基于組合賦權(quán)法的絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)評估

趙梓芬，田軍委*

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021）

絕緣機(jī)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(tǒng)集成化、信息化、智能化程度較高，系統(tǒng)間、部件間的聯(lián)系和耦合更加緊密，任一關(guān)鍵部件或關(guān)鍵子系統(tǒng)運(yùn)行故障都有可能影響設(shè)備正常運(yùn)行，因此可靠性對于設(shè)備正常工作至關(guān)重要，對機(jī)器人健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評估對機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)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(jù)理論、馬氏距離、熵權(quán)法、杰色關(guān)聯(lián)法、隱馬爾科夫、最小二乘支持向量機(jī)[1]等。本研究的作者結(jié)合改進(jìn)的層次分析法與熵權(quán)法來得到綜合權(quán)重，對于構(gòu)建隸屬度函數(shù)的問題，采用基于中心點(diǎn)型的白化權(quán)函數(shù)，完成底層指標(biāo)及機(jī)器人整體的健康狀態(tài)評估。

1 絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)評估體系建立

1.1 絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)評估方法

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

1.2 健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系

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

圖1 絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)指標(biāo)體系

2 絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)評估模型

2.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

對指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行分類，可以分為越大越優(yōu)型指標(biāo)和越小越優(yōu)型指標(biāo)。

越大越優(yōu)型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式為

式中：x 為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值；X 為指標(biāo)實際運(yùn)行值；Xmax為指標(biāo)運(yùn)行上限值；Xmin為指標(biāo)運(yùn)行下限值。越小越優(yōu)型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式為:

式中：x 為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值；X 為指標(biāo)實際運(yùn)行值；X'max為指標(biāo)運(yùn)行上限值；X'min為指標(biāo)運(yùn)行下限值。

2.2 健康狀態(tài)評估指標(biāo)權(quán)重確定

2.2.1 改進(jìn)層次分析法

層次分析法用來確定指標(biāo)主觀權(quán)重，按照指標(biāo)間的相互關(guān)聯(lián)影響兩兩比較，也就是指標(biāo)之間的重要程度比較，從而構(gòu)成判斷矩陣，矩陣定義如下

判斷矩陣元素的判斷標(biāo)準(zhǔn)定量采用1～9 標(biāo)定法[6]。

在傳統(tǒng)的層次分析法中，由于比較結(jié)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(jìn)行調(diào)整，為了避免多次調(diào)整，本文采取改進(jìn)層次分析法，計算判斷矩陣的擬優(yōu)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(zhuǎn)化為反對稱矩陣B

（2） 解得最優(yōu)傳遞矩陣C 為

（3） 得到擬優(yōu)化傳遞矩陣

求得擬優(yōu)化傳遞矩陣后采用規(guī)范列平均法求最大特征值對應(yīng)的特征向量W，該向量就是權(quán)重向量，計算過程如下：

（1） 對每列元素歸一化處理

（2） 將規(guī)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(biāo)的權(quán)重向量。

2.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法用來確定指標(biāo)客觀權(quán)重，指標(biāo)的異常程度越小，所反映的信息量也越少，其對應(yīng)的權(quán)值也越低。計算步驟如下：

（3） 計算第i 個指標(biāo)的熵向量為

組合賦權(quán)法求取綜合權(quán)重，wi、vi分別是改進(jìn)層次分析法和熵權(quán)法求得的權(quán)重主客觀向量，指標(biāo)組合權(quán)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(quán)函數(shù)，計算各聚類對象對不同指標(biāo)擁有的白化權(quán)值，以此來區(qū)分杰類[7]。

根據(jù)最大隸屬度原則根據(jù)最大隸屬度原則，判斷系統(tǒng)i 在指標(biāo)j 下屬于何種杰類，即系統(tǒng)處于何種健康狀態(tài)。健康狀態(tài)等級和對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)見表1。

表1 健康狀態(tài)等級和對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)

3 實驗驗證

3.1 子系統(tǒng)健康狀態(tài)評估

根據(jù)成型加熱子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)～式(2)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，處理結(jié)果見表2。

表2 成型加熱子系統(tǒng)狀態(tài)無量綱處理數(shù)據(jù)

構(gòu)建成型加熱子系統(tǒng)判斷矩陣見表3。

表3 構(gòu)建成型加熱子系統(tǒng)判斷矩陣

根據(jù)式(4)～式(14)求得成型加熱子系統(tǒng)聚類系數(shù)。

根據(jù)最大隸屬度原則，判斷該組數(shù)據(jù)下成型加熱子系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。同理可對其他子系統(tǒng)進(jìn)行健康狀態(tài)評估，結(jié)果見表4。

表4 絕緣子系統(tǒng)第一組數(shù)據(jù)評估向量

3.2 機(jī)器人健康狀態(tài)評估

根據(jù)表5 建立整體健康狀態(tài)評估矩陣并建立子系統(tǒng)層析分析法判斷矩陣，求得絕緣機(jī)器人綜合評估向量。

根據(jù)最大隸屬度原則，判斷絕緣機(jī)器人處于良好狀態(tài)，技術(shù)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，能夠完成所有功能。與機(jī)器人實際運(yùn)行情況相符。

采集150 組絕緣機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用組合賦權(quán)的健康狀態(tài)評估方法進(jìn)行評估，與采用單一的熵權(quán)法和層次分析法進(jìn)行評估，對評估結(jié)果準(zhǔn)確度進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。由表5 可知，組合賦權(quán)法對絕緣機(jī)器人運(yùn)行健康狀態(tài)的評估準(zhǔn)確度明顯高于采用單一評估方法的準(zhǔn)確度。

表5 不同健康狀態(tài)評估方法準(zhǔn)確度比較

4 結(jié)論

為絕緣機(jī)器人健康狀態(tài)進(jìn)行評估提供了新的方法，實現(xiàn)了對運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測，可以有效降低機(jī)器人工作安全隱患，并減少不必要的財產(chǎn)損失且評估結(jié)果表明，采用組合賦權(quán)法的評估方式，其評估準(zhǔn)確率要高于采用單一賦權(quán)法的評估準(zhǔn)確率。