趙曉姣，屈 展，王 萍，薛朝妹，劉 燦，趙志峰，徐竟天

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

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FAHP耦合GRA的潛油電泵機組復(fù)雜系統(tǒng)脆性分析

趙曉姣1，2，屈 展1，王 萍1，薛朝妹1，劉 燦1，趙志峰1，徐竟天1

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

將復(fù)雜系統(tǒng)脆性引入到潛油電泵機組系統(tǒng)的研究中，并根據(jù)事故樹原理建立機組系統(tǒng)脆性風險分析模型，著重從主觀和客觀、定性和定量方面對脆性因子進行分析研究。結(jié)合模糊層次分析法(FAHP)和灰色關(guān)聯(lián)度分析法(GRA)建立潛油電泵機組系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)序模型，分析整個系統(tǒng)的脆性狀態(tài)，求得綜合序關(guān)系大小排序，找出極易使機組系統(tǒng)崩潰的脆性因子，對其進行重點監(jiān)測，最大限度避免系統(tǒng)脆性的發(fā)生，從而為潛油電泵機組系統(tǒng)的脆性研究提供了一種可行的分析方法。

潛油電泵機組系統(tǒng)；脆性因子；模糊層次分析；灰色關(guān)聯(lián)度分析；權(quán)重向量

趙曉姣，屈展，王萍，等.FAHP耦合GRA的潛油電泵機組復(fù)雜系統(tǒng)脆性分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(5):94-99.

ZHAO Xiaojiao,QU Zhan,WANG Ping,et al.Brittleness analysis of the complex system of submersible electric pump unit based on FAHP-GRA[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(5):94-99.

引　言

潛油電泵機組系統(tǒng)面臨井下惡劣的工作環(huán)境，一旦損壞，整個鉆井系統(tǒng)就會崩潰，具有復(fù)雜系統(tǒng)的脆性屬性。引起機組系統(tǒng)失效的因素眾多，考慮到其諸多因素的非定量性以及彼此的關(guān)聯(lián)性特點，可以運用脆性理論對其進行研究。因此，不少學(xué)者從各個側(cè)面對復(fù)雜系統(tǒng)的脆性進行了研究：文獻[1-6]運用FAHP方法，但在構(gòu)建判斷矩陣時存在主觀性和經(jīng)驗性；文獻[7] 用基于熵理論，但信息在傳輸過程中受到噪聲干擾，使通信系統(tǒng)產(chǎn)生不確定性，而且信源本身也具有不確定性；文獻[8]基于蟻群算法求解復(fù)雜系統(tǒng)最大崩潰路徑，卻忽略了對主要和次脆性因子的求解；文獻[9]基于突變理論進行研究，可難點是要在系統(tǒng)設(shè)計中，綜合考慮在信息傳遞過程中噪聲、系統(tǒng)設(shè)備和組網(wǎng)方式的影響，恰當選擇信道矩陣，減小失真度，消除不確定性。

本文根據(jù)事故樹原理建立機組系統(tǒng)脆性風險分析模型，通過耦合模型對機組系統(tǒng)的脆性進行分析，找出復(fù)雜系統(tǒng)脆性激發(fā)的主脆性因子和次要脆性因子，揭示機組系統(tǒng)脆性被激發(fā)的實質(zhì)。

1　潛油電泵機組系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)序模型的建立

把模糊層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合，建立耦合模型，計算脆性因子的序關(guān)系大小，步驟如下：

(1)專家技術(shù)人員對機組系統(tǒng)狀態(tài)的判斷具有相當大的經(jīng)驗性與模糊性，分析的過程十分適合應(yīng)用模糊集合理論，模糊層次分析法是在層次分析法的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊集合理論建立的一種可靠性評價方法[10]。根據(jù)事故樹原理，建立潛油電泵機組系統(tǒng)脆性風險分析三層模型，采用九標度法建立優(yōu)先關(guān)系模糊判斷矩陣，對模糊判斷矩陣F=(fij)nn按行求和，即

(1)

