岸邊集裝箱起重機安全評價方法綜述

丁高耀李愛華曹雄鷹趙章焰

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048）

（2.武漢理工大學 物流工程學院 武漢 430063）

岸邊集裝箱起重機安全評價方法綜述

丁高耀1李愛華2曹雄鷹2趙章焰2

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048）

（2.武漢理工大學 物流工程學院 武漢 430063）

岸邊集裝箱起重機安全評價是提高港口安全管理水平的重要手段，能有效促進港口經濟的發展。為提高岸邊集裝箱起重機安全評價的準確性與合理性，對岸邊集裝箱起重機的安全評價方法研究進行了評述。針對評價指標體系、評價指標權重、安全評價方法中存在的問題，提出了改進建議，為岸邊集裝箱起重機安全評價研究提供理論參考與借鑒。

安全評價 岸邊集裝箱起重機 指標體系 權重

1 概述

岸邊集裝箱起重機（簡稱為岸橋）是一種大型起重設備[1]，其起重對象是港口碼頭的集裝箱。岸邊集裝箱起重機價格昂貴，目前一臺集裝箱裝卸橋的報價達五千多萬人民幣，用戶總希望延長其使用壽命；但如何保證其經濟、安全地運行，是企業管理非常重要的一個方面[2]。岸邊集裝箱起重機引起的碼頭安全事故約占30%，事故原因包括設計、安裝、適用、維護、以及人的因素，安全形勢嚴峻[3-4]。因此這類設備使用過程中的安全性評估必不可少。如果偏于安全的考慮，可能昂貴的設備還可以繼續使用，就被人為報廢了，造成經濟上的損失，相反如果從降低成本方面考慮，憑著直觀感覺繼續使用超期服役的設備，又有可能會出現災難性事故。企業迫切需要對在役使用年限長、設備狀況差的起重機進行安全狀況評定，在保證安全生產的前提下盡可能的減少生產成本，同時制定出有針對性地，科學、合理的設備維護管理制度。

近年來，隨著我國經濟的快速發展，貨物越來越趨向大型化，促使岸邊集裝箱起重機也朝著重型化、高速化、智能化、自動化、長壽命、節能環保型方向發展[5-6]，同時大量訂單的完成對起重機的實用性和安全性提出了更高的要求[7]。然而，一些港口設備的制造日期為上世紀90年代末和2000年初，基本使用年期已達到了15年左右，個別設備甚至為上世紀80年代初的產品，現狀令人擔憂。當前國內特種設備檢驗檢測機構采取的方式是根據定期檢驗的項目及內容對所涉及風險指標的安全狀況進行符合性驗證，但是缺少對風險根源、后果及潛在風險進行系統分析，缺少對整機安全性的綜合判斷；另外不僅僅需要對設備本體狀態評價，更重要的是要對日常使用管理規范程序進行綜合判定[8-9]。因此，有必要對岸邊集裝箱起重機安全評價方法加以總結和評述。

2 岸邊集裝箱起重機安全評價研究概況

安全評價又稱危險性評價或風險評價[10]，是指在對系統風險辨識和分析的基礎上，對系統的安全性或危險性，按有關標準、規范、安全指標予以衡量，對危險的程度進行分級，以便據此結合現有科學技術水平和經濟條件 ，提出控制系統危險性的安全措施[11]。由于國家對大型起重機械設備安全運行的重視程度越來越高，對起重機的安全運行和風險研究也有一定的進展[12]。目前，岸邊集裝箱起重機安全評價方面的研究主要可分為三類。

一是設計使用階段的分析計算。交通部水運科學研究所的劉晉川等[13]研究提出設計階段金屬結構疲勞壽命的預測方法。上海海運學院鄭培等[14]基于有限元分析方法，采用ANSYS軟件對岸邊集裝箱起重機金屬結構建模，分析結構的強度和剛度，以保證設計的合理、安全。二是使用過程中對岸邊集裝箱起重機出現的部件損傷失效現象進行分析研究。同濟大學盧耀祖等[15]通過分析起重機拉耳的載荷、應力，探討拉耳斷裂的原理。上海振華的段忠東等[16]針對岸橋使用中出現的小車減速箱軸承外圈跟轉及異常噪音的問題進行分析，指出軸承配合公差的選取與設備的工況和受力情況有關。趙健宇等[17]對小車拖鏈皮帶跑偏損傷現象進行了分析，提出了皮帶、導向盤及托輥的改進措施。三是對在役岸邊集裝箱起重機進行風險評價、剩余壽命估算等以指導未來的使用。隨著許多起重機進入服役后期或超期服役階段，安全風險增加，該方面的研究受到越來越多的關注。武漢理工大學的趙章焰等[18-19]在對金屬結構進行強度、疲勞分析的基礎上，根據裂紋擴展速度，估算起重機剩余壽命。上海振華重工的江華等[20]根據起重機大車平衡梁的受力特點及裂紋位置，采用歐洲標準BS EN 1993-1-9：2005進行平衡梁疲勞壽命分析，從而評估平衡梁使用壽命。上海海事大學陳體軍教授對岸邊集裝箱起重機的結構可靠性進行研究時，提出了五級模糊綜合評判方法[21]。武漢工程大學羅勝男等采用模糊綜合評價方法對超期服役的岸橋式起重機進行了安全評價[22]。

