水工机械装备系统监测点传感器优化分配研究

王 茂， 张钰奇， 王童童， 张 聪， 郑艳萍

(1.郑州大学 机械与动力工程学院， 河南 郑州 450001； 2.河南省智能制造研究院， 河南 郑州 450001)

1 研究背景

水工机械装备担负着防洪、抗旱、引水发电等重任，在水利水电工程中占据重要地位，倘若发生故障或失效，将造成极大的损失，且严重影响人民群众的生命和财产安全。然而，传统的原型观测手段并不能充分表达水工金属结构长期工作以来的实际工作状态和安全状况。因此，针对水工机械装备的结构健康监测(SHM)以及远程运行维护(ROM)显得至关重要[1]。

水工结构健康监测(SHM)及远程运行维护(ROM)系统的部署离不开对传感器的合理配置。近年来，对于传感器优化布局和系统可监测性的探索，国内外学者进行了大量卓有成效的研究工作。Jia等[2]使用猴群算法对三轴加速度传感器进行优化布局，并将这种方法应用到大连星海一号大桥，验证了这种方法的有效性。Mahdavi等[3]利用自适应小波函数对基于遗传算法的适应度评价方法进行了改进，提出了一种基于小波的遗传算法优化传感器配置策略。周硕等[4]针对传感器优化布置，创新性地提出了一种基于深度神经网络的优化方法，并以桁架结构中振动传感器的优化布置为例，验证优化方法的可行性。Lin等[5]通过对大坝监测数据的分析，将环境和噪声干扰从监测数据中分离，在此基础上建立更为有效的监测模型，提高了监测性能。Liu等[6]针对大坝安全监测系统不稳定和监测值漂移，提出一种结合灰度理论、反向传播神经网络和遗传算法的大坝安全自我诊断系统，这一模型相比单一故障诊断模型能够提高故障预测精度，更好地实现在线监测与故障诊断。卢剑华[7]提出水工金属设备实时在线监测的必要性，并根据事故原因，分析了水工闸门和启闭机的监测内容和监测点布置方法。严新平等[8]、陈雪云[9]、张新智[10]提出了可监测性设计理论，构建出可监测性设计系统理论框架，同时对监测点的合理分配方法进行了研究。

上述研究为机械系统结构监测点合理分配提供了理论依据，其研究方法对传感器的优化布局具有一定效果，然而现有绝大部分的传感器优化布局方法仅针对机械系统中的某一结构或某一种传感器展开定性分析，对于总体机械系统上的传感器监测点的分配具有一定的盲目性。正因如此，研究水工机械装备系统整体可监测水平，合理优化监测点分配，对了解系统整个运行期范围内的状态性能具有重要意义。

目前，对机械系统监测点合理分配方案的研究越来越多，但对于水工机械装备系统，尤其是水工钢闸门及启闭设备的监测点传感器优化分配相关的研究相对较少。

鉴于此，本文针对水工机械装备系统中最为重要的闸门及启闭设备所面临的监测点传感器合理分配问题进行研究，通过采用模糊层次法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)的综合评价手段，最终得到监测点传感器优化分配的合理应用方案。

2 水工机械装备层次分析与结构层次模型的建立

在水工机械装备中，弧形闸门通常采用液压启闭设备进行驱动，从而达到排水、截止水流、发电、灌溉、调节水位的作用，水工弧形闸门及其启闭系统示意图如图1所示。本文主要以水工机械装备中应用较为广泛的弧形闸门和液压启闭机为例[11]，对其进行全面的层次结构建模与分析。

图1 水工弧形钢闸门与启闭设备示意图

该机械系统由闸门、埋设构件、液压启闭机3个子系统构成。水工闸门及启闭机常见的故障原因有：闸门支臂失稳、闸门面板焊缝开裂、闸门主横梁和主纵梁弯曲、支铰磨损、止水装置破损、液压启闭机不能正常工作等[12-15]。根据以上常见故障和闸门启闭机的基本结构及可靠度分析建立其层次结构模型，如图2所示。

图2 水工弧形闸门及其启闭系统层次结构模型

3 评价指标因素的确定与分析

为了能够对闸门启闭机系统实行更加准确有效的监测，本文以系统的可靠性、在各种情况下的安全性、使用和维修的经济性、可监测性以及可维修性等原则为基础，结合专家评分确定监测项目指标因素[16]。其中：

