基于IAHP和专家群决策的桥式起重机安全评价

曲珩斌

(长春职业技术学院， 长春 130000)

桥式起重机作为重要的工程设备在港口码头、铁路交通以及物流周转等领域应用非常广泛。截至2014年，我国起重机登记数量达226.26万台，很多起重机经过多年的使用，设备性能退化，安全状况恶化，存在诸多安全隐患[1]。我国每年因起重事故造成的死亡人数在所有机械事故死亡人数中居于首位，据有关数据统计显示，桥式起重机的事故发生率是所有起重机械里面最高的。因此，桥式起重机的安全问题已成为亟待解决的关键问题。开展桥式起重机安全评价是衡量起重机安全等级、预防起重机潜在安全风险和降低起重机事故率的重要手段。

针对桥式起重机的安全评价问题，王卫辉等分析了影响桥式起重机的安全因素，构建了较为完善的安全评估指标体系[2]；杨瑞刚等采用未确知测度理论对桥式起重机的安全评价问题进行了研究[3]；赵晓姣等采用可拓理论和改进的AHP对桥式起重机的安全评价问题进行了研究[4]；胡静波等利用模糊层次分析法开展了桥门式起重机的分级评价研究[5]；李爱华等基于博弈论和未确知测度理论对桥式起重机的安全评价问题进行研究[6]。

上述评价方法均是采用AHP、熵权法或改进的AHP确定评价指标的权重，没有充分考虑指标权重的不确定性和定性评价指标的区间性。在采用主观方法确定指标的权重过程中，由于专家经验阅历、能力水平和知识结构的差异性，给出的指标权重往往不是固定的常数，而是一个区间数。同理，定性指标也很难量化为一个具体的数值。通常情况下，用区间数来表示指标的权重和定性评价指标将会更加符合评价实践。综上所述，本文拟采用区间数理论和区间层次分析法对桥式起重机安全评价问题进行研究。

1 桥式起重机安全评价指标体系

建立科学、合理的安全评价指标体系是开展桥式起重机安全评价的前提。桥式起重机安全性的因素是多方面的，需要构建多维多层次的评价指标体系。文献[2]在研究桥式起重机安全评价指标体系的过程中，将金属结构基础、机械结构组件、电气控制系统和安全保护装置作为一级评价指标，将金属结构的开裂、变形、磨损、大小车运行机构、供电系统、配电保护系统、驱动系统、缓冲装置、安全监控等作为二级评价指标。在影响桥式起重机安全的诸多因素中，人的因素也很关键。通过咨询多位桥式起重机设计专家的建议，并对桥式起重机结构和常见故障进行研究的基础上，拟从桥架、起升机构、运行机构和人的安全因素4个维度评价桥式起重机的安全性。桥架维度主要从结构连接和裂纹变形2个方面体现桥式起重机的安全性；起升机构维度主要从钢丝绳、滑轮组、吊钩、制动器、卷筒、安全装置和电气设备7个方面反映桥式起重机的安全性；运行机构主要从运行轨道、车轮、安全装置和电气设备4个方面反映桥式起重机的安全性；人的安全因素主要从安全管理、人员素质和安全保障3个方面体现桥式起重机的安全性。基于上述分析，构建如图1所示的多层次桥式起重机安全性综合评价指标体系。

进行桥式起重机安全评价，需要确定安全评价等级，以往的桥式起重机安全评价过程中，有的学者将安全等级划分为4级，有的学者将安全等级划分为5级，本文将安全等级划分为4个等级：1级(优)、2级(良)、3级(中)、4级(差)。为了适于区间层次分析法评价桥式起重机安全性，需要对安全等级进行量化，这里采用区间数方法进行量化，将优、良、中、差4个安全等级对应的区间数分别设定为：(0.8，1.0]、(0.6，0.8]、 (0.4，0.6]和[0，0.4]，安全等级对应的状态和区间数等级如表1所示。

图1 桥式起重机安全评价指标体系

安全等级区间数等级安全等级描述1级(优)(0.8,1.0]处于安全运行状态2级(良)(0.6,0.8]大部分指标符合要求,少量指标未达标3级(中)(0.4,0.6]大部分指标未达标,对该机安全影响较大4级(差)[0,0.4]存在较大安全隐患,大部分指标不符合规定

