地鐵雜散電流腐蝕的模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究_圖文

1、第19卷第3期2007年5月腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)CORROSI ON S C IENCE AND PROTECTION TECHNOLOGYV o.l 19N o .3M ay .2007收稿日期:2006 05 15初稿;2006 09 27修改稿基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金(BK2006037 作者簡(jiǎn)介:李威(1964-,男,博士,教授,從事智能控制、智能儀表以及地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)與監(jiān)測(cè)研究.Te:l 0516-* E -m ai:l li w eicu m t 163.co m地鐵雜散電流腐蝕的模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究李威,王愛(ài)兵,王禹橋中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,徐州221008摘要:通過(guò)對(duì)

2、地鐵雜散電流評(píng)價(jià)方法的分析,結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法,給出了地鐵雜散電流模糊綜合評(píng)價(jià)方法;利用MATLAB 對(duì)該方法進(jìn)行了仿真分析,并通過(guò)廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)對(duì)雜散電流狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明,模糊綜合評(píng)價(jià)方法可以減少漏報(bào)率,提高地鐵雜散電流腐蝕狀態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.關(guān)鍵詞:地鐵;雜散電流;評(píng)價(jià)中圖分類(lèi)號(hào):TG173.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002 6495(200703 0221 04FUZZY COM PREHENSI VE EVALUATI ONON M ETRO STRAY CURRENT CORRO SI ONL IWE I ,WANG A i bing ,WAN

3、G Yu qiaoColle g e of M echanical and E ngineer i ng,China Un i ver sit y of M ini ng and T echno logy,Xuzhou 221008Abst ract :The paper analyzed characteristics o f present stray current eval u ation m et h ods ,and i n tr oducedthe princi p le o f f u zzy co m prehensi v e eva l u ation m ethod ,p

4、rov i d i n g a f u zzy co m prehensi v e assess m ent o f the MTR stray curren.t U si n gMATLAB ,its si m ulati o n ana l y sis is carried ou,t and the evaluati o n for the Guan g zhou No .1m etro li n e stray currents is g i v en w ith the data fro m stray currentm onitori n g syste m.The re su lt

5、s sho w ed that the fuzzy co mprehensi v e m et h od can reduce error probab ility ,and i n crease the accuracy ofMTR stray current co rrosion evaluati o n .K eyw ords :m etro ;stray curren;t evaluati o n目前,地鐵雜散電流腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用固定閾值法來(lái)進(jìn)行雜散電流腐蝕狀態(tài)的判斷.即監(jiān)測(cè)中心設(shè)定報(bào)警閾值,將極化電位實(shí)測(cè)值與預(yù)先設(shè)定的判別閾值進(jìn)行比較,當(dāng)監(jiān)測(cè)的極化電位數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí),系統(tǒng)發(fā)出相

6、應(yīng)的腐蝕報(bào)警.由于傳感器所獲得的信息具有一定的不確定性,這種只是根據(jù)報(bào)警閾值進(jìn)行簡(jiǎn)單的二元判決的腐蝕監(jiān)測(cè)方法將會(huì)使得雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)的虛警率和漏報(bào)率升高.同時(shí),從雜散電流腐蝕機(jī)理可以看出,在陰極極化期間,結(jié)構(gòu)金屬?zèng)]有腐蝕,當(dāng)結(jié)構(gòu)金屬長(zhǎng)期處于陽(yáng)極極化的情況下,金屬受到電化學(xué)腐蝕.所以結(jié)構(gòu)金屬的腐蝕不僅與極化強(qiáng)度有關(guān),而且還與陽(yáng)極極化的持續(xù)時(shí)間有關(guān),所以單純的強(qiáng)度判定指標(biāo)是不全面的.本文提出將模糊集理論應(yīng)用于雜散電流監(jiān)測(cè)與報(bào)警,綜合了雜散電流強(qiáng)度和陽(yáng)極極化時(shí)間兩方面的特征,消除了多個(gè)判據(jù)之間可能存在的冗余和矛盾,從而獲取雜散電流狀態(tài)的一致判決,提高雜散電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)的正確性.1模糊綜合評(píng)價(jià)方法原理1

