大型游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

王銀蘭 宋偉科 林偉明 張 勇 中國特種設(shè)備檢測研究院

大型游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

王銀蘭 宋偉科 林偉明 張 勇 中國特種設(shè)備檢測研究院

針對游樂設(shè)施的特點(diǎn)，提出了游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，通過信息收集、危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制四個(gè)過程從設(shè)計(jì)階段完善設(shè)計(jì)方案。結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立了一套適合游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，集成了基于零部件失效模式分析、危險(xiǎn)源系統(tǒng)分析和概念設(shè)計(jì)分析方法，實(shí)現(xiàn)了零部件層次和系統(tǒng)層次的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制。以典型游樂設(shè)施-大擺錘為例，詳細(xì)說明了該方法具體實(shí)現(xiàn)過程，驗(yàn)證了該方法在游樂設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的有效性和適用性。

設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 失效模式分析 危險(xiǎn)源識(shí)別 大擺錘

游樂設(shè)施的安全取決于：安全的設(shè)計(jì)；滿足設(shè)計(jì)要求的制造與安裝；安全的運(yùn)行、操作；保養(yǎng)和維護(hù),其中設(shè)計(jì)是產(chǎn)品質(zhì)量的源頭。安全的設(shè)計(jì)決定了后面幾個(gè)因素的難易程度。因此，必須重視游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)開發(fā)。我國的游樂設(shè)施設(shè)計(jì)由最初的簡單測繪國外設(shè)備開始，經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)進(jìn)步，目前對中小型設(shè)備具備了計(jì)算分析等能力。但是由于缺乏設(shè)計(jì)理論和方法的指導(dǎo)，目前的游樂設(shè)施設(shè)計(jì)仍停留在以個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為主的階段，安全漏洞較多，產(chǎn)品安全隱患大。因此，必須在設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行有效的危險(xiǎn)識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從源頭提高產(chǎn)品安全可靠性。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

游樂設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的根本理念是以系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，“以人為本”為原則進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制。由于游樂設(shè)施的特殊性，所有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都圍繞人的安全展開，避免其他因素的干擾，體現(xiàn)“人員重于設(shè)備”。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是在設(shè)計(jì)階段盡量識(shí)別所有可能出現(xiàn)的與游客有關(guān)的不利因素。一旦發(fā)現(xiàn)存在對游客造成人身損害危險(xiǎn)，應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括危險(xiǎn)導(dǎo)致的損害發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度。隨后應(yīng)采取措施消除或減少風(fēng)險(xiǎn)，以及危險(xiǎn)時(shí)的救援措施[1-4]。

游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要由信息收集、危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制四個(gè)過程。信息收集的目的是獲取設(shè)備的相關(guān)安全信息與數(shù)據(jù)，收集的數(shù)據(jù)越多，則風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制工作的內(nèi)容就越充實(shí)。危險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。危險(xiǎn)識(shí)別是否全面、準(zhǔn)確與真實(shí)，任何一種危險(xiǎn)在識(shí)別階段是否被忽略，都將直接影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全決策的質(zhì)量。正確識(shí)別全部危險(xiǎn)，需運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行多角度、多層次的分析。大多數(shù)危險(xiǎn)可以被識(shí)別，并能通過后續(xù)措施加以消除。有些無法完全消除的危險(xiǎn)，應(yīng)對其可能造成的人身健康和安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┦蛊渥钚』?。風(fēng)險(xiǎn)控制重要的一點(diǎn)就是為消除具體危險(xiǎn)采取的措施，或者說使風(fēng)險(xiǎn)最小化的措施，就其本身性質(zhì)而言，不會(huì)又引起新的危險(xiǎn)。游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系建立

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

系統(tǒng)工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究日益引起人們的重視，各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法也在逐步發(fā)展并得到應(yīng)用。系統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的可信度在很大程度上取決于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的正確選擇。不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法側(cè)重的分析方面是不同的，同時(shí)在分析問題的深度、廣度上都存在一定的差別，因此合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是獲得可靠結(jié)果的保證。

