水力式升船機運行安全重要風險源風險分析*

劉精凱，胡亞安，薛 淑，李中華

(1.南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.武漢大學，湖北 武漢 430072)

水力式升船機是以水力驅(qū)動船廂升降的一種新型通航建筑物。與鋼絲繩卷揚、齒條爬升等電力驅(qū)動方式的升船機相比，水力式升船機具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟合理等優(yōu)勢，特別在應對引航道水位變幅較大、船廂漏水、設備檢修與維護等方面具有明顯的優(yōu)越性[1-2]。然而，在運行經(jīng)驗較少的情況下，新建成的水力式升船機存在與傳統(tǒng)電力驅(qū)動式升船機相似的安全風險問題，即需要解決水力驅(qū)動系統(tǒng)、機械同步系統(tǒng)等潛在風險難題。因此，為保障水力式升船機運行安全，有必要對水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)重要風險源進行風險分析。

由于水力式升船機運行系統(tǒng)及設備類型眾多，水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)重要風險源的風險因子劃分存在一定的模糊性，難以直觀地對風險因子進行辨識和描述風險事故之間的邏輯關(guān)系。而且，評估水力式升船機風險源的風險，通常難以將風險轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿实目赡苄耘c風險帶來損失的嚴重度相結(jié)合進行分析。針對上述水力式升船機的運行安全重要風險源的風險評估難題，本文提出一種基于模糊理論的水力式升船機運行安全重要風險源事故樹分析方法，通過建立水力式升船機重要風險源事故樹，對風險源的風險因子進行風險辨識，系統(tǒng)描述風險因子之間的邏輯關(guān)系；基于模糊理論，考慮風險的可能性和嚴重度對風險的影響權(quán)重，建立水力式升船機重要風險源的風險模糊評價方法；并以景洪水力式升船機為例，針對水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)重要風險源進行風險定量分析，劃分風險因子的風險等級。

1 水力式升船機風險源

1.1 系統(tǒng)及組成設備

水力式升船機的運行是通過輸水系統(tǒng)對豎井充泄水來驅(qū)動浮筒的升降，帶動船廂升降運行，實現(xiàn)船舶過壩，其組成部分見圖1。水力式升船機主要由水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)及船廂組成。水力系統(tǒng)是水力式升船機的核心系統(tǒng)，其組成設備包括豎井、輸水管道、閥門、浮筒等。機械系統(tǒng)是水力式升船機的重要系統(tǒng)，其組成設備包括同步軸、制動器、卷筒、鋼絲繩等。

圖1 水力式升船機主要組成部分

1.2 風險源風險值

水力式升船機運行風險是系統(tǒng)及設備相互依賴與影響而發(fā)生的不確定性結(jié)果，導致水力式升船機設備故障、人員損傷、通航功能失效等損失事件。水力式升船機運行風險發(fā)生的不確定性用“可能性”表示，風險的可能性由人、船舶、升船機及運行環(huán)境等方面的不確定性引起。風險導致的事故后果用“嚴重度”表示，風險的嚴重度是風險可能造成的事故后果嚴重程度，涉及升船機的設備損壞、經(jīng)濟損失及人員傷亡程度。

水力式升船機風險值的確定主要考慮各系統(tǒng)之間發(fā)生風險的可能性和風險造成后果的嚴重度。通過確定風險的可能性和嚴重度對風險的影響權(quán)重，綜合評價結(jié)果計算風險源的風險值。構(gòu)建水力式升船機風險源的風險值計算公式：

R=ωPFP+ωSFS

(1)

式中：R為水力式升船機風險源的風險值；ωP、ωS分別為風險的可能性、嚴重度對風險的權(quán)重；FP、FS分別為風險的可能性、嚴重度對風險的評價指標。

1.3 風險源事故樹

采用事故樹分析法，直觀地對水力式升船機運行安全重要風險源進行辨識，描述風險因子之間的邏輯關(guān)系。事故樹是一種基于事件符號、邏輯符號的圖形演繹法，表達各事件之間的邏輯關(guān)系[3]。通過熟悉水力式升船機水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)，調(diào)查各個系統(tǒng)可能發(fā)生的風險，確定頂事件。調(diào)查與頂事件有關(guān)的所有原因事件，最后按照一定的邏輯關(guān)系繪制成事故樹。建立了水力式升船機重要風險源的風險因子事故樹，見圖2。

