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摘要：針對純定性的SDG 模型在複雜係統中建模難度大，分辨率低，可能產生信息爆炸的問題，提出一種結合層次分析法的結構遞階層次，劃分故障並建立層次SDG圖的方法。在實際應用中結合密相幹塔煙氣脫硫係統，建立了層次SDG分析，提高了診斷速度。
關鍵詞：SDG；層次分析法；故障診斷
中圖分類號：TP206.3 文獻標識碼 A
The Application of AHP-SDG method in FGD system fault diagnosis
ZHANG Xiao-gang，Wang Liang，ZHOU Chao
Abstract: The fault diagnosis model based on common Signed directed graph (SDG) was difficult to built, computationally expensive and with poor resolution to complex system. To solve the problem, a AHP-SDG method based on hierarchy structure was proposed and implemented in Dense-Flow flue gas desulphurization system and was proved to be efficient and effective.
Keyword: SDG, AHP, fault diagnosis
在化工、冶(ye)金(jin)等(deng)工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)，由(you)於(yu)係(xi)統(tong)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)日(ri)益(yi)提(ti)高(gao)，規(gui)模(mo)不(bu)斷(duan)擴(kuo)大(da)，常(chang)常(chang)要(yao)麵(mian)對(dui)各(ge)種(zhong)不(bu)可(ke)預(yu)期(qi)的(de)變(bian)化(hua)，使(shi)得(de)在(zai)線(xian)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)受(shou)到(dao)廣(guang)泛(fan)關(guan)注(zhu)。由(you)於(yu)實(shi)際(ji)係(xi)統(tong)往(wang)往(wang)過(guo)於(yu)複(fu)雜(za)而(er)且(qie)知(zhi)識(shi)不(bu)完(wan)備(bei)，無(wu)法(fa)構(gou)造(zao)出(chu)精(jing)確(que)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)，國(guo)內(nei)外(wai)一(yi)些(xie)學(xue)者(zhe)考(kao)慮(lv)采(cai)用(yong)定(ding)性(xing)建(jian)模(mo)與(yu)仿(fang)真(zhen)的(de)方(fang)法(fa)去(qu)解(jie)決(jue)這(zhe)類(lei)問(wen)題(ti)。其(qi)中(zhong)，基(ji)於(yu)符(fu)號(hao)定(ding)向(xiang)圖(tu)（Signed Directed Graph，SDG）模型的故障診斷具有完備性好（可以找到所有可能的不利後果和非正常原因）、節省時間、人力、費用、推理深度高等優點，成為定性仿真中的一個重要環節。本文結合層次分析法遞階結構，構建層次SDG模型，將其應用於密相幹塔煙氣脫硫係統，並對其使用進行了分析。
1 SDG方法介紹
SDG是一種由節點（nodes）和節點之間有方向連線，又稱支路（branches）構成的網絡圖。SDG圖由若幹個節點和若幹條支路（即有向邊）組zu成cheng，節jie點dian表biao示shi變bian量liang，支zhi路lu表biao示shi變bian量liang之zhi間jian的de關guan係xi。若ruo一yi個ge變bian量liang的de偏pian差cha會hui直zhi接jie引yin起qi另ling一yi個ge變bian量liang的de偏pian差cha，則ze在zai兩liang個ge變bian量liang對dui應ying的de節jie點dian之zhi間jian用yong支zhi路lu連lian接jie起qi來lai，由you起qi始shi節jie點dian（原因變量）指向終止節點(結果變量)。用“+”（或用實線箭頭）和“-”（或用虛線箭頭）分別表示正作用（增強）和反作用（減弱）。每個節點對應的變量取正常值記為“0”，偏大記為“+”，偏小記為“-”。所有節點的符號組成了係統的狀態表示，稱為樣本。