基于云模型的電梯運(yùn)行可靠性模糊綜合評估
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
章國寶，萬林，黃永明
（東南大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210096）
摘要：針對目前電梯可靠性評估中存在隨機(jī)性和模糊性等不確定性的問題，提出了一種基于熵權(quán)法、云模型和模糊綜合評價法的電梯運(yùn)行可靠性評估模型。通過分析電梯各個子系統(tǒng)的主要特征量，建立了電梯運(yùn)行可靠性評估指標(biāo)體系，并運(yùn)用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)云模型實(shí)現(xiàn)定量指標(biāo)與定性概念之間的轉(zhuǎn)換，得到定量評估指標(biāo)的等級隸屬度。最后基于模糊綜合評價法，對各指標(biāo)信息進(jìn)行自上而下地綜合，得到整體的可靠性評估結(jié)果。實(shí)例表明了該模型的正確性與有效性，能夠?qū)﹄娞莸臓顟B(tài)檢修提供參考。
關(guān)鍵詞：電梯安全；狀態(tài)評估；可靠性評估；熵權(quán)法；云模型；模糊綜合評價法
0 引言
隨著我國城市化的發(fā)展，電梯的使用量逐年增加，有關(guān)電梯事故的報道屢見不鮮。目前，我國電梯的安全保障主要采用定期維護(hù)和年檢相結(jié)合方式，但該方式常出現(xiàn)“欠修”和“過修”的情況，不但造成物力、人力浪費(fèi)，且不能及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。因此，開展?fàn)顟B(tài)檢修是電梯維護(hù)方式的必然趨勢，這需要正確把握電梯的狀態(tài)信息，對其運(yùn)行可靠性進(jìn)行評估。
對電梯進(jìn)行可靠性評估是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Park等量化電梯各個部件發(fā)生故障的可能性，計算電梯風(fēng)險值。Kuriyama等根據(jù)電梯的檢驗(yàn)報告，量化各個檢查項(xiàng)目發(fā)生故障的概率和故障造成的危害度。鄭祥盤根據(jù)電梯的狀態(tài)特征量，應(yīng)用層次分析法確定特征量的權(quán)重，最后基于模糊評價法計算電梯的健康值。慶光蔚等運(yùn)用區(qū)間估計篩選出與電梯可靠性相關(guān)的指標(biāo)，應(yīng)用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重，最后基于模糊綜合評價理論得到電梯的安全級別。陳國華等在基于模糊綜合評價法的電梯可靠性評估中，根據(jù)電梯的歷史故障信息引入故障率修正系數(shù)。上述基于模糊綜合評價法的可靠性評估過程中存在兩個問題。一是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)的層次分析法并非以客觀事實(shí)為基礎(chǔ)，得到的指標(biāo)權(quán)重主觀性大。二是采用專家打分的策略確定指標(biāo)對各狀態(tài)等級的隸屬度，難以排除人為隨機(jī)性因素的影響。
為此，本文選取表征電梯運(yùn)行狀態(tài)的信息指標(biāo)，運(yùn)用熵權(quán)法計算指標(biāo)的權(quán)重，然后基于云模型得到指標(biāo)對各狀態(tài)等級的云隸屬度函數(shù)，根據(jù)云隸屬度函數(shù)確立隸屬度。再基于模糊綜合評價法，對電梯的可靠性進(jìn)行自上而下地評估，最終得到客觀準(zhǔn)確的評估結(jié)果，為判斷電梯運(yùn)行是否可靠提供參考。
1 電梯運(yùn)行可靠性評估指標(biāo)體系
1.1 評估指標(biāo)體系的構(gòu)建
為準(zhǔn)確地掌握電梯的運(yùn)行狀態(tài)，需要選取有代表性的特征量。指標(biāo)的選取應(yīng)遵循下列原則：①可靠性，指標(biāo)的變化能表征設(shè)備狀態(tài)的變化；②敏感性，設(shè)備的微弱變化能引起指標(biāo)的較大變化；③獨(dú)立性，指標(biāo)之間應(yīng)盡可能相互獨(dú)立，從不同方面反映設(shè)備特征；④實(shí)用性，指標(biāo)易于檢測。根據(jù)上述原則，在徐金海和李立京的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合電梯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建電梯運(yùn)行可靠性評估指標(biāo)體系，如圖1。
