承壓設(shè)備損傷模式智能識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用研究

馬 波 王 星 邢 述

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 北京 100029）（2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)（RBI）技術(shù)是目前在船舶、化工領(lǐng)域應(yīng)用較為前沿的技術(shù)[1-2]，設(shè)備的檢驗(yàn)維修從傳統(tǒng)定期檢驗(yàn)方式發(fā)展為基于設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的檢驗(yàn)方式，不僅能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的破壞可能，避免惡性事故的發(fā)生，而且極大的優(yōu)化檢驗(yàn)資源，延長設(shè)備使用年限，提升了企業(yè)效益。RBI技術(shù)的重點(diǎn)包括設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)策略制定，需要對(duì)設(shè)備的損傷模式和損傷機(jī)理進(jìn)行識(shí)別和確定，由于不同的損傷機(jī)理所對(duì)應(yīng)的損傷因子計(jì)算方法不同，而損傷因子又直接影響風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的結(jié)果，此外檢驗(yàn)策略制定需要根據(jù)損傷模式和損傷機(jī)理“對(duì)癥下藥”。但是由于設(shè)備服役環(huán)境復(fù)雜、產(chǎn)品介質(zhì)成分多，要準(zhǔn)確判斷屬于哪類損傷模式需要相關(guān)人員具備材料學(xué)、腐蝕與防護(hù)、化工工藝、力學(xué)、無損檢測(cè)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，并且需要對(duì)相應(yīng)設(shè)備有足夠的了解。目前對(duì)于損傷模式識(shí)別方法主要參考GB/T 30579[3]和GB/T 22610.4[4]，由具備專業(yè)資質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員進(jìn)行判斷和確定，人力資源消耗大，工作效率低下。

本文針對(duì)承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別目前存在的問題進(jìn)行研究，以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)提出了新型損傷模式識(shí)別方法，分析得出識(shí)別損傷模式的關(guān)鍵特征指標(biāo)，找出特征指標(biāo)與損傷模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并基于規(guī)則推理引擎建立損傷模式識(shí)別規(guī)則庫，構(gòu)建了承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別系統(tǒng)，解決了以往單純依賴專業(yè)人員的識(shí)別方法，同時(shí)也提高了損傷模式識(shí)別的效率和準(zhǔn)確性，具有不錯(cuò)的工程應(yīng)用前景。

1 承壓設(shè)備常見的損傷模式和判斷方法

損傷模式指設(shè)備的失效模式，不同的損傷模式均會(huì)導(dǎo)致承壓設(shè)備破損、效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)重大安全事故[5]。因此如果能在承壓設(shè)備使用早期就識(shí)別出設(shè)備的損傷模式，進(jìn)而根據(jù)損傷模式的特點(diǎn)制定合理的維護(hù)措施，就能延長設(shè)備使用壽命，減少安全事故的發(fā)生。

承壓設(shè)備的損傷模式主要包括腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、外部損傷和脆性斷裂，每種損傷模式又分為若干種損傷機(jī)理[5]，見表1。

表1 承壓設(shè)備常見的損傷模式和對(duì)應(yīng)損傷機(jī)理

損傷模式的識(shí)別主要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和專家經(jīng)驗(yàn)，在GB/T 22610.4中提供了通過條件匹配的方式進(jìn)行損傷模式識(shí)別的方法。表2中，左側(cè)是條件，右側(cè)是結(jié)果，根據(jù)設(shè)備的相關(guān)信息，滿足相應(yīng)的篩選條件，則表明設(shè)備具有相應(yīng)的損傷模式。這種判斷方法相當(dāng)煩瑣，需要回答所有的問題才能給出結(jié)果，另外由于問題不夠規(guī)范，容易引起歧義導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

表2 損傷機(jī)理識(shí)別方法

通過對(duì)損傷機(jī)理對(duì)應(yīng)的篩選條件分析和研究，并參考了專家在解決此類問題時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，選取最能反映設(shè)備損傷模式的特征參數(shù)。找出特征參數(shù)與損傷機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)，建立損傷模式識(shí)別規(guī)則庫，通過特征參數(shù)的狀態(tài)就可以推斷出設(shè)備存在的損傷模式和其對(duì)應(yīng)的損傷機(jī)理。