圖2 水力式升船機重要風險源的風險因子事故樹

2 水力式升船機風險源模糊評價方法

2.1 模糊評價方法

模糊評價是以模糊數(shù)學理論為基礎(chǔ)，能夠?qū)㈦y以定量的因素定量化，適用于多層次和多因素的復雜問題評價，是其他數(shù)學模型難以替代的方法。模糊評價作為模糊數(shù)學的一種具體的評價方法，其原理是：確定被評價對象的因素集和評價集；分別確定各個因素的權(quán)重和模糊評價矩陣；將評價矩陣和權(quán)重合成評價系統(tǒng)，評價被評價對象的隸屬等級狀況[4-5]。近年來，模糊評價方法逐漸在交通管理、過程控制、故障診斷、環(huán)境評價等交通、建筑、水利及環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應用。

2.2 風險源模糊評價流程

針對水力式升船機運行風險的評估難題，借鑒模糊理論及層次分析法，建立水力式升船機重要風險源的風險模糊評價方法。運用層次分析理論中成對比較的方法，確定水力式升船機運行風險的可能性和嚴重度對風險的影響權(quán)重；建立模糊風險評估矩陣，把風險的可能性和嚴重度放在同一尺度下評價分析；綜合可能性和嚴重度對風險的影響權(quán)重和模糊評價指標，劃分水力式升船機風險源的風險等級。基于模糊理論的水力式升船機重要風險源的風險評估流程見圖3。

圖3 基于模糊理論的水力式升船機重要風險源的風險評估流程

水力式升船機重要風險源的風險評價流程的具體步驟如下。

1)可能性和嚴重度對風險評價指標的影響權(quán)重。采用層次分析理論的因素對比方法，確定可能性和嚴重度的對比矩陣。以成對比較的方式，建立對比矩陣X：

(2)

式中：x11、x22為其自身的對比；x12為可能性與嚴重度對比的標度；x21為嚴重度與可能性的對比。

2)模糊風險評估矩陣。為了綜合可能性和嚴重度，采用模糊風險矩陣將水力式升船機運行風險的可能性和嚴重度放在同一尺度下討論。

記A=(a，b，c，d)，其中a≤b≤c≤d，有相應的隸屬度函數(shù)：

(3)

與其對應，稱A為梯形模糊數(shù)。依據(jù)模糊風險矩陣，以及在此基礎(chǔ)上劃分水力式升船機運行風險的基準值，見表1。

表1 模糊風險判斷和風險等級劃分

續(xù)表1

3)風險指標評價。引入多人評估風險的方式，風險的可能性和嚴重度分別由水力式升船機領(lǐng)域的設計及運行安全評估人員給出結(jié)果。風險評估組有n位人員，水力式升船機運行風險的可能性和嚴重度的綜合評價結(jié)果由以下公式得到：

(4)

(5)

式中：FPi、FSi為評估組中第i位專家給出風險的可能性和嚴重度的評價結(jié)果。

水力式升船機重要風險源的風險計算結(jié)果由可能性和嚴重度的權(quán)重及模糊評價指標得出，得到的風險評判結(jié)果是一個模糊量。為了便于風險的定量排序，進一步將模糊風險R去模糊化[6]：

(6)

式中：(a，b，c，d)為梯形模糊數(shù)。

最后，依據(jù)風險評價分析，劃分水力式升船機重要風險源風險等級：①RH

3 景洪水力式升船機重要風險源評估

3.1 重要風險源風險因子

綜合分析水力式升船機重要風險源事故樹，針對水力式升船機水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)重要風險源，確定相關(guān)風險因子作為風險評價指標。水力系統(tǒng)風險因子主要包括豎井水位差超標、豎井液面紊動劇烈、閥門不能啟閉、閥門空化程度過大等；機械系統(tǒng)風險因子主要包括制動器意外上閘、制動器制動力不足、卷筒傳動間隙過大、同步軸斷裂、鋼絲繩均衡油缸失靈等。