1.2評估指標(biāo)權(quán)重的確定
各指標(biāo)反映電梯運(yùn)行狀態(tài)的程度不同，應(yīng)合理分配權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，它通過分析各指標(biāo)的信息熵來確定指標(biāo)權(quán)重，信息熵越小，表示包含的信息量更多，相應(yīng)的權(quán)重就越大，熵權(quán)法具有避免人為因素干擾的優(yōu)點(diǎn)。本文指標(biāo)為定量指標(biāo)，有大量的檢測數(shù)據(jù)可用于分析，應(yīng)采用熵權(quán)法。熵權(quán)法計算權(quán)重的步驟如下，設(shè)有m個評估指標(biāo)，n組數(shù)據(jù)。
1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。對原始數(shù)據(jù)按式(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理，得矩陣P。
式中，p。為標(biāo)準(zhǔn)化值，x。為原始值，max（x。）為第i個指標(biāo)的最大值，min（x．）為第i個指標(biāo)的最小值。
2)計算熵值。第i個指標(biāo)的熵值定義為：
3)計算熵權(quán)。得到各指標(biāo)熵值e．后，第i個指標(biāo)的熵權(quán)為：
2 確定隸屬度的云模型方法
現(xiàn)有文獻(xiàn)對電梯的運(yùn)行狀態(tài)等級沒有統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)。參照文獻(xiàn)[9]，本文將電梯的運(yùn)行狀態(tài)為4個等級：良好、一般、注意、嚴(yán)重。對于定量指標(biāo)，一般根據(jù)指標(biāo)數(shù)值分布選擇相應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)，求取指標(biāo)對狀態(tài)的隸屬度，此方法只考慮指標(biāo)的模糊性，忽視了隨機(jī)性。云模型是一種實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值間轉(zhuǎn)換的不確定性模型，云有3個數(shù)字特征E：、E。、H。，云模型考慮了指標(biāo)相對各個運(yùn)行狀態(tài)的模糊性和隨機(jī)性，因此本文基于云模型求取電梯狀態(tài)等級與定量指標(biāo)之間的隸屬度函數(shù)。
文獻(xiàn)[11]基于云模型實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)值到各等級的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換定義為逆向云發(fā)生器。對于表征某個狀態(tài)等級的一組數(shù)據(jù)樣本x．，可生成云的數(shù)字特征(E，，E。，H，)，數(shù)字特征算法如下：
統(tǒng)計分析出云的E。，E。，H。3個數(shù)字特征，可得到對應(yīng)的云模型。對于各個指標(biāo)，分析各類運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，可得到相應(yīng)的云隸屬函數(shù)，其中“良好”狀態(tài)為左邊界，采用左半云模型描述，“嚴(yán)重”狀態(tài)為右邊界，采用右半云模型描述。根據(jù)云的數(shù)字特征和指標(biāo)值，指標(biāo)對各等級的隸屬度計算式為：
式中，E'。是以E。為期望、H。為標(biāo)準(zhǔn)差生成的一個正態(tài)隨機(jī)數(shù)。
根據(jù)已有檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算出各指標(biāo)的云模型，見表1。
3 電梯運(yùn)行可靠性評估模型
3.1 模糊綜合評價原理
模糊綜合評價是一種對多因素影響的對象進(jìn)行綜合評價的方法。該方法的原理是：首先確定對象的多個評價指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)的隸屬關(guān)系分為多個層次，并確定各指標(biāo)的權(quán)重，然后從最低層的各指標(biāo)開始，根據(jù)隸屬度函數(shù)建立評價矩陣，依次向上直到最終層，最終得到評估結(jié)果。模糊綜合評價方法分為單層和多層，以二層模糊綜合評價模型為例，說明其建立步驟：
