CN106886671A - 天然气管道阀门健壮性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管道阀门健壮性评价方法，属于机械设备可靠性试验及数据分析领域。该天然气管道阀门健壮性评价方法，包括以下步骤(1)基于天然气管道阀门运行数据获得影响天然气管道阀门故障频率的环境因素和相应的环境因素的变化范围；(2)基于环境因素变化范围对不同环境因素取值进行归一化获得不同环境因素归一化数据范围；(3)基于环境因素归一化数据范围对归一化后不同环境因素取值进行试验获得单一环境因素作用下天然气管道阀门的健壮性；(4)基于标准差以获得在计算天然气管道阀门的健壮性中不同环境因素的权重；(5)基于不同环境因素作用下天然气管道阀门的健壮性和不同环境因素的权重获得天然气管道阀门的健壮性。

Description

天然气管道阀门健壮性评价方法

技术领域

本发明涉及机械设备可靠性试验及数据分析领域，特别涉及天然气管道阀门健壮性评价方法。

背景技术

健壮性是指系统在遭受外界干扰情况下保持其功能或性质的能力。目前对健壮性的研究多集中在网络系统中。例如乔金锁等人(乔金锁，王喜富，沈喜生等.煤炭运输网络结构鲁棒性评价及应用研究[J].交通运输系统工程与信息，2013，13(4)：126-133)利用煤炭运输网络受干扰后运输距离的变化，对煤炭运输网络的健壮性进行了研究。程菱(程菱.考虑设施破坏的鲁棒性供应链网络设计[D].西安：长安大学，2013.)通过供应设施发生破坏时运输成本的变化，对供应链网络的健壮性进行了研究。

但网络系统健壮性的研究成果无法直接应用到单个设备的健壮性分析上。对于设备的健壮性，目前比较接近的研究成果是稳健可靠性理论，该理论利用凸集模型来计算结构的稳健性，也就是系统在最大的不确定因素的干扰下而不失效的能力(常明亮.稳健可靠性：概念、方法和应用[J].质量与可靠性，2001(1)：19-22.)。其他研究还有通过力学模型或能量模型来计算结构的健壮性(吕大刚，宋鹏彦，崔双双等.结构鲁棒性及其评价指标[J].建筑结构学报，2011,32(1)：44-54.)，这些方法适用于描述单个力学结构的健壮性。此外，郦能敬(郦能敬.雷达抗干扰能力度量方法的研究[J].航空学报，1981(2)：68-83)和廖翔(廖翔，杨龙坡.雷达综合抗干扰能力度量模型[A].信息技术，2010(4)：51-54.)等人对雷达的抗干扰能力进行研究，提出了表征雷达抗干扰能力的参数。对于典型机械设备如阀门的健壮性，目前还没有相关的技术或方法进行评价。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种天然气管道阀门健壮性评价方法。所述技术方案如下：

本发明的一个目的是提供了一种天然气管道阀门健壮性评价方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种天然气管道阀门健壮性评价方法，包括以下步骤：

(1)基于天然气管道阀门的运行数据以获取影响所述天然气管道阀门故障频率的环境因素和相应的所述环境因素的变化范围；

(2)基于所述环境因素的变化范围，对不同环境因素的取值进行归一化，以获得所述不同环境因素归一化数据范围；

(3)基于所述环境因素归一化数据范围，对归一化后的不同环境因素的取值进行试验，以获得单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

(4)基于所述归一化后的不同环境因素的取值的标准差，以获得在计算所述天然气管道阀门的健壮性中不同环境因素的权重；

(5)基于所述不同环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性和所述不同环境因素的权重，以获得所述天然气管道阀门的健壮性。

