三角模糊可拓理論在老舊電梯運行失效可能性評價中的應用

馬幸福

（湖南電氣職業(yè)技術學院 電梯工程學院 湘潭 411101）

檢驗評價

三角模糊可拓理論在老舊電梯運行失效可能性評價中的應用

馬幸福

（湖南電氣職業(yè)技術學院 電梯工程學院 湘潭 411101）

為了準確判斷老舊電梯運行失效的可能性，應用三角模糊理論結合層次分析法進行風險評價，拓展評價維度，克服傳統(tǒng)評價偏差。首先從故障頻率、日常運行管理、使用年限3方面構建評價模型；然后由專家通過三角模糊數(shù)建立兩兩比較三角模糊判斷矩陣；最后，利用線性規(guī)劃方法計算模糊權重，得出評價指標最終權重。結果表明，安全部件失效的風險最大，應予以重點考慮，驗證了該方法的可行性。

三角模糊數(shù) 老舊電梯 層次分析法 風險評價

電梯的設計使用壽命一般為10～15年左右，由于受維修保養(yǎng)和使用工況等多種因素的影響，電梯整機使用壽命存在很大差異，只要能通過特種設備檢驗檢測部門的檢測，電梯就能一直使用，因此，有的老舊電梯運行已經(jīng)超過了15年。由于超期運行，電梯部件嚴重老化，控制技術落后，老舊電梯的可靠性和安全性潛在風險加大，由運行失效引發(fā)的安全事故逐年增多。因此，如何對老舊電梯運行失效可能性進行有效評價成為電梯安全亟待解決的重大問題。

電梯的風險評價起源于歐洲，目前并未形成統(tǒng)一的評價標準與評價方法，常用的是層次分析法，國內(nèi)學者也進行了大量研究，提出了很多新的評價方法。如蔚光慶等[1]提出了模糊定量安全評估方法，門智峰等[2]提出了定量加權平均分析法，范俊燕等[3]提出了基于機器學習的電梯安全評價方法，徐澤水[4]提出了模糊有序加權平均算子方法。老舊電梯運行失效受機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、維修保養(yǎng)、外界使用情況等眾多因素影響，應用傳統(tǒng)評價方法具有一定的局限性。本文利用模糊理論，在層次分析法中結合三角模糊數(shù)量化風險指標，由一維評價值拓展成三維評價值，建立安全風險評估模型，計算評估指標最優(yōu)化權重值，對影響老舊電梯運行失效的風險因素進行綜合評價，克服傳統(tǒng)評價方法的經(jīng)驗性與人為主觀性。

1 基本定義

層次分析法在對兩兩評價指標重要性進行打分比較時，由于專家打分的模棱兩可性容易導致判斷矩陣出現(xiàn)病態(tài)，不易通過一致性檢查，從而需要重新進行打分。模糊可拓理論以模糊集合與模糊邏輯為基礎，適用于解決有人員參與的相關界限不分明甚至很模糊的問題。

定義[5]模糊數(shù)A的隸屬函數(shù)為

為了描述評估準則i相對評估準則j的重要程序，定義三角模糊數(shù)ij表示評估準則的比較結果，具體標度取值關系見表1。

表1 三角模糊數(shù)標度取值關系

傳統(tǒng)層次分析法利用1～9標度進行取值打分，在構造判斷矩陣時容易出現(xiàn)不一致性，導致逆序問題出現(xiàn)。而采用三角糊糊數(shù)形式構造判斷矩陣，直接從不一致性或不完全的判斷結果中求解優(yōu)先級向量，意味著只需要求解模糊數(shù)ij即可解決優(yōu)先級排序問題。

2 風險評估過程

2.1 評估流程

實現(xiàn)老舊電梯整機系統(tǒng)安全風險評估的具體流程如下：

1）通過設計評估表格，以問卷調(diào)查表等形式聘請電梯專家對老舊電梯的環(huán)節(jié)可能性風險、環(huán)節(jié)嚴重性風險、部件可能性風險、部件嚴重性風險、日常運行維護及日常檔案管理等之間的相互重要性進行打分，建立風險評估指標體系。

2）建立老舊電梯整機系統(tǒng)風險評估模型，應用三角模糊理論及線性規(guī)劃理論計算各風險指標的模糊值。

3）確定各評估指標的權重值和評估準則層的最終優(yōu)先級排序結果，判斷老舊電梯整機系統(tǒng)結構的安全健康程度。

2.2 評估模型的建立

在實際過程中，老舊電梯的運行安全性受外部使用環(huán)境安全、本身機械部件及電氣部件功能安全、維護保養(yǎng)人員及使用管理人員操作等多方面因素影響。本文僅從運行故障頻率、日常運行管理及使用年限3方面的準則來對風險因素進行排序，建立風險評估模型如圖1所示。

圖1 老舊電梯整機系統(tǒng)風險評估模型

2.3 模糊優(yōu)先級的排序

其中λij表示線性隸屬，衡量的是wi/wj滿足中間值bij的程度。存在一個最優(yōu)解向量(wi/ wj,λij)，使式（3）具有最大隸屬度，通過求解線性規(guī)劃方程，避免了判斷矩陣一致性檢驗問題。

