基于層次分析法的高壓隔膜泵安全的指標體系

姚星星，王曉東

1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程中心，云南 昆明 650500

基于層次分析法的高壓隔膜泵安全的指標體系

姚星星1，王曉東2*

1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南省礦物管道輸送工程中心，云南 昆明 650500

高壓隔膜泵作為礦物管道輸送過程中的核心動力設備，如何評估高壓隔膜泵的安全狀況已成為一個亟待解決的課題.提出了一種基于層次分析法（AHP）的基本原理評價高壓隔膜泵安全狀況的AHP模型，確定了評價高壓隔膜泵安全狀況的指標體系，采用成對比較判斷矩陣的特征向量作為高壓隔膜泵安全狀況評價指標的權重值.結果表明：該評價指標體系能夠反映高壓隔膜泵安全評價中主要影響因素的權重值，其中影響高壓隔膜泵安全的最主要的參數是壓力和沖程數，同時，該體系為管理人員監測高壓隔膜泵的安全狀況提供了理論依據.

高壓隔膜泵；層次分析法；評價指標體系；沖程數

0 引言

高壓隔膜泵是管道運輸中的核心設備，所以高壓隔膜泵安全狀況就顯得尤為重要.因此，加強監測高壓隔膜泵的健康狀況和提高高壓隔膜泵安全生產能力已成為很多企業的首要目標之一.目前，相關文獻都聚焦在高壓隔膜泵單向閥和主軸的故障安全診斷上，通過小波包、支持向量機和希爾伯特－黃變換等方法來找出故障特征頻率，從而診斷故障.文獻［1］采用EMD和HHT相結合的方法對主軸的振動信號進行分析，通過比較正常振動信號和故障信號的頻帶能量譜圖，找出發生故障的頻帶，進而診斷主軸的故障［1］；文獻［2］采用小波包分解下的核主元分析法對采集到的單向閥運行信號進行分析，通過信號時頻域的分析結果判斷單向閥故障［2］；文獻［3］采用傅立葉變化等方法對單向閥聲發射信號進行時頻分析，進而診斷單向閥故障［3］.這些方法只有在故障出現時才能診斷故障，而不能提前預防故障安全的發生，所以在高壓隔膜泵安全管理中，如何評估高壓隔膜泵的健康狀況是重要的內容之一.依據層次分析法的原理，評估高壓隔膜泵的健康狀況需要一個“健康狀況評估指標體系”.由于各種因素，如技術、管理、環境等因素的影響，高壓隔膜泵的安全生產能力是復雜的，對隔膜泵的安全性進行評價出現了許多的評價方法，既有定性的方法，也有定量的方法，例如單指標評估方法、綜合評估指數、百分制法等，這些方法既有優點又有缺點，單指標評估方法簡單方便，容易計算，但是根據一個指標進行評估的方法又太過于片面，導致評估結果沒有代表性；綜合評估指數簡單易用，但是將評估指標轉化成同一標準上的難度較大，而且類比參照值難以獲取，評估結果偏差大；百分制法操作簡單，考慮因素比較全面，然而評估基準值主觀隨意性較大，沒有考慮評估指標相互之間的影響，從而導致評估結果不準確［4］.由于高壓隔膜泵的健康狀況存在很多未知因素的影響，當前很多評估方法難以獲得可靠而且準確的結果.

本研究提出應用層次分析法搭建高壓隔膜泵安全狀況的AHP模型，確立影響高壓隔膜泵安全生產能力的指標體系，從而為高壓隔膜泵安全評估和管理決策提供理論依據.

1 AHP（層次分析法）的基本原理與步驟

1.1 層次分析法簡介

在20世紀70年代，美國運籌學家提出了層次分析法的系統分析方法，這種方法把定性描述和定量計算結合在一起，把一個復雜的問題劃分相互聯系的有序層次，然后對同一層次元素的相對重要性進行比較，計算各元素的權重值，最后根據各指標的權重值，對問題進行綜合評價.