SDG所(suo)建(jian)立(li)的(de)模(mo)型(xing)，針(zhen)對(dui)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)不(bu)同(tong)，可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)安(an)全(quan)評(ping)價(jia)和(he)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)兩(liang)類(lei)。對(dui)於(yu)安(an)全(quan)評(ping)價(jia)，主(zhu)要(yao)是(shi)為(wei)了(le)發(fa)現(xian)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)中(zhong)所(suo)潛(qian)在(zai)的(de)危(wei)險(xian)可(ke)能(neng)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)。對(dui)於(yu)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)，主(zhu)要(yao)是(shi)為(wei)了(le)發(fa)掘(jue)故(gu)障(zhang)背(bei)後(hou)的(de)真(zhen)實(shi)原(yuan)因(yin)。這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao) SDG 推理的最終結果的分辨率要高。在測試時，一般通過事先設定一個原因點的故障，讓該點故障在標準圖中進行事故的漫延，最後讓 SDG 引擎來進行反向推理，觀察其能不能正確的得到事先設計好的原因點。
SDG模型具有直觀、清(qing)晰(xi)的(de)特(te)點(dian)，是(shi)大(da)規(gui)模(mo)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)種(zhong)重(zhong)要(yao)描(miao)述(shu)方(fang)式(shi)。基(ji)於(yu)這(zhe)種(zhong)模(mo)型(xing)的(de)推(tui)理(li)可(ke)用(yong)於(yu)大(da)型(xing)企(qi)業(ye)的(de)故(gu)障(zhang)分(fen)析(xi)和(he)安(an)全(quan)評(ping)價(jia)，完(wan)備(bei)性(xing)很(hen)好(hao)。但(dan)是(shi)當(dang)係(xi)統(tong)過(guo)於(yu)複(fu)雜(za)的(de)時(shi)候(hou)，如(ru)何(he)建(jian)立(li)SDG模型及在模型中的推理將成為一個難度很大的問題，有可能產生“信息爆炸”。同時由於推理結果中包含大量次要的偽相容通路，其故障的分辨率有待提高。因此，如何合理建立SDG的模型與推理問題在工業中的實際應用中被不斷地加以研究。
2 層次分析法在係統分析中的應用
層次分析法(analytic hierarchy process, AHP）shiyizhongxitongdefenxifangfa，qijibensilushibafuzawentifenjiechengyinsu，bazhexieyinsuanzhaozhipeiguanxifenzuxingchengyouxudedijiecengcijiegou，bingquanhengqigefangmiandeyingxiang，zongherendepanduan，yijuedingzhuyinsuxiangduizhongyaoxingdexianhouyouliecixu。fuzaxitongwangwangjuyoumingxiandecengcijiegoutedian，xitongjiegoushangdecengcixingjuedingleguzhangdecengcixing。guzhangzhenduanshizhishiyileimoshifenleiwenti，cengcizhenduandejibensixiangshijiangzhenduanduixiangyougaocengcideputongmoshixiangdicengcidejutimoshizhujizhuanmenzhenduan，jibieyuegaodemoshigainianyuechouxiang、越普遍，所代表的係統的級別也越高。
