基于模糊綜合評價的橋式起重機安全運行狀態評估

王英儒

（陜西省特種設備質量安全監督檢測中心，陜西西安710048）

基于模糊綜合評價的橋式起重機安全運行狀態評估

王英儒

（陜西省特種設備質量安全監督檢測中心，陜西西安710048）

根據橋式起重機故障類型及對整體設備安全性影響程度來確定二級模糊評價模型中的評價因素集，以層次分析和專家打分的方法確定評價因素集的權向量。利用建立的模糊評價模型對西安市某公司橋式起重機進行了安全性分析評價。通過對模型進行計算，并依據“評語集最大隸屬”原則，得到目前該橋式起重機運行的安全狀況為“好”的結論，較為客觀地評價了該橋式起重機的運行情況。

起重機；模糊評價；故障樹分析法；層次分析法

起重機是現代工業和生活中必不可缺的設備，起重機發生事故將會造成嚴重的人身傷害和重大的經濟損失，因此，建立起重機安全評價體系有助于相對客觀地評價起重機的工作狀態，是保證人身安全和經濟不受損的有效方法。

目前，針對服役多年的老舊起重機采用降級使用或報廢的方法，此方法不能客觀、真實地反應設備的具體情況，易造成安全隱患和經濟損失，建立適當的安全評估方法對企業和個人有重大的意義。

常用的安全評價法有故障假設分析法、故障類型影響分析法、故障樹分析法、事件樹分析法、層次分析法、模糊綜合評價法、灰色關聯度分析法、神經網絡分析法等。綜合各種評價方法的適用條件，本文將通過對起重機故障樹模型樹進行分析，采用模糊評價方法與專家評價法相結合的方式對起重機進行危險等級的確定。

1 模糊評價方法理論原理

模糊評價方法是1965年L.AZdah.專家教授提出來的，該方法可以綜合考慮眾多因素，根據評價因素對系統的客觀重要度，再結合相關專家的評價將原本定性的物質量化，最大程度地減小人為主觀因素對整個系統評價的影響。

模糊評價法的特點是應用模糊數學變化原理，考慮與評價對象相關的各種不確定因素，再結合實際情況對其進行綜合評價，因此，模糊評價法具有模糊性、定量性、層次性三大特點，從而形成環環相扣的多級綜合評價，其步驟是如下。將與評價對象相關的各種不確定因素集U按照某種屬性分成S個子集，即且設每個因素子集其中i=1，2，…，s.

對于每一個因素子集Ui按照一級評價模型分別進行分析計算。假設評語集為中的各因素的權重且其中，0＜.則有Ui的單因素模糊評價矩陣為Ri，公式如下：

第一級綜合評價計算公式為：

其中，i=1，2，…，s.

用查德算子（∧，∨）算法合成時（“∧”為“取小”運算，“∨”為“取大”運算）：

其中，i=1，2，…，s.將每個因素ui作為一個元素看待，用Vi作為它的單因素評價，則有R的計算公式為：

式（3）為｛u1，u2，…，us｝的綜合評價矩陣，單因素事件ui組成了整體U，且能代表U的某種屬性，可以按照它們的重要性根據隸屬原則給出權重集，因此，第二級綜合評價公式如下：

2 橋式起重機安全運行狀態模型的建立

2.1 安全性評價目標的確定

在橋式起重機的實際運行過程中，主要分析了技術方面的問題造成的橋式起重機故障。因此，以橋式起重機故障模型樹作為主要影響橋式起重機安全性的因素，且重點考慮關鍵重要度值比較大的多個事件，結合模糊評價法建立了綜合評價因素集的原則，即從起重機的安全角度進行全面考慮。對于一級評價因素集而言，包括機械故障因素、電氣故障因素和人為因素。根據模糊評價方法建立二級評價模型因數級，具體評價因素集如表1所示。

表1 起重機評價因素集

橋式起重機在不同的工況工作時，上述因素對起重機安全性影響程度是不同的，專家對上述因素集所給出的評價也是不同的。其評價集定為V={優、良、好、一般、差}。

2.2 評價因素集權向量的確定

權重值的確定有德爾菲法、層次分析法、熵值確定權重法等方法。德爾菲法又稱為專家法，其特點在于集中專家的知識與經驗，確定各個因素的權重值，主觀的因素比較多，而且所選擇的專家也很重要，不同專家所得出的結論可能大不相同。而熵值確定法是反映系統雜亂無章程度的度量，適用于衡量已知數據中所包含的有效信息，從而確定權重[4]，從起重機系統發生的故障事件看，其評價依據是前文所建立的起重機故障災害模型樹，每個事件相互之間有一定的邏輯關系，故本文采用層次分析法來確定權重值。層次分析法（TheAnalytic Hierarchy Process）是在20世紀70年代初期由美國運籌學家T.L.Saaty教授因決策大量因素不能定量表達且又無法規避人為因素而提出的一種方法[3]，簡稱AHP。基本實現步驟如下。

