基于模糊集理論的岸橋加高施工過程失效模式及影響分析

孫遠韜,秦仙蓉,周兆偉,張 氫

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

隨著18 000 TEU的超大集裝箱船的出現(xiàn),使得集裝箱在船舶上的堆放高度不斷增加[1].而在未來幾年內(nèi),22 000～24 000 TEU集裝箱船舶緊隨其后也會出現(xiàn)[2].所以現(xiàn)有岸橋在起升高度或外伸距上無法適應新的需求,購置新岸橋勢必增加碼頭運營成本,并且造成近期剛購置的已有岸橋資源浪費.為了節(jié)約港口企業(yè)成本并滿足未來港口發(fā)展的需要,世界港口正興起岸橋加高技術來解決當前問題.然而在加高及提升的施工過程中,將涉及大量的設備和多個工藝環(huán)節(jié),在斷開岸橋整體結構連接的前提下,將上千噸質量的上部結構升高4～7 m,面臨的風險因素比較復雜,施工過程中任何環(huán)節(jié)或設備的失效,可能導致整個工程的失敗,并產(chǎn)生重大傷事故及財產(chǎn)損失,所以對于類似的岸橋加高、橋梁施工、體育場館建設等重大工程的施工過程而言,要求在施工設計前,需要給出合理的方法,確保施工過程風險處于一個可控水平.

目前失效模式及影響分析(Failure Modes and Effect Analysis,FMEA)主要用于設備本身設計方案的合理性論證,鮮見用于施工過程的風險控制;在進行FMEA時,所需要收集大量資料主要為專家的知識和經(jīng)驗,但由于專家的知識經(jīng)驗通常是主觀或定性的語言描述出來的,因而FMEA很難對此做出統(tǒng)一定量的判斷.國內(nèi)外有些學者已將模糊數(shù)學方法應用于各種評估體系中[3-7],從而將不同的專家知識和經(jīng)驗進行分析,盡力消除了不同專家評價時的主觀因素對于結果的影響偏差.

本文以天津港某岸橋加高施工過程的FMEA為例,通過結合模糊語言集和與其對應的模糊數(shù),將不同的專家知識和經(jīng)驗進行有效的應用,提高了FMEA的準確性,并采用最低合理化可行準則(As Low As Reasonably Practicable,ALARP)即二拉平原則,從眾多潛在失效模式中,分級確定危險程度,在施工過程中監(jiān)控各危險源,在保證施工安全的同時使得施工更經(jīng)濟.

1 基于模糊集理論的FMEA方法

FMEA通過分析系統(tǒng)中每一個潛在的故障模式,確定其對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,從而識別系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)或關鍵項目,為制定控制措施提供依據(jù),它是“事先預防”而不是“事后糾正”.FMEA通過分析系統(tǒng)結構,鑒別系統(tǒng)的每一個潛在的故障模式,分析引起故障的原因,然后利用統(tǒng)計方法估算故障發(fā)生時的嚴酷度S、故障發(fā)生頻率O以及不可探測度D,計算風險優(yōu)先度(Risk Priority Number,RPN)的值,根據(jù)RPN值的大小判斷系統(tǒng)是否有必要進行改進或者確定改進的優(yōu)先級別,具體如下:

RPN=SOD

(1)

式中:S為潛在故障模式發(fā)生時,對下工序或系統(tǒng)影響后果的嚴重程度評價標準,要減少故障后果的嚴重程度,只能通過修改設計來實現(xiàn),一般分為災難的、致命的、臨界的、輕微的等幾個等級,取值在1～10之間;O為某一故障起因或機理出現(xiàn)的可能性,一般可分為極高、高、中等、低等幾個等級,取值在1～10之間;D為發(fā)現(xiàn)故障原因的難易程度,是探測故障模式或原因的能力指標,一般分為極難、難、可能、能等幾個等級,取值在1～10之間.

可以看到,將FMEA中的3個輸入變量S,O,D看作模糊語言變量,應用模糊集理論,結合專家知識和經(jīng)驗就能夠建立各語言變量的模糊語言語集和對應的模糊數(shù).其過程如下:

(1) 建立S,O,D的模糊語言術語,將其看做模糊語言變量,每個語言變量包括5個語言術語,即S/O/D={極低R，較低L，一般M，較高H，極高VH}.對應傳統(tǒng)FMEA分析中S,O,D的不同等級,其取值關系準則如表1所示.