6)計算綜合評估向量。第二層指標(biāo)的權(quán)重向w塒=[w1，w2，…，wu]，X的隸屬度矩陣R=[B．，B2，…，B。]T，最終的評估向量為：
3.2評估步驟
綜上所述，基于熵權(quán)法、云模型和模糊綜合評價法的電梯運(yùn)行可靠性評估模型的步驟如下：
1)構(gòu)建電梯運(yùn)行可靠性評估指標(biāo)體系，確定狀態(tài)等級；
2)運(yùn)用熵權(quán)法計算指標(biāo)的權(quán)重；
3)基于云模型得到云隸屬度函數(shù)，按式(7)得到指標(biāo)對各狀態(tài)的隸屬度，并歸一化；
4)根據(jù)模糊綜合評價法步驟，按式(8)和(9)得到評估向量；
5)對于綜合評估向量，根據(jù)最大隸屬度原則，得出最終評估結(jié)果。
4實(shí)例分析
為驗(yàn)證所提模型的有效性，以南京市某單位使用十年的電梯為例，該電梯樓層為18層18站，額定載荷為1 000 kg，額定速度為1.75 m/s，對其可靠性進(jìn)行評估。
獲取該電梯某日的指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)，因?yàn)榇嬖诓淮_定性因素的影響，對數(shù)據(jù)做均值處理（三相電流、三相電壓取劣化嚴(yán)重情況），結(jié)果如下：轎廂水平度0. 31 mm，曳引機(jī)溫度73.9℃，垂直方向振動加速度0.259 Ill／S2，平穩(wěn)運(yùn)行時速度1. 26 m/s，，軸承振動烈度1.02 mm/s，平層誤差值13.4 mm，鋼絲繩磨損量6.9%，水平方向振動加速度0.169 m／S2，開關(guān)門速度0. 24 m/s，門間隙4.58mm，運(yùn)行時轎廂噪聲49.6 dB，三相電壓389.7 V，三相電流33.5 A，機(jī)房噪聲63.4 dB，開關(guān)門噪聲50.9 dB．加、減速度0. 84m/s2，平衡系數(shù)0. 46。
1)確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)1 000組指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)，運(yùn)用1.2節(jié)熵權(quán)法計算各指標(biāo)的權(quán)重，限于篇幅限制，列出計算結(jié)果見表2。
計算其它指標(biāo)的隸屬度，得到轎廂系統(tǒng)、曳引機(jī)系統(tǒng)、門系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)的隸屬度矩陣如下：
3)計算評估結(jié)果向量。
根據(jù)式(8)，得到轎廂系統(tǒng)、曳引機(jī)系統(tǒng)、門系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)的評估結(jié)果向量：
R=（B1，B2，B3，B4）7，根據(jù)式(9)得到電梯系統(tǒng)的評估結(jié)果向量：
B= wR=(0.1512,0.443 3,0.291 5,0.109 2)
4)根據(jù)最大隸屬度原則，該電梯運(yùn)行可靠性為“一般”。從評估結(jié)果來看，該電梯可靠性并非良好，檢修發(fā)現(xiàn)曳引機(jī)中軸承磨損嚴(yán)重，造成電梯運(yùn)行不穩(wěn)。評估結(jié)果與檢修情況一致，驗(yàn)證了該模型的可行性和有效性。
5 結(jié)論
1)從電梯的各個子系統(tǒng)的角度，根據(jù)指標(biāo)選取原則，建立了電梯運(yùn)行可靠性評估指標(biāo)體系，針對層次分析法確定權(quán)重的主觀性問題，改用熵權(quán)法分析指標(biāo)中包含的客觀信息，求取的指標(biāo)權(quán)重更客觀科學(xué)。
2)針對定量指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性特點(diǎn)，基于云模型求取各狀態(tài)等級的云數(shù)字特征，得到相應(yīng)的云隸屬度函數(shù)，可以得到更有效的隸屬度，為得到準(zhǔn)確的評估結(jié)果奠定基礎(chǔ)。
3)基于模糊綜合評判法，建立了電梯運(yùn)行可靠性評估模型。實(shí)例分析表明，該模型可準(zhǔn)確地把握電梯的運(yùn)行狀態(tài)，為及時對電梯進(jìn)行檢修，保障電梯運(yùn)行安全提供參考。
