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基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估.pdf

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陶杰,章国宝,黄永明,等.基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估[J].河南理工大学学报(自然科学版),2016,35(6):782-788.doi:10.16186/j.cnki.1673-9787.2016.06.006TAOJ,ZHANGGB,HUANGYM,etal.Fuzzycomprehensiveevaluationofthesafetyoperationalstatusofelevator[J].Jour-nalofHenanPolytechnicUniversity(NaturalScience),2016,35(6):782-788.doi:10.16186/j.cnki.1673-9787.2016.06.006基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估陶杰1,章国宝2,黄永明2,万林2(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院电梯中心,江苏南京210036;2.东南大学自动化学院,江苏南京210096)*?摘要:为有效地评估电梯运行状态的安全性,提出一种综合了层次分析法、熵权法、劣化度分析法和模糊综合评价法的电梯安全运行状态评估模型。从电梯各个子系统的主要指标出发,建立电梯运行状态评估指标体系。采用层次分析法和熵权法确定指标的权重,针对指标的特性,应用相应的赋权方法,得到客观的指标权重。采用劣化度分析法对指标参数进行归一化,根据隶属度函数得到评估矩阵。以南京市某电梯为例,利用模糊综合评价法,对电梯运行状态进行评估,结果为“一般”,与实际情况相符。关键词:状态评估;层次分析法;熵权法;劣化度分析;模糊综合评价中图分类号:X943文献标志码:A文章编号:1673-9787(2016)06-0782-07FuzzycomprehensiveevaluationofthesafetyoperationalstatusofelevatorTAOJie1,ZHANGGuobao2,HUANGYongming2,WANLin2(1.CenterofElevator,SpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstituteofJiangsuProvince,Nanjing210036,Jiangsu,China;2.SchoolofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)Abstract:Inordertoeffectivelyevaluatethesafetyoperationalstatusofelevator,anevaluationmodelispro-posedbasedontheanalysishierarchyprocessmethod,entropymethod,deteriorationanalysisandfuzzycom-prehensiveevaluationtheory.Basedonthecharacteristicofeachsubsysteminelevator,acomprehensiveeval-uationindexsystemisestablishedwhichincludesfouraspects,thataredoorsystem,tractionsystem,carsys-temanddragsystem.Theanalysishierarchyprocessmethodandentropymethodareadoptedtoacquireindexweight.Byapplyingthemethodofdeteriorationanalysis,theoriginaldataisnormalized,andtheevaluationmatrixisobtainedaccordingtotheappropriatemembershipfunction.BasedonthecasestudyofanelevatorinNanjingasasample,thecomprehensivesafetyleveloftheelevatorisobtained.Theevaluationresultindicatesthattheoperationstatusisnotexcellent,andtheevaluationresultisclosetothepracticalsafetyoperationsta-tus.Keywords:statusevaluation;analysishierarchyprocess;entropyweight;deteriorationanalysis;fuzzycom-prehensiveevaluation第35卷第6期2016年12月河南理工大学学报(自然科学版)JOURNALOFHENANPOLYTECHNICUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.35No.6Dec.2016*收稿日期:2016-06-08基金项目:国家青年自然科学基金资助项目(61503081);江苏省科技支撑计划项目(BE2014728);江苏省青年自然科学基金资助项目(BK20140649)作者简介:陶杰(1979—),男,江苏南京人,工程师,主要从事电梯故障预测和安全评估的研究工作。E-mail:taojie555@126.com中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
0引言国家质量监督检验检总局统计数据显示,2014年,国内在用电梯359.85万台,电梯事故95起。随着新电梯的安装和旧电梯的老化,电梯带来的不安全问题不容忽视。长期以来,对电梯维护采取定期检修方式,而当电梯处于危险状态时,会造成检修不及时。因此,对电梯进行安全运行状态评估具有重要实际意义。电梯安全运行状态评估的目的是评估电梯当前的安全水平,进而为电梯检修提供指导信息。目前,国内外学者都对电梯安全状态评估进行了研究。Kuriyama等[1]根据电梯的检查报告、故障报告量化电梯的风险水平,提出一种基于风险度的检修策略。Park等[2]检查电梯的各个部件,评估事故发生的可能性和严重性,得到电梯综合风险值。庆光蔚等[3]基于模糊综合评价方法,采用区间估计分析理论筛选指标,并用层次分析法确定指标权重,对电梯安全级别进行评估。郑祥盘[4]考虑了电梯的各个运行参数,运用层次分析法确定参数权重,基于模糊综合评价方法计算电梯的安全值。陈国华等[5]统计电梯在1a内的故障信息,引入故障率修正系数,对电梯系统风险进行评估。上述对电梯的安全评估大都基于模糊综合评价法,但在评估过程中主要存在两个问题:一是指标的权重主观性大,采用层次分析法确定指标权重,不同专家得到不同的指标权重,造成评估结果误差大;二是确定指标的评价矩阵时存在片面性,采用专家打分法确定指标对各评估等级的隶属度,可能导致归类错误。为解决上述评估过程存在的问题,本文首先选取电梯各个子系统的主要指标,建立电梯安全运行状态评估指标体系。其次,基于层次分析法和熵权法,对于不同特点的指标,选用不同的赋权方法,得到科学的指标权重。然后,对指标进行劣化度分析,根据相对劣化度选择隶属度函数,得到准确的评价矩阵。最后,基于模糊综合评价法,自下而上地对电梯的运行状态进行评估,在最终层根据不同的情况采用相应的原则,得到合理的评估结果,以期为电梯安全评估方法提供新思路。1模糊综合评价原理模糊综合评价是对受多因素影响的对象进行综合评价的一种方法。该方法的原理是首先确定对象的多个评价指标,根据各指标的隶属关系分为多个层次,并确定各指标的权重,然后从最低层的各指标开始,根据隶属度函数建立评价矩阵,依次向上直到最终层,最后得到评估结果[6]。模糊综合评价方法分为单层和多层,以两层模糊综合评价模型为例,说明其建立步骤。(1)建立评价指标集。设第1层有n个指标,记为X={x1,x2,…,xn},根据该层指标的归属关系分成u个子集,即X={X1,X2,…,Xu},其中∪ui=1Xi=X,Xi∩Xj=,i≠j,Xi={xi1,xi2,…,xni}代表第i个第2层指标中含有第1层指标的个数,且ni=1ni=n。(2)建立评价等级集。评价等级集是指标评价标准的集合。若有m个评价标准,则评价等级集L={l1,l2,…,lm}。(3)确定指标权重向量。计算第1层指标的权重,得到u个权重向量wi={wi1,wi2,…,wini},其中i=1,2,…,u,且nit=1wit=1。(4)确定评价矩阵。根据隶属度函数,得到第2层指标对应的评价矩阵Ri。(5)计算评价结果向量。评价等级集个数为m,则第2层指标的评价结果向量为Bi=wiRi=[bi1,bi2,…,bim],i=1,2,…,u。(1)(6)计算综合评价向量。第2层指标的权重向量w=[w1,w2,…,wu],而X的评价矩阵R=[B1,B2,…,Bu]T,则最终层的评价结果向量为B=wR=[b1,b2,…,bm]。(2)2电梯安全运行状态评估模型2.1电梯运行状态评估指标体系为准确地对电梯安全运行状况进行评估,在李立京[7]和徐金海[8]关于电梯安全状态的研究基础上,结合电梯技术标准,从电梯的各个子系统出发建立了评估指标体系,每个子系统选取表征其运行状态的主要指标。建立的电梯运行状态评估指标体系如图1所示。2.2指标权重计算指标的权重反映指标对于评估对象的重要程度,因此,要对指标合理分配权重。确定评估指标权重有2种方法,即主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法根据专家经验进行权重分配,客观赋权法根据指标的实测数据,通过数学方法确定权重。为得到科学的指标权重,针对第1层指标中专家不易判断而数据量大的特点,采用客观赋权387第6期陶杰,等:基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
