基于多重赋权- 灰色关联法的电梯安全评价

2023-12-08赵金强王新慧丁彦龙

中国特种设备安全 2023年11期

李恒赵金强王新慧丁彦龙

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

根据国家市场监督管理总局特种设备安全监察局公告显示，截至2021年底，全国范围内电梯总数为879.98 万台，以每年10%左右速度快速增长，占八大类特种设备（除压力管道及气瓶以外）总数的45.45%，本年度内发生电梯安全事故23 起，死亡17人[1]。电梯安全面临基数大、增长速度快、老龄化严重、故障率高的严峻形势，直接影响乘客的生命安全，甚至造成恶劣的社会影响，也为政府机构电梯安全管理提出新的命题。因此进行电梯安全评价的研究，科学掌握风险水平及规律，可有效指导电梯使用、检验检测及监督管理等工作，保障人民群众安全。

目前国内外学得已对电梯安全评价开展了大量的探索，并对电梯质量安全提升起到积极的推动作用。如万林等人[2]综合AHP 法、CRITIC 法和模糊综合评价理论的优势，构建出一种评价体系，实现对电梯的评价；李中兴等人[3]建立修正的电梯安全评估模型，通过分析电梯部件的风险指标，研究电梯整体风险等级；李向东等人[4]提出基于3 种模型的神经网络电梯安全评估方法，并对仿真结果进行验证等。本文在综合其他学得研究成果的基础上，提出一种基于多种组合权重的灰色关联分析法电梯安全评价方法：从使用管理、相关人员、使用环境及设备本体4 个方面综合考虑，设定32 个评价指标；为避免单一方法带来的系统误差，采用多重组合的赋权方法确定综合权重；最后采用灰色关联法，基于综合权重的基础上，分别计算一级指标和二级指标对评价总目标的关联系数，量化电梯的安全状态。

1 电梯安全评价模型的构建

1.1 评价模型构建

电梯安全性能不仅与设备的本体有密切关系，同时也受管理、相关人员及涉及环境等因素的影响。本文在查阅行业内相关专家工作的基础上，建立基于模糊层次分析法及熵权法相结合，多重优化权重的灰色关联分析评价电梯安全评价模型，具体流程如图1所示。

张哲[22]等实验研究了空气源热泵机组蒸发器结构变化对其结霜特性的影响。结果表明，蒸发器结构参数对蒸发器结霜速度具有很大的影响，管排数越多，肋片间距越小，蒸发器结霜越严重。

图1 电梯安全评价流程

1.2 风险指标体系建立

为保证评价工作的合理性和有效性，遵循系统性、可比较性、可操作性及可拓展性的原则[5]，同时参考制造、检验检测及监督管理相关法规标准，从设备使用管理、相关人员、涉及环境因素及设备本体4 个方面考虑，形成了4 个一级指标和32 个二级指标的三级评价体系，如图2所示。

成本型指标：

图2 电梯安全评价指标体系

2 基于组合赋权-灰色关联的电梯安全评价方法

2.1 基于FAHP-EWM 法的组合赋权

●2.1.1 FAHP 法确定主观权重

FAHP 法是20世纪70年代美国学得提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法，根据评价目标将指标按模块层次分解，构成一个由下而上的梯阶层次结构，与层次分析法相比，接近实际应用，能够提高决策可靠性，其步骤如下[6]：

1）建立判断矩阵。组织专家对评价目标进行研究，并对同层级的指标进行比对，建立模糊互补的判断矩阵A=(aij)n×n，aij表示第i个指标相比第j个指标的重要程度，判断方法采用0.1～0.9 标度法，见表1。

表1 0.1～0.9 标度法及含义

2）构造模糊一致性矩阵。将原始判断矩阵按行求和，然后进行数据变换，得到一致性矩阵B=(bij)n×n，其中

3) 报警数据分析。据该公司运行装置的要求定义报警准则，根据报警位号、报警泛滥、优先级等多种报警类型进行分析统计，分析内容包括报警系统KPI评估报告、报警系统诊断报告、报警管理系统的周报和月报等。

