地铁杂散电流腐蚀的模糊综合评价方法研究_图文

1、第19卷第3期2007年5月腐蚀科学与防护技术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修改稿基金项目:江苏省自然科学基金(BK2006037 作者简介:李威(1964-,男,博士,教授,从事智能控制、智能仪表以及地铁杂散电流腐蚀防护与监测研究.Te:l 0516-* E -m ai:l li w eicu m t 163.co m地铁杂散电流腐蚀的模糊综合评价方法研究李威,王爱兵,王禹桥中国矿业大学机电工程学院,徐州221008摘要:通过对

2、地铁杂散电流评价方法的分析,结合模糊综合评价方法,给出了地铁杂散电流模糊综合评价方法;利用MATLAB 对该方法进行了仿真分析,并通过广州地铁一号线杂散电流监测系统得到的数据对杂散电流状况进行了评价.结果表明,模糊综合评价方法可以减少漏报率,提高地铁杂散电流腐蚀状态评价的准确性.关键词:地铁;杂散电流;评价中图分类号:TG173.3 文献标识码:A 文章编号: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,地铁杂散电流腐蚀状态监测系统多采用固定阈值法来进行杂散电流腐蚀状态的判断.即监测中心设定报警阈值,将极化电位实测值与预先设定的判别阈值进行比较,当监测的极化电位数据超过阈值时,系统发出相

6、应的腐蚀报警.由于传感器所获得的信息具有一定的不确定性,这种只是根据报警阈值进行简单的二元判决的腐蚀监测方法将会使得杂散电流腐蚀监测的虚警率和漏报率升高.同时,从杂散电流腐蚀机理可以看出,在阴极极化期间,结构金属没有腐蚀,当结构金属长期处于阳极极化的情况下,金属受到电化学腐蚀.所以结构金属的腐蚀不仅与极化强度有关,而且还与阳极极化的持续时间有关,所以单纯的强度判定指标是不全面的.本文提出将模糊集理论应用于杂散电流监测与报警,综合了杂散电流强度和阳极极化时间两方面的特征,消除了多个判据之间可能存在的冗余和矛盾,从而获取杂散电流状态的一致判决,提高杂散电流状态监测的正确性.1模糊综合评价方法原理1

7、4模糊综合评价是以模糊集合理论为基础,将评价目标的评判矩阵和目标的模糊矩阵的合成运算融为一体的评价方法.它以评判矩阵的建立为基础,通过德尔斐法对模糊环境中的模糊信息量化,并通过模糊矩阵的合成计算,将量化的无序原始数据转变成有序的、有规律性的数据,以达到综合评价的目的.设单因素集合为U =u 1,u 2,u 3, ,u m ,决择评语集合为V =v 1,v 2,v 3, ,v m .对因素集U 的单因素评价u i (i =1,2,3, ,m 做单因素评判,引入其隶属函数,从因素u i 确定该因素对决择等级v j (j =1,2,3, ,n的隶属程度r i ,j ,最后得出第i 个因素的单因素评判

8、集r i =(r i ,1,r i ,2,r i,3, ,r i ,n 则m 个因素的评价集就构成了一个总的评价矩阵R.R =r 11r 12 r 1n r 21r 22 r 2nr m 1r m 2r m n 选取合适的U 的重要程度模糊集A,记做222腐蚀科学与防护技术第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为u i 的隶属度,它是单因素u i 在总评价中影响程度的度量.评价矩阵和重要程度模糊集合矩阵根据不同模糊合成方法进行运算,从而得出不同评价因素的综合评价结果.设矩阵A =(a i ,j m !n ,矩阵R =(r i

9、,j n !p .由于A 的列数和R 的行数相等,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过求取对应的最大和最小值得出最终结论,但在决定b i ,j 时,式(1只考虑调整后的隶属度(a i ,k Ir k ,j 最大的影响因素,选其最优的作为决定因素,而忽略其它因素.式(2首先考虑了在a i,k 和r k ,j 中起决定因素的最大值,其后只考虑调整后的隶属度(a i ,k Ur k,j 取最小的影响因素,选其