2 損傷模式知識(shí)規(guī)則庫建立

對(duì)于損傷模式的識(shí)別判斷是從表征推斷本征，在承壓設(shè)備和其服役環(huán)境相互作用下，主要考慮材料和環(huán)境的作用，綜合考慮狀態(tài)參數(shù)對(duì)損傷模式識(shí)別的影響權(quán)重，從設(shè)備基本信息、運(yùn)行環(huán)境以及日常維護(hù)三個(gè)方面得出了最具代表性的7個(gè)特征參數(shù)作為規(guī)則的前提條件，給每個(gè)特征參數(shù)分配唯一的特征編碼，依次為“Q1、Q2、Q3、…”，并且規(guī)定了每個(gè)特征參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)值型、布爾型和枚舉型，見表3。

表3 損傷機(jī)理判斷特征參數(shù)

通過搜集300多個(gè)承壓設(shè)備評(píng)估報(bào)告，根據(jù)特征參數(shù)與損傷模式之間的關(guān)系，并參考行業(yè)內(nèi)權(quán)威專家的經(jīng)驗(yàn)建立知識(shí)規(guī)則表，見表4，“A01、A02、B01、…”代表規(guī)則編號(hào)，每條規(guī)則對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)輸入組合，如果事實(shí)符合則根據(jù)推理得出對(duì)應(yīng)的損傷機(jī)理。

知識(shí)庫中的每條規(guī)則解釋一個(gè)用于判斷識(shí)別的知識(shí)框架。規(guī)則使用IF-THEN表達(dá)，其中IF部分叫作前提，THEN叫推理。使用規(guī)則引擎的優(yōu)點(diǎn)在于規(guī)則庫可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)充，新的判斷條件也可以添加到規(guī)則庫中，保證規(guī)則庫的準(zhǔn)確、全面和高效[6]。此外，還需要建立常壓設(shè)備材料庫和介質(zhì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，盡可能多的覆蓋所有的涉及的相關(guān)材料和介質(zhì)，在進(jìn)行推理判斷時(shí)，選擇相應(yīng)的材料或者介質(zhì)，可以直接在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)參數(shù)，可以極大提升判斷識(shí)別的效率。

表4 損傷模式規(guī)則表

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 Drools規(guī)則引擎簡(jiǎn)介

本文基于Drools規(guī)則引擎建立了損傷模式的識(shí)別系統(tǒng)，Drools（又稱JBoss Rules）是用JAVA語言編寫的規(guī)則引擎，是Drools開源社區(qū)的項(xiàng)目，該引擎采用了Rete算法，并提供了自己的規(guī)則語言[7]。主要由三部分組成：事實(shí)庫、規(guī)則庫和推理機(jī)，工作執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 規(guī)則引擎工作流程

1）事實(shí)庫中的事實(shí)對(duì)象加載進(jìn)入Drools工作內(nèi)存，利用模式匹配器與規(guī)則庫中的產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行匹配，滿足匹配的規(guī)則會(huì)被激活并放入議程中。

2）匹配的過程中可能同時(shí)激活多個(gè)相互沖突的規(guī)則，議程會(huì)根據(jù)相應(yīng)的沖突決策方法進(jìn)行內(nèi)部分規(guī)則排序。

3）依次執(zhí)行議程中的規(guī)則，有些規(guī)則的執(zhí)行會(huì)導(dǎo)致其他規(guī)則被激活，重復(fù)執(zhí)行上述步驟，直到所有的規(guī)則執(zhí)行結(jié)束。