3 岸邊集裝箱起重機模糊安全評價

雖然研究人員在上述三個方面開展了一些研究，但是由于在役岸邊集裝箱起重機的復雜性和模糊性，使得模糊綜合評價方法在岸邊集裝箱起重機安全評價中應用最廣。模糊綜合評價是對多種屬性的事物，或者總體優劣受多種因素影響的事物，做出一個能合理地綜合這些屬性和因素的總體評判。模糊邏輯是通過使用模糊集合來實現的，是一種解決不精確、不完全信息的方法，其最大特點就是用它可以比較自然地處理人類思維的不確定性和模糊性。在多數情況下，評判涉及模糊因素，用模糊數學的方法進行評判，是一條可行的、也較好的途徑。岸橋模糊安全評價的基本流程如圖1所示。

圖1 岸橋模糊安全評價流程

3.1 指標體系和評價標準

關于岸邊集裝箱起重機安全評價指標體系尚不統一，文獻[22]從人的因素、金屬結構、環境因素、保護裝置的角度出發建立了危險因素的指標體系，然而除金屬結構外的危險因素較難定量化處理，也沒有一致的評判標準，大多文獻僅針對起重機金屬結構進行安全評價。岸邊集裝箱起重機安全評價開展整機或部分系統的評價依據有：GB 6067.1 《起重機械安全規程第1部分：總則》、GB/T 5095《起重機試驗規范和程序》、YTJ/XZ-Q11《起重機檢驗常用測試方法》、YTJ/AQ05《起重機檢驗安全導則》等。關于金屬結構安全評價指標無量綱化后評價標準可參考文獻[23]。

3.2 指標權重的計算方法

指標權重在岸橋安全評價中有著重要的作用。目前，岸橋安全評價采用較多的是層次分析法（AHP）。AHP是美國運籌學家薩蒂(satty)創立的一種應用較廣的主觀賦權法[24]。針對岸橋評價指標體系，比較指標的相對重要程度，通過兩兩比較的方式評價層次結構中指標的重要性，計算權重。AHP賦權法的基本步驟為：1）建立層次結構模型；2）建立兩兩判斷矩陣，并檢驗矩陣的一致性。判斷矩陣若滿足一致性，則繼續往下計算；若一致性條件不滿足，則需要修正比較矩陣，直至滿足條件。AHP法權重ω 計算公式為：

式中：

A ——比較矩陣；

ω ——主觀權重向量；

λmax——最大特征值。

3.3 安全評價方法

●3.3.1 定性安全評價方法

岸橋操作人員熟練程度、安全管理情況、使用環境等指標難以定量表示，較適合定性描述。定性的安全評價方法是依據專家的專業知識和經驗，通過專家投票的方式來確定評價指標的安全隸屬等級。令待評價的岸橋數為s，則s個岸橋組成的評價向量為R = {R1, R2, …, Rs}，設每臺岸橋Ri(i = 1, 2, …, s)有n個評價指標，安全評價指標構成的向量為X = {X1, X2, …, Xn}，指標Xj( j = 1, 2, …, n)的評價值用xj表示，那么每臺岸橋Ri的指標xj的評價值可用xij表示。如果xij有m級安全等級，則第k級安全等級可用Ck(k = 1, 2, …, m)表示，C = (C1, C2, …, Cm)。令μijk= μ(xij∈Ck)表示評價值xij相對于第k級(Ck)的隸屬度。隸屬度矩陣表示為：式中：

μijk= q/Q；

q —— 判斷指標xj隸屬等級Ck的專家數；

Q —— 參加評估的專家總人數。

●3.3.2 定量安全評價方法

岸橋的金屬結構安全評價指標是可以根據實測數據獲得的，屬于定量化指標。岸橋的定量安全評價方法用于金屬結構指標的評估，需要先對評價指標做無量綱化處理[23]。計算岸橋定量指標評價值包括：1）獲取指標狀態值；2）無量綱化處理。其過程如圖2所示。

圖2 定量指標評價值計算過程

此時理論上可以通過評價指標值與評價標準的關系獲得隸屬度。岸橋的金屬結構單因素評價指標通常包括：結構強度、變形、裂紋、腐蝕、剛度[25]。文獻[22]給出了岸橋結構強度、變形、裂紋、腐蝕等指標的評價函數。

