楊黎鵬, 李維國(guó)

(1.中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東東營(yíng) 257026; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東青島 266580)

石油天然氣工程系統(tǒng)的模塊化不僅可以滿足大批量生產(chǎn),而且具有高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)。童時(shí)中[1]指出,為了獲得最佳效益,從系統(tǒng)角度出發(fā),研究產(chǎn)品或者系統(tǒng)的構(gòu)成形式,采用分解和組合的方法,建立模塊體系,并運(yùn)用模塊組合成產(chǎn)品或者系統(tǒng)的全過(guò)程。Langlios等[2]提出模塊化是一個(gè)系統(tǒng)性概念,通常指模塊元素分離與重新組合成系統(tǒng)的過(guò)程。Sanchez等[3]提出模塊化是將復(fù)雜任務(wù)分解成相對(duì)簡(jiǎn)單的活動(dòng),并且各個(gè)活動(dòng)能夠同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行,可以有效管理產(chǎn)品和流程的方法。Baldwin等[4]認(rèn)為模塊化是將復(fù)雜任務(wù)分解成相對(duì)簡(jiǎn)單的活動(dòng),一個(gè)大系統(tǒng)的不同部分大多數(shù)是由模塊構(gòu)成的。模塊化能降低系統(tǒng)研發(fā)的復(fù)雜性,降低產(chǎn)品整體研發(fā)及制造的復(fù)雜度,從而減少研發(fā)費(fèi)用,提高創(chuàng)新效率[5],模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的并行開(kāi)發(fā),還可以實(shí)現(xiàn)資源共享。現(xiàn)有的模塊劃分方法(如啟發(fā)式模塊創(chuàng)建方法、遺傳算法[7]等)對(duì)于天然氣脫硫凈化裝置并不適用。啟發(fā)式模塊創(chuàng)建算法只能從功能角度探討模塊的形成方法,不能完全體現(xiàn)出設(shè)計(jì)需求約束等問(wèn)題。遺傳算法是模擬自然界中生物進(jìn)化機(jī)制的一種迭代算法,黃小僑等曾基于遺傳算法對(duì)常減壓裝置進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[6],但該算法需計(jì)算其相應(yīng)的適應(yīng)函數(shù)、相關(guān)概率等[8],過(guò)程繁瑣。筆者針對(duì)天然氣脫硫凈化裝置的實(shí)際情況,提出基于功能-幾何相關(guān)性-接口的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型,在計(jì)算相關(guān)度時(shí)提出賦值表,并運(yùn)用圖分割聚類(lèi)算法[9]建立一種針對(duì)該系統(tǒng)的模塊化劃分方法。概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型突出最主要的劃分依據(jù)功能相關(guān)性,且引入接口這個(gè)相關(guān)項(xiàng)目,在忽略設(shè)備內(nèi)部行為、狀態(tài)等復(fù)雜因素[10]的情況下,考慮設(shè)備間的能量流、物質(zhì)流、信息流。

1 基于圖分割的天然氣處理裝置模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的決策過(guò)程,它要求決策者從實(shí)際需求出發(fā),進(jìn)行功能分解,原理求解,零部件構(gòu)成,裝配布局[11],在此基礎(chǔ)上對(duì)模塊劃分結(jié)果做出評(píng)價(jià)。

1.1 產(chǎn)品的子功能-設(shè)備序列

天然氣處理裝置的模塊化,主要依據(jù)相應(yīng)的天然氣處理裝置的工藝流程,通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分解處理,獲得完整的設(shè)備序列。之后從中選取所有需要模塊化的設(shè)備,并通過(guò)黑箱法和IDEF0方法制成最終的產(chǎn)品的子功能-設(shè)備序列模型。其中方框表示設(shè)備,方框的輸入、輸出表示該設(shè)備與外界的物質(zhì)、能量、信息交換。在IDEF0功能描述方法中,除設(shè)備和輸入輸出外還有支撐、控制、約束條件等。模型見(jiàn)圖1。其中設(shè)備序列共n個(gè),以設(shè)備Ai和Ai+1為例。

圖1 子功能-設(shè)備序列模型部分圖Fig.1 Partial diagram of sub function-device sequence model

1.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品模塊化主要按功能進(jìn)行分解,目前模塊化中典型的概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型有功能-結(jié)構(gòu)模型[12]、功能-行為-結(jié)構(gòu)模型[13]、功能-原理-結(jié)構(gòu)模型[14]。

表1 設(shè)備間的相關(guān)值

設(shè)備間相關(guān)值數(shù)據(jù)通過(guò)模糊分級(jí)給出,特別地,決策人員根據(jù)比例標(biāo)度表(表2)給出相關(guān)設(shè)備間的物質(zhì)、能量、信息成對(duì)比矩陣(表3),模塊化過(guò)程中所涉及的所有成對(duì)比矩陣在滿足一致性檢驗(yàn)的情況下,均可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,再由層次分析法得出設(shè)備間的物質(zhì)、能量、信息的權(quán)值,若設(shè)備間同時(shí)存在物質(zhì)、能量、信息或者兩者以上的聯(lián)系,則權(quán)值相加即可(表1接口部分中相應(yīng)的權(quán)值)。

表2 比例標(biāo)度

表3 設(shè)備間物質(zhì)、能量、信息的成對(duì)比矩陣及權(quán)值Table 3 Pairwise comparison matrix of material, energy and information between devices and weights

1.3 圖分割模塊劃分

為表達(dá)設(shè)備間的相關(guān)性引入相關(guān)度的概念:

(1)

采用無(wú)向圖G來(lái)表示產(chǎn)品子功能-設(shè)備序列模型中設(shè)備之間的關(guān)系,圖的結(jié)點(diǎn)xi表示設(shè)備,圖的邊eij表示設(shè)備Ai和Aj間的聯(lián)系,則有

G=[X,E],X={x1,x2,…,xn},E={eij=(xi,xj)|xi,xj∈X},i,j∈{1,2,…,n}.

