李新宇

(南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 211102)

0 引言

起重機(jī)械是涉及生命安全、危險性非常大的機(jī)電類特種設(shè)備，每年發(fā)生的特種設(shè)備事故中，起重機(jī)械事故數(shù)量最多，起重機(jī)械的安全問題越來越不可忽視，而對于處于服役期尤其是服役多年的起重機(jī)械，正常的檢驗(yàn)和維保無法明確設(shè)備的實(shí)際安全狀態(tài)，因此對起重機(jī)械的安全性進(jìn)行全面、科學(xué)、客觀的分析評價對預(yù)防安全事故的發(fā)生意義重大。

目前國內(nèi)外研究人員常用的分析評價方法有綜合層次分析法、模糊綜合評價法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、灰色理論分析法等，他們采用不同的思路展開了研究。CHEN Z P等[1]提出了一種基于分類分析和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋式起重機(jī)安全評估方法，通過分類分析修改了專家評價權(quán)重分布并提高了專家評估集的合理性；李愛華等[2]運(yùn)用博弈論和未確知測度理論，建立起重機(jī)安全等級評價模型，一定程度上克服評價過程中常用的單一賦權(quán)方法和最大隸屬度原則的不足；趙曉姣等[3]基于可拓理論和改進(jìn)AHP方法建立橋式起重機(jī)安全評價的物元模型，為橋式起重機(jī)安全評價提供了一種新方法。

雖然研究方法有很多，但很多研究在對評價向量的獲取和處理上，不能充分利用研究結(jié)果中的信息，不當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄉ踔翆?dǎo)致評價信息丟失較多，不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映設(shè)備的安全狀態(tài)[4-5]。本文通過層次分析法構(gòu)建了通用橋式起重機(jī)評價指標(biāo)體系，并計算了指標(biāo)權(quán)重，通過構(gòu)建隸屬函數(shù)，得到隸屬度矩陣，和權(quán)重向量進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算后得到通用橋式起重機(jī)的綜合評價向量，最后利用可變模糊集理論綜合未確知測度理論中的置信度識別準(zhǔn)則確定通用橋式起重機(jī)安全性評價等級。通過實(shí)例驗(yàn)證，本文所研究的評價方法科學(xué)合理，能夠較為準(zhǔn)確地反映通用橋式起重機(jī)的安全狀態(tài)。

1 通用橋式起重機(jī)模糊綜合評價過程

1.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

構(gòu)建一個科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系是進(jìn)行模糊綜合評價的前提，這個體系應(yīng)該要涵蓋其整個服役期內(nèi)的所有安全因素[6-8]。根據(jù)通用橋式起重機(jī)的特點(diǎn)，參考《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》(TSG Q7016—2016)和《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》(TSG Q7015—2016)[9-10]等安全技術(shù)規(guī)范，并且結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料和部分專家的觀點(diǎn)，構(gòu)建了通用橋式起重機(jī)安全評估指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 通用橋式起重機(jī)安全評價指標(biāo)體系

1.2 構(gòu)建判斷一致矩陣和權(quán)重計算

采用層次分析法(AHP)的理論構(gòu)造分級判斷矩陣[11-13]，并計算各層級評價指標(biāo)權(quán)重。本文使用1—9標(biāo)度法，并以各指標(biāo)對起重機(jī)安全性的影響為判斷準(zhǔn)則，將各層級內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比打分，綜合多個專家的判斷結(jié)果，得到合適的判斷矩陣。通過對判斷矩陣的歸一化處理求得最大特征向量，此向量即為該層次判斷矩陣的權(quán)重向量，為保證指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過一致性指標(biāo)CI除以平均一致性比率RI(查表得到)得到一致性比率CR，只有CR<1時，才可認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求，當(dāng)矩陣級數(shù)小于3時，無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)指標(biāo)體系表1建立指標(biāo)集并得到各層次判斷矩陣及其權(quán)重向量，一級指標(biāo)集UB={B1,B2,B3,B4}，二級指標(biāo)集分別為B1={C1,C2}；B2={C3,C4,C5,C6}；B3={C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13}；B4={C14,C15}。一級判斷矩陣P和二級判斷矩陣M1、M2、M3、M4及其權(quán)重向量ω如下：

ωB3=(0.20,0.15,0.05,0.08,0.15,0.30,0.08)T

各層次判斷矩陣一致性比率CR<0.10，均通過一致性檢驗(yàn)。對二級指標(biāo)進(jìn)行層次總排序，可得到各因素對通用橋式起重機(jī)的安全性影響程度。經(jīng)計算，得到RI總=1.73，CI總=0.09，因此CR總=0.05<0.10，則層次總排序結(jié)果可靠?？偱判蚪Y(jié)果如表2所示。

表2 層次總排序

1.3 構(gòu)建指標(biāo)模糊評價集及確定隸屬度

要描述起重機(jī)的安全程度這一模糊概念，需要利用模糊評價的思想構(gòu)建評價集，評價人員對每一個指標(biāo)進(jìn)行打分，定量表示各評價指標(biāo)的安全狀況，通常在建立評價集時很多學(xué)者采用對每個指標(biāo)根據(jù)其特點(diǎn)建立評價子集，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以對每個指標(biāo)進(jìn)行很細(xì)致的評分，但缺點(diǎn)是評分過程比較繁瑣，在指標(biāo)太多時需要建立的評價子集也多，對每個評價子集的構(gòu)建依賴性較大[14]。本文根據(jù)指標(biāo)體系的特點(diǎn)采用綜合模糊評價集對各指標(biāo)進(jìn)行賦值。