表1 FMEA評價準則Tab.1 FMEA evaluation criteria

模糊語言術語對應的三角模糊數(shù),可以采用德爾菲方法借助專家的知識和經(jīng)驗來確定.第i個專家的能力為βi,該專家對失效模式某一變量的模糊評價術語為xi,用三角模糊數(shù)的形式表示為xi=(ai,bi,ci)[2].該變量的參數(shù)匯總得到

(2)

(3)

(4)

根據(jù)此方法,解決了在實踐過程中由于個人認知差異,導致對于故障模式的各個語言變量選擇的不同.

(3) 模糊數(shù)的非模糊化.在模糊環(huán)境下的非模糊化是后續(xù)計算的基礎,能將模糊術語對應的三角模糊數(shù)轉化為清晰數(shù),即下文中,將表2中的模糊數(shù)轉化為表3中的清晰數(shù),這樣在計算RPN時就可得到各失效模式清晰的風險值.

國內(nèi)外許多學者對非模糊算法進行了深入的研究,本文選擇文獻[4]的非模糊化方法：

(5)

式中:M,N是根據(jù)a,c相對b的偏離程度而確定的,以b為界,分等概率情況考慮.確定結果是b的可能性大小是a的倍數(shù)N,確定結果是b的可能性大小是c的倍數(shù)M.

2 ALARP準則

由于過程中任意一處的失效均導致整個施工過程的延期或事故,因而本文在根據(jù)RPN制定措施時,為了更好地針對各個潛在失效模式可能存在的風險,在ALARP準則的基礎上,依據(jù)行業(yè)相關經(jīng)驗劃分,將ALARP區(qū)域確定為幾個危險等級,對危險控制源進行分級.針對不同的危險等級作出更加適合不同危險等級的相關措施,用最低的成本達到最可靠的狀態(tài).

ALARP是當前國外可接受水平普遍采用的一種判據(jù)原則.該判據(jù)依據(jù)風險的嚴重程度,將項目可能出現(xiàn)的風險進行分級.項目風險由不可容忍線和可忽略線分為風險嚴重區(qū)、ALARP區(qū)和可忽略區(qū).風險嚴重區(qū)和ALARP區(qū)是項目風險辨識的重點所在[8].

3 岸橋加高過程分析

根據(jù)天津港實際情況,由于采用浮吊吊裝作業(yè)會對港內(nèi)船舶順利進出及港裝卸作業(yè)造成較大影響,且其租用價格相對較高,所以該型岸橋采用液壓提升方法進行加高.施工過程如圖1所示.

圖1 岸橋加高過程流程圖Fig.1 Flowsheet of ship-to-shore (STS) crane heightening

施工方案步驟如下.

(1) 準備工作:對改造后的岸橋進行有限元建模和結構計算,確定對應力的控制,加高對輪壓的影響;加高段的預制;橋吊的位置停放,各部位擺放以及整機測量;相關零件的拆裝.

(2) 將加強聯(lián)系橫梁在地面拼裝,用汽車吊吊裝,并按圖紙進行裝焊.

(3) 提升設備安裝:采用的是鋼絞線式橋吊提升裝置,如圖2所示.安裝提升設備過程包括支撐梁的安裝、立柱牛腿的裝焊、支撐梁與橋吊局部固定與加強的安裝、提升橫梁與托梁的安裝、支撐座與提升支架的安裝、提升支架斜撐的安裝、液壓設備及控制系統(tǒng)與提升梁的裝配、提升系統(tǒng)的調試.此外,安裝前需整體劃線,注意提升裝置與橋吊相對位置的控制,保證重心重合.

(4) 提升橋吊,安裝加高段;門框立柱和下橫梁劃線;提升橋吊并安裝加高段.

(5) 后續(xù)工作:拆除提升裝置,安裝新增部分零部件、電氣部分并貫通.

(6) 試車驗收.

圖2 橋吊提升裝置Fig.2 Bridge crane lifting device

4 加高過程FMEA分析

根據(jù)加高過程,本文將可能出現(xiàn)的失效模式、原因及影響制成FMEA工作表,并請相關專業(yè)人員依據(jù)評估標準進行評估,最終確定失效模式的風險優(yōu)先度.需要說明的是汽車吊、提升裝置等設備的功能和故障分析不在FMEA層次范圍內(nèi).

以失效模式的嚴酷度S為例,選擇3位專家進行評價,評價結果以三角模糊數(shù)的形式表示,將各個專家的評價意見匯總,可得到嚴酷度的模糊語言術語對應的三角模糊數(shù),如表2所示.進行去模糊化處理,將其轉化為清晰數(shù),選擇文獻[4]提出的非模糊化方法,利用式(5)，就可獲得S,O,D的模糊語言、術語集以及對應的清晰數(shù),如表2和表3所示.