利用文獻[4]中的基于FOWA算子的三角模糊數(shù)互補判斷矩陣法計算最優(yōu)解向量的權重值。利用該方法可以得到不同的專家對準則層及元素層指標的模糊權重；為將不同專家的意見融合在一起，并體現(xiàn)各自主觀判斷的差異性，運用模糊度排序方法對模糊權重重新排序，計算指標排序公式為：

3 應用實例分析

為了驗證該方法的有效性，選取老舊電梯運行可靠性的整機系統(tǒng)作為評估對象，從故障頻率、日常運行管理、使用年限3個方面建立圖1所示老舊電梯整機系統(tǒng)風險評價模型。通過3位電梯專家對運行故障頻率、日常運行管理、使用年限3個準則層指標進行打分，建立兩兩比較三角模糊判斷矩陣，見表2～表4，利用matlab工具箱編制線性規(guī)劃函數(shù)程序，分別求得在最大的線性隸屬度λij下對應的最優(yōu)解向量，運用FOWA算法解得不同專家對準則層指標的權重：

表2 專家1：評估指標比較判斷矩陣

表3 專家2：評估指標比較判斷矩陣

表4 專家3：評估指標比較判斷矩陣

重復以上計算過程，得到控制系統(tǒng)失效、安全部件失效、振動舒適性差、噪聲舒適性差4個元素層風險指標相對準則層各因素的權重值，見表5。通過模糊度排序方法進而求得各風險指標總體模糊權重值：即“安全部件失效”指標總體權重最大，應予以重點優(yōu)先考慮。安全部件是電梯安全使用的最重要保護裝置，在實際使用當中，直接影響使用者的生命安全。因此，該排序結果符合電梯實際運行情況。

表5 風險指標相對權重值

4 結論

考慮到老舊電梯運行失效因素的不確定性，本文從運行故障頻率、日常運行管理、使用年限3方面對老舊電梯整機系統(tǒng)進行風險評價。傳統(tǒng)層次分析法在計算權重時，如果一致性檢驗不通過，則需要專家重新打分構建判斷矩陣，并再次進行一致性檢驗；如果準則層與元素層指標數(shù)量眾多，且專家打分過于主觀，可能導致一致性判斷陷入死循環(huán)，評估過程無法進行下去。在三角模糊評價過程中，盡管仍然依賴專家打分構建三角模糊數(shù)構建評價矩陣，但是專家只需要對評估指標的判斷進行模糊描述，評估過程中利用線性規(guī)劃求解最優(yōu)化解向量，不需要進行一致性檢驗。因此，有效解決傳統(tǒng)層次分析法一致性檢驗不通過問題，并且保留了專家判斷的差異性，即克服了判斷的人為主觀性。通過實例分析，評價結果符合實際情況，該方法是可行的。研究結果對于預先評判老舊電梯的運行安全性具有一定的指導意義。

[1]慶光蔚，岳林，胡靜波.老舊電梯模糊定量安全技術評價方法研究[J].中國安全科學學報，2013，23(12)：126-131.

[2]門智峰，張彥朝.特種設備的風險評估技術[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2006，2(01)：92-94.

[3]范俊燕.基于機器學習的電梯安全評價研究[D].西安：西安工業(yè)大學，2011.

[4]徐澤水.基于FOWA算子的三角模糊數(shù)互補判斷矩陣排序法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2003，23(10)：86-89.

[5]Dubios D，Prade H.Operations on fuzzy numbers[J].International Journal of Systems Science，1978， (09)：613-626.

[6]Mikhailov L. Deriving Priorities from Fuzzy Pairwise Comparison Judgements [J]. Fuzzy Sets and Systems，2003， 134(03)： 365-385.

[7]秦大力，張利，李吉慧.基于FAHP的信息安全風險評估方法[J].計算機工程，2009，35(15)：156-158.

Application of Triangular Fuzzy Extension Theory in Failure Probability Evaluating of Old Elevator

Ma Xingfu
(Elevator Engineering Institute, Hunan Electrical College of Technology Xiangtan 411101)

In order to accurately determine failure possibility of old elevator, a risk assessment method was established by using triangular fuzzy theory and analytic hierarchy process, which expanded the evaluation dimension and overcame the traditional evaluation bias. Firstly, the evaluation model was established from three aspects of fault frequency, daily operation management and service life. And the judgment matrix was established through the triangular fuzzy number to establish two pairs of triangular fuzzy judgment by the experts. Finally, the fuzzy weight was calculated by linear weighting method and the fi nal weight of the evaluation index was obtained. The results show that the risk of failure of the safety components is the biggest and should be paid more attention to and which veri fi es the feasibility of the method.

Triangular fuzzy number Old elevator Analytic hierarchy process Risk evaluation

X941

B

1673-257X(2017)09-0039-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.008

馬幸福（1983～)，男，碩士，講師，工程師，從事特種設備系統(tǒng)安全分析研究工作。

馬幸福，E-mail： maxingfu3618@163.com。

湖南省教育廳2016年科學研究資助項目（編號：16C0361）。

2017-03-16）