基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法与流程

1.本发明涉及电梯安全技术领域，特别涉及一种基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法。


背景技术：

2.电梯因其便利性成为人们生产生活中不可缺少的组成部分，与此同时电梯引发的各类安全问题正严重威胁着人们的生命财产安全，为了有效评估电梯运行状态的安全性，电梯设备安全评估变得十分重要。但现有的电梯安全评价体系的建立都是基于电梯设备的物理状态，包括曳引机温度、开关门速度、电力拖动系统平稳运行时速度等指标层，传统评价体系的指标值在实际应用过程中难以精确测量，需要的成本较高。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的目的在于提出一种基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法，该方法提高了电梯健康状态评价的可行性，同时降低了应用中所需的成本。
5.为达到上述目的，本发明实施例提出了基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法，包括以下步骤：步骤s1，利用模糊综合评价法建立目的地控制系统dcs的评价指标集，根据所述评价指标集建立评价等级集，其中，所述评价指标集包括标准层和指标层；步骤s2，采用熵权法计算所述标准层的指标权重；步骤s3，采用层次分析法计算所述指标层的指标分配权重；步骤s4，根据隶属度函数和所述评价等级集计算所述指标层中各指标的隶属度，确定第一评价矩阵和第二评价矩阵；步骤s5，根据所述第一评价矩阵和所述标准层的指标权重对所述标准层进行评价，得到所述标准层的评价结果向量；步骤s6，根据所述第二评价矩阵和所述指标层的指标分配权重对所述指标层进行评价，得到所述指标层的评价结果向量。
6.本发明实施例的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法，通过将第一层（标准层）的指标以监测的目的地控制系统的数据为基础，结合熵权法与层次分析法确定权重，得到的指标权重更加准确，再根据相对劣化度选择隶属度函数，使得评估矩阵更加准确，从而可提高电梯健康状态评价的可行性，也能够降低应用中所需的成本。
7.另外，根据本发明上述实施例的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述标准层包括电梯运行时状态、电梯硬件状态和电梯历史状态，所述指标层包括平均速度、平均加速度、乘客报警频次、盖板缺失频次、消防反馈频次、检修频次、锁梯频次、紧急故障频次和一般故障频次。
8.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2具体包括：步骤s201，设有m个指标、n个样本的矩阵，对矩阵进行归一化，得到矩阵，归一化公式为：
式中，p
ij
为标准化值，x
ij
为原始值；为第个指标最大值；为第i个指标最小值；步骤s202，根据所述矩阵计算第i个指标的熵值e
i
，计算公式为：，式中，，，且当时，令；步骤s203，根据所述第i个指标的熵值e
i
计算第i个指标的熵权w
i
，即所述标准层的指标权重，计算公式为：。
9.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s3具体包括：步骤s301，根据标度理论对所述指标层进行处理，构造判断矩阵b；步骤s302，根据，计算所述判断矩阵b的最大特征值及其特征向量；步骤s303，计算所述判断矩阵b的检验系数cr,若，则所述判断矩阵b符合一致性检验，执行下一步骤，若不符合，则重新构造所述判断矩阵b。
10.步骤s304，对所述特征向量进行归一化处理，得到所述指标层的指标分配权重。
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述判断矩阵b的检验系数cr为：式中，，n为判断矩阵b的阶数，ri为平均随机一致性指标。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述标准层的评价结果向量b
i
为：式中，w
i
为所述标准层的指标权重,r
i
为第一评价矩阵，m为评价等级个数。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述指标层的评价结果向量为：式中，w为所述指标层的指标分配权重,r为第二评价矩阵，m为评价等级个数。
14.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
15.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本发明一个实施例的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法流程图；图2是本发明一个实施例的三角形和半梯形结合的隶属度函数示意图。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法。