7、4模糊綜合評(píng)價(jià)是以模糊集合理論為基礎(chǔ),將評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)判矩陣和目標(biāo)的模糊矩陣的合成運(yùn)算融為一體的評(píng)價(jià)方法.它以評(píng)判矩陣的建立為基礎(chǔ),通過(guò)德?tīng)栰撤▽?duì)模糊環(huán)境中的模糊信息量化,并通過(guò)模糊矩陣的合成計(jì)算,將量化的無(wú)序原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成有序的、有規(guī)律性的數(shù)據(jù),以達(dá)到綜合評(píng)價(jià)的目的.設(shè)單因素集合為U =u 1,u 2,u 3, ,u m ,決擇評(píng)語(yǔ)集合為V =v 1,v 2,v 3, ,v m .對(duì)因素集U 的單因素評(píng)價(jià)u i (i =1,2,3, ,m 做單因素評(píng)判,引入其隸屬函數(shù),從因素u i 確定該因素對(duì)決擇等級(jí)v j (j =1,2,3, ,n的隸屬程度r i ,j ,最后得出第i 個(gè)因素的單因素評(píng)判

8、集r i =(r i ,1,r i ,2,r i,3, ,r i ,n 則m 個(gè)因素的評(píng)價(jià)集就構(gòu)成了一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣R.R =r 11r 12 r 1n r 21r 22 r 2nr m 1r m 2r m n 選取合適的U 的重要程度模糊集A,記做222腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)第19卷A =a 1,a 2,a 3, ,a m ,其中mi=1a i =1其中,a i (0 a i 1為u i 的隸屬度,它是單因素u i 在總評(píng)價(jià)中影響程度的度量.評(píng)價(jià)矩陣和重要程度模糊集合矩陣根據(jù)不同模糊合成方法進(jìn)行運(yùn)算,從而得出不同評(píng)價(jià)因素的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果.設(shè)矩陣A =(a i ,j m !n ,矩陣R =(r i

9、,j n !p .由于A 的列數(shù)和R 的行數(shù)相等,故可相乘得到B.(1最大值和最小值法B 1=A R =(b i ,j m !p b i ,j =U nk=1(a i ,k Ir k,j (1b i ,j =I n k=1(a i ,k U r k,j (2最大值和最小值法是通過(guò)求取對(duì)應(yīng)的最大和最小值得出最終結(jié)論,但在決定b i ,j 時(shí),式(1只考慮調(diào)整后的隸屬度(a i ,k Ir k ,j 最大的影響因素,選其最優(yōu)的作為決定因素,而忽略其它因素.式(2首先考慮了在a i,k 和r k ,j 中起決定因素的最大值,其后只考慮調(diào)整后的隸屬度(a i ,k Ur k,j 取最小的影響因素,選其

10、最差的作為決定因素,而忽略了其它因素.(2加權(quán)平均法B =A R =(b i ,j m !p b i ,j =I n k=1a i ,k r k,j (3此方法與線(xiàn)性代數(shù)中的矩陣乘法相同,在決定因素的評(píng)價(jià)對(duì)等級(jí)V 的隸屬度b i ,j 時(shí),考慮了所有因素U 的影響;因此,a i ,j 的大小具有刻畫(huà)各種因素U 的重要程度的權(quán)系數(shù)的意義.最大值和最小值法只是突出主要因素的影響作用,而忽略了其它因素的影響,這有利于做出快速的判斷,但將其它因素忽略又顯得不足.而加權(quán)平均法考慮了綜合的因素,將所有的因素按一定的權(quán)重相加,這無(wú)疑在整體上有明顯的優(yōu)勢(shì),但沒(méi)有更好地突出主要因素的影響.2地鐵雜散電流腐蝕的模

11、糊綜合評(píng)價(jià)方法2 1雜散電流的評(píng)價(jià)指標(biāo)雜散電流的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有不對(duì)稱(chēng)系數(shù)和閾值判別兩種指標(biāo).不對(duì)稱(chēng)系數(shù)和防護(hù)規(guī)程是從不同角度對(duì)雜散電流的干擾狀況做出的評(píng)價(jià),閾值判別是從正向極化的強(qiáng)度上給出的雜散電流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo),而不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)是從正向極化的時(shí)間上給出的雜散電流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo). 2 1 1閾值判別法5,6 閾值判別是根據(jù)地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)規(guī)程給出的判定指標(biāo),也是目前國(guó)內(nèi)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中普遍采用雜散電流評(píng)價(jià)方法.對(duì)于采用銅/硫酸銅參比電極進(jìn)行雜散電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)情況,閾值判別給出了埋地金屬結(jié)構(gòu)極化電位的正向偏移平均值不能超過(guò)0 5V 的指標(biāo).即當(dāng)極化電位正向偏移接近0 5V 時(shí),結(jié)構(gòu)金屬腐蝕較嚴(yán)重