目前常見的各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在游樂設(shè)施設(shè)計(jì)中應(yīng)用存在一定的難度。因?yàn)橛螛吩O(shè)施是一種由鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣、控制、液壓氣動(dòng)、土建基礎(chǔ)等多方面技術(shù)集成的產(chǎn)品，各個(gè)部件和各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系復(fù)雜。如失效樹分析(FTA)或事件樹分析(ETA)分析法，其故障樹的建造和計(jì)算過程極為復(fù)雜，最終數(shù)的分支樹會(huì)呈指數(shù)增長，產(chǎn)生大量的冗余分支[5-7]。鑒于游樂設(shè)施設(shè)計(jì)多樣化特點(diǎn)，某一類游樂設(shè)施生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量少，難以形成定量分析。更為重要的是，為了吸引游客的關(guān)注，游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)大多是一種創(chuàng)新性和個(gè)性化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中缺乏成熟產(chǎn)品參考和定量數(shù)據(jù)的支持，各種定量分析方法也不適用。因此，本文提出了一種針對游樂設(shè)施特點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，如圖2所示。

圖2 游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法

該方法從零部件層次、常見危險(xiǎn)源層次和概念設(shè)計(jì)層次三個(gè)方面對設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與控制。這種方法考慮了當(dāng)前游樂設(shè)施行業(yè)的特點(diǎn)，統(tǒng)籌兼顧了零部件和系統(tǒng)層次的危險(xiǎn)。通過不同層次、不同方法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對設(shè)備進(jìn)行有效的安全控制，是一種集成創(chuàng)新。其中基于零部件的失效模式分析從系統(tǒng)底層單個(gè)零部件角度評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，考慮到每個(gè)子系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。基于危險(xiǎn)源的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析從上層全局角度分析可能存在的各種失效風(fēng)險(xiǎn)，考慮系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。概念設(shè)計(jì)層則針對各種方法都無法消除或控制的危險(xiǎn)，說明其原理設(shè)計(jì)或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身存在重大缺陷，這時(shí)需要在概念設(shè)計(jì)層進(jìn)行改正甚至提出新的解決方案。

2.2 基于零部件的FMEA

失效模式及后果分析FMEA(Failure Mode And Effects Analysis)是在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之前對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防和控制。它主要是從失效嚴(yán)重度S(Severity)、頻度O(Occurrence)和探測度D(Detection)3個(gè)維度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過量化指標(biāo)確定風(fēng)險(xiǎn)的失效模式及關(guān)鍵失效起因，從而制定預(yù)防措施加以控制，從而將風(fēng)險(xiǎn)減少到可接受的水平[8,9]。FMEA是一種歸納分析方法，它在零部件級(jí)的水平上系統(tǒng)詳細(xì)地分析了所有可能的失效模式以及這些失效模式對系統(tǒng)的影響游樂設(shè)施非常實(shí)用游樂設(shè)施零部件角度的單點(diǎn)失效分析。

根據(jù)我國歷年游樂設(shè)施事故與故障統(tǒng)計(jì)分析情況,設(shè)計(jì)了游樂設(shè)施零部件失效可能性積分表(見表1)、失效可發(fā)現(xiàn)性積分表(見表2)和失效后果嚴(yán)重性積分表(見表3)。

表1 失效可能性積分表

表2 失效可發(fā)現(xiàn)性積分表

表3 失效后果嚴(yán)重性積分表

2.3 系統(tǒng)層次危險(xiǎn)源分析

雖然基于零部件的FMEA方法對于識(shí)別危險(xiǎn)，確定關(guān)鍵部件和游樂設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)控制起到很重要的作用，但基于零部件FMEA識(shí)別的危險(xiǎn)并不是游樂設(shè)施全部的危險(xiǎn)。由于游樂設(shè)施有很大一部分危險(xiǎn)源是在零部件裝配成系統(tǒng)（子系統(tǒng)）時(shí)或系統(tǒng)中產(chǎn)生的，或在各系統(tǒng)相互作用時(shí)產(chǎn)生的，因此，還必須對這些系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制，以求最大限度地識(shí)別游樂設(shè)施全部或絕大多數(shù)危險(xiǎn)，采取措施予以消除或處于有效控制之下[10,11]。根據(jù)多年的國內(nèi)外游樂設(shè)施設(shè)計(jì)文件鑒定與檢驗(yàn)試驗(yàn)實(shí)踐，在從系統(tǒng)層次自上而下識(shí)別并排除危險(xiǎn)源時(shí)，根據(jù)目前游樂設(shè)施工作特點(diǎn)和游樂設(shè)施實(shí)際情況，從危險(xiǎn)部位、失效模式、失效原因、控制措施等方面詳細(xì)分析了大擺錘的危險(xiǎn)源失效方式，見表4。

