模糊推理方法在化工机械设备运行中的安全评价分析

张刘洋 赵静 陈启宇

摘 要：化工机械设备经常长时间、高负载工作，容易出现各种故障问题，提高其安全运行，有助于提高生产效率、降低经济损失、减少人员伤亡情况等。文章通过使用模糊推理方法对化工机械设备进行安全评价，目的在于能够及时发现化工机械设备的故障问题。文章首先对模糊推理方法进行简介，然后分析化工机械设备运行中使用模糊推理方法进行安全评价的步骤，最后以往复压缩机作为研究对象，使用模糊推理方法进行实例分析，研究表明，最后得到的安全评价结果和实际结果一致，从而证实模糊推理方法在化工机械设备安全评价中具有可行性。

关键词：模糊推理方法;化工机械设备;安全评价

中图分类号：TH165+.3 文献标识码：A 文章编号：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，我國的化工行业不断发展，其中作为重要的组成部分，化工机械设备在长期的运行状态下，受到高强度的工作，在运行过程中容易出现各种故障问题。设备发生故障，必然会对生产效率和质量造成影响，严重时还会发生人员伤亡情况，所以保证化工机械设备正常运转极为重要[1-2]。在化工机械设备运行过程中，虽然会有相关监测仪器系统对运行状态进行监测，但是在监测过程中难免因为相关因素导致监测结果出现问题和错误。所以为了进一步保证化工机械设备运行的安全性，有必要对其进行安全评价。安全评价能够事先了解化工机械设备的运行性能，及时了解容易出现问题的部位，并对容易出现问题的地方进行重点关注，从而降低化工机械设备运行的风险[3-4]。对化工机械设备进行安全评价可是使用专家、技术人员根据相关标准对其进行评价，但是这种安全评价方式其中涉及的指标大都基于单一化参数。一般的化工机械设备结构非常复杂，出现故障问题的地方充满不确定性，而且还会受到噪音等干扰因素，所以使用专家进行安全评价的方式并不能非常准确的反映化工机械设备问题[5]。于是文章通过对模糊推理方法进行分析，发现这种方式比较适用于机械设备安全评价中，于是研究了模糊推理方法在化工机械设备运行中的安全评价。

1 模糊推理方法的简介

1.1 模糊推理方法的定义

模糊推理属于一种用思维过程，一般情况下，模糊推理指的是根据已知条件，然后按照一定的策略，推测出相关结论的过程。其中必须要以初始事实作为出发点，借助相关已有知识，得出具有一定程度可信度的结论[6]。按照确定性关系不同，可以将模糊推理分为确定性推理和不确定性推理，还可以按照推理方式不同，将模糊推理分为演绎推理、默认推理和归纳推理。使用模糊推理对问题进行求解时，其求解效率和质量主要受两个方面的影响，首先就是求解方法，然后就是求解的控制策略。控制策略的不同，最终得到的结论将会存在比较大的差别。在控制策略中更包含一个推理方向，该方向主要作用在于确定推理的驱动方式，一般情况向可以是正向推理、反向推理和混合推理[7]。选择何种推理方向需要根据不同的问题进行分析。由于本文主要是对化工机械设备运行进行安全评价，属于一个设计型专家系统，在其中使用模糊推理方式时，其推理过程会依据相关约束条件和已知条件然后进行推理，所以在本文的研究中使用正向推理最为合适，并且使用正向推理能够比较快速的获取相关安全评价结果。

1.2 模糊推理规则

一般情况下，产生式主要表示的是具有因果关系的规则知识，比如能够从一组前提条件推理出一组结论。一个产生式表示的就是一个模糊推理规则，可以将产生式规则划分为4种不同类型，分别为：多输入单输出的合取形式、多输入单输出的析取形式、单输入多输出的合取形式和单输入多输出的析取形式[8]。模糊规则在实际的应用过程中，经过一定的转化，可以将不同的形式转化为多输入单输出的合取形式[9]。然后以产生式规则作为基础，通过使用相关的模糊数学思想，并且引入相关的参量，即可形成模糊推理规则，该规则就可以表示知识的不确定性。模糊推理规则非常适用于模糊推理中，在后文对化工机械设备进行安全性评价中将会利用到模糊推理规则。

文章主要对化工机械设备进行安全评价，由于设备具有比较大的复杂性，在运行过程中由于众多因素会导致无法及时发现设备的故障问题，于是有必要使用相关方式对其进行安全性评价。于是文章选择的是模糊推理方法，选择该方法的的主要原因在于化工机械设备在运行过程中充满不确定性，比如时间不确定，对设备进行监控的设备不能及时传送信息，存在时间上的差异，从而导致化工机械设备出现故障;比如影响因子的分配问题，故障诊断系统中设置的相关权值参数不合理，会导致系统对设备进行分析的结果不能直接反应故障信息;当然还包含其他的不确定性因素，比如保护系统发送错误信息、信息转换过程中信息的丢失等，都会导致化工机械设备运行过程中不能及时发现问题。正因为化工机械设备运行充满很多不确定性，属于一个不确定性问题，所示不能使用确定的分析方式对其进行分析，比较有效的方式就是使用近似的方式对其进行解决。模糊推理方式正好可以符合该要求，该方法能够对不确定性的问题进行描述，还能够进行动态建模，所以从理论上讲，本文将模糊推理方式应用到化工机械设备安全评价中具有可行性。