12、,應(yīng)該采取措施進(jìn)行處理.2 1 2不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判別法7 不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判別法是波蘭G dan s k 理工大學(xué)的K Z akowsk ,W sok l sk i 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,給出了一種不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判斷方法,其計(jì)算公式如下:=P E E S =T A T =MN(4式中, 為金屬結(jié)構(gòu)電位相對(duì)于參考電位變化的不對(duì)稱(chēng)系數(shù),E S 為埋地金屬結(jié)構(gòu)的參考電壓值,T A 為金屬結(jié)構(gòu)陽(yáng)極極化時(shí)間,T 是測(cè)量持續(xù)時(shí)間,P 是電位相對(duì)于參考電位正向偏移的概率,M 為電位相對(duì)于E S 正向偏移的測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),N 為該次測(cè)量總的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).對(duì)于受雜散電流干擾的埋地金屬結(jié)構(gòu),可用如下的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn):50%:嚴(yán)重腐蝕.利用

13、不對(duì)稱(chēng)系數(shù)對(duì)雜散電流腐蝕狀態(tài)進(jìn)行判別的方法在國(guó)外已經(jīng)有應(yīng)用,但在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例.2 2確定隸屬度和隸屬函數(shù)對(duì)于同一次的測(cè)量結(jié)果,不對(duì)稱(chēng)系數(shù)和閾值判別都可以從不同角度給出雜散電流的腐蝕狀態(tài),隸屬函數(shù)可以量化兩種判定結(jié)果對(duì)腐蝕判定結(jié)果的支持程度.2 2 1閾值判別法 根據(jù)閾值判別法理論,不妨如下假設(shè):U 0 5V 時(shí):嚴(yán)重腐蝕.其中U 為金屬結(jié)構(gòu)極化電位的正向偏移平均值.假設(shè)U =00 5V 時(shí),結(jié)構(gòu)金屬的腐蝕強(qiáng)度是線(xiàn)性增強(qiáng)的,則選擇隸屬函數(shù)如圖1所示.則閾值判別的隸屬函數(shù)為u (U =0,U 0 5(52 2 2不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判別法 設(shè)結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位的采樣周期為T(mén),m in .半小時(shí)內(nèi)極化電位

14、的正向偏移的次數(shù)為n1,總測(cè)量次數(shù)為n .當(dāng)采樣周期T 相對(duì)于總測(cè)量時(shí)間很小時(shí),不對(duì)稱(chēng)系數(shù)可用下式來(lái)表示:=n1!T n !T =n1n(6假設(shè) =30%50%時(shí),結(jié)構(gòu)金屬的腐蝕強(qiáng)度是線(xiàn)性增加的,根據(jù)受雜散電流干擾的埋地金屬結(jié)構(gòu)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判決可選擇如圖2所示的隸屬函數(shù).則不對(duì)稱(chēng)系數(shù)的隸屬函數(shù)為u (U =0,50%(7F ig .1M e m be rsh i p grade f unc ti on o f thresho l d assess m en t3期李威等:地鐵雜散電流腐蝕的模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究223 Fig .2M e m bershi p grade f uncti

15、 on of asymm etry coeffi c ient 通過(guò)隸屬函數(shù),不對(duì)稱(chēng)系數(shù)和閾值判別的結(jié)果都集中到雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)金屬的腐蝕程度上來(lái),從而可以一致的對(duì)雜散電流的腐蝕做出判斷.可以看出通過(guò)隸屬度函數(shù),雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)金屬的腐蝕強(qiáng)度可以用01之間的數(shù)據(jù)來(lái)表征,對(duì)于一次檢測(cè)結(jié)果的隸屬度關(guān)系矩陣為R ,則R =u (Uu ( 2 3模糊綜合評(píng)價(jià)方法由于兩種判斷指標(biāo)在雜散電流狀態(tài)判斷中是相互獨(dú)立的,根據(jù)其在雜散電流腐蝕狀態(tài)判斷中的作用,建立權(quán)重向量矩陣A 為 A =0 5,0 5設(shè)B 1,B 2,B 3分別為根據(jù)式(1(2(3得到的三種評(píng)價(jià)結(jié)果.則B 1=A R =(0 5Iu ( Y (0