步驟1:確定無(wú)向圖G的邊E的權(quán)值w(e)=rij。若對(duì)于任意的j∈{1,2,…,n},rij=0,則結(jié)點(diǎn)xi被舍掉。

步驟2:斷開(kāi)相關(guān)度rij較小的邊。給定相關(guān)度rij的閾值r0,從無(wú)向圖G中移出權(quán)值小于r0的邊,形成結(jié)點(diǎn)集X上的圖G′:G′={(X,E′)|E′=E-{e′|w(e′)

步驟3:確定聚類(lèi)。根據(jù)步驟2,斷開(kāi)連接后,相互連通的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)聚類(lèi),即可以得到模塊化方案。

1.4 模塊化方案評(píng)價(jià)

運(yùn)用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)與綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)[15]的方法作為天然氣處理裝置模塊化方案的評(píng)價(jià)方法。其中,單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)要求模塊化方案要滿足每一項(xiàng)必需的準(zhǔn)則,否則該方案就被舍棄,其他準(zhǔn)則不必再檢驗(yàn)。其目的是排除不可行的方案,以減輕綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)的工作量。在此基礎(chǔ)上用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)選出最佳的方案。層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策綜合分析方法,其步驟如下:

(1)構(gòu)建實(shí)際層次結(jié)構(gòu)模型,分為目標(biāo)層A,準(zhǔn)則層B,方案層C;

(2)根據(jù)表2得到成對(duì)比矩陣A-B,利用層次分析法得到準(zhǔn)則層的權(quán)值ωj(j=1,2，…,J,表示選擇的準(zhǔn)則層的準(zhǔn)則序號(hào));

(3)根據(jù)表2得到成對(duì)比矩陣B(j)-C,j=1,2,…,J,利用層次分析法得到各個(gè)方案對(duì)于各個(gè)準(zhǔn)則層的權(quán)值pij(i=1,…,I,表示選擇的方案序號(hào));

2 天然氣脫硫凈化裝置模塊化實(shí)現(xiàn)

本案例為油氣處理站場(chǎng)中的天然氣脫硫凈化裝置模塊化設(shè)計(jì),其總體功能為天然氣井口采集的含硫天然氣進(jìn)行脫硫凈化處理,保證外輸天然氣的含量和水露點(diǎn)指標(biāo)滿足國(guó)家一類(lèi)天然氣要求,并得到副產(chǎn)品硫磺。裝置涵蓋的工藝流程包括井口天然氣加熱、節(jié)流、降壓等配套設(shè)備,其中需要模塊化的設(shè)備共91個(gè)(表4)。

表4 設(shè)備名稱(chēng)及設(shè)備位號(hào)

以此建立產(chǎn)品子功能-設(shè)備序列模型(此處以設(shè)備1和設(shè)備2為例，圖2)。

圖2 設(shè)備1和設(shè)備2的模型Fig.2 Model diagram of device 1 and 2

根據(jù)決策人員提供的設(shè)備間有關(guān)功能、幾何相關(guān)性、接口的成對(duì)比矩陣(表5),由層次分析法得出設(shè)備間功能、幾何相關(guān)性、接口的權(quán)值。

表5 設(shè)備間功能、幾何相關(guān)性、接口的成對(duì)比矩陣及權(quán)值Table 5 Pairwise comparison matrix of functionality, geometric correlation and interface between devices and weights

根據(jù)各設(shè)備之間相關(guān)度矩陣M,分別選擇方案1為r0=0.513 8和方案2為r0=0.506 031,得到劃分情況如圖4和圖5。模塊數(shù)(設(shè)備數(shù)大于等于2的模塊)分別為13和4。

圖3 子功能-設(shè)備序列相關(guān)性無(wú)向圖Fig.3 Undirected graph of correlation of sub function-device sequences

圖4 r0=0.513 8時(shí)無(wú)向圖的分割Fig.4 Segmentation from undirected graph when r0=0.513 8

圖5 r0=0.506 031時(shí)無(wú)向圖的分割Fig.5 Segmentation from undirected graph when r0=0.506 031

對(duì)上述兩種方案展開(kāi)評(píng)價(jià),首先確定實(shí)際層次結(jié)構(gòu)模型(表6)。

表6 層次分析法結(jié)構(gòu)

其次,利用層次分析法得到準(zhǔn)則層的權(quán)值ωj(表7)和兩個(gè)方案對(duì)于各個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)值pij(表8～表11),i=1,2表示方案序號(hào),j=1,2,3,4,表示準(zhǔn)則層序號(hào)。

表7 成對(duì)比矩陣A-B及準(zhǔn)則層權(quán)值ωjTable 7 Pairwise comparison matrix A-B and weights of criteria layer ωj

表8 成對(duì)比矩陣B1-C及權(quán)值pi1Table 8 Pairwise comparison matrix B1-C and weights pi1

表9 成對(duì)比矩陣B2-C及權(quán)值pi2Table 9 Pairwise comparison matrix B2-C and weights pi2

表10 成對(duì)比矩陣B3-C及權(quán)值pi3Table 10 Pairwise comparison matrix B3-C and weights pi3

表11 成對(duì)比矩陣B4-C及權(quán)值pi4Table 11 Pairwise comparison matrix B4-C and weights pi4

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)方案C(i)的合成權(quán)值ki,根據(jù)表12可知方案1的k1值較大,優(yōu)先選擇方案1。

表12 C層總排序

3 結(jié)束語(yǔ)