2 基于IAHP确定评价指标权重

在决策、评估或评价研究领域，确定科学合理指标权重是进行决策、评估或评价的关键，目前客观赋权法、主观赋权法和主客观综合赋权法是确定指标权重的主要方法。主观赋权法能有效地结合专家的知识和经验，得出的指标权重会更加符合客观实际，因而在确定指标权重方面得到了广泛的应用。桥式起重机安全评价指标体系复杂，并且均是难以量化的定性指标，不宜采用客观赋权法，而采用主观赋权法获取的指标权重更加符合安全评价实践。由于看问题的角度不同，不同类别的人员在确定指标权重方面会有不同的思考，给出的指标权重通常会处于一个实数区间，因此，笔者拟采用区间层次分析法计算桥式起重机安全评价的区间数权重。

2.1 区间数和IAHP的基本原理

为了克服层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)在计算指标权重过程中存在的不足，在AHP的基础上逐步研究发展产生了区间层次分析法(Interval-based AHP，IAHP)。IAHP与AHP的基本原理类似，计算结果和原始数据都以区间数的形式表达，不同之处在于IAHP用区间数代替点值来构造区间数判断矩阵，通过区间数的运算得到区间数权重。

步骤1利用特征向量法分别求AL、AU的最大特征值所对应的具有正分量的归一化特征向量xL和xU。

(1)

2.2 确定评价指标的区间数权重

表2 一级评价指标的区间数判断矩阵

表3 二级评价指标的区间数权重

3 基于IAHP和专家群决策的桥式起重机安全评价模型

基于桥式起重机安全评价指标体系及相应的区间数权重，构建基于IAHP和专家群决策的桥式起重机安全综合评价模型：

步骤1广泛征求相关专家建议，构建桥式起重机安全评价指标体系。

步骤2利用IAHP原理构建区间数判断矩阵，并计算各级指标的区间数权重。

步骤3邀请N位桥式起重机设计专家按照“优”“良”“中”和“差”的4级语言安全评价等级对需评价的桥式起重机二级评价指标进行定性评价。

4 评价实例

为了验证本文所构建评价模型的合理性、有效性，现以某通用桥式起重机为例进行安全评价分析。邀请10位专家对该起重机的16个二级指标进行定性评价，各位专家对二级指标的定性评价值如表4所示。按照桥式起重机安全评价模型的步骤4，将定性评价值转换为规范化区间数评价值，如表5所示，其中Iij表示第i个一级指标下的第j个二级指标。

表4 二级评价指标的专家定性评价值

表5 二级评价指标的综合区间数评价值

依据桥式起重机安全评价模型中提出的指标聚合方法，采用Matlab 6.5软件编写简易计算程序，经运算可以得到桥架、起升机构、运行机构和人的安全因素4个一级评价指标的评价值分别为[0.56，0.86]、[0.43，0.67]、[0.45，0.77]和[0.46，0.78]，将16个二级指标继续向上聚合，便可得到该桥式起重机安全评价值为[0.46，0.78]。为了便于分析，取桥式起重机安全性评价值的中间值0.62，与语言评价值相比较可知，该通用桥式起重机安全性评价结果为“良”，即安全等级为2级，但处于2级的下限接近于3级。同理可算得，4个一级评价指标的评价值中间值分别为0.71、0.565、0.61和0.62，相对应的安全评价等级分别为“良”“中”“良”和“良”。相比较而言，桥架的安全性较好，运行机构和人的安全因素安全等级虽然为2级但却接近于3级，起升机构的安全性与其他指标相比稍差，需要重点关注和改善。此定性评价的结论与文献[6]得出的定性评价结论相一致，文献[6]的评价方法仅得出了起重机的总体安全等级，未能给出一级评价指标的安全程度，从而表明本文所构建的桥式起重机安全性综合评价模型是合理有效的，且比以往的评价方法更加科学完善。

5 结论

桥式起重机安全评价是衡量起重机安全水平、优化起重机安全性设计和改善起重机安全性的重要前提和基础。

1) 针对桥式起重机安全评价具有的区间性、不确定性这一特点，将区间数理论和区间层次分析法相结合计算出了桥式起重机安全评价指标的区间数权重，克服了其他桥式起重机安全评价过程中指标权重计算方法的不足。

2)提出采用区间数理论和专家群决策理论对4级定性评价值进行区间量化处理的方法，构建了基于区间层次分析法和专家群决策的桥式起重机安全评价模型，最后通过实例对某通用桥式起重机的桥架、起升机构、运行机构和人的安全因素4个指标进行安全性评价。

3) 评价结果与其他方法基本一致，但对评价指标的说明更加科学完善，可信度高，从而验证了该综合评价模型的合理性和有效性。