表2 各種評價語言術語的含義Tab.2 Meanings of all kinds of evaluation language terms

表3 嚴酷度S的模糊語言術語的清晰度Tab.3 Definition of the fuzzy language terminologyfor severity S

采用同樣的方法,可以得到故障發(fā)生頻率O以及不可探測度D的清晰數(shù),如表4和表5所示.

表4 故障發(fā)生頻率O的模糊語言術語的清晰度Tab.4 Definition of the fuzzy language terminologyfor failure frequency O

表5 不可探測度D的模糊語言術語的清晰度Tab.5 Definition of the fuzzy language terminologyfor failure non-testability D

根據(jù)FMEA分析表(見表6),可將表中RPN值位于ALARP區(qū)域的潛在分析風險重點分析.根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗,將ALARP區(qū)域劃分為幾個等級,如圖3所示.將處于同一等級的潛在失效模式定為同一危險等級.在此次施工過程中,將潛在失效模式的RPN值51～100定義為ALARP區(qū)域等級1,將RPN值100～200定義為ALARP區(qū)域等級2,將RPN值大于200定義為ALARP區(qū)域等級3.根據(jù)危險等級,制定詳細的施工章程,令施工人員嚴格遵守操作流程,降低故障發(fā)生可能性.RPN接近不可容忍線的環(huán)節(jié)，制定專門的監(jiān)測措施.

從表6和表7中可以看出,在加高施工過程中,風險較高的潛在失效模式分別為提升過程異常、支撐梁與橋吊局部固定加強不牢固、部分拆裝零件被遺漏、安裝鋼絞線斷裂、整機貫通復位、提升裝置安裝不牢固.

對處于不同區(qū)域的失效模式采取不同的應對措施:針對ALARP準則不可容忍區(qū)域的潛在失效模式,必須改變施工過程細節(jié),消除該潛在失效模式發(fā)生的可能性;針對ALARP高等級區(qū)域的潛在失效模式,需派專人在施工過程中監(jiān)督該失效模式是否有發(fā)生的跡象;針對ALARP低等級區(qū)域的失效模式,則在施工章程上,予以提出和標示,提醒施工人員在操作中注意該步驟的安全性和完成度;針對ALARP可容忍區(qū)域的失效模式,則不必處理.

表6 FMEA工作表Tab.6 FMEA worksheet

圖3 增加危險等級劃分的ALARP準則Fig.3 ALARP rule for increasing risk-grade division

ALARP區(qū)域分級潛在失效模式可忽略區(qū)域提升裝置安裝前劃線零件拆裝后的固定橫梁吊裝后固定ALARP區(qū)域1整機貫通復位安裝鋼絞線斷裂部分拆裝零件被遺漏ALARP區(qū)域2提升裝置安裝不牢固安裝牛腿不同高ALARP區(qū)域3支撐梁與橋吊局部固定加強不牢固安裝牛腿不同高不可容忍區(qū)域無

如提升異常這一潛在失效模式,由于其RPN所處等級較高,且本方案采用的是液壓提升方法,那么此次施工過程可以采用計算機控制液壓同步提升技術,提升過程為主控計算機通過同一電磁閥將動作指令發(fā)向所有液壓泵,使其同時動作,實現(xiàn)動作同步.因而其可完成全自動同步升降、負載均衡、姿態(tài)校正、應力控制、過程監(jiān)控和自動報警等功能,大大降低了這一失效模式的RPN值,從源頭上控制了危險源.這樣就能有效降低整個施工過程潛在失效模式的發(fā)生,提高整體施工的安全性并保證了工期,對于類似項目具有指導意義.

5 結論

本文采用的FMEA方法具有以下特點:

(1) 通過建立模糊語言集和與其對應的模糊數(shù),將不同的專家知識和經(jīng)驗進行有效的應用,盡力消除不同專家評價時的主觀因素對于結果的影響偏差.

(2) 本文針對過程FMEA,利用ALARP原則,從眾多潛在失效模式中,挑選出有可能對系統(tǒng)造成失效的幾個失效模式,并制定相關措施.不必再對各個失效模式進行風險排序,降低了過程分析的復雜性,提高了分析的效率.但ALARP準則在本行業(yè)內(nèi)并未廣泛使用,若要更好地利用ALARP準則,還需共同制定行業(yè)ALARP區(qū)域的評判準則以及等級分界準則.

(3) 項目最后成功實施,其總體成本比通常的方法節(jié)省了近20%,約100萬元,且在控制成本的前提下，保障了項目實施過程的可靠性和有序性,充分證明了以ALARP準則為標準,基于模糊集理論的FMEA方法解決施工過程的合理性和優(yōu)越性.

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