基于傳感器協(xié)同監(jiān)測的鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)

崔偉超

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016)

在現(xiàn)代生活中，鍋爐已屬于一種相當(dāng)重要的生產(chǎn)設(shè)備。鍋爐數(shù)量的與日俱增導(dǎo)致其危險(xiǎn)系數(shù)明顯提升，鍋爐安全直接影響人們的生命與財(cái)產(chǎn)，間接影響社會發(fā)展的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性[1]。因鍋爐類型眾多，導(dǎo)致其管理過程困難重重，管理不善便會增加鍋爐存在安全隱患的概率，人工監(jiān)測鍋爐運(yùn)行并不能發(fā)現(xiàn)輕微的安全隱患問題，日積月累后便會形成重大鍋爐事故。為避免出現(xiàn)鍋爐事故，不僅需要工作人員科學(xué)規(guī)范的使用鍋爐，還需要實(shí)時(shí)預(yù)警其安全隱患[2-3]。精準(zhǔn)預(yù)警鍋爐安全隱患的目的是及時(shí)找到鍋爐的一切問題，確保其安全運(yùn)行；令企業(yè)可更加全面地了解鍋爐運(yùn)行狀況，節(jié)約其運(yùn)行成本；提升鍋爐安全管理的水平與效率。因此依據(jù)科學(xué)力量設(shè)計(jì)鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)勢在必行，在鍋爐監(jiān)測中引入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，提升鍋爐預(yù)警功能[4]?，F(xiàn)階段判斷鍋爐安全隱患基本為人機(jī)結(jié)合方法，無法及時(shí)預(yù)警鍋爐的安全隱患，因此設(shè)計(jì)基于傳感器協(xié)同監(jiān)測的鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)，精準(zhǔn)預(yù)警鍋爐的安全隱患，確保其運(yùn)行的安全性。

1 基于傳感器協(xié)同監(jiān)測的鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)

通過傳感器協(xié)同采集鍋爐使用過程中的各項(xiàng)參數(shù)，多個(gè)傳感器需布設(shè)在鍋爐的不同位置，將采集的各項(xiàng)參數(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)測預(yù)警模塊，對鍋爐的安全隱患實(shí)施預(yù)警[5-6]，利用視頻與短信等辦法通知工作人員，降低安全事故發(fā)生概率，基于傳感器協(xié)同監(jiān)測的鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體描述如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 信號采集模塊負(fù)責(zé)采集鍋爐使用過程中的各項(xiàng)參數(shù)，各傳感器間的連接方式為電纜，將多種類型的傳感器布設(shè)在鍋爐的各個(gè)位置上[7]，實(shí)現(xiàn)壓力與給水流量等參數(shù)的采集，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的數(shù)字信號，傳遞至數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，主要包含兩種類型的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，分別是有線與無線，第一種類型中包含Internet網(wǎng)絡(luò)，第二種包含GPRS網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)等。

(3) 安全隱患識別及預(yù)警模塊利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法提取安全隱患特征，并進(jìn)行歸一化處理，通過證據(jù)理論對單一信號展開融合，實(shí)現(xiàn)安全隱患信號的最終識別；將識別到結(jié)果輸入鍋爐安全隱患預(yù)警模型完成鍋爐安全隱患預(yù)警[8]。

(4) 客戶端負(fù)責(zé)將接收到的安全隱患預(yù)警信息發(fā)送至工作人員的電腦與手機(jī)等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐運(yùn)行情況，解決安全隱患。

1.1 鍋爐傳感器協(xié)同信號采集模塊

鍋爐傳感器協(xié)同信號采集模塊屬于整個(gè)系統(tǒng)的最下層模塊，信號采集的準(zhǔn)確性可提升鍋爐安全預(yù)警的可信度，該模塊的硬件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換單元的作用是轉(zhuǎn)換信號，將多個(gè)傳感器采集的模擬信號，變更成能夠識別的信號，通過智能處理器依據(jù)數(shù)字信號計(jì)算出鍋爐的壓力與水流量等實(shí)際數(shù)據(jù)[9-10]，將其傳遞至數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊。