1.2 層次分析法步驟

運用層次分析法進行高壓隔膜泵安全狀況指標體系的建模，大致可以分為以下四步來進行［1］：1）建立評估指標體系結構；2）構造比較判斷矩陣；3）計算權重值；4）一致性檢驗［6］.

2 層次分析法在高壓隔膜泵安全狀況評估中的應用

2.1 建立評估分析的層次結構

在與云南某管道公司運營部相關技術人員交談并且進行了初步的分析后，按照層次分析法的一般步驟，建立高壓隔膜泵核心組件健康狀況評估指標體系：

建立評估分析的層次結構，目標層是高壓隔膜泵健康性A.

（1）一級指標層

高壓隔膜泵的健康性主要由其核心組件的健康狀況來評估的［7］，由文獻［3］可知，高壓隔膜泵主要由單向閥、軸、隔膜和電機組成，所以，筆者把“單向閥健康性B1”、“軸的健康性B2”、“隔膜健康性B3”、“電機健康性B4”作為一級指標.

（2）二層指標層

二級指標是能夠反映一級指標健康狀態一些重要參數，我們通過管道公司“數字管道系統”能清晰的看到影響每個核心組件的重要參數，然后選取其中重要的參數作為二級指標.

圖1給出高壓隔膜泵核心組件安全狀況指標體系的設計.

圖1 指標體系設計Fig.1 Design of index system

2.2 相關判斷矩陣的計算與一致性檢驗

上面已經構建好了三層指標體系結構，在構建好的層次結構中針對上一層的某指標，對本層次與該指標有關的所有指標依次構造兩兩比較的判斷表，供專家打分使用.

針對各指標項，本文以問卷的形式［8－9］收集了各位專家的打分意見.由于專家對所評估領域指標的熟悉程度和認識深度非常關鍵，因此重點選擇了云南某管道公司運營中心在高壓隔膜泵設備上既擁有較高理論水平又有豐富實踐操作的專家來評分.20位專家評分的平均結果，依次如下表所示.

A層—B層（一級評估體系）

表1 A判斷矩陣Table 1 A judgmentmatrix

根據公式計算矩陣A1

表2 B1判斷矩陣Table 2 B1judgmentmatrix

根據公式計算矩陣B1

AW＝（0.32，0.71，1.50，1.50）

λmax＝（4＋3.94＋4.05＋4.05）/4＝4.01

C.I＝（4.01－4）/3＝0.003

C.R＝C.I/0.89＝0.003/0.89＝0.004＜0.1（通過一致性檢驗）

根據公式計算矩陣B2

λmax＝（3.111＋3.111＋2.80）/3＝3.00

C.I＝（3.00－3）/2＝0

C.R＝C.I/0.89＝0＜0.1（通過一致性檢驗）

同理，根據公式計算判斷矩陣B3、B4，并且通過一致性檢驗.

表3 B2判斷矩陣Table 3 B2judgmentmatrix

2.3 高壓隔膜泵核心組件安全狀況指標權重

經過上述的分析和計算過程后，最終得到了高壓隔膜泵核心組件安全狀況的指標權重，具體細節如表4所示.

3 結語

根據高壓隔膜泵安全狀況指標體系實例，電機和軸的安全性是影響高壓隔膜泵安全性最主要的兩個因素；從二級指標可以看出來，影響單向閥、軸、隔膜和電機安全性最主要的參數集中在壓力和沖程數上，所以監測這兩個參數的值有利于高壓隔膜泵的健康安全運行，從而為管道運營者和管理者提供了理論支持.

在考慮影響高壓隔膜泵安全性的主要因素后，采用層次分析法對高壓隔膜泵安全性進行定性描述和定量計算，確定各種指標的權重值，保證了評價指標的客觀性和準確性.由于層次分析法人為主觀性很強，所以判斷矩陣的確定需要更多有經驗的專家進行打分，才能保證判斷矩陣的準確性.