3.2 重要風險源風險計算

應用本文建立的水力式升船機重要風險源的風險因子評價方法，對景洪水力式升船機水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)重要風險源的風險因子進行模糊風險計算，進一步將風險評價指標去模糊化，更直觀地展現(xiàn)風險因子的風險值。

1)水力系統(tǒng)風險因子計算。建立可能性與嚴重度的對比矩陣，確定風險的可能性和嚴重度相對于風險的權(quán)重；風險評價小組的專家依據(jù)模糊風險矩陣來對可能性和嚴重度進行評價；在評價結(jié)果的基礎(chǔ)上計算風險值。水力系統(tǒng)風險因子評價結(jié)果見表2。水力系統(tǒng)風險源風險因子的風險值見圖4?？梢钥闯?，水力系統(tǒng)風險因子中，豎井水位差超標、豎井液面紊動劇烈、浮筒卡阻、浮筒漏水、閥門不能關(guān)閉的風險值大，分別為5.83、5.46、6.74、6.43、6.79；空化程度過大、摻氣系統(tǒng)意外中斷的風險值小，分別為1.40、1.82。

圖4 水力式升船機水力系統(tǒng)風險源風險因子的風險值

表2 水力系統(tǒng)風險因子評價結(jié)果

2)機械系統(tǒng)風險因子計算。對機械系統(tǒng)風險源的風險因子進行模糊風險計算，機械系統(tǒng)風險因子風險評價結(jié)果見表3。機械系統(tǒng)風險因子的風險值，見圖5。可以看出，機械系統(tǒng)風險因子中，同步軸斷裂、制動器意外上閘的風險值極大，分別為7.83、6.97；調(diào)平油缸失靈、均衡油缸失靈的風險值大，依次為6.54、6.70。

表3 機械系統(tǒng)風險因子評價結(jié)果

圖5 水力式升船機機械系統(tǒng)風險源風險因子的風險值

3.3 重要風險源評價結(jié)果

從整體角度分析，水力式升船機運行安全的風險因子多數(shù)處于中低風險等級，少數(shù)處于高風險等級，極少數(shù)處于極高風險等級，其中：

1)水力系統(tǒng)風險因子中，閥門不能關(guān)閉、豎井水位差超標、豎井液面紊動劇烈、浮筒卡阻、浮筒漏水屬于高風險等級。

2)機械系統(tǒng)風險因子中，同步軸斷裂屬于極高風險等級，制動器意外上閘、調(diào)平油缸失靈、均衡油缸失靈屬于高風險等級，同步軸扭矩超標屬于中高風險等級。

綜上分析，水力系統(tǒng)重大風險源在豎井中復雜水動力條件、充泄水閥門及浮筒，機械系統(tǒng)重大風險源在同步軸、制動器及鋼絲繩油缸。

4 結(jié)語

1)采用事故樹分析法，對水力式升船機運行安全重要風險源進行辨識，闡明風險因子之間的邏輯關(guān)系。

2)借鑒模糊理論及層次分析法，建立水力式升船機重要風險源的風險模糊評價方法。考慮了風險的可能性和嚴重度對風險的影響權(quán)重，把水力式升船機運行風險的可能性和嚴重度放在同一尺度下評價分析。

3)水力式升船機重要風險源分析表明：同步軸斷裂屬于極高風險等級；制動器意外上閘、浮筒卡阻、浮筒漏水、豎井水位差超標、豎井液面紊動劇烈等屬于高風險等級；同步軸扭矩超標屬于中高風險等級。

4)在風險應對措施方面，需要對水力系統(tǒng)的豎井中復雜水動力條件及充泄水閥門、機械系統(tǒng)的同步軸及制動器采取有效的風險防范措施和合理的風險應對決策，以消除或控制風險。