孫麗萍，康濟川，劉子健，孫海

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱150001)

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海上風(fēng)機的模糊關(guān)聯(lián)失效模式及其影響分析

孫麗萍，康濟川，劉子健，孫海

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：海上風(fēng)機屬于多系統(tǒng)多功能的大型設(shè)備，且運行環(huán)境條件惡劣，進行可靠性分析時面臨著系統(tǒng)失效模式復(fù)雜且相互之間存在相關(guān)性的問題，失效模式及其影響分析(FMEA)方法無法對系統(tǒng)的風(fēng)險進行準(zhǔn)確評估。在完成傳統(tǒng)FMEA的基礎(chǔ)上，找出風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(RPN)較高的若干失效模式，并制定發(fā)生率、嚴(yán)重度和檢測度的模糊評價術(shù)語集合，應(yīng)用基于TOPSIS理論的模糊FMEA方法對這些典型失效模式進行評價。對于在模糊FMEA中風(fēng)險程度接近的失效模式，結(jié)合模糊語境下的決策試驗與實驗評估法(DEMATEL)計算各失效模式的原因度、綜合參照影響度和原因度得出主要失效模式的風(fēng)險排序。將模糊關(guān)聯(lián)FMEA方法應(yīng)用于海上風(fēng)機的風(fēng)險評估，計算結(jié)果表明發(fā)電機與冷卻設(shè)備對系統(tǒng)安全性影響最為顯著。

關(guān)鍵詞：模糊理論；海上風(fēng)機；風(fēng)險評估；相關(guān)性分析；失效模式及影響分析；決策試驗與實驗評估法

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1102.008.html

隨著可再生能源開發(fā)技術(shù)的進步，風(fēng)電開發(fā)地域從陸地向海洋不斷發(fā)展，海上風(fēng)電由于資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定和可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)點，受到世界各國的廣泛關(guān)注。盡管海上風(fēng)力發(fā)電與陸上風(fēng)力發(fā)電相比優(yōu)勢明顯，但復(fù)雜多變的海洋環(huán)境給設(shè)備的運輸安裝以及運行都帶來了巨大挑戰(zhàn)，因此對海上風(fēng)電設(shè)備進行可靠性分析是安全高效開發(fā)海洋風(fēng)能的基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確分析風(fēng)機故障模式及其故障影響，本文采用故障模式及影響分析法(FMEA)對海上風(fēng)機進行可靠性評估。

FMEA是用以找出產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)計等階段中的缺點和潛在的缺陷，進而分析各組成元素的故障模式及其對上一層次結(jié)構(gòu)乃至系統(tǒng)產(chǎn)生故障影響的一種方法[1]。Tavner等[2]首先將FMEA方法引入風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)險評估，在分析機組設(shè)備構(gòu)成的基礎(chǔ)上對R80陸上風(fēng)機進行研究，找出了危險程度較高的一系列設(shè)備。何成兵等[3]利用FMEA方法開展了風(fēng)力發(fā)電機組主要設(shè)備的故障模式統(tǒng)計分析，獲得了各設(shè)備故障模式詳細統(tǒng)計報表，為系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供理論基礎(chǔ)。

FMEA方法雖然簡單易行，便于掌握和推廣，但由于它是一種單因素分析法，難以分析幾種因素同時作用導(dǎo)致的某種后果，也沒有考慮到各故障模式之間相關(guān)性的問題，因而具有一定局限性[4]，逼近理想解排序技術(shù)(TOPSIS)是一種簡單實用且適用于復(fù)雜系統(tǒng)的多因素決策分析方法[5]，本文應(yīng)用基于模糊理論的TOPSIS對FMEA方法進行改進，在此基礎(chǔ)上結(jié)合模糊語境下的決策實驗與評價實驗室技術(shù)(DMEATEL)，對海上風(fēng)機各個失效模式進行排序，把故障模式之間的影響以原因度的量化方式表達，提高了FMEA法分析的準(zhǔn)確性與合理性。

1模糊關(guān)聯(lián)FMEA方法的理論基礎(chǔ)

