基于層次分析法的高壓隔膜泵安全的指標(biāo)體系

姚星星，王曉東

1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程中心，云南 昆明 650500

基于層次分析法的高壓隔膜泵安全的指標(biāo)體系

姚星星1，王曉東2*

1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程中心，云南 昆明 650500

高壓隔膜泵作為礦物管道輸送過程中的核心動(dòng)力設(shè)備，如何評(píng)估高壓隔膜泵的安全狀況已成為一個(gè)亟待解決的課題.提出了一種基于層次分析法（AHP）的基本原理評(píng)價(jià)高壓隔膜泵安全狀況的AHP模型，確定了評(píng)價(jià)高壓隔膜泵安全狀況的指標(biāo)體系，采用成對(duì)比較判斷矩陣的特征向量作為高壓隔膜泵安全狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值.結(jié)果表明：該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠反映高壓隔膜泵安全評(píng)價(jià)中主要影響因素的權(quán)重值，其中影響高壓隔膜泵安全的最主要的參數(shù)是壓力和沖程數(shù)，同時(shí)，該體系為管理人員監(jiān)測(cè)高壓隔膜泵的安全狀況提供了理論依據(jù).

高壓隔膜泵；層次分析法；評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；沖程數(shù)

0 引言

高壓隔膜泵是管道運(yùn)輸中的核心設(shè)備，所以高壓隔膜泵安全狀況就顯得尤為重要.因此，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)高壓隔膜泵的健康狀況和提高高壓隔膜泵安全生產(chǎn)能力已成為很多企業(yè)的首要目標(biāo)之一.目前，相關(guān)文獻(xiàn)都聚焦在高壓隔膜泵單向閥和主軸的故障安全診斷上，通過小波包、支持向量機(jī)和希爾伯特－黃變換等方法來找出故障特征頻率，從而診斷故障.文獻(xiàn)［1］采用EMD和HHT相結(jié)合的方法對(duì)主軸的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，通過比較正常振動(dòng)信號(hào)和故障信號(hào)的頻帶能量譜圖，找出發(fā)生故障的頻帶，進(jìn)而診斷主軸的故障［1］；文獻(xiàn)［2］采用小波包分解下的核主元分析法對(duì)采集到的單向閥運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行分析，通過信號(hào)時(shí)頻域的分析結(jié)果判斷單向閥故障［2］；文獻(xiàn)［3］采用傅立葉變化等方法對(duì)單向閥聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，進(jìn)而診斷單向閥故障［3］.這些方法只有在故障出現(xiàn)時(shí)才能診斷故障，而不能提前預(yù)防故障安全的發(fā)生，所以在高壓隔膜泵安全管理中，如何評(píng)估高壓隔膜泵的健康狀況是重要的內(nèi)容之一.依據(jù)層次分析法的原理，評(píng)估高壓隔膜泵的健康狀況需要一個(gè)“健康狀況評(píng)估指標(biāo)體系”.由于各種因素，如技術(shù)、管理、環(huán)境等因素的影響，高壓隔膜泵的安全生產(chǎn)能力是復(fù)雜的，對(duì)隔膜泵的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)出現(xiàn)了許多的評(píng)價(jià)方法，既有定性的方法，也有定量的方法，例如單指標(biāo)評(píng)估方法、綜合評(píng)估指數(shù)、百分制法等，這些方法既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)，單指標(biāo)評(píng)估方法簡單方便，容易計(jì)算，但是根據(jù)一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估的方法又太過于片面，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果沒有代表性；綜合評(píng)估指數(shù)簡單易用，但是將評(píng)估指標(biāo)轉(zhuǎn)化成同一標(biāo)準(zhǔn)上的難度較大，而且類比參照值難以獲取，評(píng)估結(jié)果偏差大；百分制法操作簡單，考慮因素比較全面，然而評(píng)估基準(zhǔn)值主觀隨意性較大，沒有考慮評(píng)估指標(biāo)相互之間的影響，從而導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確［4］.由于高壓隔膜泵的健康狀況存在很多未知因素的影響，當(dāng)前很多評(píng)估方法難以獲得可靠而且準(zhǔn)確的結(jié)果.

本研究提出應(yīng)用層次分析法搭建高壓隔膜泵安全狀況的AHP模型，確立影響高壓隔膜泵安全生產(chǎn)能力的指標(biāo)體系，從而為高壓隔膜泵安全評(píng)估和管理決策提供理論依據(jù).