3）计算指标权重。采用行和归一化法求得指标权重ωj，排序向量记为ωF，即

采用预应力钢丝绳加固后，PC梁的裂缝宽度、跨中挠度、钢筋应变分别降低了50%、 23%和21%。相对于抑制挠度和钢筋应变而言，预应力钢丝绳加固对裂缝宽度的控制最为明显。预应力钢丝绳加固可以显著地提高PC梁的承载力。

●2.1.2 EWM 法确定客观权重

3）取距离函数法和最小信息熵法计算的权重的平均值作为最终的评价权重值，记为ωFE，即

1）FAHP 法计算指标的主观权重。专家团队通过实地调研、问卷调查、网络数据分析、电话咨询等方式，分别对评价体系的一级指标及二级指标同阶层相邻指标按照模糊层次分析方法0.1～0.9 标度法进行比较打分赋值，构造出判断矩阵A-B、B1-C、B2-C、B3-C以及B4-C。

浮游植物、轮虫、原生动物及浮游甲壳动物DCA排序结果如图3所示。浮游植物群落组成排序显示，不同季节的采样点在排序图中被明显区分开，尤其是冬季采样点位置远离其他三季，仅春、夏两季采样点略有相交。原生动物排序图则显示，原生动物种类在冬春两季区别较大，表明冬季至春季时，原生动物种类变化较为明显；浮游甲壳动物则是春夏两季区别较大，表明春季到夏季时其种类变化较大；轮虫四季没有明显差异。

效益型指标：

辛北尔康普(Siempelkamp)公司与Action Tesa公司在几年前的IndiaWood展会开始合作。

式中：maxxj，minxj——所有方案第j项指标中的最大值和最小值。

2）计算第j个指标下的第i个方案的特征比重pij，即

3）计算第j项指标的熵值qj，即

可变尺度池化的思想就是把不同输入特征尺寸，通过池化函数以不同大小的滑动窗口和步长来提取特征，把不同尺寸的输入映射到固定尺寸的输出。可变尺度池化层运算的示意图如图3所示。

●2.1.3 组合赋权

模糊层次分析法确定权重过程中依赖于专家的经验及主观认识，熵权法主要依赖于数据本身，得到权重结果较为客观。为了既能反映出专家对电梯安全状态的主观判断，又能保留原始数据的客观规律，采用组合赋权的方法，不但能消除各自的缺点，而且能提高评估的精确性和有效性[8]。本文为消除单一的取值方法带来的系统误差，运用距离函数法和最小信息熵法分别求得2 个组合权重，然后取平均值作为最终的权重。具体步骤如下[9]：

1）距离函数法。假设主观和客观权重之间的距离函数为d（ωF，ωE），其表达式为：

组合权重为主、客观权重线性加权后的结果，记为ωFE1，即

（1）按照基础优先，理论与实践结合，后期个性化学习的方式，加强学科基础的学习。专业课程旨在实现教学目标的前提下进行改革，将课堂教学时间减少，给予学生更多工程教育实践机会。

《吕氏春秋》里记载了一个故事。有人过江，见一人正要把一个婴儿投到江里去，孩子啼哭不止，过江的人忙问原因，那个人说：“此其父善游。”

为保证不同权重之间的差异程度一致，使距离函数d（ωF，ωE）满足以下要求：

其中，

2）最小信息熵法。根据最小信息熵原理，本文运用拉格朗日乘子法计算组合权重，记为ωFE2，即

EWM 法是一种利用原始数据信息，通过信息熵理论计算各评价指标的熵值，进而确定权重的一种客观赋权方法。假设某评价方案，有m个样本，各有n个指标，即构建出评价矩阵X=(xij)m×n。具体步骤如下[7]：

式中：α，β——2 种权重的分配系数。

2.2 基于灰色关联度的安全评价

灰色关联度评价法，通过计算待评方案与理想方案的关联度值，来确定方案的优劣程度，评价过程计算数据量小，可操作性强，基本不会出现量化结果与定性分析不符的情况，经行业内多个专家研究可有效应用于机电类设备的安全评价工作。本文应用灰色关联分析理论对电梯的安全状态进行评价，把控电梯安全动态，为使用及监督管理等工作提供指导意见。具体步骤如下[10]：

