基于Ment-Coarl法的鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕快速診斷技術(shù)

冶金祥 劉小兵 王 鵬 任永軍 殷顯珺 何 遠(yuǎn) 石發(fā)才

(中國(guó)電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810008)

1 概述

長(zhǎng)期以來，受限于變電站鋼結(jié)構(gòu)廠房在役運(yùn)行工況的復(fù)雜性，綜合多因素的快速診斷辨識(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工程安全管理的重要軟技術(shù)支撐。Saptarshi Sasmal[1]、李佩云等[2]專家，應(yīng)用層次分析法對(duì)橋梁構(gòu)件的腐蝕、老化、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等諸多關(guān)鍵因素開展綜合評(píng)估，科學(xué)預(yù)測(cè)橋梁安全性狀，較好保障了橋梁安全的可靠運(yùn)行。近年來，基于多指標(biāo)因素構(gòu)建綜合辨識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全災(zāi)度等級(jí)評(píng)定[3]，較好滿足了工程管理快速化診斷的需要。但受限于評(píng)估權(quán)向量主觀性以及工程運(yùn)行響應(yīng)的滯后性，綜合多指標(biāo)因素的快速診斷依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)和主觀局限性，直接導(dǎo)致評(píng)定成果的科學(xué)性和客觀性不足，制約了快速化診斷技術(shù)的工程應(yīng)用。

基于Monte-Carlo方法通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣，發(fā)生置信程度解決復(fù)雜工程問題，思路相對(duì)簡(jiǎn)單，客觀性較好，能夠有效解決工程診斷和辨識(shí)的客觀性問題。黃殿勛等[4]學(xué)者，應(yīng)用Monte-Carlo模擬法對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和電能交易等實(shí)現(xiàn)客觀性和科學(xué)性評(píng)估；孫海虹[5]、鄧旭陽等[6]應(yīng)用Monte-Carlo模擬法，有效地解決實(shí)際工程存在客觀性的問題，通過抽樣、模擬、訓(xùn)練等方式，從而構(gòu)建適合工程安全性狀快速診斷與辨識(shí)的模型，滿足工程快速定性、定量的需求。

2 鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕性狀快速診斷模型

腐蝕是影響鋼結(jié)構(gòu)抗力的關(guān)鍵影響因素[7]，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕將引起構(gòu)件截面變小，承載力下降，當(dāng)外部應(yīng)力超過剩余極限強(qiáng)度時(shí)，最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞，從而降低了鋼結(jié)構(gòu)的整體可靠性。由此可知，腐蝕評(píng)估對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)廠房安全性狀診斷具有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕的快速診斷模型

鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕性狀的安全診斷涉及多種影響因素，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕規(guī)律、腐蝕特點(diǎn)以及行業(yè)的相關(guān)規(guī)范要求[8]，以影響結(jié)構(gòu)抗力為主要內(nèi)容，確定相對(duì)腐蝕量、腐蝕分布、腐蝕外觀形貌以及防腐涂層蝕厚等在役因素作為主要的診斷指標(biāo)，建立鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕的快速診斷評(píng)價(jià)矩陣。其中基于蒙特卡洛模擬的快速診斷模型算法見圖1。

A=[w]·[φ]

(1)

其中，[w]為量綱評(píng)價(jià)矩陣；[φ]為鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕的評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集合。

2.2 蒙特卡洛模擬法的基本原理[9]

蒙特卡洛模擬法用隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)模擬解決非確定性問題[10]，構(gòu)建一種服從指定函數(shù)分布的隨機(jī)模擬模型，對(duì)指標(biāo)因素x進(jìn)行重復(fù)性抽樣實(shí)驗(yàn)，從而近似確定該x，通過抽樣、計(jì)算該函數(shù)分布的統(tǒng)計(jì)特征區(qū)間。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕影響問題，進(jìn)行蒙特卡洛模擬，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)廠房安全運(yùn)行的各指標(biāo)因素，建立狀態(tài)函數(shù):

w(φ)=w(x1,x2,…,xn)

(2)

2.2.1蒙特卡洛模擬法的取值

2.2.2因素指標(biāo)的等級(jí)劃分

結(jié)合相關(guān)研究成果[11]，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的腐蝕狀況等級(jí)劃分為：輕微(Ⅰ級(jí))、一般(Ⅱ級(jí))、較重(Ⅲ級(jí))、嚴(yán)重(Ⅳ級(jí))、受損(Ⅴ級(jí))五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)廠房防腐規(guī)范，對(duì)各單一因素指標(biāo)分別給出五個(gè)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的劃分指標(biāo)，如表1所示。

表1 腐蝕單一因素指標(biāo)災(zāi)度等級(jí)

3 工程應(yīng)用

3.1 基于正態(tài)分布3σ原則的因素指標(biāo)φ取值訓(xùn)練

本文采用青海某變電站鋼結(jié)構(gòu)廠房各腐蝕因素指標(biāo)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，得到各因素指標(biāo)的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

采用3σ原則對(duì)檢測(cè)的各腐蝕指標(biāo)因素進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)，使得因素指標(biāo)φ的取值集中在(μ-3σ,μ+3σ)區(qū)間內(nèi)，見統(tǒng)計(jì)圖2。