致謝

感謝云南大紅山管道有限公司運營中心的支持！

［1］印嘉.基于小波包能量譜與HHT的隔膜泵主軸故障診斷研究［D］.昆明：昆明理工大學，2013.

YIN Jia.The diaphragm pump spindle fault diagnosis research based on wavelet packet energy spectrum and HHT［D］.Kunming：Kunming university of science and technology，2013.（in Chinese）

［2］田寧.單向閥聲發射信號的故障診斷研究［D］昆明：昆明理工大學，2013.

TIAN Ning.The fault diagnosis research of check valve acoustic emission signals［D］.Kunming：Kunming U niversity of S cience and T echnology，2013.（in Chinese）

［3］馮婷.隔膜泵單向閥聲發射信號的釆集監測與分析研究［D］.昆明：昆明理工大學，2012.

FENG Ting.The quantitativemonitoring and analysis of diaphragm pump check valve acoustic emission signals［D］.Kunming：Kunming U niversity of S cience and T echnology，2012.（in Chinese）

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WANG Lili.Fuzzy mathematicsmethod combined with analytic hierarchy process is used for the research of cleaner production potential evaluation［D］.Chongqing：Master D egree T heses of Chongqing U niversity，2010.（in Chinese）

［5］徐源，薛惠鋒，崔劍.基于層次分析法的創新人才評價指標體系研究［J］.價值工程，2013，32：244－247.

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［6］龐彥軍，劉開第.層次分析法一致性檢驗不是排序的必要條件［J］.河北建筑科技學院學報，2002，19（4）：76－78.

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［7］印嘉，吳建德，王曉東，等.基于小波包能量譜的往復式隔膜泵故障診斷研究［J］.傳感器與微系統，2012，31（10）：45－47.

YIN Jia，WU Jian－de，WANG Xiao－dong.Study on fault diagnosis of reciprocating diaphragm pump based on wavelet packet energy spectrum［J］.Sensor and Micro System，2012，31（10）：45－47.（in Chinese）

［8］秦濤，商宇航，劉振文.基于層次分析法的煤礦安全評價指標體系研究［J］.現代礦業，2010（5）：70－72.

QIN Tao，S HANG Yu－hang，L IU Zhen－wen.Research on coal mine safety evaluation index system based on analytic hierarchy process［J］.Modern Mining，2010，05：70－72.（in Chinese）

［9］顏揚，杜綱.企業柔性的指標體系及其AHP－模糊綜合評價方法研究［J］.甘肅科學學報，2004，16（4）：120－123.

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Safety index system of high pressure diaphragm pum p based on analytic hierarchy process

YAO Xing－xing1，WANG Xiao－dong2
1.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500，China；650500，China；2.Engineering Research Center forMineral Pipeline Transportation of Yunnan Province，Kunming 650500，China

The highpressure diaphragm pump is the core power equipment in the process ofmineral pipeline transportation.Now,an urgent task is how to assess its safety status.We put forward a kind of security situationmodel of high pressure diaphragm pump based on the basic principle of analytic hierarchy process(AHP), and determine an evaluation index system.Then we evaluated the safety of high pressure diaphragm pump by the feature vector of the matrix.Results show that the evaluation index system reflects the safety evaluation weights of themain influence factors of the high pressure diaphragm pump,and the pressure and stroke number are the most important parameters affecting the safety of the high pressure diaphragm pump.Meanwhile, the evaluation index system provided the theoretical basis for themanagement tomonitor the safety of the high pressure diaphragm pump.

high pressure diaphragm pump;analytic hierarchy process;evaluation index system;stroke number

TH323

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.006

1674－2869（2015）12－0027－04

本文編輯：張瑞

2015－11－11

姚星星（1989－），男，河南信陽人，碩士研究生.研究方向：故障診斷.*通信聯系人