基于04-FCE 的岸邊集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)研究

袁博文，于 昊

（煙臺(tái)市煙臺(tái)港股份有限公司礦石碼頭分公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

隨著集裝箱港口吞吐量的急劇增加，岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）作為港口最常用的集裝箱起重設(shè)備之一，其使用數(shù)量和頻率越來越高，這對(duì)其安全性能提出了更高的要求[1]。目前，由岸橋引起的碼頭安全事故約占30%[2]。最嚴(yán)重的事故是由金屬結(jié)構(gòu)的故障和失效引起的，對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估和等級(jí)評(píng)估，可以通過拆除、維修、檢查[3]等手段，盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患并及時(shí)處理，有效避免安全事故。

目前，起重機(jī)安全評(píng)價(jià)的理論方法較多，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[4]、灰色綜合評(píng)價(jià)法[5]、Fisher 判別法[6]、未確知測(cè)量理論[7]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、專家系統(tǒng)法[9]等。盧茹利等[10]基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過實(shí)地調(diào)研、專家評(píng)判等方法對(duì)服役中后期岸橋的安全性評(píng)價(jià)體系作了分析研究。張文[11]通過改進(jìn)的可變模糊集法，由具體指標(biāo)層到岸橋整機(jī)逐層確定評(píng)價(jià)對(duì)象的安全等級(jí)并驗(yàn)證了建立的岸橋評(píng)價(jià)體系的可行性。

現(xiàn)有的安全評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性受到專家水平或訓(xùn)練樣本數(shù)量的很大影響，特殊情況下反映的數(shù)據(jù)不真實(shí)，使得評(píng)價(jià)體系的魯棒性不足。因此，有必要從有效性、可靠性和通用性的角度，建立一種實(shí)用的岸橋評(píng)價(jià)方法。

1 建立岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)岸橋的設(shè)計(jì)原理和工程實(shí)踐，首先對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、裂紋、腐蝕和維修等影響安全性的因素進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。然后，根據(jù)層次分析法將岸橋劃分為前梁、后梁、梁、梯形框架、拉桿、立柱6 個(gè)子系統(tǒng)，分別進(jìn)行單因素分析。最后，構(gòu)建了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.1 選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 5905—2011《起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范》和GB 6067.1—2010《起重機(jī)安全規(guī)程第1 部分：總則》、GB 6067.5—2014《起重機(jī)安全規(guī)程 第5 部分：橋式和門式起重機(jī)》，GT/B 17495—2009《港口門式起重機(jī)》《起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)》等，影響起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)安全的因素應(yīng)從兩個(gè)角度考慮：從設(shè)計(jì)角度看，影響因素包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等；從故障角度看，影響因素包括裂紋、腐蝕、變形、維修等。

對(duì)于岸橋，梁的整體穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，整體穩(wěn)定性指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)通過應(yīng)力體現(xiàn)，部分穩(wěn)定性體現(xiàn)在變形指標(biāo)上。在安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，穩(wěn)定性指標(biāo)不作為獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此選擇強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 岸橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為整機(jī)層、子系統(tǒng)層和單因素層。通過幾個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，可對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修6 個(gè)指標(biāo)上。

岸橋的金屬結(jié)構(gòu)主要由前大梁、后大梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿組成。由于在某些子系統(tǒng)中，有些因素對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的安全性影響不大，因此立柱子系統(tǒng)中的剛度因素、拉桿子系統(tǒng)中的剛度和變形因素不參與安全評(píng)價(jià)。

2 基于04-FCE 的岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)模型的建立

為了對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先根據(jù)實(shí)際情況對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無因次優(yōu)化。然后采用04-FCE 評(píng)價(jià)方法建立安全評(píng)價(jià)模型，確定岸橋結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)和評(píng)價(jià)結(jié)論。最后，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的建議。

2.1 評(píng)價(jià)價(jià)值的確定

岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)包括強(qiáng)度、剛度、裂縫、變形、腐蝕及維修。由于這些維度是不同的，在進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)計(jì)算之前需進(jìn)行無量綱處理。

評(píng)價(jià)指標(biāo)值的計(jì)算分為2 個(gè)步驟：①測(cè)量單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)值；②對(duì)各指標(biāo)狀態(tài)值進(jìn)行常規(guī)無因次處理，使指標(biāo)數(shù)據(jù)的取值范圍統(tǒng)一在［0，1］。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

采用“0-4”評(píng)分法對(duì)岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)中涉及的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以此確定指標(biāo)的權(quán)重。技術(shù)人員對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中2 個(gè)指標(biāo)的重要水平進(jìn)行比較，可得到“0-4”分。

指標(biāo)的最終權(quán)重表示為某一指標(biāo)的得分與所有指標(biāo)的總分之比。

2.3 模糊關(guān)系矩陣的建立

模糊評(píng)價(jià)包括評(píng)價(jià)結(jié)果集（V）、權(quán)重集（W）、指標(biāo)集（U）、模糊關(guān)系矩陣（R）4 個(gè)基本要素。V 包括對(duì)象所有可能的評(píng)價(jià)結(jié)果；W元素為各指標(biāo)對(duì)結(jié)果的權(quán)重；U 為評(píng)價(jià)指標(biāo)集；R 是U 和V 的鏈接，反映了評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)系。n 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m 個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果的模糊關(guān)系矩陣可表示為：

