基于物元理論的艦船離心泵技術狀態評估

牛建釗，耿俊豹，魏曙寰，劉凌剛

(1. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

基于物元理論的艦船離心泵技術狀態評估

牛建釗1,2，耿俊豹1,2，魏曙寰1,2，劉凌剛1,2

(1. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

對艦船離心泵進行技術狀態評估是提高離心泵運行可靠性，為狀態維修提供合理決策的重要手段。為了完善艦船離心泵技術狀態評估技術，在參閱有關標準等文獻的基礎上，系統地建立了評估指標體系，并應用物元理論對離心泵技術狀態進行評估。在對離心泵指標進行量化的基礎上，可以定量地評估離心泵的技術狀態，同時采用專家打分法，能夠合理、快速地給出各指標權重。經實例分析證明，基于物元理論的離心泵技術狀態評估方法合理有效。

離心泵；技術狀態；物元理論；關聯度

0 引 言

艦船離心泵運行工況多樣，工作環境惡劣，影響泵技術狀態因素眾多，獲得其準確的技術狀態存在一定困難[1,2]。艦船離心泵一旦發生故障，可能會對其他設備的運行產生一定影響，導致整個艦船或者某些系統出現故障，造成重大損失。目前，為了提高技術狀態評估的準確性，許多作者提出了不同的評估方法，例如 BP 神經網絡、隱馬爾科夫模型、模糊數學理論、灰色理論等[3-5]。這些方法各有特點，具有各自的優點和不足之處，因此，往往采用多種評估方法來提高評估的準確度。

物元理論從可行性和優化角度對研究對象進行評估，可以從定性和定量 2 個角度去分析和解決矛盾問題[6]。物元理論的核心是研究物元的變換、物元變換的性質以及物元的可拓性，它以形式化的方式描述事物之間的可變性和變換性[7]。目前，物元理論主要集中在生態安全、機械設備維修保障能力、風險評估等領域[8-12]，還沒有看到在離心泵技術狀態評估中應用物元理論的文獻。因此，針對物元理論特點，提出采

用物元理論對艦船離心泵技術狀態進行評估。在參考艦船離心泵有關標準的基礎上[13-15]，從定量角度建立艦船離心泵技術狀態評估指標體系，運用專家打分法確定離心泵各評估指標的權重，建立基于物元理論的艦船離心泵技術狀態評估方法。

1 離心泵技術狀態評估指標體系建立

根據 GJB3206A-2010《技術狀態管理》，技術狀態定義為：“在技術文件中規定的并且在產品中達到的功能特性和物理特性”。艦船離心泵的技術狀態受多種因素的影響。通過調研、專家咨詢和有關文獻，確定影響艦船離心泵技術狀態的主要評估指標有流量、揚程、功率、轉速、噪聲、振動烈度和滑油溫度[13-15]。

2 基于物元理論的技術狀態評估模型

在物元理論中描述事物的基本元是物元，用 N 表示事物，C 表示特征的名稱，V 表示事物 N 關于特征C 的量值。用 R=（N，C，V） 來表述，這三者被稱為研究物元的三要素。一個事物有多個特征，如果事物 N 以 n 個特征和相應的量值描述，則可以表述為：

稱 R 為 n 維物元，記 R=（N，C，V）。

2.1 物元模型的建立

2.1.1 經典域的確定

2.1.2 節域的確定

2.1.3 待評物元的確定

針對待評估的艦船離心泵技術狀態 D，將整理分析得到的技術狀態評估指標原始數據或者得到的結果用物元表示為

式中：RD為 D 的待評物元；Vi為 D 關于 Ci的量值，即待評技術狀態所獲得的具體數據。

2.2 關聯度的計算

關聯函數表示為待評物元 RD的某一個指標數據取值為實軸上一點時，符合所劃分等級取值范圍的程度。待評估指標 Ci關于第 j 個技術狀態等級的關聯函數為：

2.3 權系數計算

由于各個評估指標對艦船離心泵技術狀態評估的作用有輕重之分，為了進行綜合評估，需要以權重系數來表示技術狀態指標的重要程度，在此采用專家打分法確定各個指標的權系數。

2.4 綜合關聯度及等級評定

關聯函數 K（v）只能表示艦船離心泵技術狀態評估的某一評估指標特性符合所劃分等級取值范圍的程度。當 K（v）≥ 1.0，表示待評估對象超過標準值上限，值越大開發潛力越大；當 0 ≤ K（v）≤ 1.0，表示待評估對象在標準范圍之內，值越大越接近標準上限；當 -1.0 ≤ K（v）≤ 0，表示被評估對象不符合標準，值越大越容易轉化；當 K（v）≤ -1.0，表示被評估對象不符合標準，又不具備轉化為標準對象的條件。令待評估指標關于第 j 個等級的關聯度為

比較不同等級綜合關聯度的大小以確定技術狀態評估結果，與等級 j 的關聯度越大，則表明離心泵的技術狀態與該等級集合的符合程度越好。假如，則評定 D 屬于等級 j。

3 實例研究

設 ci為某型離心泵技術狀態評估指標，依次表示流量（m3/h）、揚程（mH2O）、功率（kW）、轉速（r/min）、滑油溫度（℃）、噪聲（dB）和振動烈度（mm/s）。離心泵技術狀態等級分為優（I）、良（II）、中（III）、差（IV）四個等級

