CN106096227A - 回转平台液压系统运行安全性定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，包括以下步骤：步骤一、确定液压系统的部件故障类型，构建部件故障对安全性的影响因素集和评价指标集，计算各因素的权重以及评价矩阵，动态计算各部件故障的风险；步骤二、利用层次分析构建液压系统部件故障对运行安全性的权重模型，计算出底层部件故障对系统运行安全性的权重矩阵；步骤三、应用灰色关联度计算权重的关联系数矩阵，综合权重矩阵和关联系数矩阵计算液压系统运行安全性等级。本发明通过液压系统部件故障对系统运行安全性的影响程度关联关系的量化描述，应用层次分析法和灰色关联度定量计算系统运行安全性等级，实现了液压系统运行安全性的量化评估。

Description

回转平台液压系统运行安全性定量评估方法

技术领域

本发明涉及系统安全性评估领域，具体涉及发射场回转平台液压系统故障风险分析和基于层次分析和灰色关联度的运行安全等级定量计算方法。

背景技术

发射塔回转液压系统是航天发射场地面设施的重要组成部分，担负着航天发射塔回转平台及摆杆的驱动任务，其运行安全性直接影响发射塔的工作性能与发射任务的进程。发射场液压系统安全性评估，通过在线监测系统或离线检测系统获取表征液压系统部件和设备健康状态的运行数据，综合分析各类部件故障对系统运行安全性的影响权重，应用安全性评估指标、算法和模型对设备和系统运行安全性进行评估。

液压系统使用环境恶劣，运行过程原始数据少、统计特性不明显，同时各个原件在封闭的油路内工作，使得液压装置故障表现出隐蔽性强，位置不确定等特点。在发射过程中可能出现诸如：有异常响声、平台打开不能到位、不能正常合拢、压力表内进油、升降油缸不同步等诸多问题，严重影响系统的可靠性和发射任务的安全性。因此，在发射任务前和运行过程中，对液压系统进行全面、准确的状态监测和运行工况量化评估可以有效提高液压系统运行可靠性和安全性。

目前对液压系统安全性评估方法的研究还处于起步阶段，多以定性分析为主，评价缺乏系统性。传统的定性分析方法，如安全检查表、预先危险分析、故障模式与影响分析、危险可操作性分析等方法。这些方法不能准确的量化液压系统部件如液压泵、液压蓄压器、安全法等故障对系统安全性的影响，也并不能给出相应的数值对系统的安全性进行准确描述。

当前的液压系统安全性定性方法完成定性评估，但在定量评估方面具有分析不全面、不能准确量化故障对系统的影响程度等特点。从安全性评估技术的发展来看，定量评估是液压系统运行安全评估与决策的发展趋势。因此，亟需回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，为航天发射场地面设备运行安全性评估和发射决策提供支持。

发明内容

基于以上问题，本发明为航天发射场回转平台液压系统在航天器测试和发射任务流程中各部件故障下的运行安全性评估提供一种量化计算方法。解决回转平台液压系统部件故障风险分析、故障对运行安全性权值矩阵以及权值之间相关度的量化计算问题，实现液压系统运行安全性等级的定量计算。