1 AHP（層次分析法）的基本原理與步驟

1.1 層次分析法簡介

在20世紀(jì)70年代，美國運(yùn)籌學(xué)家提出了層次分析法的系統(tǒng)分析方法，這種方法把定性描述和定量計(jì)算結(jié)合在一起，把一個(gè)復(fù)雜的問題劃分相互聯(lián)系的有序?qū)哟?，然后?duì)同一層次元素的相對(duì)重要性進(jìn)行比較，計(jì)算各元素的權(quán)重值，最后根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重值，對(duì)問題進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

1.2 層次分析法步驟

運(yùn)用層次分析法進(jìn)行高壓隔膜泵安全狀況指標(biāo)體系的建模，大致可以分為以下四步來進(jìn)行［1］：1）建立評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)；2）構(gòu)造比較判斷矩陣；3）計(jì)算權(quán)重值；4）一致性檢驗(yàn)［6］.

2 層次分析法在高壓隔膜泵安全狀況評(píng)估中的應(yīng)用

2.1 建立評(píng)估分析的層次結(jié)構(gòu)

在與云南某管道公司運(yùn)營部相關(guān)技術(shù)人員交談并且進(jìn)行了初步的分析后，按照層次分析法的一般步驟，建立高壓隔膜泵核心組件健康狀況評(píng)估指標(biāo)體系：

建立評(píng)估分析的層次結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層是高壓隔膜泵健康性A.

（1）一級(jí)指標(biāo)層

高壓隔膜泵的健康性主要由其核心組件的健康狀況來評(píng)估的［7］，由文獻(xiàn)［3］可知，高壓隔膜泵主要由單向閥、軸、隔膜和電機(jī)組成，所以，筆者把“單向閥健康性B1”、“軸的健康性B2”、“隔膜健康性B3”、“電機(jī)健康性B4”作為一級(jí)指標(biāo).

（2）二層指標(biāo)層

二級(jí)指標(biāo)是能夠反映一級(jí)指標(biāo)健康狀態(tài)一些重要參數(shù)，我們通過管道公司“數(shù)字管道系統(tǒng)”能清晰的看到影響每個(gè)核心組件的重要參數(shù)，然后選取其中重要的參數(shù)作為二級(jí)指標(biāo).

圖1給出高壓隔膜泵核心組件安全狀況指標(biāo)體系的設(shè)計(jì).

圖1 指標(biāo)體系設(shè)計(jì)Fig.1 Design of index system

2.2 相關(guān)判斷矩陣的計(jì)算與一致性檢驗(yàn)

上面已經(jīng)構(gòu)建好了三層指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建好的層次結(jié)構(gòu)中針對(duì)上一層的某指標(biāo)，對(duì)本層次與該指標(biāo)有關(guān)的所有指標(biāo)依次構(gòu)造兩兩比較的判斷表，供專家打分使用.

針對(duì)各指標(biāo)項(xiàng)，本文以問卷的形式［8－9］收集了各位專家的打分意見.由于專家對(duì)所評(píng)估領(lǐng)域指標(biāo)的熟悉程度和認(rèn)識(shí)深度非常關(guān)鍵，因此重點(diǎn)選擇了云南某管道公司運(yùn)營中心在高壓隔膜泵設(shè)備上既擁有較高理論水平又有豐富實(shí)踐操作的專家來評(píng)分.20位專家評(píng)分的平均結(jié)果，依次如下表所示.

A層—B層（一級(jí)評(píng)估體系）

表1 A判斷矩陣Table 1 A judgmentmatrix

根據(jù)公式計(jì)算矩陣A1

表2 B1判斷矩陣Table 2 B1judgmentmatrix

根據(jù)公式計(jì)算矩陣B1

AW＝（0.32，0.71，1.50，1.50）

λmax＝（4＋3.94＋4.05＋4.05）/4＝4.01

C.I＝（4.01－4）/3＝0.003

C.R＝C.I/0.89＝0.003/0.89＝0.004＜0.1（通過一致性檢驗(yàn)）

根據(jù)公式計(jì)算矩陣B2

λmax＝（3.111＋3.111＋2.80）/3＝3.00

C.I＝（3.00－3）/2＝0

C.R＝C.I/0.89＝0＜0.1（通過一致性檢驗(yàn)）

同理，根據(jù)公式計(jì)算判斷矩陣B3、B4，并且通過一致性檢驗(yàn).

表3 B2判斷矩陣Table 3 B2judgmentmatrix

2.3 高壓隔膜泵核心組件安全狀況指標(biāo)權(quán)重

經(jīng)過上述的分析和計(jì)算過程后，最終得到了高壓隔膜泵核心組件安全狀況的指標(biāo)權(quán)重，具體細(xì)節(jié)如表4所示.

3 結(jié)語

根據(jù)高壓隔膜泵安全狀況指標(biāo)體系實(shí)例，電機(jī)和軸的安全性是影響高壓隔膜泵安全性最主要的兩個(gè)因素；從二級(jí)指標(biāo)可以看出來，影響單向閥、軸、隔膜和電機(jī)安全性最主要的參數(shù)集中在壓力和沖程數(shù)上，所以監(jiān)測(cè)這兩個(gè)參數(shù)的值有利于高壓隔膜泵的健康安全運(yùn)行，從而為管道運(yùn)營者和管理者提供了理論支持.