18.首先需要说明的是，模糊综合评价法是在模糊数学的基础上发展而来，在对某一对象进行评价时，评价对象往往由多方面因素决定，因而需要对各个因素进行评价，同时评价过程中难以将其归于某个类别，因此需要借助模糊集的概念进行模糊评价，在对单个因素进行模糊评价后，运用模糊数学运算对所有因素进行综合模糊评价，得到最终评估结果。
19.电梯设备的运行健康状态常常受多个因素或指标的影响，这时需要根据多个因素对研究对象进评估，而不能仅依据单一因素的评估，因此本发明实施例提出了基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法，对受多因素影响的对象进行综合评价的方法，运用隶属度函数对研究对象进行量化评价。
20.图1是本发明一个实施例的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法的流程图。
21.如图1所示，该基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法包括以下步骤：在步骤s1中，利用模糊综合评价法建立目的地控制系统dcs的评价指标集，根据评价指标集建立评价等级集，其中，评价指标集包括标准层和指标层。
22.进一步地，在本发明的一个实施例中，标准层包括电梯运行时状态、电梯硬件状态和电梯历史状态，指标层包括平均速度、平均加速度、乘客报警频次、盖板缺失频次、消防反馈频次、检修频次、锁梯频次、紧急故障频次和一般故障频次。
23.具体地，电梯系统是一个复杂性、模糊性的动态系统，电梯设备的运行健康状态常常受多个因素或指标的影响，这时需要根据多个因素对研究对象进评估，而不能仅依据单一因素的评估。因此，本发明实施例结合电梯的安全标准和技术规范，以及收集的紧急故障、锁梯、急停等电梯安全事故数据，在充分分析事故发生直接原因和间接原因的基础上，按主、客观因素建立评价指标体系。
24.现有电梯健康状态指标体系大多数是从电梯的曳引系统、门系统、桥箱系统和电力拖动系统等出发，以上电梯系统的各个子系统的数据的获取在实际应用中需要较高的成本。而电梯管理系统的目的地控制系统(dcs)可以为本发明实施例提供电梯开关的运行状态指标，如表1所示。dcs所提供的数据是零一序列构成的数据，要充分挖掘dcs提供的开关
数据，为此需要构建新的特征信息。
25.表1根据电梯运行系统的特点，将指标体系分为三个大类：一类是运行时指标。该类指标反映电梯运行系统工作中的状态，是一个不断变化的动态指标，包括人为因素。第二类是静态指标，该指标反映电梯某些组成部件损坏。第三类是电梯历史状态统计量。
26.该指标反映电梯的在过去时间段的持续健康运行的情况。根据电梯的上行或者下行随时间变换的开关量，可以计算出电梯在某一时间段的平均运行速度、运行的加速度，统计固定时间段检修电梯、紧急故障、一般故障的频次，建立的电梯评价指标体系将是“人、机、环境”因素的综合反映，建立的电梯评价指标体系，如表2所示。
27.表2进一步地，可以设标准层有n个指标，记为，根据该层指标的归属分成u个子集（即指标层），即,其中， 代表第i个指标层指标中含有标准层的个数，且。
28.进一步地，由于电梯健康状态指标体系中各指标具有不同的单位和物理意义，为了对这些指标统一进行对比分析，本发明实施例还采用劣化度分析对指标进行归一化处理。相对劣化度指标与故障状态相比，当前状态的劣化程度，相对劣化度取值范围为。在上述建立评估指标体系中，各指标的劣化度有以下两种计算方法。
29.（1）越小越优型。指标值越小，代表越接近正常状态，如乘客报警频次。这类指标劣化函数需要参数最大值和最小值，劣化度函数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）（2）中间型。指标值存在一定的合理波动范围，在这个范围内指标越处于中间值，代表越接近正常状态，如电梯的运行平均速度。这类指标劣化度函数需要参数最大值、最小值和合理波动范围，劣化度函数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）将第1层9个指标归类于越小越优型和中间型，根据电梯监测运行数据，得到各指标的劣化度函数参数，如表 3 所示。
30.接下来，建立评价指标集的指标评价标准集合（即评价等级集），若有m个评价标准，则评价等级集为。
31.进一步地，权重值反映了各个指标在电梯运行系统中的重要程度，为此，需要对指标合理分配权重。为了得到科学的指标权重本发明实施例根据指标的实测数据，采用熵权法来分配标准层的指标权重；采用层次分析法对指标层的指标分配权重，具体如下步骤s2和步骤s3。
32.在步骤s2中，采用熵权法计算标准层的指标权重。
33.进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s2具体包括：
步骤s201，设有m个指标、n个样本的矩阵，对矩阵进行归一化，得到矩阵，归一化公式为：式中，为标准化值，为原始值；为第i个指标最大值；为第i个指标最小值；步骤s202，根据矩阵计算第i个指标的熵值e
i
，计算公式为：，式中，，，且当时，令；步骤s203，根据第i个指标的熵值e
i
计算第i个指标的熵权w
i