(1)可靠性包括：失效对闸门启闭机系统功能的影响，该部分失效的频率。

(2)安全性包括：系统失效对水电站工作人员和流域安全的影响。

(3)经济性包括：维修费用和系统停机造成的损失。

(4)可监测性：监测的可实行性。

(5)可维修性：维修的难易程度。

上述评价指标因素的评分和等级划分根据该机械系统的实际运行情况和专家评分决定，并可以根据后续的数据反馈不断进行修正，使该评分系统适用性更强。

(1)失效对闸门启闭机系统功能的影响(SF)：这一指标因素是针对系统运行过程中，系统的突然失效对系统的整体功能造成的不良影响的评价，分为有备用系统和无备用系统两种情况；

(2)闸门及启闭机系统失效对安全的影响(PS)：该指标因素主要考虑系统对安全性的影响，包括人员安全和财产安全保障，也分为两种工况：水位低于等于常水位、水位高于常水位；

(3)监测的可实行性(M)：想要了解闸门启闭机系统的运行情况，可以在闸门启闭机的适当位置上安装相应的传感器，对系统运行情况进行监测，但是由于资金和传感器类型及安装方式的限制，以及避免影响系统正常运行的考虑，往往不能在所有位置上安装传感器。因此需要精简传感器的安装，同时保证安装传感器的有用和高效；

(4)系统停止运行造成的损失(OC)：损失包括系统不能正常运行，影响灌溉、防洪、航运、发电等所有经济损失；

(5)失效频率(FF)：在评价指标中失效频率指的是水工闸门启闭机系统某一部分的失效的频繁程度，与故障率有关，可以根据历史数据和现场人员工作经验等确定；

(6)维修费用(MC)：维修费用指标是对维修过程中所需的购买产品的费用，包括运输费和人工费用(安装费用、调试费用、咨询费用等)等一系列费用的总和的度量；

(7)维修的难易程度(D)：维修时在空间环境上是否容易进行，进入所要维修部分的危险程度，如高空作业、井下作业、水下作业、带电作业，还包括在维修时所需物品的供应难易程度、维修时对专业技术人员的技能要求以及维修时间的长短。

指标评分等级与标准如表1所示。

表1 水工闸门启闭机系统评价指标评分表

表1表示各个指标在两种情况下等级评分情况，其中OC、FF、MC、D只有一种情况。各评价指标的评价分数在实际运用过程中可以根据后续的反馈来不断修正，以得到更为准确的评价结果。根据表1建立水工闸门启闭机系统重要度评价体系，如图3所示。

表2 水工闸门启闭机系统评价指标重要度取值表

图3 水工闸门启闭机系统重要度评价体系

4 确定评价指标权重及重要度

采用模糊层次分析法确定权重[17-21]，可以将定性与定量分析相结合，减少人为主观因素的影响，使主观判断和客观判断差异减小，使结果更准确。由于水工闸门启闭机系统相对复杂，指标权重直接影响最终结果，因此采用模糊层次分析法确定权重。首先要对系统重要度评分中的同一层各个指标因素进行两两比较，将比较结果转化为定量分析，本文采用0.1～0.9的标度法进行两两比较数量标度，评价指标重要度取值如表2所示。

4.1 建立模糊判断一致矩阵

对评价因素进行两两比较，根据表2确定的评价尺度确定其相对重要程度。则模糊判断矩阵R可以表达为：

(1)

模糊判断矩阵是根据人的判断来构造的，但因为个人对于一个复杂问题的看法可能缺乏全局性，构造出的矩阵可能缺乏一致性，因此通过一致性检验对模糊判断矩阵进行改进。

判断模糊判断矩阵是否为模糊一致矩阵的判断步骤如下：

(1)R为模糊互补矩阵,0 ≤rij≤1 ，rij=rik-rjk+0.5(i,j,k=1, 2,…，n) 。

(2)矩阵任意两行的对应元素之差为常数。

如果模糊判断矩阵不符合判断要求，则需要将其转变为模糊一致判断矩阵。采用如下方法求该矩阵的行和为：

(2)

建立优先关系矩阵：

(3)

其中：pij=(pi-pj)/2n+0.5(i,j=1,2,…,n)，即可得出模糊一致判断矩阵。

4.2 确定权重

(4)

式中：n为R的阶数；a=(n-1)/2。

归一化处理得到权重：

(5)

即可确定各指标因素的权重wi。

4.3 计算重要度

闸门启闭机机械动力系统的各部分重要度评分P用线性加权数学模型来确定：

(6)