再進行數(shù)學(xué)變換

(2)

由此建立模糊一致矩陣，使之滿足0≤rij≤1,(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，?i,j,k有

rij=rik-rjk+0.5。

(3)

根據(jù)文獻[11]給出的排序分辨率最高，且有可靠理論基礎(chǔ)的模糊一致判斷矩陣的元素與權(quán)重的關(guān)系式，計算各個因素的重要度排序，公式為

(4)

(2)機組系統(tǒng)故障信息具有不完全性或部分性，隨著時間的推移，故障數(shù)據(jù)動態(tài)變化，具有非惟一性?；疑P(guān)聯(lián)度分析法對樣本量的大小沒有太高要求，分析時也不需要典型的分布規(guī)律，而且分析的結(jié)果一般與定性分析相吻合，因而具有廣泛的實用性[2]。運用灰色關(guān)聯(lián)理論采用數(shù)據(jù)初值化方法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，以便比較不同量綱和不同量級的因素，即

(5)

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，用來削弱Δmax數(shù)值過大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，ρ(0,1)，一般情況下以0.1～0.5為宜。

(7)

(3)潛油電泵機組系統(tǒng)除了具有層次性、開放性、非線性等基本性質(zhì)之外，也具有復(fù)雜系統(tǒng)的脆性。運用脆性理論研究系統(tǒng)的脆性風險，辨識出脆性因子，即根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外條件而辨析出來的導(dǎo)致系統(tǒng)脆性被激發(fā)的根本因素，因子與因子之間可能存在關(guān)聯(lián)。再由以上2種方法得到的重要度和關(guān)聯(lián)度，建立計算各個脆性因子序關(guān)系式

Fi=wi×r0i(i=1,2,…,n)。

(8)

式中：Fi為第i個脆性因子的序關(guān)系大??；wi為FHAP計算得到的第i個脆性因子的重要度；r0i為第i個脆性因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

2　潛油電泵機組系統(tǒng)脆性因子計算分析

(1)建立潛油電泵機組系統(tǒng)脆性風險分析模型，如圖1所示。

圖1　潛油電泵機組系統(tǒng)脆性風險分析模型Fig.1　Brittle risk analysis model of submersible electric pump unit system

構(gòu)造5個模糊判斷矩陣，其數(shù)值為:

根據(jù)式(2)將模糊判斷矩陣改造成模糊一致矩陣，結(jié)果為：

根據(jù)上述模糊一致矩陣，利用式(4)計算出單排排序結(jié)果：

W0=(0.276,0.226,0.141,0.196,0.161);

W1=(0.184,0.103,0.170,0.127,0.153,0.151,0.111);

W2=(0.319,0.210,0.169,0.302);

W3=(0.650,0.350);

W4=(0.456,0.306,0.239)。

通過歸一化方法，最后得出相對于整個潛油電泵系統(tǒng)的相對重要度排序向量結(jié)果:

W=(0.051,0.029,0.047,0.035,0.042,0.042,0.031,0.072,0.047,0.038,0.068,0.092,0.049,0.089,0.060,0.047)。

表1　某采油廠事故因素統(tǒng)計Tab.1　Statistics of accident factors for an oil production plant

根據(jù)式(5)作初值化變換得表2。

表2　初值化數(shù)值Tab.2　Initial value

表3　絕對差Tab.3　Absolute difference

表4　關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.4　Correlation coefficient

由表4和式(7)可以計算出每個事故因素與總事故起數(shù)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表5。

表5　關(guān)聯(lián)度Tab.5　Correlation degree

(3)潛油電泵機組系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)序模型

由式(8)計算得

F=(0.045,0.020,0.039,0.029,0.035,0.034,0.023,0.063,0.039,0.029,0.060,0.081,0.042,0.079,0.050,0.030,0.141)排序得到：Fb5>F12>F14>F8>F11>F15>F1>F13>F3>F9>F5>F6>F16>F10>F4>F7>F2。