法中的熵权法[9]来分配指标权重;对于第2层指标,因具有专家经验丰富的特点,采用主观赋权法中的层次分析法[10]来分配指标权重。2.2.1熵权法的计算步骤根据江苏省电梯检验中心的电梯监测数据,对样本数据进行统计分析,以轿厢系统的4个指标为例,采用熵权法得到指标权重的步骤如下。(1)样本矩阵标准值。设有m个指标、n个样本的矩阵Xm×n,归一化后的矩阵为Pm×n。例如,指标为4个,样本数据为10的样本矩阵X4×10为X4×10=2.17.85.68.03.46.66.86.89.04.26.86.24.34.06.27.46.67.88.27.37.86.55.24.55.86.88.08.97.46.53.58.66.86.14.65.07.35.78.05.6,X按式(3)进行标准化处理,得矩阵P为pij=xij-min(xi)max(xi)-min(xi),(3)式中:pij为标准化值;xij为原始值;max(xi)为第i个指标最大值;min(xi)为第i个指标最小值。P4×10=00.82610.50720.85510.18840.66670.52380.071400.52380.75000.45450.159100.295501.00000.64710.50980.21570.65220.68120.68121.00000.31880.80950.61900.90481.00000.78570.52270.79551.00000.65910.45450.74510.43140.88240.4118。(2)计算熵值。第i个指标的熵值定义为ei=-knj=1zijlnzij,(4)式中:zij=pijni=1pij;k=1lnm,且当zij=0时,令zij·lnzij=0。依据式(4),计算4个指标的熵值为e=(0.3053,0.2672,0.1945,0.2767)。(3)计算熵权。计算出所有指标熵值ei后,第i个指标的熵权定义为wi=1-eim-mi=1ei,(5)依据式(5),轿厢系统4个指标的权重为w1=(0.2925,0.2560,0.1864,0.2651)。按照同样的步骤,计算得到曳引机系统指标权重w2=(0.2124,0.1932,0.1941,0.1558,0.2445),门系统指标权重w3=(0.3597,0.2414,0.1786,0.2103),拖动系统指标权重w4=(0.2504,0.1812,0.2789,0.2895)。2.2.2第2层指标权重———层次分析法针对第2层指标中轿厢系统、门系统、拖动系统、曳引机系统对于电梯安全的重要性,询问10位电梯检验中心的专家意见,运用层次分析法得到指标权重的步骤如下。(1)根据标度理论,构造判断矩阵。采用1~9标度法(表1),将4个指标的重要性两两比较,构造判断矩阵B,即B=11/21/71/5211/31/47312541/21。表11~9标度法及含义Tab.1Meaningof1~9scalemethod标度含义1表示2个因素相比,具有相同重要性3表示2个因素相比,前者比后者略重要5表示2个因素相比,前者比后者较重要7表示2个因素相比,前者比后者非常重要9表示两个因素相比,前者比后者绝对重要2,4,6,8表示上述相邻比较的中间值1,2,…,9的倒数表示2个因素相比,后者相对前者的重要性(2)根据Bα=λα,计算最大特征值λmax和它的特征向量αmax。487河南理工大学学报(自然科学版)2016年第35卷中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
计算B的λmax=4.0847,αmax=(0.1056,0.2000,0.7972,0.5598)T。(3)一致性检验。计算矩阵的检验系数CR,若CR<0.1,说明判断矩阵一致性检验符合,否则要修正矩阵。矩阵的检验系数计算公式为CR=CIRI,(6)式中:CI=λmax-nn-1;n为判断矩阵B的阶数;RI为平均随机一致性指标,取值如表2所示。表2平均随机一致性指标RI值Tab.2ValuesofaveragestochasticconsistencyindexRI阶数RI阶数RI1071.362081.4130.5891.4540.89101.4951.12111.5261.26B阶数为4,因此,CI=(λmax-n)/(n-1)=(4.0847-4)/(4-1)=0.0282,RI=0.89。