我們將評價集分為4個等級，其描述內(nèi)容分別為“安全”、“存在少量問題”、“存在較多問題”、“失效”，依次賦值為“4”、“3”、“2”、“1”。評價人員可根據(jù)判斷在1～4之間取值，每個指標(biāo)的分值是取所有評價人員打分的平均值。

根據(jù)評價集可以構(gòu)建隸屬函數(shù)，將指標(biāo)Ci的評分代入隸屬函數(shù)后可以得到指標(biāo)的隸屬度向量Ri，設(shè)評分為x，則隸屬函數(shù)u(x)如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 構(gòu)建模糊綜合評價向量和確定安全性評價等級

1.4.1 構(gòu)建模糊綜合評價向量

通過各評價指標(biāo)隸屬度與權(quán)重進(jìn)行合成運(yùn)算可構(gòu)建模糊綜合評價向量S，即為

(5)

1.4.2利用可變模糊集理論和未確知測度理論確定安全性評價等級

通常很多學(xué)者在進(jìn)行模糊評價時使用最大隸屬度原則較多，由于本文中評價等級劃分是有序的，所以最大隸屬度準(zhǔn)則不適合。另外，在進(jìn)行指標(biāo)評分時常用的方法是按照評分專家打分的百分比直接得到隸屬度，但在本文中是采用隸屬函數(shù)的方式間接得到的隸屬度。利用可變模糊集理論[15]中的等級識別方法，可以有效可靠地獲得評價對象的安全等級，這樣做可減少模糊評價集對結(jié)果帶來的不利影響，有效避免評價結(jié)果超模糊的情況。另外，為了進(jìn)一步優(yōu)化評價結(jié)果，使得評價結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，可結(jié)合未知測度理論中的置信度識別準(zhǔn)則確定安全等級[2]。設(shè)X為綜合評價得分，可變模糊集理論確定評價對象的級別特征公式：

(6)

可變模糊集理論中的判別準(zhǔn)則為

(7)

假設(shè)評語空間C={C1，C2，…，Ck}，Cn為第n個評價等級，且1≤n≤k，則安全評價等級Cn優(yōu)于Cn+1。

根據(jù)可變模糊集理論中的判別準(zhǔn)則，本文將安全評價等級分為4個等級，建立通用橋式起重機(jī)安全性評價等級如表3所示。

表3 通用橋式起重機(jī)安全性評價等級

續(xù)表3

在未知測度理論中，利用置信度λ計算安全等級，0.5<λ≤1，通常取0.6或者0.7計算，置信度的取值越大，評價結(jié)果則越趨于保守。置信度識別準(zhǔn)則如下：

(8)

當(dāng)利用可變模糊集理論中的判別準(zhǔn)則判斷安全評價等級為K時，通過綜合評價向量Sk可計算得到對應(yīng)等級的λ值，本文中λ的參照值取0.7，因此，當(dāng)置信度λ≥0.7，則判定等級為K級，當(dāng)?shù)燃塊對應(yīng)的置信度λ<0.7時，那么將λ=0.7代入式(8)中計算，即可確定安全評價等級為Ck0。

2 實(shí)例分析

使用本文模型對某公司一臺在役的通用橋式起重機(jī)進(jìn)行模糊評價，評價人員有5人。經(jīng)過評價發(fā)現(xiàn)以下問題：該設(shè)備主梁有多處裂紋和銹蝕；車輪和軌道存在一定程度的磨損；鋼絲繩、吊具和卷筒存在一定程度的銹蝕、破損等問題。

按照指標(biāo)體系中的15個指標(biāo)項(xiàng)目，依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測和評分，取所有評價得分的平均值，并計算隸屬度，結(jié)果如表4所示。

表4 各指標(biāo)評判結(jié)果

得到每個指標(biāo)的隸屬度后，可以構(gòu)建隸屬矩陣R，代入式(5)中，得到該通用橋式起重機(jī)的模糊綜合評價向量S為(0,0.41,0.10,0.49)。

代入式(6)中可得X(S)為3.08，根據(jù)表2中可知，安全等級為2級(合格)，但由于該等級對應(yīng)的置信度λ=0.59<0.7，因此將參照值0.7代入式(8)中，可知k0=3，因此可判定該通用橋式起重機(jī)的安全評價等級為3級(異常)，整機(jī)安全風(fēng)險較大，需要停機(jī)維修，重新評價合格后繼續(xù)使用，這與實(shí)際情況較為符合。

3 結(jié)論

(1)本文利用層次分析法從金屬結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和人員及管理4個方面建立了通用橋式起重機(jī)的評價指標(biāo)體系，并由判斷一致矩陣計算得到了各評價指標(biāo)的權(quán)重。

(2)建立了評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)，通過構(gòu)建隸屬函數(shù)得到隸屬矩陣，并與指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行合成運(yùn)算得到評價對象的綜合評價向量。

(3)引入了可變模糊集理論等級判別方法和未知測度理論中的置信度識別準(zhǔn)則，優(yōu)化了評價結(jié)果的處理，盡可能利用了評價信息，這樣得到的結(jié)果比利用常用的評價方法得到的結(jié)果更符合實(shí)際情況，更能夠科學(xué)合理地反映出評價對象的安全狀態(tài)。