基于FES和FTA的锅炉安全隐患预警及评价系统

244 2016,52(23)Computer五计算机工程与应用
基于F E S和F T A的锅炉安全隐患预警及评价系统
司明
SI Ming
西安科技大学计算机科学与技术学院，西安710054
C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,X i'a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,X i'a n710054, C h i n a
S I M in g.B o ile r h id d e n d a n g e r e a rly w a rn in g a n d e v a lu a tio n system based on F E S and F T A.C o m p u te r E n g in e e rin g a n d A p p lic a tio n s,2016, 52(23) :244-248.
A b s tr a c t:T h e r e a r e s o m e f u z z i n e s s b e t w e e n b o i l e r h i d d e n d a n g e r a n d h i d d e n d a n g e r s y m p t o m i n b o i l e r s y s t e m.I t i s d i f f i­c u l t t o e s t a b l i s h p r e c i s e m a t h e m a t i c a l m o d e l t o p r e d i c t b o i l e r h i d d e n d a n g e r.A b o i l e r h i d d e n d a n g e r e a r l y w a r n i n g a n d e v a l u a t i o n m o d e l b a s e d o n f u z z y e x p e r t s y s t e m a n d f a u l t t r e e a n a l y s i s i s p r o p o s e d.T h e m o d e l j u d g e s h i d d e n d a n g e r s y m p­t o m a n d a l e r t s h i d d e n d a n g e r.S a f e t y,e c o n o m y a n d o t h e r s y s t e m a t i c e v a l u a t i o n o f b o i l e r a r e g i v e n.I m p o r t a n t r e f e r e n c e s o f o p t i m a l s y s t e m o p e r a t i o n p r o g r a m a r e p r o v i d e d f o r m a n a g e r s.F i n a l l y,b o i l e r h i d d e n d a n g e r e a r l y w a r n i n g a n d e v a l u a­t i o n s y s t e m b a s e d o n B/S s t r u c t u r e a n d W E
B t e c h n o l o g y i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d.S y s t e m a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f h i d d e n d a n g e r e a r l y w a r n i n g r e s u l t s i s h i g h.S y s t e m e v a l u a t i o n r e s u l t s a r e r e l i a b l e a n d e f f e c t i v e.
K e y w o rd s：b o i l e r; e a r l y w a r n i n g;e v a l u a t i o n; f u z z y;e x p e r t s y s t e m; s a f e t y
摘要:锅炉系统中安全隐患与隐患征兆之间具有一定模糊性，难以建立精确的数学模型预测锅炉安全隐患。

提出 了一种基于F E S和F T A的锅炉安全隐患预警及评价模型，该模型通过模糊推理，判断安全隐患征兆，预警锅炉安全 隐患，对锅炉系统进行安全性、经济性等系统评价，为管理人员提供最优系统运行方案的重要参考依据。

最后，基于
W e b技术设计开发了 B/S结构的锅炉安全隐患预警及评价系统，系统应用结果表明，安全隐患预警结果准确率高，系统评价结果可靠有效。

关键词：锅炉；预警;评价;模糊；专家系统;安全性
文献标志码:A中图分类号：T P399d o i： 10.3778/j.i s s n.1002-8331.1606-0012
1引言
锅炉是工业生产的关键设备，锅炉故障造成的各类事故屡屡发生，给经济建设和安全生产带来了很大影响，因此，建立锅炉安全隐患预警系统，保障锅炉安全运行是一项紧迫而又重要的任务。

锅炉在高温高压下工作一段时间后，设备容易出现磨损、腐蚀、泄漏等问题。

由于锅炉系统的特殊性，锅炉故障征兆及参数具有模糊性和随机性，锅炉的状态不能仅用“正常”或“故障”来描述，缺少系统评价。

目前锅炉的故障的判断和诊断大部分都是人机结合在本地实现，这限制了专家知识和外部经验的作用。

马华杰等⑴将V C++与C L I P S结合开发了锅炉报警诊断专家系统，该系统将知识库构建成二叉判定树，通过判定节点选择左右分支，循环判断节点信息，最后得到叶子节点，叶子节点包含的就是故障原因。

该方法只能判断i f-t h e n式的直接故障，对于复杂的隐含式的锅炉故障，该方法不能够判断，具有一定局限性。

李玉荣等[2]设计开发的锅炉故障诊断专家系统采用规则结论的可信度组合判断故障征兆，该方法需要人工选择故障征兆和发生程度，需要锅炉管理人员具有丰富的司炉经验和故障判断能力，系统应用范围较小。