本文首先是根據(jù)事故樹原理分析潛油電泵機組系統(tǒng)事故發(fā)生的因果關(guān)系，辨析出導(dǎo)致系統(tǒng)脆性被激發(fā)的脆性因子，通過模糊層次分析法計算出各個脆性因子的相對重要度排序，再根據(jù)油田現(xiàn)場的樣本數(shù)據(jù)計算出各個脆性因子與機組系統(tǒng)事故發(fā)生的關(guān)聯(lián)度大小，最后把各個脆性因子的相對重要度和關(guān)聯(lián)度大小相乘，得出各個脆性因子的序關(guān)系大小，通過序關(guān)系的大小排序可以找出主脆性因子和次脆性因子。

由上述排序結(jié)果可見，保護器失效，分離器筒斷落井，大扁電纜燒，電機線圈燒，電機對接插頭燒，泵葉輪碎對潛油電泵機組系統(tǒng)事故的序關(guān)系較大，它們出現(xiàn)概率較大，與其他因子關(guān)聯(lián)較緊，當這些脆性因子出現(xiàn)問題時，更容易激發(fā)系統(tǒng)的脆性，平時要加強這些部位的檢查、檢修、維護和保養(yǎng)。

3　結(jié)　論

(1)FAHP耦合GRA模型考慮了潛油電泵機組系統(tǒng)實際故障數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗，F(xiàn)AHP法確定各個脆性因子的權(quán)重大小，克服了GRA方法中僅靠少數(shù)數(shù)據(jù)樣本評判導(dǎo)致結(jié)果失真的不足，而GRA方法克服了FAHP方法的主觀性強的缺點，互為補充，為減小機組系統(tǒng)的脆性提供了一種可行的分析方法。

(2)根據(jù)建立的潛油電泵機組系統(tǒng)脆性風險分析模型和耦合關(guān)聯(lián)序模型計算得到：保護器失效，分離器筒斷落井，大扁電纜燒，電機線圈燒，電機對接插頭燒，泵葉輪碎對潛油電泵機組系統(tǒng)事故的序關(guān)系較大，當這些脆性因子出現(xiàn)問題時，更容易激發(fā)系統(tǒng)的脆性，平時要加強這些部位的檢查、檢修、維護和保養(yǎng)。

(3)可以預(yù)見，在今后一定時期內(nèi)，在潛油電泵井生產(chǎn)條件沒有重大改變的情況下，導(dǎo)致事故的脆性因子與事故的序關(guān)系的排列順序不會改變?？梢栽谙到y(tǒng)運行過程中密切監(jiān)視這些部件，在脆性激發(fā)的過程中正確找到根源，采取適當?shù)拇胧?，避免出現(xiàn)嚴重的后果，為減小機組系統(tǒng)的脆性提供了一種可行的分析方法。

[1]劉明,王德明,劉維亭.基于FAHP的艦船電力系統(tǒng)脆性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2007,29(4):57-60.

LIUMing,WANGDeming,LIUWeiting.ThebrittleanalysisofthewarshipelectricpowersystembasedontheFAHP[J].ShipScience&Technology,2007,29(4):57-60.

[2]榮盤祥,楊曉宇.基于改進FAHP的交通系統(tǒng)脆性分析[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2009,14(1):12-15.

RONGPanxiang,YANGXiaoyu.ThebrittlenessanalysisofthetrafficsystembasedonthemodifiedFAHP[J].JournalofHarbinUniversityofScience&Technology,2009,14(1):12-15.

[3]金鴻章,閆麗梅,徐建軍.基于FAHP的復(fù)雜系統(tǒng)的脆性過程分析[J].系統(tǒng)工程,2004,22(6):1-4.

JINHongzhang,YANLimei,XUJianjun.Ananalysisofthebrittlenessprocessofcomplexsystemsbaseonthefuzzyanalytichierarchyprocess[J].SystemsEngineering,2004,22(6):1-4.

[4]孫慶榮,韓傳峰,陳建業(yè),等.基于FAHP的黃河中下游災(zāi)害系統(tǒng)脆性評價[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2005,14(3):104-109.