B的检验系数CR=CI/RI=0.0282/0.89=0.0317,因为CR=0.0317<0.1,所以矩阵B数值合理。(4)计算归一化的权重向量。αmax归一化处理,得到第2层指标权重w=(0.0635,0.1203,0.4795,0.3367)。2.3劣化度分析由于指标体系中各个指标具有不同的单位和物理意义,为对这些指标统一进行对比分析,本文采用劣化度分析[11]对指标进行归一化处理。相对劣化度指标与故障状态相比,当前状态的劣化程度,相对劣化度取值范围为[0,1]。在上述建立的评估指标体系中,各指标的劣化度有以下2种计算方法。(1)越小越优型。指标值越小,代表越接近正常状态,如运行时轿厢噪声。这类指标的劣化度函数需要参数最大值xmax和最小值xmin,劣化度函数为d(x)=0,x<xminx-xminxmax-xmin,xmin≤x≤xmax1,x>xmax。(7)(2)中间型。指标值存在一定的合理波动范围,在这个范围内指标值越处于中间值,代表越接近正常状态,如曳引机三相电压。这类指标的劣化度函数需要参数最大值xmax、最小值xmin和合理波动范围[xa,xb],劣化度函数为d(x)=1,x<xminxa-xxa-xmin,xmin≤x≤xa0,xa≤x≤xbx-xbxmax-xb,xb<x≤xmax1,x>xmax,(8)将第1层17个指标归类于越小越优型和中间型,对于低速电梯和高速电梯,加、减速度和平稳运行时速度的劣化度函数参数有所不同,根据电梯技术条件和电梯监测运行数据,得到各指标的劣化度函数参数如表3所示。表3各指标劣化度函数参数Tab.3Parametersofindexdegradationfunction指标函数类型xminxmaxxaxb垂直方向振动加速度/(m·s-2)越小越优型0.20.3水平方向振动加速度/(m·s-2)越小越优型0.150.20运行时轿厢噪声/dB越小越优型3555轿厢水平度/mm越小越优型01曳引机温度/℃越小越优型5580三相电压/V中间型342418374386三相电流/A中间型23.037.028.531.5机房噪声/dB越小越优型3580轴承振动烈度/(mm·s-1)越小越优型0.451.00平层误差值/mm越小越优型1020587第6期陶杰,等:基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
续表3指标函数类型xminxmaxxaxb开关门速度/(m·s-1)中间型0.220.280.230.26门间隙/mm越小越优型36开关门噪声/dB越小越优型3065加、减速度/(m·s-2)中间型低速高速0.50.71.51.50.921.011.051.16平衡系数中间型0.4000.5000.4250.475加、平稳运行时速度/(m·s-1)中间型低速高速1.0002.0002.0006.0001.3803.681.5754.20钢丝绳磨损量/%越小越优型5102.4确定隶属度函数根据电梯安全运行状态评估的管理需求,电梯安全运行状态集合L有4个评估等级,即L={l1,l2,l3,l4}={很好,良好,一般,预警}。通过劣化度分析得到各指标的归一化值,取值在[0,1]区间内,如图2所示,因此,要选择覆盖劣化度取值区间的隶属度函数。降岭型分布函数主要用于区间内小端的数据,中间岭型分布主要用于处理区间内中间段的数据,升岭型分布主要用于区间内大端的数据[12]。针对各种岭形的分布特点,本文对于评估等级为“很好”的隶属度函数采用降岭型,“良好”和“一般”采用中间岭型,“预警”采用升岭型。各个隶属度函数要求有一定的重叠部分,且重叠率需控制在0.2~0.6。各个等级的隶属度函数为rl1(di)=1,di≤0.112-12sinπ0.2(di-0.2),0.1<di<0.30,di≥0.3,(9)rl2(di)=1,di≤0.112-12sinπ0.2(di-0.2),0.1<di<0.30,0.3≤di≤0.412-12sinπ0.2(di-0.5),0.4<di<0.60,di≥0.6,(10)rl3(di)=0,di≤0.412+12sinπ0.2(di-0.5),0.4<di<0.61,0.6≤di≤0.712-12sinπ0.2(di-0.8),0.7<di<0.90,di≥0.9,(11)rl4(di)=0,di≤0.712+12sinπ0.2(di-0.8),0.7<di<0.91,di≥0.{9,(12)式中:di为第i个指标的相对劣化度;rli(di)为第i个指标对评估等级j的隶属度,j=1,2,3,4。3应用分析为验证评估模型的有效性,以南京市某单位使用10a的电梯为例,该电梯的参数为载荷1000kg,额定速度1.75m/s,楼层为18层18站。(1)采集该电梯某日的监测数据,并进行均值处理,根据式(7)~(8)得到各个指标的劣化度侑如表4所示。(2)根据隶属度函数式(9)~(12),得到轿厢系统、曳引机系统、门系统、拖动系统的评估矩阵分别为687河南理工大学学报(自然科学版)2016年第35卷中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
