基于模糊綜合評價方法的通用橋式起重機風險評價

李新宇

(南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 211102)

0 引言

起重機械是涉及生命安全、危險性非常大的機電類特種設備，每年發生的特種設備事故中，起重機械事故數量最多，起重機械的安全問題越來越不可忽視，而對于處于服役期尤其是服役多年的起重機械，正常的檢驗和維保無法明確設備的實際安全狀態，因此對起重機械的安全性進行全面、科學、客觀的分析評價對預防安全事故的發生意義重大。

目前國內外研究人員常用的分析評價方法有綜合層次分析法、模糊綜合評價法、數據包絡分析法、神經網絡分析法、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網絡的橋式起重機安全評估方法，通過分類分析修改了專家評價權重分布并提高了專家評估集的合理性；李愛華等[2]運用博弈論和未確知測度理論，建立起重機安全等級評價模型，一定程度上克服評價過程中常用的單一賦權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AHP方法建立橋式起重機安全評價的物元模型，為橋式起重機安全評價提供了一種新方法。

雖然研究方法有很多，但很多研究在對評價向量的獲取和處理上，不能充分利用研究結果中的信息，不當的處理方法甚至導致評價信息丟失較多，不能準確真實地反映設備的安全狀態[4-5]。本文通過層次分析法構建了通用橋式起重機評價指標體系，并計算了指標權重，通過構建隸屬函數，得到隸屬度矩陣，和權重向量進行復合運算后得到通用橋式起重機的綜合評價向量，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別準則確定通用橋式起重機安全性評價等級。通過實例驗證，本文所研究的評價方法科學合理，能夠較為準確地反映通用橋式起重機的安全狀態。

1 通用橋式起重機模糊綜合評價過程

1.1 構建評價指標體系

構建一個科學合理的評價指標體系是進行模糊綜合評價的前提，這個體系應該要涵蓋其整個服役期內的所有安全因素[6-8]。根據通用橋式起重機的特點，參考《起重機械安裝改造重大修理監督檢驗規則》(TSG Q7016—2016)和《起重機械定期檢驗規則》(TSG Q7015—2016)[9-10]等安全技術規范，并且結合相關文獻資料和部分專家的觀點，構建了通用橋式起重機安全評估指標體系，如表1所示。

表1 通用橋式起重機安全評價指標體系

1.2 構建判斷一致矩陣和權重計算

采用層次分析法(AHP)的理論構造分級判斷矩陣[11-13]，并計算各層級評價指標權重。本文使用1—9標度法，并以各指標對起重機安全性的影響為判斷準則，將各層級內的指標進行兩兩對比打分，綜合多個專家的判斷結果，得到合適的判斷矩陣。通過對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重向量，為保證指標權重的準確性，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，通過一致性指標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，才可認為判斷矩陣滿足一致性要求，當矩陣級數小于3時，無需進行一致性檢驗。

根據指標體系表1建立指標集并得到各層次判斷矩陣及其權重向量，一級指標集UB={B1,B2,B3,B4}，二級指標集分別為B1={C1,C2}；B2={C3,C4,C5,C6}；B3={C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13}；B4={C14,C15}。一級判斷矩陣P和二級判斷矩陣M1、M2、M3、M4及其權重向量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。對二級指標進行層次總排序，可得到各因素對通用橋式起重機的安全性影響程度。經計算，得到RI總=1.73，CI總=0.09，因此CR總=0.05<0.10，則層次總排序結果可靠。總排序結果如表2所示。

表2 層次總排序

1.3 構建指標模糊評價集及確定隸屬度

要描述起重機的安全程度這一模糊概念，需要利用模糊評價的思想構建評價集，評價人員對每一個指標進行打分，定量表示各評價指標的安全狀況，通常在建立評價集時很多學者采用對每個指標根據其特點建立評價子集，這種方法的優點是可以對每個指標進行很細致的評分，但缺點是評分過程比較繁瑣，在指標太多時需要建立的評價子集也多，對每個評價子集的構建依賴性較大[14]。本文根據指標體系的特點采用綜合模糊評價集對各指標進行賦值。