进一步地，在步骤(3)中，所述试验为正交试验，通过所述正交试验分析所述不同环境因素对所述天然气管道阀门故障频率的影响。

具体地，所述单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性的表达式为：

其中，Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

Δs_i为第i种环境因素的取值变化量；

Δf_i为与Δs_i相对应的阀门故障频率的变化值。

进一步地，对所述不同环境因素中的每一种环境因素和相应的所述天然气管道阀门的故障频率进行线性拟合以获得所述天然气管道阀门故障频率拟合关系式。

进一步地，在第i种环境因素作用下所述天然气管道阀门故障频率拟合关系式的表达式为：

f_i＝a_ix_i+b_i

其中，f_i为在第i种环境因素作用下所述天然气管道阀门的故障频率；

x_i为所述不同环境因素中被选择的第i种环境因素在归一化数据范围中的取值；

a_i、b_i为第i种环境因素的拟合公式中的常数。

进一步地，所述线性拟合为利用最小二乘法对所述天然气管道阀门故障频率进行曲线拟合。

具体地，在进行所述线性拟合后获得所述归一化后的不同环境因素的取值的标准差。

进一步地，所述不同环境因素的权重的表达式为：

其中，w_i表示第i种环境因素的权重；

SD_i表示归一化后的第i种环境因素的取值的标准差；

n表示所述不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

进一步地，所述天然气管道阀门的健壮性的表达式为：

其中，Rb为所述天然气管道阀门的健壮性；

Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

w_i表示第i种环境因素的权重；

n表示所述不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

具体地，所述环境因素包括在天然气管道阀门运行时的压力、流量、大气湿度、环境温度和气质组分。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法能够实现对阀门在多种外界环境干扰下稳定工作能力的定量评价；

(2)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法考虑了对天然气管道阀门故障率产生影响的多个环境因素，因此可以全面衡量天然气管道阀门对外界环境的抗干扰能力；

(3)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法中的各个环境因素的权重是根据环境因素自身取值的波动性来获取的，因此使本发明实施例的计算结果更客观；

(4)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法基于日常生产中对天然气管道阀门健壮性的要求，即基于环境因素变化值一定且天然气管道阀门故障率变化越小越好的情况下，提出了单一环境因素变化下天然气管道阀门健壮性的计算公式；

(5)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法基于各环境因素取值的标准差，来获取各环境因素在阀门健壮性计算中的权重。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的天然气管道阀门健壮性评价方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的天然气管道阀门健壮性评价方法。天然气管道阀门健壮性评价方法，包括以下步骤：

(1)基于天然气管道阀门的运行数据以获取影响天然气管道阀门故障频率的环境因素和相应的环境因素的变化范围；

(2)基于环境因素的变化范围，对不同环境因素的取值进行归一化，以获得不同环境因素归一化数据范围；

(3)基于环境因素归一化数据范围，对归一化后的不同环境因素的取值进行试验，以获得单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

(4)基于归一化后的不同环境因素的取值的标准差，以获得在计算天然气管道阀门的健壮性中不同环境因素的权重；

(5)基于不同环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性和不同环境因素的权重，以获得天然气管道阀门的健壮性。

在本发明的一个示例中，天然气管道阀门健壮性评价方法具体包括下列步骤：

b1基于天然气管道阀门停机数据和工程师运维经验，获取影响天然气管道阀门故障频率的环境因素。在该步骤中，获取影响天然气管道阀门运行的环境条件，应考虑各环境因素间的相关性。例如考虑天然气管道阀门运行时的压力、流量、大气湿度、环境温度等环境因素，而当输送介质是天然气时还需考虑气质组分这个环境因素。

b2基于天然气管道阀门运行所处环境因素的变化范围，对不同环境因素的取值进行归一化。在该步骤中，基于天然气管道阀门运行所处环境因素的变化范围，对不同环境因素的取值进行归一化。在具体实施过程中，在获取影响天然气管道阀门故障的环境因素之后，由于不同环境因素的量纲不一样，因此需要对其取值进行归一化。例如将某一环境因素的最小值为设定为0，最大值设定为1，而其他取值(例如最大值与最小值之间的取值)通过线性插值的方法获得。例如根据某天然气输送公司的统计，所辖天然气管道阀门所处的环境温度范围在-40℃至80℃之间，因此在对环境温度的取值进行归一化时，将最小值-40℃设定为0，最大值80℃设定为1，而最大值80℃与最小值-40℃之间的取值进行线性插值的方法获得归一化数据，这样就形成了环境温度归一化数据范围。以此类推，还可以获得大气湿度、压力、流量等环境因素的相应的归一化数据范围。

b3基于试验手段获取天然气管道阀门在单一环境因素改变下的健壮性。在该步骤中，首先进行正交试验分析每一种环境因素对阀门故障的影响，并获得不同环境因素的指标，之后对环境因素的取值和天然气管道阀门的故障进行线性拟合，例如对环境温度在进行归一化后获得区间范围为[0,1]中的取值和与取值对应的天然气管道阀门的故障频率进行线性拟合，以此类推，还可以对环境因素中的压力、流量、大气湿度等的取值和相应的天然气管道阀门的故障频率进行线性拟合。具体地，单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性的表达式为：