任冰等[3]将组态王和G P R S网络构建锅炉安全远程监控系统，该系统主要研究远程监控系统的设计与开发，未能在安全隐患判断等方面提出较好的方法。

龚凌诸等[4]使用模糊综合评价方法对锅炉系统进行安全性评估，该方法需要输入等级参数，没有考虑锅炉故障发生情况的统计结果，以及锅
基金项目陕西省教育厅专项科研计划项目（N o.l2J I K0787);西安科技大学培育基金项目（N o.201336)。

作者简介：司明（1984—)，男，工程师，研究领域为软件工程、数据挖掘技术，E-m a i l:176228107@q q.c o m,收稿日期：2016-06-01 修N R期：2016-08-05 文章编号：1002-8331(2016)23-0244-05
C N I K I网络优先出版：2016-08-25, h t t p://w w w.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/11.2127.T P.20160825.1645.024.h t m
l
司明：基于FES 和FT A 的锅炉安全隐患预警及评价系统2016,52(23) 245炉系统各部件的故障情况，只能大体判断锅炉运行状 态，对于锅炉故障没有具体的处理对策。

阮曙东等[5]建 立了锅炉故障模糊诊断系统，将知识库和规则库合并， 规则的正确性决定了诊断结果正确与否，该方法只能被 动接受专家知识和规则，不能够主动修改和维护知识和 规则。

基于以上研究基础，为了解决锅炉系统现有的不 足，本文在已有的锅炉监控系统之上建立锅炉安全隐患 预警及评价系统，根据锅炉运行状态的监测情况，采用 模糊专家系统判断锅炉故障征兆，分析预测锅炉运行中 可能出现的多种故障，并且确定锅炉故障发生的原因以 及处理对策。

同时，采用故障树分析法，对锅炉系统的 运行情况给出系统评价，评价包括安全性评价、经济性 评价和主要部件故障率统计等。

2锅炉安全隐患预警模型锅炉安全隐患预警模型的核心是模糊专家系统，本 文将模糊逻辑和专家系统相结合，引入模糊逻辑来处理 不确定性问题，模糊专家系统(F E S )能在初始信息不完 全或不十分准确的情况下，较好地模拟人类专家解决问 题的思路和方法，运用不太完善的知识体系，给出尽可 能准确的解答或提示[6]。

模糊专家系统的运算步骤如下所示：步骤1根据锅炉故障征兆对应的实时参数隶属函 数计算隶属度，锅炉故障征兆包括炉膛压力上升、汽包 压力下降、给水流量增大、汽包水位发生急剧波动、汽包 水位高等。

常用的隶属函数有:升半梯形、降半矩形、降 半C a u ch y 、升岭型等[7]。

本文采用模糊统计法为故障征 兆选择隶属函数[8]，以“排烟温度上升”为例。

(1) 设排烟温度在某段时间的变化量为R 论域 [15，25]，^为“排烟温度上升”的模糊集合。

(2) W 0e R 对％ = 20进行隶属度计算，则％ = 20 对^的隶属频率/=0.78。

f 二m
n 1)式中n 表示样本总数，m 表示样本区间覆盖20的频数。

(3)计算论域^上每一个元素对^的隶属频率，作 为^对^的隶属度。

最终确定以升半梯形函数作为 “排烟温度上升”的隶属函数。

升半梯形公示如下：A (x )=<0, x < a ^X ^^, a < x < b b - a 1, x > b 2)步骤2计算故障可信度[9]。

根据规则可信度和故 障征兆实时参数的隶属度，通过模糊运算，计算出故障 存在的可信度，对于具有相同结论的规则，采用加权运 算计算故障存在的可信度。

模糊推理机模型如图1所示。

P 2P 3图1模糊推理机数学模型
R 图1中，是规则，^是模糊集，匕是各规则可信 度，、是规则中前提的隶属度，\(x )是模糊集^上的 隶属函数，^的计算公式如下：例如:汽包水位下降的隶属度为0.7，炉膛压力上升 的隶属度为0.8,排烟温度下降的隶属度为0.6,规则库
中故障水冷壁管泄漏对应如下三条规则：
规则1: I F 汽包水位下降
T H E N 水冷壁管泄漏可信度=0.8 规则2: I F 炉膛压力上升 T H E N 水冷壁管泄漏可信度=0.85 规则3 : I F 排烟温度下降 T H E N 水冷壁管泄漏可信度=0.6 根据推理机模型，水冷壁管泄漏的可信度计算步骤
如下：R 1 = 0.7 x R 2 = 0.8 x 0.8
0.8 + 0.85 + 0.6
0.850.8 + 0.85 + 0.6R 3 = 0.6 x 0.6
0.8 + 0.85 + 0.6
R = R 1 + R 2 + R 3 = 0.71步骤3专家系统确定以[0，1]的值来表示安全隐患
预警的可信度区间，并定义区间[0,0.4]为安全区；区间
(0.4,0.6]为预警区；区间（0.6，1]为危险区。