1.1模糊集理論及模糊FMEA方法

與常規(guī)FMEA不同，模糊語境下的FMEA通常用模糊語言對故障模式進行評價，把故障模式的嚴(yán)重程度(S)，發(fā)生頻度(O)以及難檢測程度(D)作為模糊語言變量，結(jié)合專家知識和經(jīng)驗，利用模糊語言術(shù)語對失效模式進行評價[6-7]，通常采用三角模糊數(shù)對模糊語言進行量化處理，其隸屬函數(shù)為[8]：

(1)

式中：fij表示評價因子j對第i個失效模式的評價結(jié)果。對失效模式嚴(yán)重度(S)，發(fā)生度(O)及難檢測度(D)的模糊語言可用模糊術(shù)語集V={VL(極低)，L(低)，M(一般)，H(高)，VH(非常高)}來描述，表1給出了一種模糊語言變量與三角模糊數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

表1　語言變量與模糊數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系

專家利用自身經(jīng)驗及專業(yè)知識對失效模式進行評價，可得到系統(tǒng)失效模式的評估矩陣：

(2)

為消除不同量綱對決策的影響，可采用式(3)對矩陣各評價因子規(guī)范化：

(3)

本文利用TOPSIS理論對評價方案進行決策分析，評判各失效模式風(fēng)險程度高低。TOPSIS法是Hwang和Yoon于1981年提出的一種適用于根據(jù)多項指標(biāo)，對多個方案進行比較選擇的分析方法，這種方法的中心思想在于首先確定各項指標(biāo)的正理想值和負理想值，然后求出各個方案與正理想值、負理想值之間的加權(quán)歐氏距離，由此得出各方案與最優(yōu)方案的公式接近程度，作為評價方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)[5]。其中，三角模糊數(shù)的距離公式分別為

(4)

(5)

式中：r+和r-分別代表最危險的失效模式和最不可能發(fā)生的失效模式，Si+表示第i種失效模式距離r+的程度，數(shù)值越小、距離越近則失效危險性越大，Si-則表示第i種失效模式與最不可能發(fā)生的失效模式之間的距離 ，數(shù)值越小則失效危險性越小，則每種失效模式的相對影響度為

(6)

由式(6)可知，當(dāng)失效模式越接近r+，越遠離r-時，相對影響度ξ值越大，失效模式所導(dǎo)致的風(fēng)險程度也就越高。

1.2基于模糊集的DEMATEL算法

對相對影響度相同或相近的失效模式風(fēng)險程度高低的評估，可以利用模糊語境下的決策試驗和評價實驗法(DEMATEL)。DEMATEL方法通過分析系統(tǒng)中各要素之間的邏輯關(guān)系與直接影響關(guān)系，計算出每個因素的影響程度與被影響度，從而計算出每個因素的中心度和原因度[9-10]。運用DEMATEL法對復(fù)雜系統(tǒng)相互關(guān)系的進行分析步驟如下：

1)專家對故障模式進行評估，評估語言術(shù)語如表1所示。

2)對三角模糊數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式如下：

(7)

(8)

(9)

3)在對模糊數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化后，接下來要計算左右標(biāo)準(zhǔn)值：

(10)

(11)

4)然后計算總的標(biāo)準(zhǔn)值：

(12)

5)獲得每個專家反映的第i個因素對第j個因素的影響值：

(13)

6)在對專家評價術(shù)語進行去模糊化之后，需要將直接影響矩陣A轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化影響矩陣D，得到總影響關(guān)系矩陣T：

(14)

利用方程(15)可獲得總關(guān)系矩陣T：

(15)

7)由式(16)、(17)計算矩陣T的行陣之和D與列陣之和R，得到影響度(D)、被影響度(R)、中心度(D+R)、原因度(D-R)，式中t為矩陣T中對應(yīng)元素。

(16)

(17)

綜合以上理論，本文應(yīng)用的模糊語境下的關(guān)聯(lián)FMEA方法流程為：

1)：專家組對復(fù)雜系統(tǒng)的失效模式進行傳統(tǒng)FMEA評估，得出RPN較高的若干失效模式。

2)：制定發(fā)生率、嚴(yán)重度和檢測度的模糊評價術(shù)語集合，并對1)中得到的失效模式進行評估，得到模糊語言FMEA表。

3)：計算每一種失效模式與r+與r-之間的距離，獲得每一種失效模式的影響度。

4)：專家組評估失效模式影響關(guān)系，并應(yīng)用公式(7)～(13)得到直接影響關(guān)系矩陣，進行正規(guī)化處理后，計算得出每種失效模式的原因度。

