基于04-FCE 的岸邊集裝箱起重機金屬結構安全評價研究

袁博文，于 昊

（煙臺市煙臺港股份有限公司礦石碼頭分公司，山東煙臺 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（以下簡稱岸橋）作為港口最常用的集裝箱起重設備之一，其使用數量和頻率越來越高，這對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]。最嚴重的事故是由金屬結構的故障和失效引起的，對岸橋金屬結構進行安全評估和等級評估，可以通過拆除、維修、檢查[3]等手段，盡早發現結構中存在的安全隱患并及時處理，有效避免安全事故。

目前，起重機安全評價的理論方法較多，如神經網絡評價法[4]、灰色綜合評價法[5]、Fisher 判別法[6]、未確知測量理論[7]、模糊綜合評價法[8]、專家系統法[9]等。盧茹利等[10]基于數據統計，通過實地調研、專家評判等方法對服役中后期岸橋的安全性評價體系作了分析研究。張文[11]通過改進的可變模糊集法，由具體指標層到岸橋整機逐層確定評價對象的安全等級并驗證了建立的岸橋評價體系的可行性。

現有的安全評價方法的準確性受到專家水平或訓練樣本數量的很大影響，特殊情況下反映的數據不真實，使得評價體系的魯棒性不足。因此，有必要從有效性、可靠性和通用性的角度，建立一種實用的岸橋評價方法。

1 建立岸橋金屬結構安全評價指標體系

根據岸橋的設計原理和工程實踐，首先對岸橋金屬結構的強度、剛度、穩定性、裂紋、腐蝕和維修等影響安全性的因素進行了分析和評價。然后，根據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 個子系統，分別進行單因素分析。最后，構建了岸橋金屬結構安全評價指標體系。

1.1 選擇評價指標

按照GB/T 3811—2008《起重機設計規范》、GB/T 5905—2011《起重機試驗規范》和GB 6067.1—2010《起重機安全規程第1 部分：總則》、GB 6067.5—2014《起重機安全規程 第5 部分：橋式和門式起重機》，GT/B 17495—2009《港口門式起重機》《起重機金屬結構》等，影響起重機金屬結構安全的因素應從兩個角度考慮：從設計角度看，影響因素包括強度、剛度、穩定性等；從故障角度看，影響因素包括裂紋、腐蝕、變形、維修等。

對于岸橋，梁的整體穩定性在設計階段已經滿足安全標準，整體穩定性指標和強度指標通過應力體現，部分穩定性體現在變形指標上。在安全評價指標體系中，穩定性指標不作為獨立的評價指標，因此選擇強度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修作為評價指標。

1.2 岸橋結構安全評價指標體系

岸橋金屬結構安全評價指標體系分為整機層、子系統層和單因素層。通過幾個子系統的評價結果，可對整機的結構安全性進行綜合評價。子系統的評價體現在強度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修6 個指標上。

岸橋的金屬結構主要由前大梁、后大梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿組成。由于在某些子系統中，有些因素對金屬結構的安全性影響不大，因此立柱子系統中的剛度因素、拉桿子系統中的剛度和變形因素不參與安全評價。

2 基于04-FCE 的岸橋金屬結構安全評價模型的建立

為了對岸橋金屬結構的安全性進行評價，首先根據實際情況對評價指標進行無因次優化。然后采用04-FCE 評價方法建立安全評價模型，確定岸橋結構的安全等級和評價結論。最后，為降低安全風險提出相應的建議。

2.1 評價價值的確定

岸橋金屬結構的安全評價指標包括強度、剛度、裂縫、變形、腐蝕及維修。由于這些維度是不同的，在進行模糊評價計算之前需進行無量綱處理。

評價指標值的計算分為2 個步驟：①測量單因素評價指標的狀態值；②對各指標狀態值進行常規無因次處理，使指標數據的取值范圍統一在［0，1］。

2.2 評價指標權重的確定

采用“0-4”評分法對岸橋金屬結構安全評價中涉及的指標進行評價，并以此確定指標的權重。技術人員對評價指標體系中2 個指標的重要水平進行比較，可得到“0-4”分。

指標的最終權重表示為某一指標的得分與所有指標的總分之比。

2.3 模糊關系矩陣的建立

模糊評價包括評價結果集（V）、權重集（W）、指標集（U）、模糊關系矩陣（R）4 個基本要素。V 包括對象所有可能的評價結果；W元素為各指標對結果的權重；U 為評價指標集；R 是U 和V 的鏈接，反映了評價指標與評價結果的關系。n 個評價指標，m 個評價結果的模糊關系矩陣可表示為：

