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(中國石化工程建設(shè)公司 儀表自控室，北京 100101)

安全儀表系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于重要的研究領(lǐng)域中[1-2]，有效防止事故的發(fā)生，避免對人類產(chǎn)生傷害。隨著科學的不斷進步，人類開始越來越重視安全問題。國內(nèi)大部分的安全儀表主要被應(yīng)用于石化行業(yè)中?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外已經(jīng)開始大量使用安全儀表系統(tǒng)，通過安全儀表系統(tǒng)可以有效減少危險事故發(fā)生的頻率，降低發(fā)生的風險。因此，對安全儀表運行誤差進行監(jiān)測具有十分重要的意義。

國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果，例如任偉等[3]優(yōu)先對設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集以及保存，同時對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以及降維操作，最終實現(xiàn)誤差的快速監(jiān)測以及評估。于佳等[4]將環(huán)路增益值進行解調(diào)，將其作為輸出，同時設(shè)定故障監(jiān)測點進行實時監(jiān)測。國外學者Behroozsarand A等[5]為了解決由于測量儀器的精度較低，導致在線測量的運行數(shù)據(jù)質(zhì)量通常不能滿足烯烴裝置性能監(jiān)測要求的問題。提出了一種數(shù)據(jù)校正方法，通過過程建模、優(yōu)化來提高測量數(shù)據(jù)的準確性，也可以與統(tǒng)計測試方法一起應(yīng)用于粗差檢測。最后將全局測試和串行消除策略應(yīng)用于現(xiàn)有烯烴裝置測量中的粗差檢測和驗證，并通過對烯烴裝置的現(xiàn)場檢查成功地進行了檢測和驗證。

在上述3種方法的基礎(chǔ)上，提出一種石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測方法，經(jīng)試驗測試結(jié)果證明，所提方法可以快速準確地完成安全儀表運行誤差在線監(jiān)測。

1 安全儀表運行誤差在線監(jiān)測

1.1 石油化工裝置安全儀表運行體系

石油化工施工現(xiàn)場的安全儀表種類眾多，為設(shè)計一種適用性較強的石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測技術(shù)，將石油化工施工現(xiàn)場中安全儀表看作一個體系，如圖1所示。以圖1為基礎(chǔ)對安全儀表運行體系進行建模，為后續(xù)安全儀表運行誤差監(jiān)測提供便利。

圖1 石油化工裝置安全儀表示意Fig.1 Schematic diagram of safety instrument for petrochemical plant

安全儀表系統(tǒng)具有獨特的設(shè)計流程，遵循嚴格的程序，同時安全系統(tǒng)的生命周期也不是一直保持不變的，在系統(tǒng)整體設(shè)計過程中，可以加入自己的特殊要求進行周期設(shè)定。石油化工裝置安全儀表運行體系構(gòu)成情況如圖2所示。

圖2 石油化工裝置安全儀表運行體系構(gòu)成Fig.2 Composition of safety instrument operation system in petrochemical plant

如圖2所示，石油化工裝置安全儀表的運行過程為：①輸入石油化工裝置安全儀表的運行狀態(tài)。②分析系統(tǒng)運行過程中的危險，同時對危險進行評價。③判定保護方案是否可以有效預(yù)防危險的發(fā)生；假設(shè)是，則確定最終的保護方案；反之，則繼續(xù)執(zhí)行步驟④。④確定技術(shù)安全防范。⑤設(shè)定初始檢驗需求。⑥進行安全控制系統(tǒng)設(shè)計。⑦對安全儀表系統(tǒng)運行狀態(tài)進行評價。⑧系統(tǒng)安全指數(shù)測試。⑨定期進行維護和測試，確保系統(tǒng)的正常運行。

1.2 石油化工裝置安全儀表運行誤差分析

1.2.1 安全儀表運行原則

在現(xiàn)代化的石油化工裝置中[6]，由于繁瑣的操作流程以及設(shè)置，需要多個操控體系的參與，而且所有的操控體系不能存在錯誤或者風險鏈條。假設(shè)進程內(nèi)的儀器或者設(shè)施發(fā)生故障，內(nèi)部操作紊亂，會導致產(chǎn)品制造中斷，產(chǎn)生更加嚴重的事故，會對周圍的居民和建筑造成不可估量的損失。為了有效減少石油化工裝置的危險，需要將安全儀表的誤差控制在可操作范圍內(nèi)[7-8]，同時對相關(guān)的操作程序制定嚴格的操作要求。