，即标准层的指标权重，计算公式为： 。
34.具体地，根据电梯运行时的dcs开关数据，对样本数据进行统计分析，以电梯运行时的状态的3个指标为例，采用熵权法得到指标权重的步骤如下：步骤一，样本矩阵标准值。设有m个指标、n个样本的矩阵，归一化后的矩阵为。例如，指标为3个，样本数据为10的样本矩阵为为按公式（3）进行标准化处理，得到矩阵为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）式中，为标准化值，为原始值，为第i个指标最大值，为第i个指标最小值。
35.步骤二，计算熵值。第i个指标的熵值定义为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
式中，，，且当时，令。
36.依据式（4），计算3个指标的熵值为e=（0.596,0.627,0.628）步骤三，计算熵权。计算出所有指标熵值e
i
后，第i个指标的熵权定义为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）根据式（5），电梯运行时状态的3个指标的权重为w1=(0.611,0.176,0.21)。按照同样的步骤，计算得到电梯硬件状态的指标权重w2=(0.6,0.4)，电梯历史状态的指标权重w3=(0.726,0.177,0.039,0.056)。
37.在步骤s3中，采用层次分析法计算指标层的指标分配权重。
38.进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s3具体包括：步骤s301，根据标度理论对指标层进行处理，构造判断矩阵b；步骤s302，根据，计算判断矩阵b的最大特征值及其特征向量；步骤s303，计算判断矩阵b的检验系数cr,若，则判断矩阵b符合一致性检验，执行下一步骤，若不符合，则重新构造判断矩阵b。
39.步骤s304，对特征向量进行归一化处理，得到指标层的指标分配权重。
40.进一步地，在本发明的一个实施例中，判断矩阵b的检验系数cr为：式中，，n为判断矩阵b的阶数，ri为平均随机一致性指标。
41.具体地，针对指标层中电梯运行时状态、电梯硬件状态、电梯历史状态对电梯安全的重要性，询问10位电梯检验中心的专家意见，运用层次分析法得到指标权重的步骤如下：步骤一，根据标度理论，构造判断矩阵。采用1
‑
9标度法（如表4所示），将3个指标的重要性两两比较，构造判断矩阵b，即表4：1
‑
9标度法及含义
步骤二，根据，计算最大特征值，和它的特征向量。
42.计算b的=3.053，=(0.236,0.118,0.118)步骤三，一致性检验。计算矩阵的检验系数cr,若，说明判断矩阵一致性检验符合，否则要修正矩阵。矩阵的检验系数计算公式为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）式中：，n为判断矩阵b的阶数；ri为平均随机一致性指标，取值如表5所示。
43.表5平均随机一致性指标ri值判断矩阵b为3，因此，，ri=0.58。b的检验系数cr=ci/ri=0.046，因为cr=0.046<0.1，所以判断矩阵b数值合理。
44.步骤四，计算归一化的权重向量。归一化处理，得到指标层的指标分配权重w=(0.5,0.25,0.25)。
45.在步骤s4中，根据隶属度函数和评价等级集计算指标层中各指标的隶属度，确定第一评价矩阵和第二评价矩阵。
46.具体地，在进行电梯健康状态评价之前需要先确定诊断评语集，将电梯安全等级划分为4个等级，即。通过劣化度分析得到各指标的归一化值，取值在区间内，如图2所示，因此，要选择覆盖劣化度取值区间的隶属度函数。
47.运行状态等级的描述
常见的隶属函数可以选取不同的形状，如三角形、梯形、矩形等。为了计算简单，本发明实施例采用三角形和半梯形结合的隶属函数计算各指标的隶属度，其分布如图 2 所示。各状态等级下的隶属度函数为：示。各状态等级下的隶属度函数为：式中：为指标的隶属度函数；x为指标的相对劣化度；为模糊分界区间。
48.接下来，再根据求得的各指标的隶属度确定第一评价矩阵和第二评价矩阵。
49.在步骤s5中，根据第一评价矩阵和标准层的指标权重对标准层进行评价，得到标准层的评价结果向量。
50.具体地，标准层的评价结果向量为：
式中，w
i
为标准层的指标权重,r
i
为第一评价矩阵，m为评价等级个数。
51.在步骤s6中，根据第二评价矩阵和指标层的指标分配权重对指标层进行评价，得到指标层的评价结果向量。
52.具体地，指标层的评价结果向量为：式中，w为指标层的指标分配权重,r为第二评价矩阵，m为评价等级个数。
53.本发明实施例提出的基于模糊综合评价理论的电梯设备健康状态诊断方法，通过将第一层（标准层）的指标以监测的目的地控制系统的数据为基础，结合熵权法与层次分析法确定权重，得到的指标权重更加准确，再根据相对劣化度选择隶属度函数，使得评估矩阵更加准确，从而可提高电梯健康状态评价的可行性，也能够降低应用中所需的成本。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
55.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。