式中：P为各系统重要度评价分数；mi为系统中各部分在各评价因素下的评分；wi为各评价因素的权重，i=(SF,PS,FF,OC,MC,D,M)。

对系统各部分的重要度评分进行排序，按照排序的先后顺序以及现场情况，结合监测实施的难易程度和所需经费确定应该优先监测的监测项目，后根据监测内容，选择合适的传感器，制定合理的监测方案。

5 工程案例分析

某水库的溢洪道工作闸门为露顶式弧形闸门，主要材料为Q345B,闸门垂直高度12 m，宽10.5 m,最高挡水位323 m，闸门数为3个，启闭条件为动水启闭，最大溢洪量38 010 m3/s，溢洪道全长435 m。闸门启闭机为液压启闭机，最大启闭力为2×1 250 kN，闭门方式为自重闭门，工作行程为6.5 m。经过现场调研和测量数据，发现闸门涂层良好，但存在漏水情况，部分构件有应力过大情况，闸门启闭机存在少量漏油情况。

5.1 确定指标因素权重

根据表1、2的标度邀请相关专家和现场工作人员，对指标因素的相对重要性进行打分，构造7个指标因素的两两比较模糊判断矩阵。根据打分得到的模糊判断矩阵为：

采用上文方法将该模糊判断矩阵R变为模糊一致矩阵：

通过计算得到监测项目各指标因素归一化之后的权重为：

w=(0.166 7, 0.176 2, 0.138 1, 0.142 9, 0.128 6, 0.135 7, 0.111 9)

即可得出7个指标因素(失效对闸门启闭机系统功能影响、失效对工作人员和流域内安全的影响、失效频率、停机损失、维修费用、维修的难易程度、监测的可实行性)的权重依次为：0.166 7，0.176 2，0.138 1，0.142 9，0.128 6，0.137 5，0.111 9。之后通过对系统内各部分历史运行情况调研并向现场专家和工程人员咨询等方式，对闸门及启闭系统的各部分在指标下进行打分，经过与以往采用的专家打分法相比，由于获取权重的一致性，本方案可在一定范围内专家意见不一致的情况下得出一致性结论，而不需要获取更多专家打分才能获取更加可靠一致的结论。专家打分表如表3所示。

表3 水工闸门及启闭系统专家打分表

结合各评价指标权重，根据公式(6)计算闸门每部分各自的重要度，按照重要度的大小进行排序依次为：支臂、支臂支撑、闸门面板、液压泵站、闸门主横梁、闸门纵梁、液压缸及液压杆、固定铰座承重构件、闸门支铰、液压缸支铰、吊耳、侧轨、止水装置、底槛，结果如图4所示。

5.2 监测方案

根据闸门各部位的重要度和历史故障发生情况，选择合适的传感器实施监测，其水工闸门启闭机系统监测点优化分配方案如表4所示。

从图4中重要度评价结果可以直观地看出，侧轨、底槛及止水装置重要度评价分数较低，布设方案可结合现场情况采用人工巡检方式监测。同时，对于重要度较高的液压泵站监测点，由于存在显示设备仪表，因此无需布置传感器。

图4 水工闸门启闭机系统重要度评价图

由于环境因素对水工机械装备系统有较大影响，因而本方案综合考虑环境变量因素布设相应传感器。表4所给出的水工闸门及启闭系统监测点传感器优化分配方案对于水工机械装备系统具有普遍的适用性，也为后续水工机械装备的具体传感器类型优化布置奠定了基础。

表4 水工闸门及启闭系统监测点传感器优化分配方案

6 结 论

(1)本文所采用的水工闸门启闭系统监测点传感器优化分配方法相比专家打分法，其权重的获取具有一致性，将指标权重与闸门各部分重要度相结合，得到一致客观的评价结果，通过实际案例证明该种方法简单有效，能够得到合理的监测点传感器优化分配方案。

(2)根据本文所提方案，针对水工弧形闸门的面板、支臂、主纵横梁及启闭机液压泵站等关键部位的应力、裂纹、腐蚀、磨损、倾角等情况进行了重点监测，以确保闸门及启闭机设备的正常运行。

(3)在水工结构工程应用中，将本文所提出的监测点传感器优化分配方案与特定类型传感器优化布置相结合，可以在有限造价内完成传感器的精确布置，并对重点对象进行有效监测，实现水工机械装备的结构健康监测(SHM)和远程运行维护(ROM)。