4 岸邊集裝箱起重機安全評價存在的問題

但是從前期研究成果可知，岸邊集裝箱起重機模糊安全評價時還存在以下幾個方面的問題：

4.1 評價指標體系方面

影響岸邊集裝箱起重機的安全因素較多，目前相關研究集中于金屬結構，對使用環境、維保管理等涉及較少。岸邊集裝箱起重機是一個復雜的系統，既有定性指標又有定量指標。然而，目前我國岸邊集裝箱起重機械安全評價指標體系還不完善，沒有形成相對統一的建立模式。評價指標體系是安全評價中的核心和依據，如果沒有一套科學合理的評價體系，任何評價方法得出的結果，必然與事實不符。因此，有必要加強安全事故影響因素的分析，提出建立岸邊集裝箱起重機安全評價指標體系的方法。

4.2 指標體系權重方面

岸邊集裝箱起重機安全評價是多層次復雜體系，需要運用適當的方法確定各評價指標的相對重要程度，也就是指標的權重。岸邊集裝箱起重機安全評價模型中權重的確定是關鍵因素之一，權重的合理性直接影響評估結果[26-27]。目前，岸邊集裝箱起重機指標權重的確定方法主要是層次分析法（AHP）。該方法是美國運籌學家薩蒂于20世紀70年代初提出的一種權重計算方法。通常采用的是9標度層次分析法，專家運用9標度對指標評判時存在著一定的模糊性和復雜性，并且當一致性檢驗不通過時，需要重新建立判斷矩陣加以修訂，對于復雜的系統計算較為復雜繁瑣。一些改進的層次分析法，如3標度層次分析法既可以減少定權過程中的主觀性，又可以減少計算工作量[28-29]。岸邊集裝箱起重機涉及的指標眾多，可以考慮運用改進的層次分析法確定指標權重。

4.3 安全評價理論方面

起重機安全評價理論方法較多，如神經網絡安全評價方法[30-32]、灰色綜合評價方法[33]、Fisher判別法[34]、未確知測度理論[35-36]、模糊綜合評價法[37]、專家打分法[38-39]等。其中專家打分法在岸邊集裝箱起重機安全評價中應用較多。專家打分法是一種簡單的安全評價方法。該方法通過收集歷史數據，將評價對象的相關風險指標列舉成表，征詢有關專家的判斷和意見，對這些意見進行統計、歸納、匯總，得出評價結果，對決策方案做出修正。專家打分法簡單直觀，能夠對不確定的因素和難以進行定量分析的因素做出合理的評估，但是，該方法主觀性較強，對可以定量測量的評價指標而言，該方法并非最為合適。文獻[22]雖然對岸邊集裝箱起重機評價指標中除起重量限制設備、制動設備、防風裝置、力矩限制設備的指標給出了定量計算公式，然而公式較為復雜，其合理性有待進一步驗證。此外岸橋安全評價指標中既有定量指標又有定性指標，因此采用的安全評價方法需要能夠處理定量和定性指標的問題。

5 結語與建議

1）我國岸邊集裝箱起重機安全評價的研究仍存在一些問題。尤其是指標體系非常不完善，評價指標的選取方法缺乏統計數據的支撐，缺乏科學的建立方法。岸邊集裝箱起重機評價指標的賦權方法以主觀賦權法為主，權重的合理性和安全評價方法的適用性還需要深入研究。

2）目前岸邊集裝箱起重機安全評價過多依賴專家主觀意見。隨著人工智能、物聯網、大數據和云計算等技術的快速發展和日趨成熟，未來應積極探索利用智能化安全評價方法，運用先進的測量方法盡量獲取定量評價指標的評價值，加強評價指標的在線監測水平，建立安全評價專家知識庫，減少主觀因素對評價結果的影響，提高評價結果的可靠性和準確性。

3）建議在岸邊集裝箱起重機安全評價后續研究中，建立較為全面的指標體系，加強指標體系有效性、穩定性，以及指標篩選的研究工作；為克服主觀賦權法或客觀賦權法的不足，建議采用組客觀組合賦權法確定岸邊集裝箱起重機指標權重；開發具有良好人機界面的評價軟件，提高岸邊集裝箱起重機安全評價的工作效率。

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Research Summary of Safety Assessment Methods on Container Crane

Ding GaoyaoLi Aihua Cao XiongyingZhao Zhangyan
(1. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048)

(2. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063)

Safety assessment of container crane is an important measure to improve the safety management level. And it can effectively promote the development of port economy. In order to improve the rationality and accuracy of risk assessment for container crane in service, research summary of container crane safety assessment was introduced. Aim ing at the shortcom ings in index system, index weight and assessment method, and improvement suggestions were proposed. And it offered theoretical reference for container crane safety assessment research.

Safety assessment Container crane Index system Weight

X 941

B

1673-257X(2017)06-0033-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.009

丁高耀（1975～)，男，碩士，副研究員，從事機電類特種設備檢驗檢測技術管理工作。

李愛華，E-mail: liaihua97412@aliyun.com。

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2015QK262)

2017-01-15）