根据上述算
法可对安全隐患进行预警，保障锅炉安全运行。

3锅炉系统评价模型锅炉系统的系统评价包括安全性评价、关键重要
度、经济性评价和主要部件故障率统计。

这些系统评价 结果会实时和定期发送给生产部门的各级管理人员，通 过系统评价选择最优或者满意的系统运行方案。

故障树分析法(F T A )[10-11]是一种将系统故障形成的 原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，其目 的是判明基本故障，确定故障的原因、影响和发生概率。

由美国贝尔电话研究所的W a ts o n 和M e a rn s 于1961— 1962年在研究分析导弹发射控制系统的安全性设计中 首先提出的。

本文锅炉系统评价中的关键重要度及安 全性评价采用故障树分析法为锅炉建立故障树评价模 型，如图2
所示。

246 2016,52(23)五喂/weer/wg 如似计算机工程与应用
用户
界面层业务应用层系统服务层数据
服务层
辅助系统故障3.3经济性评价
依据《蒸汽锅炉安全规程》要求以及锅炉实时监测 数据和锅炉特性，排烟温度是锅炉热损失主要因素之 一，降低排烟温度有利于锅炉热效率的提高，因此在操
作锅炉时，要注意锅炉排烟的温度，提高锅炉的经济
性[14-15]。

超温值时间由锅炉特性等因素综合给定阈值， 经济性评价计算公式如下所示：
R
y 2其中，R 为经济性评价的百分比 为计划时间。

(8)
乃为超温值时间T 24系统设计实现
锅炉安全隐患预警及评价系统总体结构包括:用户
界面层、业务应用层、系统服务层和数据服务层。

用户
界面层负责人机交互,终端界面显示，业务应用层包括 安全隐患预警及对策、工况运行曲线、预警历史记录、实
时运行参数,系统服务层包括安全隐患预警模型、系统
评价模型、检修保养规则,数据服务层包括锅炉故障知
识库、模型库、数据库、检修保养知识库。

本系统具有分
层架构、多级级联、接口开放的特点,总体结构如图3所示。

图3中，锅炉故障知识库管理系统和锅炉检修保养
知识库管理系统是单独设计开发的子系统，两个知识库
管理系统都是基于B /S 模式的系统，为预警评价系统提 供知识推理的依据并且方便司炉员工对知识库进行管
理。

故障知识库管理系统包括知识查询、知识增加、知 识删除、知识修改、知识打分等功能，如图4所示。

普通
员工可以进行知识查询，根据设备名称和故障类型查询 到故障原因及其处理对策;巡视工和专家不但可以对知
识库的知识进行增删改查,而且也可以根据日常使用知
识库的历史记录对知识进行打分,不断更新知识库的内
容，保障知识库的可靠度。

检修保养知识库管理系统根 据系统提示定期将检修保养任务发送到矿井隐患排查 系统，提醒锅炉工人及时进行锅炉系统的日检、周检、月 检、年检工作。

锅炉本体故障用户终端1鼓风机水泵了丁图3系统总体结构
1皮带机丁—G— A
图2锅炉故障树模型3.1关键重要度关键重要度[12]也叫临界重要度，采用基本事件发生 概率的相对变化率与顶事件发生概率的相对变化率之
比来表示基本事件的重要程度。

其公式为：
P (T )( 4)其中，q.为第i 个基本事件发生的概率，P(T )为顶事件 的发生概率，I ，)为第i 个基本时间的概率重要度系 数，概率重要度计算公式为：X i )dP (T )dq .(5)P (T )为顶事件发生概率q .为基本事件发生的概率。

3.2安全性评价本文根据锅炉故障树确定锅炉故障率计算公式，建 立锅炉系统安全可靠性[13]计算模型，计算出故障概率及 锅炉系统可靠度。

可靠性是系统在规定条件下,完成规 定功能的能力，可靠度是系统在规定时间内和规定的条 件下，完成其规定功能的概率。

故障率计算公式如下：
1 d N f(t)
(6)N (t ) dt 其中，N (t )表示t 时刻仍正常工作的样本数dNf (t)/d t
表示t 时刻经过一个微小时间段d t 后新增故障样本 数。

可靠度计算公式如下：R =亡 R (7)
i = 1其中，R.为每个元件的可靠度〃为部件的数量。

可靠 度区域划分如表1所示。

表1可靠度区域划分表级别区域划分
相当安全80%以上安全70%〜80%较安全60%〜70%基本安全50%〜60%安全隐患预 警及对策工况运行 曲线预警历史 记录实时运行参数锅炉系统故障分层
架
构
、多
级
级联
、
接
口开放畑统P
仲禅目I 库
知
司明：基于FES 和FT A 的锅炉安全隐患预警及评价系统2016,52(23) 247
管泄露是指炉膛内水冷壁管破裂而导致的故障。