2 模糊推理方法在化工机械设备运行中的安全评价

2.1 融合故障特征提取

化工机械设备在运行过程中出现的故障问题较为复杂，存在多方面的可能性，通过将获取不同的信息类型，然后将其进行信息融合处理能够提高故障感知的准确度。在处理过程中使用主成分分析方式不仅能够对众多信息进行最佳简化，而且还可以降低信息处理过程中的丢失现象。将其应用于本文所研究的化工机械设备安全评级中，能够更好的提取出融合故障特征。在进行特征融合之前，机械设备中多维故障敏感特征量纲存在差别，于是需要对每一个特征分量进行标准化处理。于是针对某一个特定化工机械设备，构造其故障敏感特征矩阵，该矩阵中m代表的是特征个数，n代表的是运行状态个数，对其进行标准化处理，处理之后的矩阵使用进行表示，该矩阵中aij用下面公式进行表示，其中表示的样本均值，Sj表示的是样本标准差。

得到矩阵A之后，于是就可以计算方差矩阵C，该矩阵能够对多维特征间的关系进行反映，矩阵C的计算公式如下所示。然后对该矩阵进行特征分解，即可提取出融合故障特征。在获取融合特征个数时使用累积贡献率法，取累积贡献率足够大时的前k个特征向量作为主成分，其中k远小于m。

2.2 模糊隶属度函数的建立

融合故障特征提取完成之后，因其具有不确定性，所以有必要对其进行模糊化处理，首先构建模糊隶属度函数。其构建方式为：

将获得的融合故障特征模糊映射到[0，1]中，化工機械设备在运行过程中出现的障碍特征具有模糊性，于是在建立模糊隶属度函数时依据故障特征对设备安全性能评价贡献值进行判断，建立如下所示的隶属度函数，当计算得到的数值越大时，故障隶属程度就会越大[10-11]。

2.3 模糊推理的mass函数构建

因为化工机械设备在运行过程中，其出现安全问题的不确定性比较大，于是使用D-S论据理论方法在模糊推理中进行推理应用[12]。其中使用mass函数作为基础进行安全性能评价，所以需要构建mass函数。首先假设Θ为一个识别框架，其基本概率分配是一个的函数m，将其称作为mass函数，并且其中m满足一下要求：

最后通过上述模糊隶属度函数的建立，得出的mass函数m（f（x））如下：

2.4 对融合故障特征进行安全性评价

通过上述分析，确定了mass函数，然后再根据推理规则，即可进行安全性评价。由于融合故障特征之间属于一种正交状态，之间无交集，于是表征设备运行安全性参数p（A）计算公式如下所示，当计算得到的值越大时，表示设备运行安全性越差。

其中，

化工机械设备运行过程中进行安全性评价，即可使用p（A）公式进行计算，当p（A）计算值在不同范围值之内，代表化工机械设备的运行状态不同，其对应关系如表1所示。

3 案例分析

由于不同的化工机械设备，其融合故障特征存在差别，所示使用模糊推理方法对机械设备进行安全性能评价需要具有针对性。本文为了更加具体的说明该方法的有效性，将其应用到往复压缩机中进行安全性能评价。其评价过程如图1所示，其中使用了4个方面的多元数据进行监测，有助于安全性能评价的准确度，最后得到多维故障敏感特征。

然后在往复压缩机上的3个缸中选择6个测点进行安全评价。首先根据上文中的分析，得到多维故障特征，以累积贡献率90%为限，选择前面3个融合故障特征，如表2所示。

然后再构建模糊隶属度，结果如表3所示。最后建立mass函数，得到表征设备运行安全性参数p（A）值，该值结果如表4所示。

结合表1进行分析，从设备运行安全性参数p（A）值可以看出，测点1H和1C的评价参数p（A）值最大，于是可以说明化工机械设备的缸1相对于其他位置具有最差的安全运行性，其安全性处于预警线和报警线之间，可以进行短期运行。另外两个缸的评价参数p（A）都非常小，表示安全性能良好。此方式是通过模糊推理方式得出的结论，然后正好与往复压缩机的实际情况一致，于是可以说明本文使用模糊推理方法进行的化工机械设备安全评价具有可行性。

4 結语

化工机械设备在长期高负载的运行过程中，容易出现各种安全问题，必须对其进行及时检测，对其进行安全性评价，才能及时得到补救措施，降低事故发生的严重程度。上文中通过模糊推理方式进行安全评价分析，该方式比较适用于不确定性较大的问题，化工机械设备运行状态就具有比较大的不确定性，于是从上文的实际应用效果来看，可以证实模糊推理方法在化工机械设备安全运行评价上的有效性。

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