德州仪器（TI）是世界上最大的半导体公司之一。德州仪器始终致力于提供创新半导体技术，帮助客户开发世界最先进的电子产品。德州仪器的模拟、嵌入式处理以及无线技术不断深入至生活的方方面面，从数字通信娱乐到医疗服务、汽车系统以及各种广泛的应用，无所不在。

1）确定分析序列。假设有m个评价方案，各有n个指标，比较序列为Ti={ti(k)|k=1，2，…，n}。按照本文建立的评价体系，指标分为成本型和效益型2 种，在参考序列的选择过程汇总，对于成本型指标值越小越好，对于效益型指标值越大越好，参考序列记为T0={t0(k)|k=1，2，…，n}。由比较序列和参考序列共同构成分析序列，即T=(tij)m×n。

2）分析序列的无量纲化处理。为消除矩阵的量纲，本文采用区间值变换法进行数据规范化处理，得到标准化矩阵Y=(yij)m×n。

3）求差序。计算标准化矩阵参考序列行和对应比较序列行的绝对差值，得到矩阵Δij。

4）利用熵值计算各指标的权重ωj，得到指标排序向量ωE=（ω1，ω2，…，ωn），即

4）求两极最大值M和最小值m。

5）求关联度矩阵。计算参考序列与比较序列的关联系数，得到并联系数矩阵ξij。计算式中ρ为分辨系数，在［0，1］之间，本文取ρ= 0.5。

6）计算评价方案关联度Rk。根据关联度值大小，对参评方案进行排序。

3 实例验证

以某市5台相同技术参数的乘客电梯为研究对象，开展电梯安全评价研究，分别位于住宅小区、娱乐场所、商场、机关单位及户外过街天桥，主要技术参数为额定载重量1 000 kg、额定速度1.5 m/s、5 层5 站。邀请电梯相关行业内的10 名专家组成评价组，涵盖电梯制造、安装、维护保养、检验检测、监督管理、使用单位及乘客等，保证评估结果的系统性和全面性。

专家团队根据建立的风险评价体系，按照指标参数的确定方法，对32 个二级评价指标进行打分和数据采集，其中指标C11～C13、C21～C48均属于效益型指标，进行灰色关联度分析评价时参考值取指标最大值，C14～C18为成本型指标，参考值取指标最小值，最终形成的比较序列和参考序列见表2。

表2 电梯安全状态评价比较序列和参考序列

3.1 指标权重确定

1）数据标准化处理。计算过程中指标分为成本型和效益型2 种，为消除评价指标标准选择不一致带来的影响，需对矩阵进行标准化处理，若在计算过程中出现数值为0，为维护原始矩阵评价的有效性，将数据整体向右平移，即eij＋0.000 1，得到标准化矩阵Y=(yij)。

根据式（1）～式（3）分别求得两级指标的权重，然后利用各个二级指标权重乘以对应的一级指标权重，得到二级指标对总目标的主观权重值ωF。

2）EWM法计算指标的客观权重。根据式（4）～式（8）对专家打分形成的原始矩阵依次进行标准化处理、计算指标比重、熵值及权重。其中数据处理时，C14～C18按照成本型指标处理，其余的按照效益型指标进行处理，最终求得客观权重ωE。

3）确定综合权重。根据式（9）～式（14）先后用距离函数法及最小信息熵法分别求得2 个综合权重ωFE1和ωFE2，最后取两得的平均值作为方案的最终权重，即ωFE=（0.026 7、0.029 6、0.027 7、0.029 7、0.029 4、0.027 8、0.032 8、0.033 6、0.031 4、0.036 1、0.035 7、0.034 5、0.030 0、0.032 5、0.028 0、0.026 8、0.033 3、0.025 9、0.029 0、0.034 1、0.029 6、0.034 8、0.035 4、0.040 6、0.030 0、0.028 2、0.030 5、0.033 5 、0.031 9、0.028 6、0.033 8、0.028 5 ）。

