天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測探析

柳潔，李飛，張少龍，冒文輝，吳紅欽

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西 西安 710021）

天然氣壓縮機(jī)組故障（隱患）一般分為三類：一種是流體，它本質(zhì)上屬于天然氣壓縮機(jī)組熱性能故障；另一種是電氣性質(zhì)的，屬于天然氣壓縮機(jī)組電氣參數(shù)故障；還有一種是機(jī)械性質(zhì)，屬于機(jī)械功能故障。故障原因不同，反射的天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)信號也不同。為確定故障狀態(tài)而收集的狀態(tài)信號和所使用的分析方法也有所不同。天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究的重點(diǎn)是如何選擇建立方法和手段間接評估天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)。單個傳感器僅獲得研究對象的部分和單方面的信息，信息量相當(dāng)有限度，每個信息源可能會受到其自身質(zhì)量和性能噪聲的影響，并且所收集的信息通常不完整，且信息量較大。天然氣壓縮機(jī)組的在線監(jiān)測存在多種不確定性因素，有時甚至是錯誤的。因此，有必要集成和智能地處理來自不同來源的大量信息。天然氣壓縮機(jī)組系統(tǒng)是一個整體系統(tǒng)，每個組件都具有復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)，通常包括機(jī)械、液壓和電氣部分，各個組件之間的故障關(guān)系非常復(fù)雜。因此，這種類型的系統(tǒng)的故障診斷過程不能僅依靠單層信息，而應(yīng)該集成和融合所有層和類型的信息。天然氣壓縮機(jī)組多傳感器信息融合應(yīng)用系統(tǒng)可以充分利用多傳感器的各種信息對天然氣壓縮機(jī)組故障進(jìn)行綜合診斷，從而將單一故障診斷技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性提升數(shù)倍甚至達(dá)到質(zhì)變的目標(biāo)。多傳感器設(shè)備信息融合理論的研究為大型和復(fù)雜在線天然氣壓縮機(jī)組系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，信號預(yù)測甚至警報方案的制定提供了基礎(chǔ)，兩者是密不可分的整體。

天然氣壓縮機(jī)組多傳感器信息融合系統(tǒng)基礎(chǔ)原理是建立適合天然氣壓縮機(jī)組在線監(jiān)測和故障診斷的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，重點(diǎn)是對決策級融合方法進(jìn)行了深入研究，并采用DSET 融合診斷模型來實(shí)現(xiàn)多準(zhǔn)則融合技術(shù)，著重分析了基于D-S 證據(jù)理論的天然氣壓縮機(jī)組信息融合案例。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合的原理和層次結(jié)構(gòu)

1.1 基本原則

多傳感器數(shù)據(jù)融合，20 世紀(jì)70年代主要用于軍事領(lǐng)域。在1980年后期，隨著對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)和信號處理系統(tǒng)的需求不斷增加，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息融合已被廣泛研究并應(yīng)用于各行各業(yè)。其中，多源信息是信息融合的處理對象，協(xié)同優(yōu)化和綜合處理是信息融合的核心。簡而言之，數(shù)據(jù)融合是指在一定條件下自動分析，優(yōu)化和綜合來自多個傳感器或多個來源的觀測信息，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)的信息處理過程，從而獲得正確的決策權(quán)。對觀察對象的更準(zhǔn)確和可靠的描述。數(shù)據(jù)融合是一門綜合性理論，涉及數(shù)學(xué)及決策理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NLP、信號處理、通信技術(shù)、自動控制理論、人工智能AI、不確定性理論、計(jì)算機(jī)IT 科學(xué)等學(xué)科理論及方法。

1.2 層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)融合信息的層次結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有三種基本融合類型，即數(shù)據(jù)層融合、數(shù)據(jù)特征層融合和決策數(shù)據(jù)層融合。

1.2.1 數(shù)據(jù)層融合情況

在不對各種傳感器的原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之前，對數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行分析并在時間和空間上進(jìn)行組合。這種數(shù)據(jù)層融合的主要優(yōu)勢在于，它可以保持盡可能多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并提供其他融合級別無法提供的細(xì)微信息。主要缺點(diǎn)是：要處理的傳感器數(shù)據(jù)量太大，處理成本高，處理時間長，實(shí)時性差。對于這種數(shù)據(jù)級別的信息融合，檢測傳感器必須具有相同的類型，即觀察到的信息相同。數(shù)據(jù)層融合中使用的主要方法是：貝葉斯公式和卡爾曼濾波器。但是，這些方法的缺點(diǎn)主要是已知數(shù)據(jù)的先驗(yàn)概率和準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。