5)：根據(jù)失效模式的影響度和原因度進行風(fēng)險評估，找到對于整個系統(tǒng)可靠性影響最大的若干失效模式，并提出改進方案。

2模糊語境下的關(guān)聯(lián)FMEA對海上風(fēng)機的應(yīng)用

通常海上風(fēng)機可分為葉輪、發(fā)電系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)幾部分[2,11]。其中葉輪、傳動系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的作用是捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換為電能，是整個風(fēng)機的核心；偏航與變槳系統(tǒng)通過調(diào)整葉輪方向與葉片攻角使系統(tǒng)獲得最優(yōu)的發(fā)電效率；液壓系統(tǒng)的作用主要是為偏航和變槳提供推力，是重要的輔助系統(tǒng)；支撐結(jié)構(gòu)包括機艙罩、塔架、基座等結(jié)構(gòu)，用于固定機組設(shè)備。

根據(jù)不同子系統(tǒng)的失效特征，以5MW直驅(qū)海上風(fēng)機為例進行FMEA評估，表2為風(fēng)險程度較高的典型故障模式：應(yīng)用模糊語境下的關(guān)聯(lián)FMEA方法，以海上設(shè)備風(fēng)險數(shù)據(jù)庫(OREDA2009)為數(shù)據(jù)依據(jù)，由專家組對海上風(fēng)機的13個典型失效模式SOD三個影響因子以及失效模式兩兩之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)進行評價。評估過程中對于數(shù)據(jù)庫中沒有詳細描述的失效模式，選取相似度最高的設(shè)備故障形式加以估計?；趯嶋H運行考慮，選定權(quán)重向量ω=[0.4，0.3，0.3]，由式(4)～(6)計算得到影響度ξ；由式(7)～(13)得到每個專家的評估結(jié)果，設(shè)每位專家評估結(jié)果的權(quán)重相同，由式(8)～(17)得出各個失效模式的原因度。計算結(jié)果見表3。

圖1將傳統(tǒng)FMEA方法、基于TOPSIS理論的模糊FMEA方法及本文提出的方法的計算結(jié)果進行對比。

表2　海上風(fēng)機FMEA

表3　海上風(fēng)機模糊關(guān)聯(lián)FMEA計算結(jié)果

基于模糊理論的關(guān)聯(lián)FMEA方法在應(yīng)用傳統(tǒng)FMEA將復(fù)雜系統(tǒng)的大量失效模式進行篩選的基礎(chǔ)上，運用模糊方法更準(zhǔn)確的分析主要失效模式的風(fēng)險排序，并依據(jù)模糊DEMATEL理論綜合不同專家的意見評估失效模式的關(guān)聯(lián)度，區(qū)分影響度接近的失效模式的實際危險程度，得出更為準(zhǔn)確的評估結(jié)果。從結(jié)果中可以看出：

1) 在3種分析方法中，隸屬于發(fā)電系統(tǒng)的3個失效模式FM1、FM2與FM3的危險程度均在前五位以內(nèi)，因此發(fā)電設(shè)備是整個海上風(fēng)機系統(tǒng)的關(guān)鍵。這個結(jié)果與實際工程經(jīng)驗相符，發(fā)電機的失效往往會導(dǎo)致機組停機，而由于海上風(fēng)機離岸距離較遠且天氣復(fù)雜多變，給維修維護帶來了很大困難，長時間的停機將嚴(yán)重影響風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。因此在設(shè)計階段就要充分考慮發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，并制定合適的維護策略。

圖1　3種方法計算結(jié)果對比Fig.1　Comparison results of different methods

2) 在傳統(tǒng)FMEA與模糊FMEA分析中，F(xiàn)M3與FM4的計算結(jié)果接近，難以區(qū)分，但通過原因度的分析得出了絕緣系統(tǒng)失效的實際風(fēng)險更大，這是由于絕緣系統(tǒng)故障可能會引發(fā)多個電器設(shè)備的失效，其中也包括了發(fā)電機繞組短路的情況，因此FM4具有更高的風(fēng)險。同樣FM11與FM12的計算結(jié)果也非常接近，但其風(fēng)險程度是不同的，這是因為變槳系統(tǒng)的故障可能引發(fā)整個葉輪系統(tǒng)的故障，因此實際情況中FM11的風(fēng)險程度更高。這也說明該方法可以有效區(qū)分RPN與ξ值較為接近的失效模式，具有更高的合理性。