我們將評價集分為4個等級，其描述內容分別為“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”。評價人員可根據判斷在1～4之間取值，每個指標的分值是取所有評價人員打分的平均值。

根據評價集可以構建隸屬函數，將指標Ci的評分代入隸屬函數后可以得到指標的隸屬度向量Ri，設評分為x，則隸屬函數u(x)如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 構建模糊綜合評價向量和確定安全性評價等級

1.4.1 構建模糊綜合評價向量

通過各評價指標隸屬度與權重進行合成運算可構建模糊綜合評價向量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價等級

通常很多學者在進行模糊評價時使用最大隸屬度原則較多，由于本文中評價等級劃分是有序的，所以最大隸屬度準則不適合。另外，在進行指標評分時常用的方法是按照評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]中的等級識別方法，可以有效可靠地獲得評價對象的安全等級，這樣做可減少模糊評價集對結果帶來的不利影響，有效避免評價結果超模糊的情況。另外，為了進一步優化評價結果，使得評價結果更加準確可信，可結合未知測度理論中的置信度識別準則確定安全等級[2]。設X為綜合評價得分，可變模糊集理論確定評價對象的級別特征公式：

(6)

可變模糊集理論中的判別準則為

(7)

假設評語空間C={C1，C2，…，Ck}，Cn為第n個評價等級，且1≤n≤k，則安全評價等級Cn優于Cn+1。

根據可變模糊集理論中的判別準則，本文將安全評價等級分為4個等級，建立通用橋式起重機安全性評價等級如表3所示。

表3 通用橋式起重機安全性評價等級

續表3

在未知測度理論中，利用置信度λ計算安全等級，0.5<λ≤1，通常取0.6或者0.7計算，置信度的取值越大，評價結果則越趨于保守。置信度識別準則如下：

(8)

當利用可變模糊集理論中的判別準則判斷安全評價等級為K時，通過綜合評價向量Sk可計算得到對應等級的λ值，本文中λ的參照值取0.7，因此，當置信度λ≥0.7，則判定等級為K級，當等級K對應的置信度λ<0.7時，那么將λ=0.7代入式(8)中計算，即可確定安全評價等級為Ck0。

2 實例分析

使用本文模型對某公司一臺在役的通用橋式起重機進行模糊評價，評價人員有5人。經過評價發現以下問題：該設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。

按照指標體系中的15個指標項目，依據評價標準進行檢測和評分，取所有評價得分的平均值，并計算隸屬度，結果如表4所示。

表4 各指標評判結果

得到每個指標的隸屬度后，可以構建隸屬矩陣R，代入式(5)中，得到該通用橋式起重機的模糊綜合評價向量S為(0,0.41,0.10,0.49)。

代入式(6)中可得X(S)為3.08，根據表2中可知，安全等級為2級(合格)，但由于該等級對應的置信度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的安全評價等級為3級(異常)，整機安全風險較大，需要停機維修，重新評價合格后繼續使用，這與實際情況較為符合。

3 結論

(1)本文利用層次分析法從金屬結構基礎、運行機構、起升機構和人員及管理4個方面建立了通用橋式起重機的評價指標體系，并由判斷一致矩陣計算得到了各評價指標的權重。

(2)建立了評價指標評分標準，通過構建隸屬函數得到隸屬矩陣，并與指標權重進行合成運算得到評價對象的綜合評價向量。

(3)引入了可變模糊集理論等級判別方法和未知測度理論中的置信度識別準則，優化了評價結果的處理，盡可能利用了評價信息，這樣得到的結果比利用常用的評價方法得到的結果更符合實際情況，更能夠科學合理地反映出評價對象的安全狀態。