基于层次分析法的船用柴油发电机组 综合健康评估

王德民，王 恒，王起硕，刘海洋

（1. 海军驻上海地区第3 军事代表室，上海 200031；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

近年来，柴油发电机组（以下简称“机组”）成为船上使用最为普遍的电力来源，其可靠性是 全船及船上设备正常运行的基础。目前，船舶对于机组运行状态的监测大多较为简单和原始，仅在控制屏幕上显示全部的监测参数，如果某一参 数达到报警限值，则会发生报警。这样的状态控制方式不直观，因为机组控制参数众多，各参数的运行范围和单位不一，船员只能依靠个人经验选择主要参数观测并对机组运行状态进行评估，这样的评估主观性强且较依赖于船员的个人经验。同时，目前的机组一般采用事后维修和定期检修的方式，易存在维修不及时和过度维修的情况，给机组的运行带来一定的安全隐患和资源浪费。因此，对机组运行性能准确、方便、有效的评估，有助于船员更便捷地掌握机组运行状态，判断机组的运行趋势，及时发现机组潜在的运行故障。与此同时，也有助于机组责任单位开展视情维修和智能保养，提高机组可靠性，降低经济成本。

王术新等[1]建立了船用柴油机维修保障效能评估指标体系及评估模型，采用层次分析法对其进行评估与验证，为柴油机维修策略和保障方案的制定提供了理论依据。李炜等[2]基于层次分析法和多属性效用理论，构建了指标体系的层次结构，并建立了高性能船性能综合评估方法，为高性能船舶应用中的选型决策提供了技术支撑。但目前针对船用柴油发电机组运行综合性能评估研究的文献还相对欠缺。

本文首先介绍了层析分析法[3]，而后将机组的监测参数分为上限型、下限型和中间型参数，并以此在模糊综合评判方法的基础上引入了劣化度、健康值的概念，更准确地对机组的状态进行了描述，最后为了能合理兼顾对机组正常运行和故障运行等各种状态进行的准确评估，在利用判断矩阵确定各参数权重的同时，利用均衡函数实现了对恶劣参数的变权处理。从算例来看，本文实现了对机组运行状态的综合健康评估，对正常运行和故障运行等工况均合理有效，能对船用柴发机组进行有效评估。

1 层次分析法

层次分析法是将一个由多因素影响和决定的目标决策问题分解为多个层次及多个指标，并将各项指标统一量化，根据不同指标对决策目标的影响程度和实际情况来分配权重，从而对目标作出综合性分析和决策的方法。

设待决策的目标事件为G，与G直接相关的因素或项目有m个，记作U＝[u1,u2, ···,um]，称为因素集，如果U 中任一因素ui(i＝1, 2, ···,m)又可分解为l个相关子因素，记作Ui＝[ui1,ui2,···,uil]，则为子因素集，以此类推。

设所有可能出现的评判结果有n个，记作V＝[v1,v2, ···,vn]，称为评语集。因素集U和评语集V之间的模糊关系用评估矩阵R来表示：

它由所有单因素评判的模糊集组成，其中rij表示目标G从因素ui单方面来看，被评为vj等级的隶属程度。

各因素的权重分配可视为U上的模糊集，记为W＝[w1,w2, ···,wm]，其中wi为第i个因素ui对于目标G的权重，满足归一化条件。利用矩阵运算法则可以得到目标G的综合评判矩阵A。

2 劣化度、健康值与隶属度

2.1 劣化度

劣化度表征机组及其组成部件实际状态与故障状态相比的相对劣化程度，其取值范围为[0, 1][4]。柴油发电机组是一个较多零部件组成的复杂机电设备，运行参数较多，可按其特性分为3 类，即上限型参数、下限型参数和中间型参数。

2.1.1 上限型参数

上限型参数有明显的参数上限，超过上限值会给机组带来损伤或引发故障停机等现象，如机组转速、柴油机冷却水温度、发电机轴承温度等。此类设备参数的劣化度计算如式（3）

3 权重及变权的确定

3.1 确定权重

为了得到机组综合运行状态评价，除了得到表征隶属度的评估矩阵R外，还需要得到各部件参数对机组整体运行状态的贡献度，即权重W。权重的分配是模糊评判模型的难点，一般根据专家、工程师等专业人员的经验给出，但带有强烈的主观性。此外，权重的确定方法还有频数统计法、主成分分析法、层次分析法、模糊逆方程法等，本文采用层次分析法进行权重的确定。