表4各个指标劣化度值Tab.4Degradationvalueofeachindex指标运行数据劣化度值垂直方向振动加速度/(ms-2)0.2580.580水平方向振动加速度/(ms-2)0.1780.460运行时轿厢噪声/dB49.6000.730轿厢水平度/mm0.320.320曳引机温度/℃72.9000.716三相电压/V381.20三相电流/A32.9000.255机房噪声/dB63.3000.629轴承振动烈度/(mms-1)0.9200.855平层误差值/mm13.5000.350开关门速度/(ms-1)0.250门间隙/mm4.5900.530开关门噪声/dB49.9000.569加、减速度/(ms-2)0.8300.214平衡系数0.4600平稳运行时速度/(ms-1)1.2500.342钢丝绳磨损量/%6.8000.390R1=00.02450.9755000.79390.20610000.94550.05450100,R2=000.98430.015710000.11980.880200000.11980.8802,R3=0100100000.27300.7270000.05810.94190,R4=0.39090.609100100001000100。(3)计算评估结果向量。根据式(1),得到轿厢系统、曳引机系统、门系统、拖动系统的评估结果向量为B1=w1R1=(0,0.4755,0.5143,0.0102),B2=w2R2=(0.2165,0.1708,0.3942,0.2185),B2=w3R3=(0.2165,0.1708,0.3942,0.2185),B4=w4R4=(0.2791,0.7209,0,0)。R=(B1,B2,B3,B4)T,根据式(2)得到电梯系统的评估结果向量为B=wR=(0.2358,0.4952,0.2373,0.0269)。(4)评估结果向量分析。由于电梯部分参数在多层模糊推理过程中,其劣化现象可能在最终层被掩盖,所以不能采用最大隶属度原则,应对评估结果向量分情况进行分析,若最大隶属度远大于其余隶属度,且权重最大的隶属度小于0.1,则采用最大隶属度原则进行分析。若最大隶属度远大于其余隶属度,但权重最大的隶属度不小于0.1,则评估对象为权重最大的等级;若与最大隶属度相差不大的其他隶属度有2个以上时,对于这些隶属度中权重较大的等级项,选择最低的等级项[13];若所有等级隶属度差不多,则选择权重最大的等级项。因此,电梯安全运行状态为“一般”。从评估结果来看,该电梯运行状态不良,检修发现曳引机存在轴向窜动现象,造成曳引机运行不稳。该评估结果符合实际情况,表明该评估模型具有实用性、科学性。4结论(1)对于第一层指标以历年测量值为基础,采用熵权法确定权重,克服了层次分析法中判断矩阵的随意性,得到的指标权重更科学。(2)根据相对劣化度选择隶属度函数,避免了确定隶属度时的归类错误,得到的评估矩阵更准确。(3)通过实际应用分析表明,本模型评估结果接近实际情况,具有较强的可操作性,有助于掌握电梯的安全状态,为及时地对电梯进行检修提供指导。参考文献:[1]KURIYAMAK,SAKAIS,IZUMIS,etal.Optimizationofthemaintenanceprogramofelevatingequipmentu-singriskassessment[C]//AnnualMeeting2012oftheJSMEMaterialsandMechanicsDivision.Tokyo,Japan,[s.n.],2013:784-788.[2]PARKST,YANGBS.Animplementationofrisk-basedinspectionforelevatormaintenance[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2010,24(12):2367-2376.[3]庆光蔚,王会方,胡静波.电梯安全级别模糊综合评价方法及应用研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(4):129-134.QINGW,WANGHF,HUJB.Studyonfuzzyinte-gratedassessmentmethodforsafetyleveloftractionel-evatorsanditsapplication[J].JournalofSafetySci-787第6期陶杰,等:基于模糊综合评价的电梯安全运行状态评估中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
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