圖2 硬件功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 安全隱患識別及預(yù)警模塊

1.2.1 安全隱患信號識別

利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法提取鍋爐傳感器協(xié)同信號采集模塊所采集信號中存在安全隱患的信號特征，歸一化處理各特征分量的峭度，獲取各傳感器的識別結(jié)果，通過證據(jù)理論融合全部識別結(jié)果，得到最終鍋爐安全隱患信號識別結(jié)果[11]，信號識別流程如圖3所示。

圖3 信號識別流程

信號識別流程具體步驟如下：

(1)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法處理鍋爐傳感器協(xié)同信號采集模塊采集的信號，獲取每個(gè)傳感器采集信號中存在安全隱患的信號特征IMF分量；

(2)無需考慮殘余分量，計(jì)算j個(gè)IMF分量的峭度，歸一化處理這些峭度，公式如下：

(1)

(2)

式中： IMF分量編號是a，a=1,2,…,j；離散點(diǎn)在目標(biāo)IMF分量內(nèi)的位置是k，k=1,2,…,l；采樣點(diǎn)數(shù)量是l；第a個(gè)IMF分量第k個(gè)采樣點(diǎn)處的值是ca,k。

(3)選擇h個(gè)IMF分量的歸一化峭度，組建特征向量為

G=[G1′,G2′,…,Gh′]

(3)

(4)利用證據(jù)理論融合傳感器安全隱患信號識別結(jié)果，獲取最終的安全隱患信號識別結(jié)果T″。

1.2.2 鍋爐安全隱患預(yù)警模型

利用模糊邏輯與專家系統(tǒng)組合的方式構(gòu)建鍋爐安全隱患預(yù)警模型，利用模糊邏輯解決安全隱患信號模糊性問題，提升預(yù)警的準(zhǔn)確性[12-14]。鍋爐安全隱患預(yù)警模型的計(jì)算步驟如下：

(1)按照與識別到的安全隱患信號特征G″相應(yīng)的實(shí)時(shí)參數(shù)隸屬函數(shù)求解隸屬度，G″包含爐膛壓力增長與給水流量提升等信號；通過模糊統(tǒng)計(jì)法獲取G″的隸屬函數(shù)，令G″內(nèi)鍋爐排煙溫度信號在某段時(shí)間的變化量是W，論域W=[15,25]，排煙溫度增長的模糊集合是B，?W0∈W，隸屬度求解W0=20，那么W0=20對B的隸屬頻率是f，即

f=m/n

(4)

式中：n為樣本數(shù)量；m為樣本區(qū)間覆蓋20的頻數(shù)。

求解W對B的隸屬度，該信號增長的隸屬函數(shù)是升半梯形函數(shù)，該函數(shù)的表達(dá)式如下：

(5)

式中：λ1與λ2為B的區(qū)間數(shù)；x為確切數(shù)。

圖4 模糊推理機(jī)的數(shù)學(xué)模型

(6)

(3)專家系統(tǒng)中用數(shù)值描繪安全隱患預(yù)警的可信度，該數(shù)值的取值范圍是[0，1]，安全范圍是[0,0.3]，預(yù)警范圍是(0.3,0.6)，高危范圍是(0.6,1)。

利用上述步驟實(shí)現(xiàn)鍋爐安全隱患的預(yù)警，并將預(yù)警結(jié)果傳輸至客戶端。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某熱力公司的鍋爐為實(shí)驗(yàn)對象，利用本文系統(tǒng)對該公司鍋爐的安全隱患展開預(yù)警。在該公司內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)存在水冷壁管泄露的鍋爐為例，利用本文系統(tǒng)對該鍋爐的安全隱患展開預(yù)警，水冷壁管泄露的關(guān)鍵安全隱患信號為氣泡水位下降、爐膛壓力增長與排煙溫度降低。利用本文系統(tǒng)采集該鍋爐的關(guān)鍵安全隱患信號，如圖5所示。圖5為單個(gè)傳感器采集的鍋爐安全隱患關(guān)鍵信號，分析圖5可知，本文系統(tǒng)能夠有效采集鍋爐安全隱患的關(guān)鍵信號。