SUNQingrong,HANChuanfeng,CHENJianye,etal.FAHP-basedbrittlenessevaluationofdisastersysteminmiddleandlowerreachesofYellowRiver[J].JournalofNaturalDisasters,2005,14(3):104-109.

[5]徐建軍,閆麗梅,劉小斌.模糊層次分析法在變壓器脆性分析中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(2):94-98.

XUJianjun,YANLimei,LIUXiaobin.Applicationoffuzzyanalytichierarchyprocesstoanalyzethebrittlenessfortransformers[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2005,20(2):94-98.

[6]劉明,劉維亭.基于熵理論的船舶電力系統(tǒng)脆性分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,21(2):58-61.

LIUMing,LIUWeiting.Brittlenessanalysisofship'selectricpowersystembasedonentropytheory[J].JournalofJiangsuUniversityofScience&Technology(NaturalScienceEdition,2007,21(2):58-61.

[7]薛萍,金鴻章.一種基于脆性熵函數(shù)的通信系統(tǒng)脆性研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2007,28(8):880-884,898.

XUEPing,JINHongzhang.Analysisofcommunicationsystembrittlenessbasedonbrittlenessentropyfunction[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity,2007,28(8):880-884,898.

[8]林德明,金鴻章,吳紅梅,等.基于蟻群算法的復(fù)雜系統(tǒng)脆性研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008,30(4):743-747.

LINDeming,JINHongzhang,WUHongmei,etal.Researchonbrittlenessofcomplexsystemsbasedonantcolonyalgorithm[J].SystemsEngineering&Electronics,2008,30(4):743-747.

[9]樊松,畢曉君,陳健,等.基于突變理論的通信系統(tǒng)脆性研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(10):20-22.

FANSong,BIXiaojun,CHENJian,etal.Researchonvulnerabilityofcommunicationsystembasedoncatastrophetheory[J].Transducer&MicrosystemTechnologies,2012,31(10):20-22.

[10] 張吉軍.模糊層次分析法(FAHP)[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué),2000,14(2):80-88.

ZHANGJijun.Fuzzyanalyticalhierarchyprocess[J].FuzzySystems&Mathematics,2000,14(2):80-88.

[11] 張吉軍.模糊一致判斷矩陣3種排序方法的比較研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(11):1370-1371.

ZHANGJijun.Comparisonofthreerankingmethodsforthefuzzyconsistentjudgementmatrix[J].SystemsEngineering&Electronics,2003,25(11):1370-1371.

責任編輯：張新寶

Brittleness Analysis of the Complex System of Submersible Electric Pump Unit Based on FAHP-GRA

ZHAO Xiaojiao1,2,QU Zhan1,WANG Ping1,XUE Zhaomei1,LIU Can1,ZHAO Zhifeng1,XU Jingtian1

(1.Collegel of Electronic Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China;2.College of Aeronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China)

The brittleness of complex system was introduced to the study of submersible electric pump unit system,and the brittleness analysis model of the unit system was established according to the principle of fault tree analysis (FTA).The brittleness factors were studied from subjective and objective,qualitative and quantitative aspects.A relational order model of the submersible electric pump unit system was established based on FAHP and GRA,the brittleness state of the system was analyzed.The size of order relation was obtained,and then the most likely brittleness factors that may lead the unit system to breakdown were found.The brittleness of the system could be avoided to the maximum through the intensive monitoring of the factors.The study in this paper provides a feasible method for the brittleness research of submersible electric pump unit system.

submersible electric pump unit system;brittleness factor;fuzzy analytic hierarchy process (FAHP);grey relational analysis (GRA);weight vector

2016-01-04

西安石油大學(xué)科技基金研究項目(編號：115030041)

趙曉姣(1981-)，女，博士研究生，講師，主要從事安全管理、風險評價、脆性分析方面的研究。

E-mail:252474235@qq.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.05.016

TE933+.3

1673-064X(2016)05-0094-06

A