3.2 基于蒙特卡洛模擬法的快速診斷模型的應(yīng)用

因素指標(biāo)φi根據(jù)腐蝕的特性和3σ原則，得到基于蒙特卡洛進(jìn)行模擬抽樣因素指標(biāo)φi的訓(xùn)練區(qū)間{x1,x2,x3,x4}∈[xL,xU]，進(jìn)行歸一化處理，再通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器函數(shù)Rnd()產(chǎn)生(0,1)區(qū)間內(nèi)等概率密度分布的隨機(jī)抽樣取值，重復(fù)N次，得到因素指標(biāo)φi的取值區(qū)間，如表2所示。

表2 蒙特卡洛模擬訓(xùn)練的因素指標(biāo)取值

3.3 安全等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)V的取值與訓(xùn)練

鋼結(jié)構(gòu)廠房安全等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值主要依據(jù)專家評(píng)估的方法進(jìn)行取值，本文依據(jù)眾多專家的專業(yè)知識(shí)、智慧和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全等級(jí)定量分析與定性評(píng)估，如圖3所示。經(jīng)專家現(xiàn)場(chǎng)的巡視、監(jiān)測(cè)以及專業(yè)知識(shí)判斷，評(píng)估青海某變電站鋼結(jié)構(gòu)廠房的腐蝕等級(jí)為二級(jí)，獲取專家安全等級(jí)評(píng)估數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 蒙特卡洛模擬法的安全評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的取值

3.4 評(píng)價(jià)因素φ的災(zāi)害隸屬度函數(shù)

對(duì)于單一影響因素，按相應(yīng)等級(jí)下的隸屬函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可獲得該因素指標(biāo)的模糊識(shí)別矩陣H。采用半梯形分布法，構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)廠房快速診斷的等級(jí)評(píng)估隸屬函數(shù)。

(3)

其中，H為模糊識(shí)別評(píng)估矩陣；X為單一因素中各個(gè)評(píng)價(jià)因子；m為評(píng)價(jià)V為腐蝕病害的等級(jí)；LVi為巡視檢測(cè)性狀的災(zāi)度評(píng)估隸屬函數(shù)；i為第i個(gè)單一評(píng)價(jià)因素指標(biāo)；x1，…，x4為單一評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的臨界標(biāo)準(zhǔn)值；u為單一評(píng)價(jià)因素的評(píng)估賦值。

3.5 腐蝕快速診斷量綱評(píng)價(jià)矩陣[w]的模擬

基于Monte-Carlo模擬抽樣訓(xùn)練得到的鋼結(jié)構(gòu)廠房腐蝕因素指標(biāo)集[φ]、安全等級(jí)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集[V]，采用式(4)模擬計(jì)算腐蝕快速診斷量綱評(píng)價(jià)矩陣的單一因素wi，得到單一因素的數(shù)值集合，依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與Monte-Carlo訓(xùn)練，得到準(zhǔn)確單一因素值。

[w]=[v1v2v3v4]·[x]=[w1w2w3w4]

(4)

其中，v為表3等級(jí)取值；x為各因素指標(biāo)的基于訓(xùn)練的隨機(jī)取值。經(jīng)式(4)依次模擬計(jì)算w1,…,w4，得到腐蝕快速診斷評(píng)價(jià)量綱矩陣[w]。

[w]=[0.65 1.12 0.85 0.74]。

3.6 基于Monte-Carlo模擬法的安全快速診斷識(shí)別

對(duì)各單影響因子，按式(3)構(gòu)建樣本的模糊識(shí)別評(píng)估矩陣H，結(jié)合快速診斷評(píng)價(jià)量綱矩陣W，實(shí)現(xiàn)多種因素(現(xiàn)象)的綜合評(píng)估，如表4所示。

表4 鋼結(jié)構(gòu)廠房檢修巡視檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1)根據(jù)快速診斷結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)廠房的綜合多因素最大隸屬度指數(shù)為2.937，根據(jù)最大隸屬度原則可以確定，其鋼結(jié)構(gòu)廠房安全檢查性狀呈現(xiàn)Ⅱ級(jí)災(zāi)度特征。

2)本文引入了“快速化診斷”評(píng)估技術(shù)滿足鋼結(jié)構(gòu)廠房的日常巡視監(jiān)測(cè)需要。通過綜合多因素最大隸屬度原則，形成鋼結(jié)構(gòu)廠房性狀檢查定性、快速化的評(píng)估，較好地解決了鋼結(jié)構(gòu)廠房在安全運(yùn)行評(píng)估過程的模糊性和不確定問題。

3)根據(jù)蒙特卡洛模擬法可以得到安全診斷識(shí)別量綱評(píng)價(jià)矩陣，為相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全快速化診斷提供重要支撐技術(shù)。

4)應(yīng)用Monte-Carlo模擬法的快速化診斷技術(shù)，有效地提高鋼結(jié)構(gòu)廠房安全運(yùn)行的管理質(zhì)量、真實(shí)性及準(zhǔn)確性，以直觀明確的診斷方式反饋決策者，及時(shí)預(yù)警險(xiǎn)情，提供安全的決策信息。