16、5Iu(U B 2=A R =(0 5Yu ( I (0 5Yu(U B 3=A R =0 5u ( +0 5u (U 對(duì)B 1,B 2,B 3加權(quán)平均后得到最終的雜散電流腐蝕狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)B =131313 !B 1B 2B 3=13B 1+13B 2+13B 3=1(0 5Iu( U (0 5Iu (U +13(0 5Uu( I(0 5Uu(U +130 5u ( +0 5u(U (8可以看出,模糊綜合評(píng)價(jià)方法綜合了雜散電流強(qiáng)度和極化時(shí)間兩方面的特征,將兩種不同角度的判定準(zhǔn)則融合在一起,獲得對(duì)雜散電流狀態(tài)的一致判決,提高雜散電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)的正確性.3模糊綜合評(píng)價(jià)仿真與實(shí)際分析3 1模糊綜合評(píng)

17、價(jià)方法的仿真分析根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)方法,利用MATLAB 軟件進(jìn)行仿真來(lái)分析不對(duì)稱(chēng)系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果和閾值評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響 圖3給出了當(dāng)不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判定隸屬度和閾值判定隸屬度分別在01范圍變化時(shí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的變化情況.可以看出,在閾值判定隸屬度相同的情況下,腐蝕強(qiáng)度隨不對(duì)稱(chēng)系數(shù)的增大而增強(qiáng),并且在閾值判定隸屬度較大或較小時(shí),腐蝕強(qiáng)度受不對(duì)稱(chēng)系數(shù)影響較大.在不對(duì)稱(chēng)系數(shù)隸屬度相同的情況下,腐蝕強(qiáng)度隨閾值隸屬度的增大而增強(qiáng),并且在不對(duì)稱(chēng)系數(shù)隸屬度較大或較小時(shí),腐蝕強(qiáng)度受閾值隸屬度影響較大.在綜合評(píng)價(jià)值為0 5時(shí),腐蝕強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)極值,腐蝕將發(fā)生質(zhì)的變化,所以當(dāng)綜合評(píng)價(jià)值大于0 5時(shí),需采取

18、排流等措施進(jìn)行處理.3 2利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)地鐵雜散電流腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的極化電位數(shù)據(jù),利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行雜散電流腐蝕狀態(tài)的評(píng)價(jià).表1給出了芳村到長(zhǎng)壽路供電區(qū)間內(nèi)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋某一測(cè)點(diǎn)的極化電位測(cè)量數(shù)據(jù).在該次的測(cè)量數(shù)據(jù)中,極化電位的最大值V m ax =0 2810,極化電位的正向偏移次數(shù)n 1=20,總測(cè)量次數(shù)n =48.利用傳統(tǒng)的方法給出雜散電流的評(píng)價(jià).由于V m ax =0 28100 5,則沒(méi)有腐蝕.下面利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該測(cè)點(diǎn)的雜散電流腐蝕情況進(jìn)行評(píng)價(jià).F ig .3Curve o f f uzzy co m prehensi

19、ve eva l uati on result T ab le 1M easure m ent data of polar i zation poten ti a l測(cè)量序號(hào)1234567測(cè)量值(V 0 2810 0910 0950 1150 0930 0620 050測(cè)量序號(hào)891011121314測(cè)量值(V 0 090-0 120-0 081-0 077-0 069-0 065-0 061測(cè)量序號(hào)15161718192021測(cè)量值(V -0 0300-0 054-0 082-0 102-0 249-0 150測(cè)量序號(hào)22232425262728測(cè)量值(V -0 119-0 098-0 08

20、9-0 093-0 123-0 155-0 166測(cè)量序號(hào)29303132333435測(cè)量值(V -0 129-0 175-0 166-0 187-0 145-0 129-0 080測(cè)量序號(hào)36373839404142測(cè)量值(V -0 1030 0620 0910 1920 2770 0640 170測(cè)量序號(hào)434445464748-測(cè)量值(V 0 2000 0790 1050 1730 0990 043-224腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)第19卷閾值法隸屬度為u(U=2!Vm ax=2!02810=05620不對(duì)稱(chēng)系數(shù)判別隸屬度為u( =5!(n1-n-15=05833則該測(cè)點(diǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)為B=13B1+13B2+13B3=13(05Iu( U(05Iu(U+ 13(05Uu( I(05Uu(U+ 1305u( +05u(U=05449根據(jù)仿真結(jié)