使用Drools規(guī)則引擎的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則和系統(tǒng)框架的分離，更專注于業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)和應(yīng)用，有效降低應(yīng)用程序的復(fù)雜性，減少維護(hù)成本。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)Drools規(guī)則引擎和損傷模式識(shí)別方法的特點(diǎn)，建立損傷模式推理識(shí)別系統(tǒng)，主要包括三個(gè)模塊：推理引擎模塊、業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)模塊和頁面交互模塊。如圖2所示，核心推理部分由推理引擎實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)邏輯部分由業(yè)務(wù)邏輯組件處理，業(yè)務(wù)邏輯將給定的事實(shí)條件交給規(guī)則引擎，Drools規(guī)則引擎在給定的事實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)則的匹配和推理，將推理結(jié)果返回給用戶，同時(shí)從用戶處獲取輸入事實(shí)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

使用JAVA語言進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：創(chuàng)建Drools項(xiàng)目工程。

步驟2：根據(jù)編寫好的規(guī)則表，編寫規(guī)則文件。

步驟3：編寫業(yè)務(wù)邏輯層和處理事實(shí)對(duì)象的Java Bean類，可以在規(guī)則中對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行任何讀寫操作。

步驟4：設(shè)計(jì)用戶交互界面。

步驟5：創(chuàng)建測(cè)試文件，對(duì)規(guī)則文件進(jìn)行測(cè)試。

其中，在Drools中規(guī)定了規(guī)則文件的編寫形式和特點(diǎn)，同時(shí)也規(guī)定了規(guī)則文件的調(diào)用和執(zhí)行，可以使用后綴為.DRL的文件，也可以使用XML和EXCEL表格文件來儲(chǔ)存規(guī)則。如果使用其他的規(guī)則引擎則需要遵循其對(duì)應(yīng)的編寫規(guī)定。

4 實(shí)際應(yīng)用

本文所提出的基于規(guī)則引擎的損傷機(jī)理識(shí)別系統(tǒng)在某燃料油廠儲(chǔ)罐完整性管理系統(tǒng)中應(yīng)用，該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。損傷機(jī)理識(shí)別相關(guān)的特征參數(shù)可以直接從管理系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，缺失的數(shù)據(jù)項(xiàng)通過輔助判斷，就可以迅速得出設(shè)備存在的所有相關(guān)損傷機(jī)理，為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算和檢驗(yàn)維修策略的制定提供參考。

圖3 損傷模式推理識(shí)別輸入界面

圖4 損傷機(jī)理推理識(shí)別結(jié)果

表5 損傷模式識(shí)別判斷結(jié)果

通過對(duì)該廠的249臺(tái)儲(chǔ)罐壁板和底板損傷模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐的損傷模式以腐蝕減薄為主，如果安裝了保溫層則要考慮保溫層下的腐蝕（CUI），脆性斷裂和腐蝕開裂很少出現(xiàn)，分析結(jié)果與實(shí)際情況相符，除一些生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行條件特殊的情況需要專家輔助判斷外，本系統(tǒng)都能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐損傷模式識(shí)別判斷，從工程應(yīng)用方面是不錯(cuò)的嘗試。

5 總結(jié)

本文針對(duì)以往承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別判斷時(shí)存在的問題，對(duì)傳統(tǒng)的識(shí)別判斷方法進(jìn)行分析和探討，結(jié)合行業(yè)內(nèi)專家經(jīng)驗(yàn)，提出了新的解決思路，主要做了以下兩方面工作：

1）從損傷模式本質(zhì)出發(fā)， 考慮材料和環(huán)境的影響，得出損傷模式識(shí)別判斷影響權(quán)重最高的7種表征參數(shù)，并建立了表征參數(shù)與損傷模式之間的關(guān)聯(lián)，極大地簡(jiǎn)化了損傷模式識(shí)別判斷復(fù)雜度。

2）結(jié)合上述方法的特點(diǎn)，提出了基于規(guī)則引擎的損傷模式識(shí)別方法，并構(gòu)建了損傷模式識(shí)別判斷的知識(shí)規(guī)則庫。并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，開發(fā)了基于Drools規(guī)則引擎的損傷模式識(shí)別判斷系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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