基于模糊综合评价的桥式起重机安全运行状态评估

王英儒

（陕西省特种设备质量安全监督检测中心，陕西西安710048）

基于模糊综合评价的桥式起重机安全运行状态评估

王英儒

（陕西省特种设备质量安全监督检测中心，陕西西安710048）

根据桥式起重机故障类型及对整体设备安全性影响程度来确定二级模糊评价模型中的评价因素集，以层次分析和专家打分的方法确定评价因素集的权向量。利用建立的模糊评价模型对西安市某公司桥式起重机进行了安全性分析评价。通过对模型进行计算，并依据“评语集最大隶属”原则，得到目前该桥式起重机运行的安全状况为“好”的结论，较为客观地评价了该桥式起重机的运行情况。

起重机；模糊评价；故障树分析法；层次分析法

起重机是现代工业和生活中必不可缺的设备，起重机发生事故将会造成严重的人身伤害和重大的经济损失，因此，建立起重机安全评价体系有助于相对客观地评价起重机的工作状态，是保证人身安全和经济不受损的有效方法。

目前，针对服役多年的老旧起重机采用降级使用或报废的方法，此方法不能客观、真实地反应设备的具体情况，易造成安全隐患和经济损失，建立适当的安全评估方法对企业和个人有重大的意义。

常用的安全评价法有故障假设分析法、故障类型影响分析法、故障树分析法、事件树分析法、层次分析法、模糊综合评价法、灰色关联度分析法、神经网络分析法等。综合各种评价方法的适用条件，本文将通过对起重机故障树模型树进行分析，采用模糊评价方法与专家评价法相结合的方式对起重机进行危险等级的确定。

1 模糊评价方法理论原理

模糊评价方法是1965年L.AZdah.专家教授提出来的，该方法可以综合考虑众多因素，根据评价因素对系统的客观重要度，再结合相关专家的评价将原本定性的物质量化，最大程度地减小人为主观因素对整个系统评价的影响。

模糊评价法的特点是应用模糊数学变化原理，考虑与评价对象相关的各种不确定因素，再结合实际情况对其进行综合评价，因此，模糊评价法具有模糊性、定量性、层次性三大特点，从而形成环环相扣的多级综合评价，其步骤是如下。将与评价对象相关的各种不确定因素集U按照某种属性分成S个子集，即且设每个因素子集其中i=1，2，…，s.

对于每一个因素子集Ui按照一级评价模型分别进行分析计算。假设评语集为中的各因素的权重且其中，0＜.则有Ui的单因素模糊评价矩阵为Ri，公式如下：

第一级综合评价计算公式为：

其中，i=1，2，…，s.

用查德算子（∧，∨）算法合成时（“∧”为“取小”运算，“∨”为“取大”运算）：

其中，i=1，2，…，s.将每个因素ui作为一个元素看待，用Vi作为它的单因素评价，则有R的计算公式为：

式（3）为｛u1，u2，…，us｝的综合评价矩阵，单因素事件ui组成了整体U，且能代表U的某种属性，可以按照它们的重要性根据隶属原则给出权重集，因此，第二级综合评价公式如下：

2 桥式起重机安全运行状态模型的建立

2.1 安全性评价目标的确定

在桥式起重机的实际运行过程中，主要分析了技术方面的问题造成的桥式起重机故障。因此，以桥式起重机故障模型树作为主要影响桥式起重机安全性的因素，且重点考虑关键重要度值比较大的多个事件，结合模糊评价法建立了综合评价因素集的原则，即从起重机的安全角度进行全面考虑。对于一级评价因素集而言，包括机械故障因素、电气故障因素和人为因素。根据模糊评价方法建立二级评价模型因数级，具体评价因素集如表1所示。

表1 起重机评价因素集

桥式起重机在不同的工况工作时，上述因素对起重机安全性影响程度是不同的，专家对上述因素集所给出的评价也是不同的。其评价集定为V={优、良、好、一般、差}。

2.2 评价因素集权向量的确定

权重值的确定有德尔菲法、层次分析法、熵值确定权重法等方法。德尔菲法又称为专家法，其特点在于集中专家的知识与经验，确定各个因素的权重值，主观的因素比较多，而且所选择的专家也很重要，不同专家所得出的结论可能大不相同。而熵值确定法是反映系统杂乱无章程度的度量，适用于衡量已知数据中所包含的有效信息，从而确定权重[4]，从起重机系统发生的故障事件看，其评价依据是前文所建立的起重机故障灾害模型树，每个事件相互之间有一定的逻辑关系，故本文采用层次分析法来确定权重值。层次分析法（TheAnalytic Hierarchy Process）是在20世纪70年代初期由美国运筹学家T.L.Saaty教授因决策大量因素不能定量表达且又无法规避人为因素而提出的一种方法[3]，简称AHP。基本实现步骤如下。