计算过程中，先后求得的主观、客观及两重综合权重数值见表3。

3.2 基于组合权重-灰色关联的电梯安全评价

1）数据处理计算关联系数。首先确定参考序列和比较序列，根据式（15）形成评价分析序列，并按照式（16）采用区间值变换法对分析序列进行无量纲化处理；然后利用式（17）求得差序矩阵，再结合式（18）～式（19）求得4 个一级指标的两极最大值和最小值，计算值分别为：M1=0.0525，m1=0，M2=0.800，m2=0，M3=0.875 0，m3=0，M4=0.833 3，m4=0；最后根据式（20）～式（21）求得各指标与参考序列的关联系数，见表4。

表4 评价指标关联系数

2）初级安全评价。根据式（21）计算4 个一级指标对评价总目标的关联度，计算结果见表5。以使用管理因素B1为例，关联度排序为电梯4 ＞电梯1 ＞电梯3 ＞电梯5 ＞电梯2，对应的也就是各方案与理想方案的关联顺序，可见方案4 使用管理综合得分最高，经专家团队现场调查复核，符合评价结果，该电梯使用单位为某机关单位，使用管理程序较为规范，维护保养实施到位，设备全年故障及投诉现象较少。

面对这些问题，当地旅游管理部门责无旁贷，不仅要在事发之后进行查处，同时还要“防患于未然”，从根本上治理旅游乱象。与其后发制人，在城市名誉被损害后再行动，不如主动出击，在游客到来之前就造就一个良好的旅游环境，形成口碑效应。

表5 初级安全评价关联度值

3）综合安全评价。由初级的安全评价结果可以看出，影响电梯安全状态的各个指标影响作用不尽相同，不能直接反映电梯的总体安全状态，需进行综合安全评价，根据式（21）计算5 台电梯综合安全关联度分别为0.658 1、0.631 6、0.665 4、0.810 5、0.567 9，评价结果排序为电梯4 ＞电梯3 ＞电梯1 ＞电梯2 ＞电梯5。

此次研究中,使用腹腔镜检查,有47例子宫浆膜下肌瘤,10例盆腔粘连,18例输卵管堵塞,17例卵巢囊肿,14例子宫穿孔和肿块。有46例轻度疼痛,49例中度疼痛,11例有迷走神经刺激症状。患者平均手术花费24.5 min,平均出血31.5 m L。对患者患者了半年的随访,有2例失联,共有40例子宫浆膜下肌瘤患者月经正常,7例改善。10例盆腔粘连患者接受分离手术后,子宫形态恢复,内膜生长良好。有17例卵巢囊肿患者症状改善。有12例输卵管堵塞的患者均成功妊娠,有3例疏通。

由评价结果可知，方案4 的设备整体安全状况最高，其中有3 项一级指标关联度为第一，整体符合现场实际情况，该设备整体管理到位，使用环境相对较好，设备本体安全状况优良；方案3 为某商场电梯，使用管理较为规范，但是由于处于公共场所，该设备使用环境相对较复杂，使用频率高，存在少量的安全隐患；方案1 为某住宅小区电梯，使用管理水平一般，设备使用年限较长，存在维护保养不到位的迹象，且设备存在一定的安全隐患；方案2 为某娱乐场所电梯，使用管理水平一般，使用环境较差，设备频繁故障困人，存在较大的安全隐患；方案5 为某过街天桥电梯，设备虽属行业内一线品牌，安全性能相对较高，但是由于使用环境较为恶劣，运行频繁，管理和维护存在不到位的现象，故障频发，存在较大安全隐患，需加强安全管理综合能力提升。

结合实际，对微机继电保护装置做日常维护方案的设定，针对设备本身特性，明确设备运行人员不仅需要掌握设备操作方式和操作细节，更要对其具体工作流程有客观认知，全面提升自身综合专业技术，以此保障设备运行的可靠性。检修过程中，要做好详细记录检查的结果明确故障发生原因，做好应对方案，保障微机继电保护装置整体运行效率。