假設某型號離心泵技術狀態分級標準如表1 所示。表1 中的分級標準不夠明確具體，表中指標僅為額定分級值，沒有考慮各個指標的實際變化上限值和下限值。為此，參閱國軍標文獻，結合實際過程，得出流量的變化范圍為 10%、揚程為 5%、功率 5%、轉速 5%、滑油溫度 10%、噪聲 15% 以及振動烈度 3% 之內，進而可以得到具體的分級標準如表2 所示。待評估技術狀態指標如表3 所示。

表1 某型離心泵技術狀態分級標準Tab. 1 A centrifugal pump technology state grading standards

3.1 無量綱指標優化

從表1～表3 中可以發現，由于指標的量綱和數量級不同，直接利用原始數據評估，就可能突出那些數量級特別大的指標，而減弱甚至于排斥一些數量級較小的指標作用。因此需要對原始指標進行無量綱標準化處理。指標有正指標和負指標，正指標是指隨著指標實際值的增大，相應級別越高（如 c1，c2，c3，c4）；負指標是指隨著指標值的增大，相應級別越低（如c5，c6，c7）。因此對離心泵技術狀態分級標準和技術狀態指標監測數據采用式（7）進行歸一化處理。

表2 改進版某型離心泵技術狀態分級標準Tab. 2 Improved version ofacentrifugal pump technology state grading standards

表3 離心泵技術狀態指標檢測數據Tab. 3 The index detection data of the centrifugal pump technology state

式中，di為歸一化后的標準值；vi為未歸一化標準值；vmax，vmin分別為未歸一化時一個指標中的最大值和最小值。

3.2 離心泵技術狀態評估的物元模型

3.2.1 經典域與節域的確定

由表4 可得經典域為歸一化后的 4 個級別的分級標準取值范圍，離心泵技術狀態指標檢測數據如表5 所示。

表4 歸一化后的離心泵技術狀態分級標準Tab. 4 Normalized centrifugal pump technical state grading standard

表5 歸一化后的離心泵技術狀態指標檢測數據Tab. 5 Normalized index detection data of the centrifugal pump technology status

由節域定義和表4、表5 中的數值范圍可以確定節域 Rp，并由表5 中的數值確定待評估對象 RD。

3.2.2 綜合關聯度的計算

在確定經典域和節域后利用第 2.2 節關聯度計算公式（5）可以求得不同技術狀態等級下各個指標的關聯度，如表6 所示，該表顯示各指標與各技術狀態等級之間的關聯度。采用專家打分法可以求得各指標權重系數，具體數據見表6 第 7 列。

由綜合關聯度公式（6），并結合表6 數據，可以求得多指標加權求和的綜合關聯度：

KII（D）的值最大，即評定 D 屬于等級 II，當前技術狀態為良，這與模糊評判法的結果保持一致，同時符合離心泵的實際使用狀態情況，說明基于物元理論的艦船離心泵技術狀態評估的方法可行。

表6 不同等級下的各個指標關聯度Tab. 6 The correlation degree of each index of different grades

4 結 語

1）本文首次采用物元理論開展艦船離心泵技術狀態評估，拓展了艦船離心泵技術狀態評估的方法，有助于提高評估的可信度。

2）大部分文獻僅選取典型少數指標，忽略了其他指標對離心泵技術狀態評估的影響，本文在參閱有關標準等文獻基礎上，建立了艦船離心泵的多指標評估體系。

3）本文所提出的基于物元理論的技術狀態評估方法能起到補充借鑒作用。

不足之處是，不同型號設備的指標等級評估標準不同，在開展評估時，需要根據具體設備修改相應的評估標準。

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Ship centrifugal technical condition assessment based onmatter element theory

NIU Jian-zhao1,2, GENG Jun-bao1,2, WEI Shu-huan1,2, LIU Ling-gang1,2
(1.military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The assessment of the ship centrifugal pump technical condition is to improve the operational reliability of centrifugal pump, and is an importantmeans for the state to provide reasonablemaintenance decisions. To improve the technical condition assessment technology of themarine centrifugal pump, this paper systematically establishes evaluation index systembased on the available standards and other information, andmatter element theory is applied to assess the technical condition of centrifugal pump. On the basis of the quantification of the centrifugal pump, the operational condition of the centrifugal pump can be evaluated quantitatively, and the weight of each index can be given reasonably and quickly by using the expert scoringmethod, which can improve the accuracy of the evaluation. The case analysis proves that themethod is reasonable and effective for the condition assessment of the centrifugal pump based on the theory ofmatter element.

centrifugal pumps；technical condition；matter element theory；correlation degree

TJ83

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0094 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.018

2016 - 04 - 30；

2016 - 05 - 31

國家部委基金資助項目（9140A27040215JB11434）；中國博士后科學基金資助項目（2013T60921）

牛建釗(1991 - )，男，碩士研究生，研究方向為可靠性維修性保障性工程。