安全儀表系統(tǒng)重點需要遵循可用性原則、可靠性原則、故障安全原則。除遵循上述原則外，在安全儀表系統(tǒng)運行過程中[9-10]，還需要實時掌握安全儀表運行誤差變化情況，同時還需要加入一些測量儀表。石油化工安全儀表設(shè)計規(guī)范如圖3所示。

圖3 石油化工安全儀表設(shè)計規(guī)范Fig.3 Code for design of safety instruments in petrochemical industry

圖3所示的測量儀表在使用過程中，需要考慮石油化工裝置中電壓和電流超載的情況，所以需要優(yōu)先分析石油化工裝置的運行狀態(tài)，然后接入安全儀表系統(tǒng)，有效避免和高壓電路進行直接接觸。

1.2.2 安全儀表運行誤差分析

在分析安全儀表誤差過程中[11]，將獲取的測量平均值設(shè)定為測量值，將實驗室標準差設(shè)定為不確定度量的估計值。針對安全儀表系統(tǒng)而言，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析的過程中，由于運行誤差為綜合誤差，主要受到溫度以及振動等多方面影響。

采用決策樹算法[12-13]對運行誤差數(shù)據(jù)進行降維處理：設(shè)定不同儀表系統(tǒng)中運行誤差的類別，則全部類別運行誤差的信息總和Naor(D)。然后將全部數(shù)據(jù)集合按照相關(guān)屬性進行分割，形成分割集合，則安全儀表運行誤差Si的屬性可表示為Naor(Si)。在此基礎(chǔ)上得到降維處理結(jié)果為：

(1)

式中，aj為不同類型運行誤差出現(xiàn)的概率；N為石油化工裝置安全儀表運行誤差的類別總數(shù)。

當隨機一個誤差高于平均值的絕對值，則說明誤差屬于異常誤差。通過以上分析，分析不同因素對運行誤差產(chǎn)生的影響，具體如下。

(1)溫度對安全儀表運行誤差產(chǎn)生的影響，見式(2)：

(2)

式中，θm為安全儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；L為石油化工裝置的溫度變化規(guī)律；xyz為系統(tǒng)的儀表負載。

(2)石油化工裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對安全儀表運行誤差產(chǎn)生的影響，見式(3)：

(3)

由式(3)可知，選擇合適的截面以及材料長度，才可以確保運行誤差處于可操作范圍內(nèi)。

1.3 石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測

在上述誤差分析的基礎(chǔ)上，使用層次分析法計算安全儀表運行誤差權(quán)重后，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測。

1.3.1 層次分析法

層析分析法主要可以劃分為以下幾個步驟，具體如圖4所示。

圖4 層次分析法操作流程Fig.4 Operation flow chart of analytic hierarchy process

(1)當采用層次分析法解決問題時[14-15]，需要優(yōu)先將問題進行條理化和層次化，同時構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。其中，模型由3個不同的部分組成，分別為目的層、中間層以及最底層。

(2)準則層中的各項衡量準則在目標衡量中比例并不是完全相同的，在大部分決策者心中，需要通過設(shè)定標度以及各個層次中的判斷矩陣。

(3)計算一致性指標，見式(4)：

(4)

式中，λmax為判斷矩陣中的最大特征值。

對一致性指標進行查找，同時計算各個指標之間的一致性比例。

(4)獲取不同元素，尤其是不同方案對應(yīng)的排序權(quán)重，同時對總排序結(jié)果進行一致性檢驗，計算對應(yīng)的合成權(quán)重，對各種備選方案進行排序。

1.3.2 實現(xiàn)運行誤差在線監(jiān)測

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16-17]可以劃分為多種不同的形式，各個神經(jīng)元從輸入層開始，直接輸入到下一級，直至完成整個層的輸出。由于石油化工裝置安全儀表運行誤差數(shù)據(jù)規(guī)模十分龐大，可以將其看成是一個大樣本統(tǒng)計量。將采集到的全部安全儀表運行誤差數(shù)據(jù)作為判定依據(jù)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將采集到的實際運行數(shù)據(jù)和預(yù)測誤差數(shù)據(jù)進行對比，從而找到異常數(shù)據(jù)。