层次分析法是系统工程中对非定量事件做定量分析的一种简便方法，是人们对主观判断做客观描述的有效方法。利用层次分析法确定权重的关键在于确定判断矩阵P，ui表示与目标G或父因素相关的第i个因素，Pij表示ui相对于uj的重要程度，Pij的取值及含义见表1。

表1 判断矩阵标度及含义

则G-U之间的判断矩阵可以写为

计算判断矩阵P的特征值和特征向量，将最大特征值对应的特征向量进行归一化后即得到各因素的权重分布。以上得到的权重分布是否合理还需通过判断矩阵P的一致性检验，即P的一致性比率CR应满足CR＜0.1，否则应该重新设置判断矩阵，直到一致性检验通过为止。

3.2 确定变权

机组运行时可能会出现这样的情况：个别部件运行参数发生劣化，朝着报警限值变化，甚至接近于报警限值，但是机组的综合评价是由众多运行参数共同决定的，所以即便该参数评分很低也可能被平均掉，从机组综合评估结果上无法直观反映出该的劣化度甚至可能触及报警值的潜在危机。

基于此，本文的权重分配采用随劣化度变化的动态权重，当一运行参数完全健康运行，即劣化度为0 时，其权重＝其初始权重，即判断矩阵计算得出的权重；当一参数运行状况恶劣时，其权重不断增加，当其值触及报警限值时，其分配权重为1，能直观地从机组综合评估结果反映出任一参数的不良运行情况；同时，权重一开始时变化较小，当劣化度较大时，若劣化度g＞0.6，权重剧烈变化，迅速增长为1。

根据以上分析动态权重值是初始权重值和参数劣化度的函数，本文采用均衡函数进行参数的变权处理：

4 某机组运行状态分析

柴油发电机组的评估指标体系应该系统、客观，尽可能全面地反应机组运行状态。机组运行监测的指标众多，在进行机组整体运行状态评估时，无需将所有运行参数均考虑进去，应客观分析各参数对机组运行的重要性，合理选择最能反应运行状态的指标。指标选取时应遵循科学客观、系统全面、实用有效、具有可比性的原则。本文中对柴发机组进行状态评估采用的指标如图2 所示。

根据柴油发电机组的功能及工作原理，将机组参数分成3 大块，即柴油机、发电机和输出电能品质，每一块根据上述原则选取若干具有代表性的指标组成机组运行综合评判的因素，其中柴油机气缸排温又包含了相应的子项目。

为了验证机组健康值综合评估算法里的变参数特性，在其他参数不变的情况下，调整滑油温度，使其健康值在60～100 范围内连续变化，并观察随着滑油健康值的变化机组综合健康值变化情况，如图4 所示。由图4 可知，随着滑油健康值的降低，机组综合健康值也不断下降；当滑油健康值从100 降到80 时，机组综合健康值仅从93 降到了88，下降比例4∶1；当滑油健康值从80 降到64 时，机组健康值从88 降到66，下降比例0.73∶1。由此可见，当滑油健康值较高时，其变化对机组综合健康值的影响较小，而当滑油健康值恶化时，其变化将给机组的综合健康值带来显著影响，实现了前文预期的目的。表2 是机组在不同运行状态下评估结果。

表2 机组不同状态下评估结果

图4 机组综合健康值随滑油温度健康值的变化曲线

5 结论

为了对柴油发电机组的运行状态进行综合健康状况评估，本文采用层次分析法对机组运行参数进行了层次划分，将各参数进行了无量钢化统一处理，并引入劣化度和健康值的概念，最后为兼顾参数运行恶化的情况，采用了权重实时变化的处理。结果表明，本文提出的机组运行健康评估方法能够准确有效地评估机组运行状态；在参数恶化时，能及时有效地根据机组综合健康值反映其恶化情况。