在已有的研究中，rij的確定通常采用德爾菲法，其結果很大程度上依賴于打分專家的主觀判斷。評價結果在很大程度上依賴于專家的水平，容易產生偏差，不利于普通技術人員的操作，在港口的實際應用上也不強。該研究采用“距離歸一化”方法確定評價值的隸屬度，方法簡單、準確。方法如下：

（1）設P={P1，P2，…，P8}為8 個評價結果集的中點，分別為：

（2）判斷評價值Si下降的評價結果為Vi級。

（3）求Si與Vi對應中點Pi之間的距離Di，即：

（4）求離Si最近的評價結果集Vj的中點Pj，求Sj與Pj之間的距離Dj，即：

（5）求Di和Dj的倒數，然后將結果歸一化，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 模糊綜合評價

根據模糊矩陣的乘法運算，模糊評價集可表示為B={B1，B2，…，Bm}，模糊評價集B 式（4）計算：

采用加權平均法求解最終評價結果v：

采用模糊綜合評判法進行多級評價，得到了整機結構的評價結果V。0-100 平均分成8 個區間，形成V1-V8整機結構的安全等級。每個評估值都有對應的結果狀態描述：

V1：當0≤v≤12.5 時，整機結構狀態極差，相關結構件甚至整機應報廢。

V2：當12.5＜v≤25 時，整機結構狀況較差，必須立即停機進行全面大修。

V3：當25＜v≤37.5 時，機器結構不好，必須停機維修。

V4：當37.5＜v≤50 時，整體結構存在嚴重安全風險，需制訂整體維修方案和減載使用。

V5：當50＜v≤62.5 時，整機結構故障較多，必須制訂整機維修方案。

V6：當62.5＜v≤75 時，整機結構有一定故障，必須對故障部件進行修理。

V7：當75＜v≤87.5 時，整機結構狀況良好，只需加強巡視檢查。

V8：當87.5＜v≤100 時，整體結構狀態良好。

3 案例分析

以某港口岸橋金屬結構為研究對象，采用“0-4”分值法確定各指標權重，采用模糊綜合評價（FCE）進行安全性評價。根據岸橋金屬結構的特點，確定了岸橋金屬結構安全評價指標體系，子系統層包括前梁、后梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿，單因素層包括強度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修。

3.1 指標評價值的確定

按照GB/T 5905—2011 和GB 6067.1—2010，對某岸橋進行數據采集，得到狀態值d。通過現場測試計算，得到岸橋單因素指標的評價值S（表1）。

表1 岸橋指標評價值

3.2 04-FCE 評價

以前梁強度、剛度、裂紋、腐蝕、變形、維修等單因素指標權重值的計算為例，專家或相關技術人員根據指標的重要性，對2個指標進行比較后，采用“0-4”評分法計算出各指標的權重值。

前梁各指標權重W1=（0.275，0.176，0.275，0.098，0.098，0.098）

采用“距離歸一化”方法，可得到前梁子系統的模糊關系矩陣：

前梁模糊評價集為：B=（0，0，0.128，0.055，0，0.066，0.199，0.551）

前梁的評價結果為78.83。其他子系統的評價過程與上述計算過程類似?？梢缘玫揭韵伦酉到y的評價結果：后梁子系統81.10；橫梁子84.06；梯形框架子系統87.59；立柱子系統69.49；拉桿子系統91.88，故整機最終評價值為83.99。

3.3 整機安全性評價

經計算，岸橋金屬結構的安全評價值為83.99，安全等級7級。評價結果對應的整體結構安全狀態描述及相關處理建議為：整體結構狀態良好，可加強檢查。04-FCE 評價方法在某港口一段時間的實際應用表明，該方法合理，易于港口技術人員操作。具有一定的普適性和推廣價值。

4 結論

通過分析影響岸橋金屬結構安全性的因素和特點，建立了岸橋金屬結構安全性評價指標體系，首次提出“0-4”評分+模糊綜合評價（04-FCE）的方法，解決了打分者專業技術水平不同造成的權重計算結果普遍存在的問題，偏差大、通用性強、操作方便。通過實例分析和應用04-FCE 對整個碼頭集裝箱起重機金屬結構的安全性進行了評價。評價結果與工程實際基本一致。因此，該方法可作為港口岸橋安全評價的依據，為提高港口機械安全管理水平提供支持。