2.2.1 構造成對比較陣

通過上一步驟的層次結構模型，利用兩兩對比的方法和1～9比較尺度，如表2所示，構造成評價因素集的兩兩對比較陣，即為所用的評價矩陣。

表2 層次分析法元素間相互比較1～9分級表

2.2.2 計算權向量并做一致性檢驗

當評價矩陣的階數時，必須對評價矩陣是否可用于進行判斷和評價進行檢驗。一致性檢驗的原則是在構建每一個基本事件成對的比較陣的基礎上，通過計算所得的最大特征根和對應特征向量與平均隨機一致性指標RI標準值進行比較。如果一致性檢驗通過后，其評價矩陣的特征向量經歸一化處理后即為評價因素集的權向量；否則，重新構造成對比較陣。其具體方法如下。

計算評價矩陣的最大特征值λmax；如果評價矩陣用A表示，則計算公式為：

式（5）中：λmax為評價矩陣A的最大特征值，矩陣W為評價矩陣的最大特征值所對應的特征向量。

評價矩陣的一致性指標計算公式為：

評價矩陣的一致性比例計算公式為：

其中，RI為隨機一致性指標，通過表3所示的平均隨機一致性指標RI標準值可以得知。如果CR＜0.1，則表示該評價矩陣通過了一致性檢驗，表示該評價矩陣的確定過程滿足要求；否則，就不滿足一致性，則需要重新構造對比矩陣。

表3 平均隨機一致性指標RI標準值

3 某橋式起重機安全性分析評價

3.1 單因素評價矩陣的確定

對于模糊判斷矩陣，起重機專家和技術工作人員根據西安某公司橋式起重機的整體運行情況，依據隸屬原則共同打分法來確定，并對其進行歸一化處理，得到因素集U1，U2，U3的模糊評價矩陣分別為R1，R2，R3，具體如下：

3.2 權重向量值計算

根據之前的闡述，根據層次分析法建立起重機評價因素集的兩兩對比矩陣，關鍵重要度值的排序和元素間相互比較1～9分級表相結合的方法來構建兩兩對比矩陣，筆者認為，關鍵重要度值大的事件比關鍵重要度值小的事件相對重要。并結合西安某起重機的實際情況和專家的經驗共同確定起重機評價因素集的權向量。根據上節方法，建立一級權重向量計算如表4所示。

表4 一級權重向量計算

從表4中可以看出，CR=0.034＜0.1，一級權重向量的一致性檢驗是合格的，說明其判斷矩陣是可以用的，則一級權重向量Z=（0.604 0.292 0.103）。同樣的方法，建立二級評價兩兩對比矩陣，再結合1～9比較尺度表，計算出矩陣的最大特征值并檢驗一致性，二級權重向量計算如表5所示。

從表5中可以看出，二級權重向量的一致性都合格，因此其判斷矩陣是可以用的，則有二級權重向量分別為：Z1=（0.530 0.278 0.096 0.096），Z2=（0.493 0.370 0.137），Z3=（0.274 0.575 0.151）。

表5 二級權重向量計算結果

3.3 設備安全性計算評價

在單因素評價矩陣和權向量值確定的條件下，進行設備安全性計算，具體計算過程如下。

3.3.1 第一級綜合評價

結合單因素模糊評價矩陣R1，R2，R3以及權系數向量集可以計算評價V1，V2，V3分別如下：

根據查德算子運算規則可知，V1=（0.278 0.2 0.3 0.2 0.2），V2=（0.137 0.2 0.37 0.3 0.1），V3=（0.274 0.2 0.3 0.3 0.1）。

3.3.2 第二級綜合評價

根據第一級評價所得到的評價向量組合成第二級評價的評價矩陣R，則：

權系數向量為Z=（0.605 0.292 0.103）。

因此，第二級的綜合評價為：

歸一化處理之后得V=（0.219 0.157 0.237 0.23 0.157），根據最大隸屬度原則，起重機安全性模糊性評價等級為第3等級，即起重機安全性為“好”。該方法結合起重機實際運行情況，也可以根據實際運行情況修改評價矩陣，方便操作。

4 結束語

本文通過建立西安市某公司橋式起重機二級模糊評價模型，通過實際運行狀況和專家的經驗共同確定主通風機的二級評價因素集、包含5個評價等級的評價語及單因素評價矩陣，根據層次分析和專家打分依據兩兩對比的方法計算得到模糊評價的權向量。通過分析計算，進而分析得出了西安某公司起重機運行安全等級為“好”的結論，較為客觀地評價西安某公司起重機運行情況。

［1］Hattis D，Minkowitz W S.Risk evaluation:criteria arising from legal traditions and experience with quantitative risk assessment in the United States.Environmental Toxicology and Pharmacology，1996，2（02）.

［2］Montague P.Reducing the harms associated with risk assessments.Environmental Impact Assessment Review，2004，24（07）.

［3］鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究［J］.數學的實踐與認識，2012，24（07）.

［4］佟瑞鵬.常用安全評價方法及其應用［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2011.

［5］陸添超，康凱.熵值法和層次分析法在權重確定中的應用［J］.電腦編程技巧與維護，2009（22）.

〔編輯：張思楠〕

TU857

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.016

2095－6835（2017）14－0016－04

王英儒（1989—），男，研究方向為起重運輸機械。