基于FAHP-模糊綜合評判方法的測試分離器選型優(yōu)化

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(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

測試分離器作為原油生產工藝中的重要分離設施，用于將采出的原油進行初步分離，以估測原油的含水率、含氣率[1]。由于測試分離器種類和參數(shù)眾多，因此根據(jù)海上平臺原油處理的實際條件，在海量產品中進行科學決策和選擇，成為平臺選型配置中亟待解決的問題[2]。

本文在模糊綜合評判法的基礎上，利用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，簡稱FAHP)建立了層次結構模型，確定了準則層的指標權重，搭建了FAHP-模糊綜合評判體系，對測試分離器進行綜合分析和權衡評價，實現(xiàn)了測試分離器根據(jù)需求的科學量化選型優(yōu)化。

1 基于FAHP的模糊綜合評判體系構建

FAHP是為克服傳統(tǒng)的層次分析法在判斷矩陣一致性上存在一定缺陷所改進的算法[3]。模糊綜合評判法可對涉及模糊的、難以量化的多因素問題進行綜合評價[4]。通過將兩者結合，有利于更客觀準確地反映各標準的特性，極大地提高了設備選型的科學性和合理性。

1.1 綜合評價模型建立

決策者針對某一特定的決策問題，分析其影響因素以及各因素之間的因果關系，將其自上而下分解成目標層、準則層、方案層3層體系結構[5]。綜合評價模型的建立是模糊層次分析法的基礎，也是決策的基礎，體現(xiàn)了決策者對決策問題的理解程度和研究程度[6]。

1.2 準則層指標權重表征方法

1) 確定優(yōu)先關系矩陣。

將準則層的各因素進行重要性對比，作出優(yōu)先關系矩陣F=(fij)n×n，其中：

(1)

式中：s(i)、s(j)為指標fi、fj之間的相對重要性程度。

2) 優(yōu)先關系矩陣轉為模糊一致矩陣。

3) 計算指標權重。

運用按行求和歸一化法的計算方法計算指標權重，如下：

(2)

1.3 基于模糊評價綜合準則的決策方法

針對多因素進行綜合評價，問題在于怎樣建立評判矩陣和確定權重向量。模糊評價的具體方法步驟如下：

1) 選取評語集。

模糊數(shù)學方法對評語集的劃分通常分為5級和9級，各因素的重要程度通過評語的分數(shù)值定性表示[7]。構建的評語集可表示為V={v1,v2,v3,…,vn}。

2) 構建評判矩陣。

將準則層各評判指標作一致化處理，轉化成效益型指標，該屬性值越大越好[8]。然后進行單因素評判，得出備選方案與各評判指標的關系，并用eij表示，建立的模糊評判矩陣E=(eij)。通過隸屬度函數(shù)變換并對模糊評判矩陣作歸一化處理，得到隸屬度矩陣S=(sij)。隸屬度矩陣元素表示如下：

(3)

式中：max(e(j))、min(e(j))為準則j對備選方案的最大值、最小值。

3) 模糊綜合決策。

利用準則層指標權重WA-B和隸屬度矩陣S求出各備選方案的綜合評價值WA-C=SWA-B，根據(jù)備選方案層次總排序選出最優(yōu)方案。

2 測試分離器選型優(yōu)化研究

測試分離器的設備選型要先滿足處理要求[9]，即能夠達到目標油田的處理任務，包括最大油處理量、最大氣處理量、最大生產水處理量等，其工作的好壞以分離質量和分離程度來衡量。由于測試分離器設備是定制設備，主要參數(shù)差別較大，本文在對測試分離器調研的基礎上，針對目標平臺對可選測試分離器設備的核心參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，得到的可選方案及詳細參數(shù)如表1所示。

表1 可選的測試分離器方案

表1(續(xù))

2.1 建立遞階層次決策模型

根據(jù)生產平臺油氣水處理系統(tǒng)設備配置原則，測試分離器設備選型的準則參數(shù)主要有油出口含水率(B1)，水出口含油率(B2)，設計壓力(B3)，設計溫度(B4)，沉降分離時間(B5)等，方案層中可選的測試分離器型號包括XSL-I、WS、HBP、HXS、HPT和BSSWS等。測試分離器的選型遞階層次模型如圖1所示。

圖1 測試分離器的選型遞階層次模型

2.2 確定優(yōu)先關系矩陣

根據(jù)生產平臺油氣水處理系統(tǒng)設備配置原則，處理能力是首要考慮原則，因此將油出口含水率、水出口含油率作為第1階次考慮的因素；將設計溫度和設計壓力作為第2階次考慮因素。由于分離器處理效果的評定因素已經作為第1階次因素，將沉降分離時間作為第3階次考慮因素。根據(jù)每個型號的測試分離器對準則層的影響，明確方案層中各因素對準則層的優(yōu)先關系，得到如表2所示優(yōu)先關系矩陣。