为了实现以上目的，本发明航天发射场回转平台液压系统运行安全性评估方法，具体包括以下步骤：

S1：液压系统运行状态数据获取与归一化处理；

S2：液压系统部件故障模式，故障影响及故障风险计算；

S3：利用层次分析得出液压系统中各个组件故障对系统安全性的影响权重；

S4：通过灰色关联度计算各影响权重的关联系数矩阵，综合影响权重和稀疏矩阵计算液压系统的运行安全性等级。

步骤S2中液压系统部件故障模式及其风险分析步骤如下：

S21：建立液压系统部件故障集，统计回转平台液压系统中动力元件、执行元件和控制元件以及辅助元件的故障类型；

S22：部件故障严重度影响因素集，以故障造成的设备损失、维修成本、对操作人员的危害以及环境影响构建计算要素集；

S23：分别针对各类故障对各个故障严重度影响因素的作用程度，建立故障对四类因素的影响程度等级；

S24：构建故障严重度的评价矩阵；

S25：结合历史运行数据和统计信息，计算各类部件故障的发生概率；

S26：通过部件故障概率和相对应的严重度，建立液压系统故障风险计算模型；

步骤S3中的基于层次分析的部件故障对系统运行安全性权值矩阵计算，具体步骤如下：

S31：建立递阶层次结构，将不同部件故障风险程度的故障分为若干组，形成不同的层次；

S32：构造两两比较的判断矩阵，利用不同故障的风险程度构建间接判断矩阵；

S33：通过层次单排序，计算单一权重向量；

S34：计算一致性指标，对判断矩阵进行一致性检验；

S35：分析中间层和底层之间的相互关系得出判断矩阵。

S36：分别计算出各个中间层判断矩阵最大特征值对应的特征向量

S37：计算一致性指标，对中间层判断矩阵进行一致性检验；

S38：计算出底层组件对总评估目标的权重矩阵。

步骤S4中的基于灰色关联度的权重关系矩阵和安全性等级计算，其具体步骤如下：

S41：得出优先数值序列；

S42：计算数值序列中各个参数之间的关联系数，得出关联系数矩阵；

S43：将步骤S37中的权重矩阵和步骤S42中的关联系数矩阵相乘，得出液压系统适应度向量；

S44：求出适应度向量中的最大值，其所对应的参数为整个液压系统的安全性等级。

本发明确定了以设备损失、维修成本、对操作人员的危害以及环境影响的故障严重度评价要素和严重度影响等级，通过故障概率和故障风险定量计算液压系统部件的故障风险。应用层次分析确定部件故障与系统运行安全性之间的相关关系；通过灰色关联度分析实现各部件故障的相关关系，综合权重指标和关联系数矩阵量化计算液压系统运行安全性等级。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是回转平台液压系统运行安全性定量评估方法的流程图；

图2是航天发射场液压系统层次结构；

图3是回转平台液压系统系统运行安全性评估过程；

图4是液压系统部件故障风险计算过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的航天发射场液压系统运行安全性评估与决策方法主要包括液压系统运行状态数据获取，利用层次分析计算部件故障对液压系统运行安全性的影响权重矩阵，应用灰色关联度获取各权重的关联度矩阵，通过权重矩阵和关联度矩阵建立安全性等级评估计算模型，包括以下步骤：

S1：液压系统运行状态数据获取与归一化处理；

S2：液压系统部件故障模式，故障影响及故障风险计算；

S3：利用层次分析得出液压系统中各个组件故障对系统安全性的影响权重；

S4：通过灰色关联度计算各影响权重的关联系数矩阵，综合影响权重和稀疏矩阵计算液压系统的运行安全性等级。

液压系统部件故障模式及其风险分析步骤如下：

S21：建立液压系统部件故障集，统计回转平台液压系统中动力元件、执行元件和控制元件以及辅助元件的故障类型，回转平台液压系统中主要故障元件包括液压泵、液压马达、主阀等。

S22：部件故障严重度影响因素集，以故障造成的设备损失(f₁)、维修成本(f₂)、对操作人员的危害(f₃)以及环境影响(f₄)构建计算要素集F，F＝{f₁,f₂,f₃,f₄}；

S23：结合国军标GJB 900-90《系统安全性通用大纲》建立故障对四类因素的影响程度等级：灾难(s₁)、严重(s₂)、轻度(s₃)和轻微(s₄)，分别针对各类故障对各个故障严重度影响因素的作用程度S，S＝{s₁,s₂,s₃,s₄}；

S24：构建故障严重度的评价矩阵；应用故障因素集F和严重程度评价S，构成液压系统部件故障评价矩阵K，其中k_ij表示部件故障第i个因素与故障作用程度第j个等级之间的隶属关系；

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}& k_{14}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}& k_{24}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}& k_{34}\\ k_{41}& k_{42}& k_{34}& k_{44}\end{array}\right]$

S25：结合历史运行数据和统计信息，计算各类部件故障的发生概率P_f；

S26：分别设置故障严重度作用因素f₁，f₂，f₃，f₄和故障发生概率P_f的权重向量Ω＝{η₁,η₂,η₃,η₄}，和液压系统的部件i故障概率风险模型

层次分析方法的具体步骤如下：

S31：建立递阶层次结构，将不同部件故障风险程度的故障分为若干组，形成不同的层次；

S32：构造两两比较的判断矩阵，根据步骤S26中故障i的安全风险r_i，则r_i与r_j之间的相互影响为u_ij＝r_i/r_j，u_ji＝r_j/r_i，得出间接判断矩阵

$U=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& ...& u_{1m}\\ u_{12}& u_{22}& ...& u_{2m}\\ .& .& & \\ .& .& ...& u_{3m}\\ .& .& & \\ u_{m1}& u_{m2}& ...& u_{\mathrm{mm}}\end{array}\right];$

