基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法的通用橋式起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(xiǎn)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(duì)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(duì)起重機(jī)械的安全性進(jìn)行全面、科學(xué)、客觀的分析評(píng)價(jià)對(duì)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(píng)價(jià)方法有綜合層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)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(píng)估方法，通過分類分析修改了專家評(píng)價(jià)權(quán)重分布并提高了專家評(píng)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(jí)評(píng)價(jià)模型，一定程度上克服評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的物元模型，為橋式起重機(jī)安全評(píng)價(jià)提供了一種新方法。

雖然研究方法有很多，但很多研究在對(duì)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并計(jì)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(píng)價(jià)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(shí)別準(zhǔn)則確定通用橋式起重機(jī)安全性評(píng)價(jià)等級(jí)。通過實(shí)例驗(yàn)證，本文所研究的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)過程

1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的前提，這個(gè)體系應(yīng)該要涵蓋其整個(gè)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(píng)估指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 通用橋式起重機(jī)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 構(gòu)建判斷一致矩陣和權(quán)重計(jì)算

采用層次分析法(AHP)的理論構(gòu)造分級(jí)判斷矩陣[11-13]，并計(jì)算各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。本文使用1—9標(biāo)度法，并以各指標(biāo)對(duì)起重機(jī)安全性的影響為判斷準(zhǔn)則，將各層級(jí)內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比打分，綜合多個(gè)專家的判斷結(jié)果，得到合適的判斷矩陣。通過對(duì)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(duì)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(shí)，才可認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求，當(dāng)矩陣級(jí)數(shù)小于3時(shí)，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(jí)指標(biāo)集UB={B1,B2,B3,B4}，二級(jí)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(jí)判斷矩陣P和二級(jí)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(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行層次總排序，可得到各因素對(duì)通用橋式起重機(jī)的安全性影響程度。經(jīng)計(jì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的思想構(gòu)建評(píng)價(jià)集，評(píng)價(jià)人員對(duì)每一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，定量表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全狀況，通常在建立評(píng)價(jià)集時(shí)很多學(xué)者采用對(duì)每個(gè)指標(biāo)根據(jù)其特點(diǎn)建立評(píng)價(jià)子集，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行很細(xì)致的評(píng)分，但缺點(diǎn)是評(píng)分過程比較繁瑣，在指標(biāo)太多時(shí)需要建立的評(píng)價(jià)子集也多，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)集對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦值。

我們將評(píng)價(jià)集分為4個(gè)等級(jí)，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(píng)價(jià)人員可根據(jù)判斷在1～4之間取值，每個(gè)指標(biāo)的分值是取所有評(píng)價(jià)人員打分的平均值。

根據(jù)評(píng)價(jià)集可以構(gòu)建隸屬函數(shù)，將指標(biāo)Ci的評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)向量和確定安全性評(píng)價(jià)等級(jí)

1.4.1 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)向量

通過各評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)等級(jí)

通常很多學(xué)者在進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)時(shí)使用最大隸屬度原則較多，由于本文中評(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)分時(shí)常用的方法是按照評(píng)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(jí)識(shí)別方法，可以有效可靠地獲得評(píng)價(jià)對(duì)象的安全等級(jí)，這樣做可減少模糊評(píng)價(jià)集對(duì)結(jié)果帶來的不利影響，有效避免評(píng)價(jià)結(jié)果超模糊的情況。另外，為了進(jìn)一步優(yōu)化評(píng)價(jià)結(jié)果，使得評(píng)價(jià)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(shí)別準(zhǔn)則確定安全等級(jí)[2]。設(shè)X為綜合評(píng)價(jià)得分，可變模糊集理論確定評(píng)價(jià)對(duì)象的級(jí)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(píng)語空間C={C1，C2，…，Ck}，Cn為第n個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，且1≤n≤k，則安全評(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)價(jià)等級(jí)分為4個(gè)等級(jí)，建立通用橋式起重機(jī)安全性評(píng)價(jià)等級(jí)如表3所示。

表3 通用橋式起重機(jī)安全性評(píng)價(jià)等級(jí)

續(xù)表3

在未知測度理論中，利用置信度λ計(jì)算安全等級(jí)，0.5<λ≤1，通常取0.6或者0.7計(jì)算，置信度的取值越大，評(píng)價(jià)結(jié)果則越趨于保守。置信度識(shí)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(píng)價(jià)等級(jí)為K時(shí)，通過綜合評(píng)價(jià)向量Sk可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)等級(jí)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(jí)為K級(jí)，當(dāng)?shù)燃?jí)K對(duì)應(yīng)的置信度λ<0.7時(shí)，那么將λ=0.7代入式(8)中計(jì)算，即可確定安全評(píng)價(jià)等級(jí)為Ck0。

2 實(shí)例分析

使用本文模型對(duì)某公司一臺(tái)在役的通用橋式起重機(jī)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)人員有5人。經(jīng)過評(píng)價(jià)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(gè)指標(biāo)項(xiàng)目，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測和評(píng)分，取所有評(píng)價(jià)得分的平均值，并計(jì)算隸屬度，結(jié)果如表4所示。

表4 各指標(biāo)評(píng)判結(jié)果

得到每個(gè)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(píng)價(jià)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(jí)為2級(jí)(合格)，但由于該等級(jí)對(duì)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(píng)價(jià)等級(jí)為3級(jí)(異常)，整機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)較大，需要停機(jī)維修，重新評(píng)價(jià)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(gè)方面建立了通用橋式起重機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并由判斷一致矩陣計(jì)算得到了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(2)建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)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(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)向量。

(3)引入了可變模糊集理論等級(jí)判別方法和未知測度理論中的置信度識(shí)別準(zhǔn)則，優(yōu)化了評(píng)價(jià)結(jié)果的處理，盡可能利用了評(píng)價(jià)信息，這樣得到的結(jié)果比利用常用的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象的安全狀態(tài)。