其中，Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

Δs_i为第i种环境因素的取值变化量；

Δf_i为与Δs_i相对应的天然气管道阀门故障频率的变化值。

这样，利用公式(1)可以计算出单一环境因素作用下的天然气管道阀门对某项指标的健壮性。

对某项指标和天然气管道阀门故障率进行线性拟合(例如利用最小二乘法对天然气管道阀门故障频率进行曲线拟合)可以得出在第i中环境因素作用下天然气管道阀门故障频率拟合关系式：

f_i＝a_ix_i+b_i (2)

其中，f_i为在第i种环境因素作用下天然气管道阀门的故障频率；

x_i为不同环境因素中被选择的第i种环境因素在该第i种环境因素归一化数据范围中的取值；

a_i、b_i为第i种环境因素的拟合公式中的常数。

下面通过举例予以说明，比如现在得到一组若干个失效(即天然气管道阀门的故障频率)与温度之间的对应关系，即大量的数据点，那么这些点在坐标里面，趋向于分布在某条线的附近，通过拟合所得出的这条线(也就是通过线性拟合所得的关系式所对应的线)就可以作为将来分析失效(即天然气管道阀门的故障频率)和温度关系的原则。

b4基于环境因素取值的标准差，获取不同环境因素在计算天然气管道阀门健壮性中的权重。在具体实施过程中，在获取了影响天然气管道阀门运行的环境条件和天然气管道阀门在不同环境因素下的健壮性计算方法之后，也就是在进行线性拟合后，基于该线性拟合的关系式(即上述公式(2))可以获得归一化后的不同环境因素的取值的标准差。从理论上讲，只要数据是有效的，一定都要放到计算拟合中。在数理统计里面，只要当把若干数据拟合成一个规律，而这个规律可能是条直线，也可能是条曲线，还可能是个面等等，那么随之而来的就一定有相应的标准差，这是描述数据分布的必要因素之一。例如在对环境温度进行线性拟合后可以获得该环境温度的取值的标准差，以此类推还可以获得大气湿度、压力、流量等环境因素的取值的标准差。

例如，依据某站温度环境因素常用范围温度环境因素全范围为-20～40℃，在进行归一化后获得归一化温度环境数据范围，即区间值为[0，1]。而在上述温度环境因素全范围中，频繁出现故障频率的对应温度环境因素范围为-20～0℃，因此在上述区间[0，1]中所对应的区间值为[0，0.33]，那么该温度环境因素的标准差为0.33-0＝0.33，这是通过极差的方法获得该温度环境因素的标准差。当然本领域技术人员还可以明白，标准差SD_i还可以通过例如标准差公式获得，例如温度环境因素还可以通过标准差公式获得相应的温度环境因素的标准差，当然流量环境因素也可以通过标准差公式或者通过求极差的方法获得相应的流量环境因素的标准差，以此类推，可以获得例如压力、湿度等环境因素的标准差。

在本发明的还一示例中，通过对天然气管道阀门在不同环境因素下健壮性的加权平均来获取阀门的健壮性，因此还需获取不同环境因素的权重。环境因素的权重w_i由天然气管道阀门所处环境因素取值的标准差SD_i来确定。

不同环境因素的权重的表达式为：

其中，w_i表示第i种环境因素的权重；

SD_i表示归一化后的第i种环境因素的取值的标准差；

n表示不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

b5基于天然气管道阀门在单一环境因素变化下的健壮性和不同环境因素的权重，计算天然气管道阀门的健壮性。获取不同环境因素下阀门的健壮性计算方法和环境因素的权重计算方法之后，即通过公式(1)和公式(2)就可以获取天然气管道阀门的健壮性：