S33：通过层次单排序，计算单一权重向量，即计算矩阵U最大特征值对应的特征向量u₀；

S34：计算一致性指标，对判断矩阵U进行一致性检验；

S35：分析中间层和底层之间的相互关系得出判断矩阵

$V_i=\left[\begin{array}{cccc}{v}_{i-11}& v_{i-12}& ...& v_{i-1n}\\ v_{i-12}& v_{i-22}& ...& v_{i-2n}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& ...& \·\\ \·& \·& & \·\\ v_{i-n1}& v_{i-n2}& ...& v_{i-nn}\end{array}\right],i=1,2,...n;$

S36：计算出中间层判断矩阵V_i最大特征值对应的特征向量v_i-0，i＝1,2,…n；

S37：计算一致性指标，对判断中间层矩阵进行一致性检验；

S38：计算出底层组件对总评估目标的权重矩阵W，w_ij＝u_0-i×v_i-0-j。

灰色关联度方法，其具体步骤如下：

S41：得出优先数值序列w₀；

S42：计算数值序列中各个参数之间的关联系数

得出关联系数矩阵P；

S43：将步骤S37中的权重矩阵W和步骤S42中的关联系数矩阵P相乘，得出液压系统适应度向量R＝W×P；

S44：求出适应度向量中的最大值，其所对应的参数为整个液压系统的安全性等级，即D＝max{R}所对应的k。

以上所述仅为本发明的优选实施例子，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求极其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、数据获取和归一化处理：获取回转平台液压系统控制元件、执行元件、动力元件以及辅助元件的运行参数，并进行归一化处理；

步骤二、系统部件故障风险计算：统计回转平台液压系统中动力元件、执行元件和控制元件以及辅助元件的故障类型，分别建立部件故障对安全性的影响因素集和评价指标集，计算各因素的权重以及评价矩阵，动态计算各部件故障的风险；

步骤三、利用层次分析构建液压系统部件故障对运行安全性的权重模型：将不同部件故障风险程度的故障分组构成递阶层次结构，利用不同故障的风险程度构建间接判断矩阵，计算出底层部件故障对系统运行安全性的权重矩阵；

步骤四、应用灰色关联度计算液压系统运行安全性等级：计算数值序列中各个参数之间的关联系数，得出关联系数矩阵，综合权重矩阵和关联系数矩阵计算部件系统安全性适应度向量，以其最大值作为系统安全性等级。

2.权利要求1所述的回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，步骤二中所述的液压系统部件故障严重度计算模型，具体为：以故障造成的设备损失(f₁)、维修成本(f₂)、对操作人员的危害(f₃)以及环境影响(f₄)构建计算要素集F和针对该四类因素的部件故障影响程度等级S包括：灾难(s₁)、严重(s₂)、轻度(s₃)和轻微(s₄)，通过故障严重度因素和影响程度等级建立故障严重度评价矩阵基于严重度因素权值和重要度评价矩阵的液压系统部件i的故障严重度模型

其中，Ω_i为部件i的故障严重度因素的权值向量。

3.权利要求1所述的回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，步骤二中所述的液压系统部件故障风险计算方法，具体为：结合运行历史知识和专家经验，设置部件i的故障概率和故障严重度的权值向量液压系统的部件i故障概率风险

4.权利要求1所述的回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，步骤三中所述的应用部件故障风险r_i构造两两比较的判断矩阵，具体为：根据权利要求3中的液压系统的部件故障概率风险计算部件i和部件j的故障风险影响系数，u_ij＝r_i/r_j，u_ji＝r_j/r_i，建立间接判断矩阵U；

5.权利要求1所述的回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，步骤三中所述的应用层次分析建立液压系统部件故障对系统安全性影响的权值矩阵，具体为：通过计算间接判断矩阵U中最大特征值对应的特征向量获取各下属性元素相对于上属性元素的重要性程度的量化u₀；计算中间层和底层之间的相互关系得出判断矩阵V_i以及其最大特征值对应的特征向量v_i-0，底层部件故障对系统运行安全性的权重矩阵W，其中w_ij＝u_0-i×v_i-0-j。

6.权利要求1所述的回转平台液压系统运行安全性定量评估方法，其特征在于，步骤四中所述的基于灰色关联度和层次分析的液压系统运行安全性等级计算模型，具体为：通过灰色关联度计算部件故障权重的关联系数矩阵P，结合权利要求5中的权重矩阵W，液压系统运行安全性等级D＝max{W×P}。