，68，80，80，80。

根據(jù)上述方法簡化分析過程，可得到該電梯最終綜合評價得分:

由表2確定該臺電梯最終安全級別整體水平為“較好”，可實現(xiàn)量化評估電梯安全狀態(tài)水平。

4 結論

本文針對電梯因結構形式多樣、耦合性復雜、運行參數(shù)多等因素難以進行系統(tǒng)狀態(tài)評估難題，從電梯系統(tǒng)功能層次結構特點出發(fā)，利用層次分析法和模糊數(shù)學綜合評估理論，構建出基于模糊層次分析法的電梯狀態(tài)模糊綜合評估矩陣，給出了一種量化評估電梯安全狀態(tài)方法，得出如下結論:

a.電梯的安全狀態(tài)可定義為綜合實現(xiàn)電梯在現(xiàn)行使用環(huán)境下保持特定性能的能力程度，其中反映設備特定性能的參數(shù)可作為設備健康指標。故利用這些量化的狀態(tài)指標，可通過綜合測度分值來量化評估設備系統(tǒng)狀態(tài)。

表3 電梯一級指標權重表

b.構建了基于模糊層次分析法的電梯狀態(tài)系統(tǒng)量化評估模型，進行模糊評估計算出健康值，通過逆向逐級綜合加權計算出各子系統(tǒng)健康值，以量化評估設備或單元狀態(tài)，從而可全面分析整個設備系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)。

c.以特種設備行業(yè)中的重要設備電梯為示例分析，該評估方法有效可行，可為設備優(yōu)化維護策略提供理論參考，并為企業(yè)電梯維護與管理提供技術參考，有利于企業(yè)實現(xiàn)其經(jīng)營目標的需要。

[1] 鄭冬琴，張春粦，肖璋.核電站事故應急模糊層次決策模型及應用[J].核動力工程，2004，25(2):168－171.

[2] 張金萍，劉國賢，袁泉，等.變電設備健康狀態(tài)評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電力，2004，21(4):45－49.

[3] 李秀云，嚴俊杰，林萬超.火電廠冷端系統(tǒng)評價指標及診斷方法的研究[J].中國電機工程學報，2001，21(9):23－27.

[4] 王吉星.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的民航發(fā)動機狀態(tài)評估與故障診斷方法[D].天津:中國民用航空學院，2004.

[5] 王永剛，張朋鵬.基于組織因素的航空安全評價與分析[J].安全與環(huán)境學報，2007，7(1):147－149.

[6] 毛懷新.電梯與自動扶梯技術檢驗[M].北京:學苑出版社，2001.

[7] 賓光富，周元，Balbir S Dhillon.基于Fuzzy－AHP的機械設備多特征參數(shù)健康狀態(tài)綜合評價研究[J].中國機械工程，2009，20(20):2488－2492.