在已有的研究中，rij的確定通常采用德爾菲法，其結(jié)果很大程度上依賴于打分專家的主觀判斷。評(píng)價(jià)結(jié)果在很大程度上依賴于專家的水平，容易產(chǎn)生偏差，不利于普通技術(shù)人員的操作，在港口的實(shí)際應(yīng)用上也不強(qiáng)。該研究采用“距離歸一化”方法確定評(píng)價(jià)值的隸屬度，方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。方法如下：

（1）設(shè)P={P1，P2，…，P8}為8 個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果集的中點(diǎn)，分別為：

（2）判斷評(píng)價(jià)值Si下降的評(píng)價(jià)結(jié)果為Vi級(jí)。

（3）求Si與Vi對(duì)應(yīng)中點(diǎn)Pi之間的距離Di，即：

（4）求離Si最近的評(píng)價(jià)結(jié)果集Vj的中點(diǎn)Pj，求Sj與Pj之間的距離Dj，即：

（5）求Di和Dj的倒數(shù)，然后將結(jié)果歸一化，得到的隸屬度Si在Vi和Vj中的隸屬度為0。

與德爾菲法的結(jié)果比較，該方法與德爾菲法的平均誤差為0.68%，最大誤差為1.6%。因此，該方法可以替代德爾菲法。

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)模糊矩陣的乘法運(yùn)算，模糊評(píng)價(jià)集可表示為B={B1，B2，…，Bm}，模糊評(píng)價(jià)集B 式（4）計(jì)算：

采用加權(quán)平均法求解最終評(píng)價(jià)結(jié)果v：

采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行多級(jí)評(píng)價(jià)，得到了整機(jī)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)結(jié)果V。0-100 平均分成8 個(gè)區(qū)間，形成V1-V8整機(jī)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)。每個(gè)評(píng)估值都有對(duì)應(yīng)的結(jié)果狀態(tài)描述：

V1：當(dāng)0≤v≤12.5 時(shí)，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)極差，相關(guān)結(jié)構(gòu)件甚至整機(jī)應(yīng)報(bào)廢。

V2：當(dāng)12.5＜v≤25 時(shí)，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀況較差，必須立即停機(jī)進(jìn)行全面大修。

V3：當(dāng)25＜v≤37.5 時(shí)，機(jī)器結(jié)構(gòu)不好，必須停機(jī)維修。

V4：當(dāng)37.5＜v≤50 時(shí)，整體結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)，需制訂整體維修方案和減載使用。

V5：當(dāng)50＜v≤62.5 時(shí)，整機(jī)結(jié)構(gòu)故障較多，必須制訂整機(jī)維修方案。

V6：當(dāng)62.5＜v≤75 時(shí)，整機(jī)結(jié)構(gòu)有一定故障，必須對(duì)故障部件進(jìn)行修理。

V7：當(dāng)75＜v≤87.5 時(shí)，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀況良好，只需加強(qiáng)巡視檢查。

V8：當(dāng)87.5＜v≤100 時(shí)，整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

3 案例分析

以某港口岸橋金屬結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用“0-4”分值法確定各指標(biāo)權(quán)重，采用模糊綜合評(píng)價(jià)（FCE）進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。根據(jù)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，子系統(tǒng)層包括前梁、后梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿，單因素層包括強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修。

3.1 指標(biāo)評(píng)價(jià)值的確定

按照GB/T 5905—2011 和GB 6067.1—2010，對(duì)某岸橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到狀態(tài)值d。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)算，得到岸橋單因素指標(biāo)的評(píng)價(jià)值S（表1）。

表1 岸橋指標(biāo)評(píng)價(jià)值

3.2 04-FCE 評(píng)價(jià)

以前梁強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形、維修等單因素指標(biāo)權(quán)重值的計(jì)算為例，專家或相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)指標(biāo)的重要性，對(duì)2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較后，采用“0-4”評(píng)分法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重值。

前梁各指標(biāo)權(quán)重W1=（0.275，0.176，0.275，0.098，0.098，0.098）

采用“距離歸一化”方法，可得到前梁子系統(tǒng)的模糊關(guān)系矩陣：

前梁模糊評(píng)價(jià)集為：B=（0，0，0.128，0.055，0，0.066，0.199，0.551）

前梁的評(píng)價(jià)結(jié)果為78.83。其他子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)過程與上述計(jì)算過程類似?？梢缘玫揭韵伦酉到y(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果：后梁子系統(tǒng)81.10；橫梁子84.06；梯形框架子系統(tǒng)87.59；立柱子系統(tǒng)69.49；拉桿子系統(tǒng)91.88，故整機(jī)最終評(píng)價(jià)值為83.99。

3.3 整機(jī)安全性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)值為83.99，安全等級(jí)7級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)描述及相關(guān)處理建議為：整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，可加強(qiáng)檢查。04-FCE 評(píng)價(jià)方法在某港口一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用表明，該方法合理，易于港口技術(shù)人員操作。具有一定的普適性和推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

通過分析影響岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全性的因素和特點(diǎn)，建立了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首次提出“0-4”評(píng)分+模糊綜合評(píng)價(jià)（04-FCE）的方法，解決了打分者專業(yè)技術(shù)水平不同造成的權(quán)重計(jì)算結(jié)果普遍存在的問題，偏差大、通用性強(qiáng)、操作方便。通過實(shí)例分析和應(yīng)用04-FCE 對(duì)整個(gè)碼頭集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際基本一致。因此，該方法可作為港口岸橋安全評(píng)價(jià)的依據(jù)，為提高港口機(jī)械安全管理水平提供支持。