圖5 鍋爐安全隱患關(guān)鍵信號變化圖

利用本文系統(tǒng)對采集的信號展開經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理，獲取每個(gè)安全隱患信號特征的固有模態(tài)分量，并展開歸一化峭度處理如圖6所示。分析圖6可知，三個(gè)鍋爐安全隱患關(guān)鍵信號的歸一化峭度特征向量基本分布在固有模態(tài)分量2～8，氣泡水位信號的特征向量基本分布在固有模態(tài)分量3～7，固有模態(tài)分量5的占據(jù)比例最高，其余固有模態(tài)分量的占據(jù)比例較?。粻t膛壓力信號的特征向量基本分布在固有分量4～8，固有模態(tài)分量5的占據(jù)比例最高，其余固有模態(tài)分量的占據(jù)比例較?。慌艧煖囟刃盘柕奶卣飨蛄炕痉植荚?～5，固有模態(tài)分量5的占據(jù)比例最高，其余固有模態(tài)分量的占據(jù)比例較??；綜合分析可知，特征向量為T=[T2′,T3′,T4′,T5′,T6′,T7′,T8′]。

圖6 歸一化峭度特征向量

本文系統(tǒng)內(nèi)其余傳感器的安全隱患關(guān)鍵信號采集及識別過程如上述操作，全部傳感器完成信號識別后，繼續(xù)利用本文系統(tǒng)對其展開數(shù)據(jù)融合處理，獲取最終安全隱患信號識別結(jié)果，三種信號的識別率如圖7所示。圖7中最高、最低識別率指所有傳感器中最高與最低的傳感器安全隱患信號識別率；平均識別率指全部傳感器安全隱患信號識別率的均值；融合識別率指利用本文系統(tǒng)融合全部傳感器后的安全隱患信號識別率。分析圖7可知，本文系統(tǒng)可有效識別鍋爐安全隱患信號，且識別率高達(dá)99%左右。

圖7 三種信號的識別率

依據(jù)識別到的鍋爐安全隱患信號，利用本文系統(tǒng)求解該鍋爐安全隱患的可信度，如圖8所示。分析圖8可知，隨著時(shí)間的延長，該過鍋爐安全隱患的可信度隨之增長，在時(shí)間為30 s時(shí)安全隱患可信度穩(wěn)定在0.65，該數(shù)值處于安全隱患預(yù)警范圍內(nèi)，可判斷該鍋爐存在安全隱患，需要做出預(yù)警處理，與該鍋爐的實(shí)際情況相符，且預(yù)警到鍋爐的安全隱患僅需30 s，預(yù)警速度較快。實(shí)驗(yàn)證明：本文系統(tǒng)可有效對存在安全隱患的鍋爐做出預(yù)警處理，且預(yù)警精準(zhǔn)度高，具備實(shí)時(shí)性。

圖8 鍋爐安全隱患可信度

3 結(jié) 語

鍋爐與人們的生活緊密相連，在化工與機(jī)械等領(lǐng)域均有應(yīng)用，因鍋爐事故導(dǎo)致的后果相當(dāng)嚴(yán)重。為此設(shè)計(jì)基于傳感器協(xié)同監(jiān)測的鍋爐安全隱患預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)精準(zhǔn)預(yù)警鍋爐的安全隱患。日后還可以本文系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改進(jìn)，增加研究鍋爐能耗的功能，降低鍋爐的能耗，為企業(yè)節(jié)約成本、提升經(jīng)濟(jì)效益，使企業(yè)做到節(jié)能減排，打造更加優(yōu)越的生活環(huán)境。