表2 A-Bi優(yōu)先關系矩陣

2.3 優(yōu)先關系矩陣模糊歸一化處理

將優(yōu)先關系矩陣轉成模糊一致矩陣，并根據(jù)公式(2)求得準則層中各因素Bi對A的指標權重WA-Bi，如表3所示。

表3 A-Bi模糊一致矩陣

2.4 模糊評判矩陣構建

按模糊評價方法，本文采用5級劃分法進行綜合評定獲取各評價準則相對于方案的模糊語言評分。評語集V={最大，大，中，小，最小}，相應的分數(shù)集為{9，7，5，3，1}。

油出口含水率、水出口含油率、沉降分離時間為“成本型”指標，該屬性值越小越好；設計溫度和設計壓力為“固定型”指標，即屬性值以某一特定值最好?？紤]石油組成和油井井口壓力，分離器的操作壓力設計為2.5 MPa(對于三相分離器，按操作壓力可分為負壓(<0.1 MPa)、低壓(<1.5 MPa)、中壓(1.5～6.0 MPa)和高壓(>6.0 MPa))，操作溫度根據(jù)測試計量加熱器出口溫度設計為60 ℃。

將所有指標轉化成“效益型”指標，構建的備選測試分離器與評判準則模糊評判矩陣E，如表4所示。

2.5 模糊評判矩陣轉化為隸屬度矩陣

利用式(3)將模糊評判矩陣E經過隸屬度函數(shù)變換并歸一化處理得到對應的隸屬度矩陣S，如表5所示。

表4 模糊評判矩陣

表5 隸屬度矩陣

2.6 模糊綜合決策

進行模糊矩陣復合運算，求出方案層各因素Ci對目標層A的綜合評價值WA-Ci=WA-BiS，并獲得如表6所示層次總排序。

表6 層次總排序

根據(jù)表6中的綜合評價值計算結果得出，HXS型分離器為最優(yōu)方案。

3 選型系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

本文利用Visual Studio 2010.NET集成開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫技術，開發(fā)了基于FAHP的測試分離器選型系統(tǒng)[10]。選型優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 設計方案流程

選型軟件劃分為輸入?yún)^(qū)、功能區(qū)、圖表區(qū)和輸出區(qū)四個模塊，實現(xiàn)了測試分離器根據(jù)輸入?yún)?shù)的智能選型。

如圖3所示，輸入?yún)^(qū)分為設計要求和備選方案參數(shù)2部分，在選型過程中，軟件會基于設計要求對備選方案的參數(shù)進行比較分析，以生成最優(yōu)方案；功能區(qū)包括選型、讀取、清除、退出等4個功能鍵，通過引入數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)了備選方案參數(shù)的快速讀取，簡化了選型過程；圖表區(qū)所顯示的是該選型方法的決策模型；輸出區(qū)用于顯示最優(yōu)方案的型號。

圖3 軟件運行結果

4 結論

1) 本文將模糊層次分析法和模糊綜合評判法相結合，搭建了FAHP-模糊綜合評判體系，并將其應用到測試分離器的選型中。

2) 利用數(shù)據(jù)庫技術和智能算法開發(fā)了選型軟件平臺，簡化了選型過程，提高了選型過程的科學化、智能化水平。

3) FAHP-模糊綜合評判體系可廣泛應用于鉆井設備的優(yōu)化選型中，可有效地降低生產成本，提高作業(yè)效率。

4) 該評價方法在處理復雜選型問題上存在一定的不足，仍需做進一步的改進，以提高其適用范圍。

[1] 陸建昌.測試分離器與測試分析儀表[J].中國海上油氣：工程，1996(5)：38-40.

[2] 孫郭鋒.海上平臺生產水處理系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國石油和化工標準與質量，2012，33(13)：249-249.

[3] 肖文生，田雪，吳磊，等.基于FAHP的深水半潛式平臺鉆井設備選型[J].計算機系統(tǒng)應用，2015，24(4)：244-248.

[4] 陳希祥，邱靜，劉冠軍.基于層次分析法與模糊綜合評判的測試設備選擇方法研究[J].兵工學報，2010，31(1)：68-73.

[5] 周慧勤，馬進，符金偉.基于AHP模糊綜合評判法的風力發(fā)電機選型研究[J].華東電力，2012(9)：1494-1498.

[6] 符學葳.基于層次分析法的模糊綜合評價研究和應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

[7] 盛晨興，徐泰富.模糊綜合評判法在船舶主機選型中的應用[J].武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2007，6(6)：9-12.

[8] 楊振杰.空氣鉆井設備配置選型及性能分析[J].石油礦場機械，2008，37(5)：113-119.

[9] 吳磊，肖文生，劉琦，等.半潛式生產平臺油氣水處理設備配置選型研究[J].石油礦場機械，2016，45(9)：67-70.

[10] 張春平，郁大照，王超.基于C#的實驗室綜合管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].實驗技術與管理，2014，31(8)：136-138.