在考慮影響高壓隔膜泵安全性的主要因素后，采用層次分析法對(duì)高壓隔膜泵安全性進(jìn)行定性描述和定量計(jì)算，確定各種指標(biāo)的權(quán)重值，保證了評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性和準(zhǔn)確性.由于層次分析法人為主觀性很強(qiáng)，所以判斷矩陣的確定需要更多有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行打分，才能保證判斷矩陣的準(zhǔn)確性.

致謝

感謝云南大紅山管道有限公司運(yùn)營中心的支持！

［1］印嘉.基于小波包能量譜與HHT的隔膜泵主軸故障診斷研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

YIN Jia.The diaphragm pump spindle fault diagnosis research based on wavelet packet energy spectrum and HHT［D］.Kunming：Kunming university of science and technology，2013.（in Chinese）

［2］田寧.單向閥聲發(fā)射信號(hào)的故障診斷研究［D］昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

TIAN Ning.The fault diagnosis research of check valve acoustic emission signals［D］.Kunming：Kunming U niversity of S cience and T echnology，2013.（in Chinese）

［3］馮婷.隔膜泵單向閥聲發(fā)射信號(hào)的釆集監(jiān)測(cè)與分析研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2012.

FENG Ting.The quantitativemonitoring and analysis of diaphragm pump check valve acoustic emission signals［D］.Kunming：Kunming U niversity of S cience and T echnology，2012.（in Chinese）

［4］王麗麗.模糊數(shù)學(xué)法結(jié)合層次分析法用于清潔生產(chǎn)潛力評(píng)估研究［D］.重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

WANG Lili.Fuzzy mathematicsmethod combined with analytic hierarchy process is used for the research of cleaner production potential evaluation［D］.Chongqing：Master D egree T heses of Chongqing U niversity，2010.（in Chinese）

［5］徐源，薛惠鋒，崔劍.基于層次分析法的創(chuàng)新人才評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.價(jià)值工程，2013，32：244－247.

XU Yuan，XUE Hui－feng，CUI Jian.Research on the evaluation index system of innovative talents based on analytic hierarchy process［J］.Value Engineering，2013，32：244－247.（in Chinese）

［6］龐彥軍，劉開第.層次分析法一致性檢驗(yàn)不是排序的必要條件［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19（4）：76－78.

PANG Yan－jun，LIU Kai.Consistency test is not a necessary condition for the rank analysis［J］.Journal of Hebei Institute of Architectural Science and T echnology，2002，19（4）：76－78.（in Chinese）

［7］印嘉，吳建德，王曉東，等.基于小波包能量譜的往復(fù)式隔膜泵故障診斷研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（10）：45－47.

YIN Jia，WU Jian－de，WANG Xiao－dong.Study on fault diagnosis of reciprocating diaphragm pump based on wavelet packet energy spectrum［J］.Sensor and Micro System，2012，31（10）：45－47.（in Chinese）

［8］秦濤，商宇航，劉振文.基于層次分析法的煤礦安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010（5）：70－72.

QIN Tao，S HANG Yu－h(huán)ang，L IU Zhen－wen.Research on coal mine safety evaluation index system based on analytic hierarchy process［J］.Modern Mining，2010，05：70－72.（in Chinese）

［9］顏揚(yáng)，杜綱.企業(yè)柔性的指標(biāo)體系及其AHP－模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（4）：120－123.

YAN Yang，D U Gang.Research on the index system of enterprise flexibility and AHP－fuzzy comprehensive evaluationmethod［J］.Gansu Science Journal，2004，16（4）：120－123.（in Chinese）

Safety index system of high pressure diaphragm pum p based on analytic hierarchy process

YAO Xing－xing1，WANG Xiao－dong2
1.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500，China；650500，China；2.Engineering Research Center forMineral Pipeline Transportation of Yunnan Province，Kunming 650500，China

The highpressure diaphragm pump is the core power equipment in the process ofmineral pipeline transportation.Now,an urgent task is how to assess its safety status.We put forward a kind of security situationmodel of high pressure diaphragm pump based on the basic principle of analytic hierarchy process(AHP), and determine an evaluation index system.Then we evaluated the safety of high pressure diaphragm pump by the feature vector of the matrix.Results show that the evaluation index system reflects the safety evaluation weights of themain influence factors of the high pressure diaphragm pump,and the pressure and stroke number are the most important parameters affecting the safety of the high pressure diaphragm pump.Meanwhile, the evaluation index system provided the theoretical basis for themanagement tomonitor the safety of the high pressure diaphragm pump.

high pressure diaphragm pump;analytic hierarchy process;evaluation index system;stroke number

TH323

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.006

1674－2869（2015）12－0027－04

本文編輯：張瑞

2015－11－11

姚星星（1989－），男，河南信陽人，碩士研究生.研究方向：故障診斷.*通信聯(lián)系人