10、最差的作为决定因素,而忽略了其它因素.(2加权平均法B =A R =(b i ,j m !p b i ,j =I n k=1a i ,k r k,j (3此方法与线性代数中的矩阵乘法相同,在决定因素的评价对等级V 的隶属度b i ,j 时,考虑了所有因素U 的影响;因此,a i ,j 的大小具有刻画各种因素U 的重要程度的权系数的意义.最大值和最小值法只是突出主要因素的影响作用,而忽略了其它因素的影响,这有利于做出快速的判断,但将其它因素忽略又显得不足.而加权平均法考虑了综合的因素,将所有的因素按一定的权重相加,这无疑在整体上有明显的优势,但没有更好地突出主要因素的影响.2地铁杂散电流腐蚀的模

11、糊综合评价方法2 1杂散电流的评价指标杂散电流的评价指标主要有不对称系数和阈值判别两种指标.不对称系数和防护规程是从不同角度对杂散电流的干扰状况做出的评价,阈值判别是从正向极化的强度上给出的杂散电流腐蚀的评价指标,而不对称系统是从正向极化的时间上给出的杂散电流腐蚀的评价指标. 2 1 1阈值判别法5,6 阈值判别是根据地铁杂散电流腐蚀防护规程给出的判定指标,也是目前国内杂散电流监测系统中普遍采用杂散电流评价方法.对于采用铜/硫酸铜参比电极进行杂散电流状态监测情况,阈值判别给出了埋地金属结构极化电位的正向偏移平均值不能超过0 5V 的指标.即当极化电位正向偏移接近0 5V 时,结构金属腐蚀较严重

12、,应该采取措施进行处理.2 1 2不对称系数判别法7 不对称系数判别法是波兰G dan s 'k 理工大学的K Z akowsk ,W sok l sk i 通过实验室或现场测试,给出了一种不对称系数判断方法,其计算公式如下:=P E >E S =T A T =MN(4式中, 为金属结构电位相对于参考电位变化的不对称系数,E S 为埋地金属结构的参考电压值,T A 为金属结构阳极极化时间,T 是测量持续时间,P 是电位相对于参考电位正向偏移的概率,M 为电位相对于E S 正向偏移的测量数据个数,N 为该次测量总的数据个数.对于受杂散电流干扰的埋地金属结构,可用如下的评判标准:&l

13、t;30%:没有电化学腐蚀; =30%50%:一般强度的腐蚀; >50%:严重腐蚀.利用不对称系数对杂散电流腐蚀状态进行判别的方法在国外已经有应用,但在国内还没有应用实例.2 2确定隶属度和隶属函数对于同一次的测量结果,不对称系数和阈值判别都可以从不同角度给出杂散电流的腐蚀状态,隶属函数可以量化两种判定结果对腐蚀判定结果的支持程度.2 2 1阈值判别法 根据阈值判别法理论,不妨如下假设:U <0:没有电化学腐蚀;U =00 5V:一般强度的腐蚀;U >0 5V 时:严重腐蚀.其中U 为金属结构极化电位的正向偏移平均值.假设U =00 5V 时,结构金属的腐蚀强度是线性增强的,

14、则选择隶属函数如图1所示.则阈值判别的隶属函数为u (U =0,U <02U,U =00 51,U >0 5(52 2 2不对称系数判别法 设结构钢筋极化电位的采样周期为T,m in .半小时内极化电位的正向偏移的次数为n1,总测量次数为n .当采样周期T 相对于总测量时间很小时,不对称系数可用下式来表示:=n1!T n !T =n1n(6假设 =30%50%时,结构金属的腐蚀强度是线性增加的,根据受杂散电流干扰的埋地金属结构的评判标准,不对称系数判决可选择如图2所示的隶属函数.则不对称系数的隶属函数为u (U =0,<30%5 -15,=30%50%1,>50%(7F

15、 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:地铁杂散电流腐蚀的模糊综合评价方法研究223 Fig .2M e m bershi p grade f uncti on of asymm etry coeffi c ient 通过隶属函数,不对称系数和阈值判别的结果都集中到杂散电流对结构金属的腐蚀程度上来,从而可以一致的对杂散电流的腐蚀做出判断.可以看出通过隶属度函数,杂散电流对结构金属的腐蚀强度可以用01之间的数据来表征,对于一次检测结果的隶属度关系矩阵为R ,则R =u (Uu ( 2