其中，Rb为天然气管道阀门的健壮性；

Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

w_i表示第i种环境因素的权重；

n表示不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

在公式(3)和公式(4)中，不同环境因素中被选择的环境因素的个数与参与评价的环境因素的个数相对应。也就是说，例如，环境因素有温度、压力、流量和湿度，而所选择的环境因素为温度、压力和湿度，则n为3,；如果被选择的环境因素为温度、压力、流量和湿度，那么n为4。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法能够实现对阀门在多种外界环境干扰下稳定工作能力的定量评价；

(2)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法考虑了对天然气管道阀门故障率产生影响的多个环境因素，因此可以全面衡量天然气管道阀门对外界环境的抗干扰能力；

(3)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法中各个环境因素的权重是根据环境因素自身取值的波动性来获取的，因此使本发明实施例的计算结果更客观；

(4)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法基于日常生产中对天然气管道阀门健壮性的要求，即基于环境因素变化值一定且天然气管道阀门故障率变化越小越好的情况下，提出了单一环境因素变化下天然气管道阀门健壮性的计算公式；

(5)本发明提供的天然气管道阀门健壮性评价方法基于各环境因素取值的标准差，来获取各环境因素在阀门健壮性计算中的权重。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气管道阀门健壮性评价方法，包括以下步骤：

(1)基于天然气管道阀门的运行数据以获取影响所述天然气管道阀门故障频率的环境因素和相应的所述环境因素的变化范围；

(2)基于所述环境因素的变化范围，对不同环境因素的取值进行归一化，以获得所述不同环境因素归一化数据范围；

(3)基于所述环境因素归一化数据范围，对归一化后的不同环境因素的取值进行试验，以获得单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

(4)基于所述归一化后的不同环境因素的取值的标准差，以获得在计算所述天然气管道阀门的健壮性中不同环境因素的权重；

(5)基于所述不同环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性和所述不同环境因素的权重，以获得所述天然气管道阀门的健壮性。

2.根据权利要求1所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

在步骤(3)中，所述试验为正交试验，通过所述正交试验分析所述不同环境因素对所述天然气管道阀门故障频率的影响。

3.根据权利要求2所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

所述单一环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性的表达式为：

${\mathrm{Rb}}_i=1-e^{-\left|\frac{{\mathrm{\Δs}}_i}{{\mathrm{\Δf}}_i}\right|}$

其中，Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

Δs_i为第i种环境因素的取值变化量；

Δf_i为与Δs_i相对应的阀门故障频率的变化值。

4.根据权利要求3所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

对所述不同环境因素中的每一种环境因素和相应的所述天然气管道阀门的故障频率进行线性拟合以获得所述天然气管道阀门故障频率拟合关系式。

5.根据权利要求4所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

在第i种环境因素作用下所述天然气管道阀门故障频率拟合关系式的表达式为：

f_i＝a_ix_i+b_i

其中，f_i为在第i种环境因素作用下所述天然气管道阀门的故障频率；

x_i为所述不同环境因素中被选择的第i种环境因素在归一化数据范围中的取值；

a_i、b_i为第i种环境因素的拟合公式中的常数。

6.根据权利要求4所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

所述线性拟合为利用最小二乘法对所述天然气管道阀门故障频率进行曲线拟合。

7.根据权利要求5所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

在进行所述线性拟合后获得所述归一化后的不同环境因素的取值的标准差。

8.根据权利要求7所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

所述不同环境因素的权重的表达式为：

$w_i=\frac{{\mathrm{SD}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{SD}}_i}$

其中，w_i表示第i种环境因素的权重；

SD_i表示归一化后的第i种环境因素的取值的标准差；

n表示所述不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

9.根据权利要求8所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

所述天然气管道阀门的健壮性的表达式为：

$Rb=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Rb}}_i\×w_i$

其中，Rb为所述天然气管道阀门的健壮性；

Rb_i表示在第i种环境因素作用下的天然气管道阀门的健壮性；

w_i表示第i种环境因素的权重；

n表示所述不同环境因素中被选择的环境因素的个数。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的天然气管道阀门健壮性评价方法，其特征在于，

所述环境因素包括在天然气管道阀门运行时的压力、流量、大气湿度、环境温度和气质组分。