基于組合賦權法的絕緣機器人健康狀態評估

趙梓芬，田軍委*

（西安工業大學機電工程學院，陜西西安 710021）

絕緣機器人主要用于對高空裸露高壓線包覆絕緣材料，需要完成行走、供材、包覆等多重功能，隨著系統集成化、信息化、智能化程度較高，系統間、部件間的聯系和耦合更加緊密，任一關鍵部件或關鍵子系統運行故障都有可能影響設備正常運行，因此可靠性對于設備正常工作至關重要，對機器人健康狀態進行綜合評估對機器人運行的穩定性、高效性具有重要意義。主流評估方法有層次分析法、D-S 證據理論、馬氏距離、熵權法、杰色關聯法、隱馬爾科夫、最小二乘支持向量機[1]等。本研究的作者結合改進的層次分析法與熵權法來得到綜合權重，對于構建隸屬度函數的問題，采用基于中心點型的白化權函數，完成底層指標及機器人整體的健康狀態評估。

1 絕緣機器人健康狀態評估體系建立

1.1 絕緣機器人健康狀態評估方法

絕緣機器人由不同的分立系統構成，對于機器人這樣一個信息不完全的系統，將其視為杰色系統，用分析和確定各因素間影響程度的分析方法來實現健康狀態評估[2]。對于如何解決權重分配問題，采用層次分析法和熵權法組合的賦權法，層次分析法將決策問題分解為不同的層次結構，按照各層次中不同因素間的重要程度將評判因子轉換成評判舉證，獲得合理權重[3]；熵權法用熵值來判斷各指標的離散程度，以此反映不同因素在評估過程中的權重[4]。這樣的組合賦權可以同時反映主客觀信息，使權重更科學合理。然后通過杰色聚類法和模糊綜合評價法完成絕緣機器人的健康狀態評估。

1.2 健康狀態評估指標體系

為全面反映絕緣機器人健康狀態，按功能模塊將機器人分為提升子系統、成型加熱子系統、行進子系統、切斷子系統4 個可影響設備工作可靠性的子系統。分析影響健康狀態的指標，建立指標體系見圖1。

圖1 絕緣機器人健康狀態指標體系

2 絕緣機器人健康狀態評估模型

2.1 指標標準化處理

對指標體系中的指標進行分類，可以分為越大越優型指標和越小越優型指標。

越大越優型指標標準化表達式為

式中：x 為標準化后的指標數值；X 為指標實際運行值；Xmax為指標運行上限值；Xmin為指標運行下限值。越小越優型指標標準化表達式為:

式中：x 為標準化后的指標數值；X 為指標實際運行值；X'max為指標運行上限值；X'min為指標運行下限值。

2.2 健康狀態評估指標權重確定

2.2.1 改進層次分析法

層次分析法用來確定指標主觀權重，按照指標間的相互關聯影響兩兩比較，也就是指標之間的重要程度比較，從而構成判斷矩陣，矩陣定義如下

判斷矩陣元素的判斷標準定量采用1～9 標定法[6]。

在傳統的層次分析法中，由于比較結果具有主觀性，需要通過一致性檢驗來判斷矩陣是否具有一致性，否則就要對矩陣進行調整，為了避免多次調整，本文采取改進層次分析法，計算判斷矩陣的擬優化傳遞矩陣使其滿足一致性檢驗[5]。計算過程如下：

（1） 將判斷矩陣轉化為反對稱矩陣B

（2） 解得最優傳遞矩陣C 為

（3） 得到擬優化傳遞矩陣

求得擬優化傳遞矩陣后采用規范列平均法求最大特征值對應的特征向量W，該向量就是權重向量，計算過程如下：

（1） 對每列元素歸一化處理

（2） 將規范化后的判斷矩陣按列相加

（3） 對向量做歸一化處理

得到的wi就是指標的權重向量。

2.2.2 熵權法

熵權法用來確定指標客觀權重，指標的異常程度越小，所反映的信息量也越少，其對應的權值也越低。計算步驟如下：

（3） 計算第i 個指標的熵向量為

組合賦權法求取綜合權重，wi、vi分別是改進層次分析法和熵權法求得的權重主客觀向量，指標組合權重向量為：

2.2.3 杰色聚類法

杰色聚類法是用來定量評估對象是否屬于某一杰類的方法，通過白化權函數，計算各聚類對象對不同指標擁有的白化權值，以此來區分杰類[7]。

根據最大隸屬度原則根據最大隸屬度原則，判斷系統i 在指標j 下屬于何種杰類，即系統處于何種健康狀態。健康狀態等級和對應白化權函數見表1。

表1 健康狀態等級和對應白化權函數

3 實驗驗證

3.1 子系統健康狀態評估

根據成型加熱子系統的狀態數據，根據式(1)～式(2)原始數據進行無量綱處理，處理結果見表2。

表2 成型加熱子系統狀態無量綱處理數據

構建成型加熱子系統判斷矩陣見表3。

表3 構建成型加熱子系統判斷矩陣

根據式(4)～式(14)求得成型加熱子系統聚類系數。

根據最大隸屬度原則，判斷該組數據下成型加熱子系統處于健康狀態。同理可對其他子系統進行健康狀態評估，結果見表4。

表4 絕緣子系統第一組數據評估向量

3.2 機器人健康狀態評估

根據表5 建立整體健康狀態評估矩陣并建立子系統層析分析法判斷矩陣，求得絕緣機器人綜合評估向量。

根據最大隸屬度原則，判斷絕緣機器人處于良好狀態，技術指標均在正常范圍內，能夠完成所有功能。與機器人實際運行情況相符。

采集150 組絕緣機器人運行數據，采用組合賦權的健康狀態評估方法進行評估，與采用單一的熵權法和層次分析法進行評估，對評估結果準確度進行比較，結果見表5。由表5 可知，組合賦權法對絕緣機器人運行健康狀態的評估準確度明顯高于采用單一評估方法的準確度。

表5 不同健康狀態評估方法準確度比較

4 結論

為絕緣機器人健康狀態進行評估提供了新的方法，實現了對運行狀態的實時監測，可以有效降低機器人工作安全隱患，并減少不必要的財產損失且評估結果表明，采用組合賦權法的評估方式，其評估準確率要高于采用單一賦權法的評估準確率。