采用層次診斷策略，應當對診斷對象及其故障傳播關係進行層次劃分，一般采用結構分解、gongnengfenjieheguzhangfenjiedefangfa。jiegoufenjieshizaijiegoushangduixitongjinxinghuafen，baxitongdezongtijiegouzhujixihuafenjiedaozuidicengcidelingbujian，zhezhongfangfakeyizuizhongquedingxitongguzhangdewuliweizhi， dannanyubiaodazixitongzhijiandexianghuguanxi，duiyuyoulianxiehuaeryinqideguzhangbuyizhenduan。gongnengfenjieshiconggongnengshangduizhenduanduixiangjinxingfenjie，keyidaojibengongneng，bingqiebushejizhenduanduixiangdejutijiegou，keyizhenduanchulianxideguzhang，dancifangfazuizhongquedingdebushixitongguzhangdewuliweizhi，ershishixiaodegongnengmokuai。guzhangfenjieshizhiduizhenduanduixiangdeguzhangleixingjinxingfenjie，xiacengziguzhangzongshishangcengfuguzhangdeteli，上(shang)層(ceng)故(gu)障(zhang)是(shi)下(xia)層(ceng)故(gu)障(zhang)的(de)概(gai)括(kuo)，這(zhe)種(zhong)分(fen)解(jie)可(ke)以(yi)到(dao)最(zui)具(ju)體(ti)的(de)故(gu)障(zhang)。故(gu)障(zhang)分(fen)解(jie)層(ceng)次(ci)模(mo)型(xing)有(you)時(shi)也(ye)難(nan)以(yi)確(que)定(ding)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)的(de)物(wu)理(li)位(wei)置(zhi)。因(yin)此(ci)，在(zai)應(ying)用(yong)中(zhong)，我(wo)們(men)提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)建(jian)立(li)結(jie)構(gou)層(ceng)次(ci)，進(jin)行(xing)層(ceng)次(ci)SDG故障診斷的方法，這樣在複雜係統中可以提高SDG方法的分辨率，同時可以滿足對聯係故障的診斷。
首(shou)先(xian)，根(gen)據(ju)各(ge)類(lei)因(yin)素(su)間(jian)的(de)隸(li)屬(shu)關(guan)係(xi)建(jian)立(li)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)的(de)遞(di)階(jie)層(ceng)次(ci)。按(an)照(zhao)屬(shu)性(xing)的(de)不(bu)同(tong)，將(jiang)元(yuan)素(su)分(fen)組(zu)形(xing)成(cheng)互(hu)不(bu)相(xiang)交(jiao)的(de)層(ceng)次(ci)，上(shang)一(yi)層(ceng)次(ci)的(de)元(yuan)素(su)對(dui)相(xiang)鄰(lin)的(de)下(xia)一(yi)層(ceng)次(ci)的(de)全(quan)部(bu)或(huo)部(bu)分(fen)元(yuan)素(su)起(qi)支(zhi)配(pei)作(zuo)用(yong)，形(xing)成(cheng)按(an)層(ceng)次(ci)自(zi)上(shang)而(er)下(xia)的(de)逐(zhu)層(ceng)支(zhi)配(pei)關(guan)係(xi)。以(yi)北(bei)京(jing)科(ke)技(ji)大(da)學(xue)環(huan)境(jing)中(zhong)心(xin)研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)的(de)密(mi)相(xiang)幹(gan)塔(ta)煙(yan)氣(qi)脫(tuo)硫(liu)係(xi)統(tong)為(wei)例(li)，其(qi)結(jie)構(gou)遞(di)階(jie)層(ceng)次(ci)如(ru)圖(tu)1所示：
圖1密相幹塔煙氣脫硫遞階層次圖
在AHP中(zhong)，根(gen)據(ju)各(ge)因(yin)素(su)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)關(guan)係(xi)可(ke)以(yi)構(gou)造(zao)判(pan)斷(duan)矩(ju)陣(zhen)。判(pan)斷(duan)矩(ju)陣(zhen)是(shi)進(jin)行(xing)層(ceng)次(ci)分(fen)析(xi)的(de)基(ji)本(ben)信(xin)息(xi)，其(qi)準(zhun)確(que)性(xing)直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)到(dao)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)合(he)理(li)性(xing)，為(wei)了(le)獲(huo)得(de)信(xin)息(xi)準(zhun)確(que)、一致性好的判斷矩陣，可以采取了專家綜合判斷、線性加權和區間估計的方法。利用AHP方法進行計算，通過建立專家判斷矩陣、區間判斷矩陣，可得綜合判斷矩陣及相應的計算結果。再然後，進行層次總排序及一致性檢驗。根據排序權重可以建立定量的SDG模型，這裏我們不進行相關討論，主要研究定性的層次SDG模型。\