3) 在傳統(tǒng)FMEA基礎(chǔ)上結(jié)合模糊DEMATEL理論得到原因度較高的一系列失效模式需要格外注意，例如原因度最高的FM5冷卻系統(tǒng)故障。目前海上風(fēng)電裝機容量日趨大型化，發(fā)電機和變流器變壓器等系統(tǒng)需要承受更高的熱量，因此冷卻系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致多個電控類設(shè)備的失效。又如FM8中液壓系統(tǒng)的故障將影響變槳、偏航等多個系統(tǒng)的運行，造成連鎖反應(yīng)。

3結(jié)論

1) 通過應(yīng)用模糊關(guān)聯(lián)FMEA方法對海上風(fēng)機系統(tǒng)的計算分析，可以分析得出發(fā)電機是對于系統(tǒng)可靠性最重要的設(shè)備，直接關(guān)系到整個風(fēng)機的運行安全與經(jīng)濟效益。此外，冷卻系統(tǒng)的失效可能引發(fā)多個設(shè)備的故障，因此在風(fēng)機裝機容量大型化的趨勢下冷卻系統(tǒng)的維護需要格外注意。

2) 在對海上風(fēng)機的分析過程中發(fā)現(xiàn)，模糊語境下的相關(guān)性FMEA方法可以有效區(qū)分RPN相近的失效模式的實際危險程度，提高了FMEA評估結(jié)果的精度。同時，在DEMATEL分析過程中應(yīng)用模糊處理方法可降低專家組意見主觀性的影響，提高原因度的計算準(zhǔn)確性。

3) 復(fù)雜設(shè)備失效模式眾多，失效關(guān)系復(fù)雜，對系統(tǒng)的每一個失效模式進行模糊語境下的相對影響度和原因度計算工作量過大且意義有限。本文提出的方法在對失效模式進行篩選的基礎(chǔ)上，對失效風(fēng)險較高的典型失效模式的計算精度進行提高，從而更高效地找到系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。這一方法所具備的準(zhǔn)確性與快速性不僅適用于海上風(fēng)機，同樣適用于其他大型復(fù)雜設(shè)備的可靠性分析。

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收稿日期：2015-04-25.

基金項目：國家國際科技合作專項項目(2013DFE73060)；高技術(shù)船舶科研項目(GK1010900023).

作者簡介：孫麗萍(1962-)，女，教授，博士生導(dǎo)師. 康濟川(1989-)，男，博士研究生. 通信作者：康濟川, E-mail: kangjichuan@hrbeu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201504006

中圖分類號：X941

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0487-05

Fuzzy theory-based correlated FMEA of offshore wind turbines

SUN Liping, KANG Jichuan, LIU Zijian, SUN Hai

(Deepwater Engineering and Research Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：Offshore wind turbines are large multi-systematic multi-functional devices that operate in harsh marine environments. It is difficult to perform reliability analysis of these devices owing to the complex system failure modes involved and the correlation among them, and system risk cannot be evaluated accurately by using the failure mode and effects analysis (FMEA). In this study, we employed FMEA to identify failure modes with higher risk priority numbers (RPNs). Based upon the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) theory, a set of fuzzy evaluation terms including severity, occurrence, and detection was determined in order to employ fuzzy FMEA for assessing these typical failure modes. The decision-making and trial evaluation laboratory (DEMATEL) method was used to calculate causal degrees of failure modes with approximate risk levels in fuzzy FMEA, and the main failure modes were ranked based on the results of influence degree and causal degree analyses. We then applied the fuzzy correlated FMEA method for risk assessment of offshore wind turbines. The calculation results show that the generator and the cooling device most significantly influence the system security.

Keywords：fuzzy theory; offshore wind turbine; risk assessment; correlation analysis; FMEA; DEMATEL

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-01-27.