16、3模糊综合评价方法由于两种判断指标在杂散电流状态判断中是相互独立的,根据其在杂散电流腐蚀状态判断中的作用,建立权重向量矩阵A 为 A =0 5,0 5设B 1,B 2,B 3分别为根据式(1(2(3得到的三种评价结果.则B 1=A R =(0 5Iu ( Y (0 5Iu(U B 2=A R =(0 5Yu ( I (0 5Yu(U B 3=A R =0 5u ( +0 5u (U 对B 1,B 2,B 3加权平均后得到最终的杂散电流腐蚀状态的综合评价B =131313 !B 1B 2B 3=13B 1+13B 2+13B 3=1(0 5Iu( U (0 5Iu (U +13(0 5Uu( I

17、(0 5Uu(U +130 5u ( +0 5u(U (8可以看出,模糊综合评价方法综合了杂散电流强度和极化时间两方面的特征,将两种不同角度的判定准则融合在一起,获得对杂散电流状态的一致判决,提高杂散电流状态监测的正确性.3模糊综合评价仿真与实际分析3 1模糊综合评价方法的仿真分析根据模糊综合评价方法,利用MATLAB 软件进行仿真来分析不对称系数评价结果和阈值评价结果对模糊综合评价结果的影响 图3给出了当不对称系数判定隶属度和阈值判定隶属度分别在01范围变化时模糊综合评价结果的变化情况.可以看出,在阈值判定隶属度相同的情况下,腐蚀强度随不对称系数的增大而增强,并且在阈值判定隶属度较大或较小时

18、,腐蚀强度受不对称系数影响较大.在不对称系数隶属度相同的情况下,腐蚀强度随阈值隶属度的增大而增强,并且在不对称系数隶属度较大或较小时,腐蚀强度受阈值隶属度影响较大.在综合评价值为0 5时,腐蚀强度达到一个极值,腐蚀将发生质的变化,所以当综合评价值大于0 5时,需采取排流等措施进行处理.3 2利用模糊综合评价方法对地铁杂散电流腐蚀状态进行评价对广州地铁一号线杂散电流监测系统所测得的极化电位数据,利用模糊综合评价方法进行杂散电流腐蚀状态的评价.表1给出了芳村到长寿路供电区间内整体道床结构钢筋某一测点的极化电位测量数据.在该次的测量数据中,极化电位的最大值V m ax =0 2810,极化电位的正向

19、偏移次数n 1=20,总测量次数n =48.利用传统的方法给出杂散电流的评价.由于V m ax =0 2810<0 5,则没有腐蚀.下面利用模糊综合评价方法对该测点的杂散电流腐蚀情况进行评价.F ig .3Curve o f f uzzy co m prehensi ve eva l uati on result T ab le 1M easure m ent data of polar i zation poten ti a l测量序号1234567测量值(V 0 2810 0910 0950 1150 0930 0620 050测量序号891011121314测量值(V 0 090-

20、0 120-0 081-0 077-0 069-0 065-0 061测量序号15161718192021测量值(V -0 0300-0 054-0 082-0 102-0 249-0 150测量序号22232425262728测量值(V -0 119-0 098-0 089-0 093-0 123-0 155-0 166测量序号29303132333435测量值(V -0 129-0 175-0 166-0 187-0 145-0 129-0 080测量序号36373839404142测量值(V -0 1030 0620 0910 1920 2770 0640 170测量序号434445464748-测量值(V 0 2000 0790 1050 1730 0990 043-224腐蚀科学与防护技术第19卷阈值法隶属度为u(U=2!Vm ax=2!02810=05620不对称系数判别隶属度为u( =5!(n1-n-15=05833则该测点的模糊综合评价为B=13B1+13B2+13B3=13(05Iu( U(05Iu(U+ 13(05Uu( I(05Uu(U+ 1305u( +05u(U=05449根据仿真结论可知,该测点处结构钢筋已经存在杂散电流