2.2.1 构造成对比较阵

通过上一步骤的层次结构模型，利用两两对比的方法和1～9比较尺度，如表2所示，构造成评价因素集的两两对比较阵，即为所用的评价矩阵。

表2 层次分析法元素间相互比较1～9分级表

2.2.2 计算权向量并做一致性检验

当评价矩阵的阶数时，必须对评价矩阵是否可用于进行判断和评价进行检验。一致性检验的原则是在构建每一个基本事件成对的比较阵的基础上，通过计算所得的最大特征根和对应特征向量与平均随机一致性指标RI标准值进行比较。如果一致性检验通过后，其评价矩阵的特征向量经归一化处理后即为评价因素集的权向量；否则，重新构造成对比较阵。其具体方法如下。

计算评价矩阵的最大特征值λmax；如果评价矩阵用A表示，则计算公式为：

式（5）中：λmax为评价矩阵A的最大特征值，矩阵W为评价矩阵的最大特征值所对应的特征向量。

评价矩阵的一致性指标计算公式为：

评价矩阵的一致性比例计算公式为：

其中，RI为随机一致性指标，通过表3所示的平均随机一致性指标RI标准值可以得知。如果CR＜0.1，则表示该评价矩阵通过了一致性检验，表示该评价矩阵的确定过程满足要求；否则，就不满足一致性，则需要重新构造对比矩阵。

表3 平均随机一致性指标RI标准值

3 某桥式起重机安全性分析评价

3.1 单因素评价矩阵的确定

对于模糊判断矩阵，起重机专家和技术工作人员根据西安某公司桥式起重机的整体运行情况，依据隶属原则共同打分法来确定，并对其进行归一化处理，得到因素集U1，U2，U3的模糊评价矩阵分别为R1，R2，R3，具体如下：

3.2 权重向量值计算

根据之前的阐述，根据层次分析法建立起重机评价因素集的两两对比矩阵，关键重要度值的排序和元素间相互比较1～9分级表相结合的方法来构建两两对比矩阵，笔者认为，关键重要度值大的事件比关键重要度值小的事件相对重要。并结合西安某起重机的实际情况和专家的经验共同确定起重机评价因素集的权向量。根据上节方法，建立一级权重向量计算如表4所示。

表4 一级权重向量计算

从表4中可以看出，CR=0.034＜0.1，一级权重向量的一致性检验是合格的，说明其判断矩阵是可以用的，则一级权重向量Z=（0.604 0.292 0.103）。同样的方法，建立二级评价两两对比矩阵，再结合1～9比较尺度表，计算出矩阵的最大特征值并检验一致性，二级权重向量计算如表5所示。

从表5中可以看出，二级权重向量的一致性都合格，因此其判断矩阵是可以用的，则有二级权重向量分别为：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 二级权重向量计算结果

3.3 设备安全性计算评价

在单因素评价矩阵和权向量值确定的条件下，进行设备安全性计算，具体计算过程如下。

3.3.1 第一级综合评价

结合单因素模糊评价矩阵R1，R2，R3以及权系数向量集可以计算评价V1，V2，V3分别如下：

根据查德算子运算规则可知，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 第二级综合评价

根据第一级评价所得到的评价向量组合成第二级评价的评价矩阵R，则：

权系数向量为Z=（0.605 0.292 0.103）。

因此，第二级的综合评价为：

归一化处理之后得V=（0.219 0.157 0.237 0.23 0.157），根据最大隶属度原则，起重机安全性模糊性评价等级为第3等级，即起重机安全性为“好”。该方法结合起重机实际运行情况，也可以根据实际运行情况修改评价矩阵，方便操作。

4 结束语

本文通过建立西安市某公司桥式起重机二级模糊评价模型，通过实际运行状况和专家的经验共同确定主通风机的二级评价因素集、包含5个评价等级的评价语及单因素评价矩阵，根据层次分析和专家打分依据两两对比的方法计算得到模糊评价的权向量。通过分析计算，进而分析得出了西安某公司起重机运行安全等级为“好”的结论，较为客观地评价西安某公司起重机运行情况。

［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］邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］.数学的实践与认识，2012，24（07）.

［4］佟瑞鹏.常用安全评价方法及其应用［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2011.

［5］陆添超，康凯.熵值法和层次分析法在权重确定中的应用［J］.电脑编程技巧与维护，2009（22）.

〔编辑：张思楠〕

TU857

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.016

2095－6835（2017）14－0016－04

王英儒（1989—），男，研究方向为起重运输机械。