通過3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將安全儀表運行誤差數(shù)據(jù)作為輸入層，設(shè)置隱含層，通過參數(shù)擬合操作獲取隱含層中單元總數(shù)以及訓練組數(shù)等，同時由歷史數(shù)據(jù)輸出下一個時刻的運行誤差變化情況。由于數(shù)據(jù)規(guī)模十分龐大，需要確保全部運行數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，使誤差在可操作范圍內(nèi)。

將層次分析法[18-19]和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行有效結(jié)合，對石油化工裝置安全儀表運行誤差進行在線監(jiān)測，詳細操作步驟如下。

(1)對石油化工裝置安全儀表中的異常運行誤差進行檢測[20]，同時獲取目標石油化工裝置中對應(yīng)的特征系數(shù)矩陣。

(2)通過1-9標度方法，組建判斷矩陣，同時求解輸出層以及對應(yīng)準則層中因素對應(yīng)的列向量，同時進行一致性檢驗，判斷構(gòu)建的判斷矩陣是否合理。

(3)采用1-9標度方法分別求解矩陣中不同因素的相關(guān)參數(shù)取值，同時獲取各個目標狀態(tài)對應(yīng)的模糊矩陣，最終進行一致性檢驗，判斷矩陣是否合理。

另外，為了簡化計算過程，需要對影響層中各個目標子層的模糊隸屬度判斷矩陣和對應(yīng)的列向量元素數(shù)值進行計算。

(4)通過矩陣運算規(guī)則得到不同模糊化行向量，同時通過組合運算方式得到目標層對應(yīng)的狀態(tài)評價系數(shù)矩陣J，見式(5)：

(5)

式中，Ji為矩陣中的模糊向量；Pi為評價系數(shù)；TCi為安全儀表發(fā)生異常誤差的概率。

將矩陣進行反模糊化處理，得到不同安全儀表運行誤差的在線監(jiān)測值ηk，具體的計算式如下：

(6)

2 仿真實驗

為了驗證所提石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測方法的有效性，需要進行仿真實驗測試。

首先將某型號安全儀表接入某化工廠，其接線如圖5所示。在此基礎(chǔ)上，為了進一步分析所提方法的監(jiān)測性能，分析采用所提方法進行監(jiān)測后結(jié)果和真實結(jié)果的對比，具體實驗結(jié)果見表1。分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法獲取的安全儀表誤差監(jiān)測結(jié)果和真實結(jié)果更加接近。主要是因為所提方法在進行誤差監(jiān)測前，對運行誤差的特性進行深入分析，掌握各種運行誤差的變化規(guī)律，進而為后續(xù)的在線監(jiān)測奠定堅實的基礎(chǔ)，使其能夠獲取更加精準的監(jiān)測結(jié)果。

圖5 安全儀表接線Fig.5 Safety instrument wiring

表1 在線監(jiān)測性能測試分析Tab.1 On line monitoring performance test and analysis

在上述實驗分析的基礎(chǔ)上，分別分析使用所提方法前后的訓練監(jiān)測時間變化情況以及均方誤差變化情況，詳細的實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。分析圖6中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于采樣點不同，導致訓練監(jiān)測時間也存在十分明顯的差異。在使用所提方法進行運行誤差在線監(jiān)測后，訓練監(jiān)測時間相比之前得到明顯降低，充分驗證了所提方法的優(yōu)越性。

分析圖7中的實驗數(shù)據(jù)可知，在不同采樣點下均方誤差取值是完全不同的。在使用所提方法后，均方誤差得到明顯改善。

綜合分析圖6和圖7中的實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法可以更快速度完成石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測，同時還可以獲取均方誤差取值較小的監(jiān)測結(jié)果。

圖6 使用所提方法前后的訓練監(jiān)測時間測試結(jié)果對比Fig.6 Comparison of training monitoring time test results before and after using the proposed method

圖7 使用所提方法前后的均方誤差測試結(jié)果對比Fig.7 Comparison of mean square error test results before and after using the proposed method

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，設(shè)計并提出一種石油化工裝置安全儀表運行誤差在線監(jiān)測技術(shù)。經(jīng)實驗測試證明，所提方法可以有效降低訓練監(jiān)測時間，同時獲取和真實結(jié)果更加接近的安全儀表運行誤差監(jiān)測值。