3. 層次SDG法模型
我們將層次法和SDG模型結合起來，以遞階層次為基礎對係統建立SDG模型，首先建立基於分係統、子係統的係統SDG模型，然後再建立基於設備、基於元器件的各分係統、子係統SDG子圖集合。根據分、子係統故障在其下一級子圖集合內查找設備、元器件故障原因。這樣比全排列組合搜索計算量大為減少。可以快速找到故障源，使SDG分辨率大為提高。
3.1 子係統級SGD模型
以密相幹塔煙氣脫硫係統為例，根據其工藝，建立子係統級的SDG模型如圖2所示：
圖2基於子係統的密相幹塔煙氣脫硫SDG模型
其中：V1――進風閥；V2――加水電磁閥；V3――出風閥；V4――旁路閥；N1――原料供料子係統；N2――加濕器子係統；N3――排料子係統；N5――循環輸灰子係統；N6――除塵輸灰子係統；N7――除塵器子係統；N8――風機子係統；N9――循環提升子係統；S0――前端鍋爐工況；S1――入口煙氣SO2濃度；S2――出口煙氣SO2濃度；S3――塔內SO2含量；S4――儲灰倉料位；F0――出口煙氣流量；F1――入口煙氣流量；F2――加濕器加水量；F3――進入反應塔灰量； T1――反應塔內溫度；G1――結露情況。
3.2 設備元器件級SDG模型
與建立子係統級模型的方法相似，在各子係統內部，建立起基於設備和元器件的SDG模型，以脫硫係統中風機子係統為例建立的SDG模型如圖3所示：
圖3 基於風機子係統的SDG子圖
其中，V1――進風閥；D1――風機前導葉（執行器）；D2――冷卻風機1；D3――冷卻風機2；D3――環境溫度；Q1――風機進口流量；T2――風機軸承溫度；T3――主電機軸承溫度；T4――主電機繞組溫度；S10――風機主電機運行運行狀況；P1 ――產生旋轉失速；P2――風機機殼振動；N8――風機出口流量。
3.3 故障診斷的路徑
模mo型xing建jian立li後hou，這zhe樣yang我wo們men就jiu可ke以yi根gen據ju子zi係xi統tong級ji模mo型xing中zhong的de一yi個ge子zi圖tu單dan元yuan，在zai係xi統tong中zhong作zuo為wei一yi個ge節jie點dian進jin行xing診zhen斷duan，初chu步bu劃hua分fen故gu障zhang源yuan所suo在zai的de子zi圖tu，然ran後hou在zai子zi圖tu內nei，進jin行xing二er次ci的de故gu障zhang定ding位wei，精jing確que地di確que定ding故gu障zhang源yuan。
以密相幹塔托流係統的風機子係統進行說明：對於反應塔內壓力報警，出口煙氣流量遠遠小於進口煙氣流量的故障時，根據圖2推理共找到如下相通路徑：F0←V3；F0←N8。這樣，將故障定位到V3（出風閥開度太小）和N8（風機係統出風量太小），其他路徑中的節點不用進行下一步分析。在N8子係統中，根據圖3進一步定位得到相通路徑：N8←Q1←D1（前導葉開度太小）；N8←Q1←V1（進風閥開度太小，可以排除）；N8←S10←T3（電機軸承溫度過高導致風機保護）；N8←S10←T4（電機繞組溫度過高導致風機保護）；N8←S10←P2（風機殼體振動劇烈導致風機保護）；N8←S10←T2←…(風機軸承溫度太高導致風機保護)。結合采集的溫度、振動信號，就可以精確定位故障源。這樣就可以大大減少工作量，提高了故障尋找速度。顯然，層次SDG的診斷策略的基本思想類似於人類專家在診斷過程中由粗到細的解題思路。
3.4 診斷係統的軟硬件實現
在診斷係統的硬件構建中，我們使用德國西門子公司的S7-300係列PLC來實現信號的采集工作，研華工控機為上位機，以北京三維力控的ForceControl 3.62軟件進行組態編程並配合VC++。取得了良好的效果。
4 結束語
對給定的SDG和給定的故障源，由於SDGzaiyuceguzhangchuanbotujingshidebuqueding，cunzaiguzhangchuanbodeduozhongjieshi，shijizhenduanzhongxiangdangdehaoshi，wufamanzushijishengchanzhongdeshishixingyaoqiu。benwentichuyizhongcongxitongdejiegoudijiecengcichufajianligejiegoucengciSDGtujinxingguzhangzhenduandefangfa，tongguozaimixianggantayanqituoliuxitongzhongdeyingyong，zhengmingkeyitigaoguzhangzhenduandefenbianlv，bianyuzhaodaoguzhangdewuliweizhi，tigaoleguzhangxunzhaodesudu。
同時，層次分析法本身能把定量分析同定性分析相結合，通過收斂性檢驗來衡量定量分析的正確性。因此，結合層次分析法建立定量SDG圖也是進一步要研究的問題。
參考文獻
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