水冷
壁管泄漏的主要相关故障征兆是汽包水位下降、炉膛压 力升高、给水流量增大、排烟温度下降等。

通过故障可 信度得到如下数据：汽包水位下降，水冷壁管泄漏，可信度0.85;给水流 量增大，水冷壁管泄漏，可信度0.6;炉膛压力升高，水冷 壁管泄漏，可信度0.8;排烟温度下降，水冷壁管泄漏，可 信度0.6。

利用陕西南梁煤矿1号炉（额定蒸汽流量: 6 T /H ，额定蒸汽压力：.25 M p a ，额定蒸汽温度：194°C ) 在水冷壁管泄漏前数据进行验证。

由图8〜11可以看出，在20 m i n 的时间里，汽包水位
下降，给水流量增大，炉膛压力升高，排烟温度下降，水 冷壁管泄漏的故障可信度呈现上升趋势，因此，预警模 型的计算结果与实际情况相符，水冷壁管泄漏的故障可 信度逐渐增大。

图7系统评价界面
20 40 60 80 100 120 140
时间/s
图8汽包水位曲线图
图5系统功能结构图4.2数据库设计本系统采用S Q L S e r v e r 2005设计开发数据库，其 中包括规则表、事实表、配置表、主因素表、辅因素表、故 障预警表、输入输出表、可靠度表、经济性表、重要度表、 经济性阈值表。

其中，规则表存放I F -T H E N 产生式的规 则，即锅炉故障预警推理的所有规则，事实表主要记录 故障征兆的模糊程度，配置表存放参数的阈值、隶属函 数及特征参数，是模糊推理的基础，主因素表主要存放 所有实时的运行参数，辅因素表存放水泵、引风机、鼓风 机等辅助设备运行参数和设定参数，故障预警表是锅炉 辅助设备故障的知识库，输入输出表即最终结果表，作 为最终页面显示的数据表。

可靠度表、重要度表和经济 性表主要存储各参数的时间，经济性阈值表中的存放的 最大值和最小值是系统评价的基础。

4.3系统运行界面
锅炉安全隐患预警及评价系统主要功能有实时预 警及对策、系统评价，其用户界面如图6、所示。

用户 可以在实时预警及对策模块中查看预警时间、故障名 称、故障原因、处理对策;在系统评价模块中查看锅炉的 安全性、经济性、关键重要度、部件故障率统计的系统评 价;还可以查看锅炉的实时运行参数及工况曲线。

4.4系统应用下面以水冷壁管泄漏的实例进行应用说明，水冷壁图4知识库管理系统
4.1系统功能设计
系统主要包括安全隐患预警及系统评价两大模 块。

安全隐患预警模块包括安全隐患预警及对策、工况 曲线、预警历史记录、实时运行参数;系统评价模块包括 安全性、部件故障率统计、关键重要度、经济性的评价。

具体功能结构如图5所示。

图6实时预警及对策界面系
统评价模块
知识库管理系统锅炉安全隐患预警及评价系统
预警模块汽&水位 a e n r n i 炉膛压力d -H U P a 排烟溢度 loner 谢炉1
知识评价
I 知识删除知识修改I 知识增加I 知识查询X
经济性评价H 关键重要度工部件故障率统计
X 安全性评价丄
实
时运行参数丄 预警历史记录-L 工况
运行曲线_L 安全隐患预警及对
策
248 2016,52(23)C 續p 論r 却p //cfl 如似计算机工程与应用
20 40 60 80 100 120 140时间/s
图9炉膛压力曲线图20 40 60 80 100 120 140时间/s 图10排烟温度曲线图时间/s 图11故障可信度曲线图5结束语本文主要研究了锅炉安全隐患预警和系统评价的 问题，采用模糊专家系统和故障树分析法构建了安全隐 患预警模型和系统评价模型，收集整理锅炉故障知识库 和维修保养知识库，设计开发了锅炉安全隐患预警及评 价系统，实现了锅炉故障实时预警和系统评价。

其中， 故障征兆参数的选取、模糊专家系统的规则可信度以及 实时参数的隶属度计算函数决定了安全隐患预警的结 果。

为了提高预警的准确率，下一步的研究重点，首先， 根据历史数据和事故案例，完善故障征兆参数的选取方 法。

其次，设计智能算法自动调整规则可信度。

最后，-0.420 -0.450
-0.480 -0.510
-0.540
-0.570改进选择隶属函数的模糊统计法，使隶属函数更近似买 时参数的变化趋势。

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3
2
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9
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