表4 大擺錘危險(xiǎn)源分析表

從表4中可以看出，基于危險(xiǎn)源的系統(tǒng)層次風(fēng)險(xiǎn)分析從機(jī)械危險(xiǎn)、電氣危險(xiǎn)、噪聲危險(xiǎn)、忽略人機(jī)工程學(xué)造成的危險(xiǎn)、環(huán)境危險(xiǎn)及意外危險(xiǎn)等，全面分析了所有可能的危險(xiǎn)源。其中機(jī)械危險(xiǎn)，如螺栓、焊縫、銷軸、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析涵蓋了基于零部件失效模式分析，從而避免了風(fēng)險(xiǎn)分析中可能的缺項(xiàng)，保證了風(fēng)險(xiǎn)分析的完整性。同時(shí)基于危險(xiǎn)源的系統(tǒng)層次風(fēng)險(xiǎn)分析方法還考慮了噪聲危險(xiǎn)以及其他特殊危險(xiǎn)，這些危險(xiǎn)無法在零部件失效模式中體現(xiàn)。

3 實(shí)例分析

大擺錘作為一種典型的旋轉(zhuǎn)類大型游樂設(shè)施，其運(yùn)動(dòng)形式是座艙的旋轉(zhuǎn)和吊臂的擺動(dòng)。目前大擺錘高度通常在15m，最大運(yùn)行高度可達(dá)30m，單側(cè)擺動(dòng)幅度一般在110°～120°左右，轉(zhuǎn)盤直徑在8m左右，轉(zhuǎn)速在7～10r/min左右，座艙最大線速度可達(dá)90km/h，最大加速度可達(dá)4g以上，每次最大載客量最多可達(dá)56人。游客在極速上擺與下落過程中，體驗(yàn)高度、速度、加速度帶來的驚險(xiǎn)與刺激。大擺錘的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定了設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行全面系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是保證設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。

基于零部件的FMEA方法和系統(tǒng)層次危險(xiǎn)源分析法對大擺錘可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估。大擺錘零部件層次失效分析見表5，系統(tǒng)層次危險(xiǎn)源失效分析如見表6(僅列出主要項(xiàng))。

表5 大擺錘零部件FMEA分析表

表6 大擺錘系統(tǒng)層次危險(xiǎn)源分析表

由表5和表6可以看出，基于零部件的FMEA和系統(tǒng)層次危險(xiǎn)源分析法全面分析了大擺錘在設(shè)計(jì)階段可能存在的各種失效可能，并提出了具體的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施，為保證大擺錘的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保證。

4 結(jié)論

1）在分析游樂設(shè)施特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程。通過信息收集、危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制四個(gè)過程從設(shè)計(jì)階段完善設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)備安全。

2）提出了一種針對游樂設(shè)施特點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，從零部件失效模式分析（FMEA）、危險(xiǎn)源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析和概念設(shè)計(jì)層分析三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了游樂設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)的全面評(píng)估。

3）以典型大擺錘游樂設(shè)施為例，利用本文提出的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，全面評(píng)估了大擺錘在設(shè)計(jì)階段可能存在的各種失效可能，并提出了具體的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施，驗(yàn)證了該方法的有效性和適用性。

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Based on the analysis of characteristics of amusement rides, the process of design risk assessment is proposed to perfect the design by information collection, risk identification, risk assessment and risk control. Considering the current risk assessment methods, a new approach adapting the feature of amusement rides is built, integrating the failure mode analysis of components, danger source analysis and concept design analysis. The risk assessment and control in the component and system level is realized. For instance of large pendulum, the details of risk assessment is illustrated, which verifies the effectiveness and applicability of the proposed method in the risk assessment of amusement rides.

Design risk assessment Failure mode analysis Risk source identifcation Large pendulum

2013－11－14）