1.2.2 數(shù)據(jù)特征層結(jié)合情況

與屬于中間級別的數(shù)據(jù)層融合相比，數(shù)據(jù)特征層融合是在更抽象的數(shù)據(jù)級別上執(zhí)行的。首先，從傳感器的原始信息中提取代表性特征向量，然后對特征向量進(jìn)行綜合分析和處理，以形成統(tǒng)一的特征向量。并識別出融合特征向量。特征級融合的優(yōu)勢在于，它可以提高某些重要特征的準(zhǔn)確性，還可以生成新的組合特征，從而具有更大的靈活性。特征層融合中，使用的主要方法有模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等。

1.2.3 數(shù)據(jù)決策層整合情況

在每個數(shù)據(jù)源通道識別出目標(biāo)后，將多個數(shù)據(jù)源的識別結(jié)果融合在一起以做出最終決定。數(shù)據(jù)決策級融合直接針對特定的決策目標(biāo)，融合結(jié)果直接影響決策水平。決策級融合的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很高的靈活性。當(dāng)一個或多個傳感器發(fā)生錯誤時，通過適當(dāng)?shù)娜诤希到y(tǒng)仍然可以獲得正確的結(jié)果，因此容錯能力很強(qiáng)。研究表明，特征級融合應(yīng)該用于多個相似的傳感器。應(yīng)該使用不同類型（或獨(dú)立）的傳感器。

2 天然氣壓縮機(jī)組信息融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于不同天然氣壓縮機(jī)組參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測方法，研究了天然氣壓縮機(jī)組信息融合方法。從故障信息的不同影響角度出發(fā)，從單個熱力學(xué)參數(shù)、電參數(shù)或動力學(xué)參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)視得出的故障診斷方法是一種診斷標(biāo)準(zhǔn)，因此這三個診斷標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成了一組獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)。這里所謂的獨(dú)立準(zhǔn)則是指基于互不相同的故障信息的不同形式構(gòu)造的診斷準(zhǔn)則，并且每個準(zhǔn)則所使用的故障信息未被其他準(zhǔn)則所使用。

Dempster 教授在1967年首先提出了證據(jù)理論，由他的學(xué)生Shafer 于1976年進(jìn)一步發(fā)展起來的一種不精確推理理論。他提出證據(jù)理論是基于對某個假設(shè)的各種證據(jù)的組合來估計(jì)該假設(shè)的真實(shí)性。它是經(jīng)典概率論的擴(kuò)展。1970年中期，Dempster 的學(xué)生G.Shafer 大大擴(kuò)展和完善了該模型，并在此基礎(chǔ)上形成了處理不確定信息的理論，稱為D·S 證據(jù)理論（Dempster-Shafer 理論），簡稱DSET。D-S 證據(jù)理論比傳統(tǒng)的概率論理論能更好地把握問題的未知性和不確定性，因此已廣泛應(yīng)用于多傳感器數(shù)據(jù)融合中。

3 基于D-S 證據(jù)理論的天然氣壓縮機(jī)組信息融合診斷分析

閥門振動、排氣溫度和排氣壓力這三種類型的傳感器用于同時監(jiān)視螺桿天然氣壓縮機(jī)組氣門的兩種可能的故障：驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障（由故障A 表示）和閥盤損壞（由故障B 表示）。標(biāo)識框?yàn)椋ü收螦，故障B），屏幕集元素為（故障A）、（故障B）、（故障A，故障B），其中元素（故障A，故障B）不可區(qū)分。不論是故障A 還是故障B，請用不確定的代替。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，對三個傳感器進(jìn)行監(jiān)測后判斷A 和B 故障的可靠性如表1 所示。基本可靠性分配值和融合結(jié)果。

表1

根據(jù)DSET 組合規(guī)則，獲得三組故障可靠性值的組合故障可靠性值，

比較表1 和表2，可以看出，兩個傳感器1＆2、2＆3或1＆3 融合后，故障A 的可信度提高了，而故障B 的可信度降低了，多數(shù)據(jù)融合后的不確定性大于原來的單個傳感器，并且提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。三個傳感器融合后，診斷不確定性降低，融合后的基本可信度分布比以前更好分離，診斷能力大大提高。將這三個標(biāo)準(zhǔn)完全融合后，得到診斷結(jié)論，其信任度為0.9236，即故障A，即驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，遠(yuǎn)大于其他方式的信任度，不確定性非常大，小在0.0039。從該診斷結(jié)果可以看出，采用多準(zhǔn)則DSET 融合綜合診斷消除了模棱兩可的診斷狀態(tài)，突出了實(shí)際的故障模式，可靠性分布值高，非故障模式的可靠性值也高。削弱和不確定性性別也被大大削弱，從而得出更可靠的診斷結(jié)論。

表2

4 結(jié)語

基于多傳感器大數(shù)據(jù)融合的天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的理論和實(shí)踐，充分說明多傳感器大數(shù)據(jù)融合的天然氣壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測，是天然氣壓縮機(jī)組故障預(yù)判未來趨勢的利器，各天然氣壓縮機(jī)組制造商和使用者的必然選擇。