基于集对分析法的往复泵运行状态评估

万 夫，张 健，毛仲强，赵 辉，王文权，张俊玲

（1.中国石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；3.国家管网集团北京管道有限公司，北京 100101；4.中国石油大学（北京），北京 102249）

0 引言

往复泵在油田生产现场应用广泛，其运行状态影响油田的生产安全和经济效益[1]。采取有效的运行状态评估，对于保证往复泵的安全、经济、高效运行，具有重大意义。近年来，国内外学者在设备状态评估方面进行了大量的研究。武桦等[2]基于模糊综合评价法构建水轮发电机组局部放电评估模型以有效地评估其运行状态。Shen 等[3]基于灰色模糊评估优化模型求解设备的健康值和重要性，提出了一种基于健康值和重要性的设备状态评估方法。Igba 等[4]汇总了齿轮箱运行状态评估相关技术，并对其未来发展趋势进行了探索。张兴凤[5]提出了基于迁移学习的往复压缩机多工况气阀泄漏状态评估方法，实现了不同工况下气阀运行状态的准确评估。然而，如何评估往复泵的运行状态是一个多指标综合决策的研究过程，现行的多数设备状态评估主要是从定性的角度进行，评估时多依靠人员经验，过程简单，缺乏科学性，因此选取科学、全面的评估指标，建立相应的指标体系，对运行状态评估的准确性具有重要影响[6]。

针对现有方法存在的不足，提出一种基于集对分析（Set Pair Analysts，SPA）法的往复泵运行状态评估的方法，将模糊集值统计、熵值法和集对分析理论引入到往复泵的运行状态评估中，并对集对分析联系度的确定方法进行拓展，建立往复泵运行状态评估模型。

1 理论背景

集对分析[7]由学者赵克勤首先提出，是一种全新的用于分析解决不确定性问题的方法。集对分析的核心思想是把被研究客观事物的确定性和不确定性包含在一个互相联系、互相渗透、互相制约、互相共存，甚至在一定条件可以相互转化的系统中进行综合分析和处理[8]。集对分析理论为当今不确定性分析理论提供了新思路，在环境与生态系统、网络和信息安全、现代科学管理等自然学科和社会学科的许多领域得到了广泛的应用。

1.1 集对

集对（SP）是指具有一定联系的2 个集合所构成的对子，一定的联系是指2 个集合之间具有一定的同一性、差异性和对立性。集对的常用字母表示为H：若集对H 由集合A 和集合B 组成，则可记为H°=（A，B），简记为H=（A，B）。从系统科学的角度来看，系统内的任意2 个元素在一定条件下均可以组成集对，例如对油田往复泵机组的运行状态评估，就是将往复泵机组的运行状体作为一个集合，往复泵机组运行状态等级作为另一个集合，两者组成集对。

1.2 联系度

设给定2 个集合A 和B 构成集对H=（A，B），在某个研究的问题Q 背景下，对集对H 的特性进行分析，得到在问题Q 背景下的N 个特性。其中：集对H 中的2 个集合A 和B 共有的特性为S 个，相对立的特性为P 个，集合A 和B 既不共有也不相互独立的特性为F=N-S-P 个，并定义为S/N 这2 个集合A 和B 在具体研究内容中的同一度，F/N 为在具体研究内容中的差异度，P/N 为在具体研究内容中的对立度。用式子可统一表示为：。式中，u 为集合A 和B 的联系度；a、b、c 分别为集合A 和B 的同一度、差异度和对立度，（a，b，c）∈［0，1］，且a、b、c 总满足归一化条件a+b+c=1；i 为差异度系数，在［-1，1］区间取值；j 为对立度系数，规定取值恒为-1。

1.3 集对势

集对势也称为联系势，是集对分析方法的另一重要指标，用来衡量系统中确定与不确定性程度。集对势表示为当联系度表达式u（A，B）=a+bi+cj 中的对立度c≠0 时同一度a 与对立度c 的比值，记为sh（iH）=a/c。在解决特定问题时，可根据同一度a 与对立度c 之间的比值不同，将集对势划分为同势、反势、均势3种不同的联系趋势。

2 往复泵运行状态评估模型构建

基于集对分析方法的往复泵运行状态评估模型，计算往复泵运行状态评估指标与评估等级之间的联系度和加权平均联系度，并利用最大隶属度准则确定运行状态所属等级。基本思路是：首先确定各指标评估值集合与评估等级标准集合的集对H，并确定联系度矩阵u；其次根据各评估指标的权重向量W，确定其加权平均联系度Ak；最后根据最大隶属度准则，即评估对象对应于哪个评估等级的加权平均联系度最大，表明评估对象与该评价等级的关联性最强，则评估对象的评估结果属于该评估等级，进而确定评估对象的评估结果，基于集对分析法的往复泵运行状态评估流程如图1 所示。

图1 往复泵运行状态评估流程

3 实验验证与分析

3.1 实验数据

为更好地评估所提模型的可行性与可靠性，以塔里木油田某作业区4 台同型号往复泵机组2018 年6 月—2019 年2 月的9次运行状态监测数据作为样本数据进行综合权重确定，并以该作业区某往复泵机组2019 年3 月实测数据为例进行分析与验证，数据值见表1。

表1 实测数据值

3.2 实验参数和指标确定

请5 位油田现场设备管理专家对往复泵的各运行状态评估指标进行打分，以该机组电机主观初始依据权重计算为例，5 位专家对电机输入端振动、输入端温度、输出端振动、输出端温度4 个评估指标的权重区间打分结果见表2。

表2 专家对电机评估指标权重的估计区间

计算各评估指标的初始权重并作归一化处理，得到电机各评估指标的主观权重向量为：W1=（0.386，0.098，0.418，0.098）。修正其电机权重动态，9 次监测数据见表3。

表3 电机监测数据

得到电机各评估指标修正后的权重向量：W1=（0.422，0.090，0.399，0.089）。根据联系度确定方法，结合各指标等级标准划分表，对指标实际监测值进行联系度确定，其中振动和温度指标计算联系度，压力指标计算联系度。

将各评估指标联系度与熵值法动态修正后的权重结合，计算权平均联系度，见表4。

表4 加权平均联系度计算结果

3.3 评估结果

结合表4 的计算结果，根据最大隶属度原则确定评估等级，得出整机的评估等级为B；电机、柱塞泵和齿轮箱的运行状态评估等级分别为C、A 和B。电机运行状态已达到C 级，可短期运行，但需列为关注设备加强监测并采取相应措施。为提高运行可靠性，应尽快安排检修。

2019 年3 月24日现场人员对该注水泵机组进行了停机检修，停机检修后发现电机轴承磨损，与评估结果基本一致，轴承磨损情况如图2 所示。因此，通过实例分析验证了采用基于集对分析法的往复泵运行状态评估模型可以很好地反映设备的运行状态。本文所提方法具有较好的可靠性，为往复泵的运行状态评估提供了一种新方法，具有良好的工程应用价值。

图2 磨损的轴承

4 结论

研究基于模糊集值统计和熵值法建立了一种基于集对分析的往复泵运行状态评估方法，利用模糊集值统计法确定各评估指标的主观初始权重、熵值法对主观初始权重进行动态修正，得到了相对优化的指标权重。再将集对分析理论引入到往复泵的运行状态评估中，建立了基于集对分析法的往复泵运行状态评估模型。最后，通过对塔里木油田某作业区往复泵实例分析，现场实例检修结果与评估结果相吻合，从而验证了该方法具有较好的可靠性。