大型游乐设施设计风险评估方法

王银兰 宋伟科 林伟明 张 勇 中国特种设备检测研究院

大型游乐设施设计风险评估方法

王银兰 宋伟科 林伟明 张 勇 中国特种设备检测研究院

针对游乐设施的特点，提出了游乐设施设计风险评估流程，通过信息收集、危险识别、风险评估和风险控制四个过程从设计阶段完善设计方案。结合现有风险评估方法，建立了一套适合游乐设施的设计风险评估方法，集成了基于零部件失效模式分析、危险源系统分析和概念设计分析方法，实现了零部件层次和系统层次的风险分析和控制。以典型游乐设施-大摆锤为例，详细说明了该方法具体实现过程，验证了该方法在游乐设施风险评估中的有效性和适用性。

设计风险评估 失效模式分析 危险源识别 大摆锤

游乐设施的安全取决于：安全的设计；满足设计要求的制造与安装；安全的运行、操作；保养和维护,其中设计是产品质量的源头。安全的设计决定了后面几个因素的难易程度。因此，必须重视游乐设施的设计开发。我国的游乐设施设计由最初的简单测绘国外设备开始，经过多年的经验积累和技术进步，目前对中小型设备具备了计算分析等能力。但是由于缺乏设计理论和方法的指导，目前的游乐设施设计仍停留在以个人的设计经验为主的阶段，安全漏洞较多，产品安全隐患大。因此，必须在设计阶段就开始进行有效的危险识别与风险评估，从源头提高产品安全可靠性。

1 风险评估流程

游乐设施风险评估的根本理念是以系统科学为指导，“以人为本”为原则进行危险识别、风险评估和控制。由于游乐设施的特殊性，所有的风险评估都围绕人的安全展开，避免其他因素的干扰，体现“人员重于设备”。风险评估的目的是在设计阶段尽量识别所有可能出现的与游客有关的不利因素。一旦发现存在对游客造成人身损害危险，应对风险进行评估。评估内容包括危险导致的损害发生的可能性和严重程度。随后应采取措施消除或减少风险，以及危险时的救援措施[1-4]。

游乐设施设计风险评估主要由信息收集、危险识别、风险评估和风险控制四个过程。信息收集的目的是获取设备的相关安全信息与数据，收集的数据越多，则风险识别、风险评估和控制工作的内容就越充实。危险识别是风险评价的关键环节。危险识别是否全面、准确与真实，任何一种危险在识别阶段是否被忽略，都将直接影响风险评价和安全决策的质量。正确识别全部危险，需运用科学方法进行多角度、多层次的分析。大多数危险可以被识别，并能通过后续措施加以消除。有些无法完全消除的危险，应对其可能造成的人身健康和安全的风险进行评估，并采取适当的措施使其最小化。风险控制重要的一点就是为消除具体危险采取的措施，或者说使风险最小化的措施，就其本身性质而言，不会又引起新的危险。游乐设施设计风险评估流程如图1所示。

图1 游乐设施设计风险评估流程

2 风险评估体系建立

2.1 风险评估方法

系统工程领域的风险分析和风险评估研究日益引起人们的重视，各种风险评估方法也在逐步发展并得到应用。系统工程风险分析结果的可信度在很大程度上取决于风险评估方法的正确选择。不同的风险评估方法侧重的分析方面是不同的，同时在分析问题的深度、广度上都存在一定的差别，因此合理的风险评估方法是获得可靠结果的保证。

目前常见的各种风险评估方法在游乐设施设计中应用存在一定的难度。因为游乐设施是一种由钢结构、机械、电气、控制、液压气动、土建基础等多方面技术集成的产品，各个部件和各个子系统之间的关系复杂。如失效树分析(FTA)或事件树分析(ETA)分析法，其故障树的建造和计算过程极为复杂，最终数的分支树会呈指数增长，产生大量的冗余分支[5-7]。鉴于游乐设施设计多样化特点，某一类游乐设施生产的产品数量少，难以形成定量分析。更为重要的是，为了吸引游客的关注，游乐设施的设计大多是一种创新性和个性化设计，设计中缺乏成熟产品参考和定量数据的支持，各种定量分析方法也不适用。因此，本文提出了一种针对游乐设施特点的设计风险综合评估方法，如图2所示。

图2 游乐设施设计风险综合评估方法

该方法从零部件层次、常见危险源层次和概念设计层次三个方面对设计阶段的风险进行分析与控制。这种方法考虑了当前游乐设施行业的特点，统筹兼顾了零部件和系统层次的危险。通过不同层次、不同方法的风险评估对设备进行有效的安全控制，是一种集成创新。其中基于零部件的失效模式分析从系统底层单个零部件角度评估系统风险，考虑到每个子系统的潜在风险。基于危险源的系统风险分析从上层全局角度分析可能存在的各种失效风险，考虑系统的潜在风险。概念设计层则针对各种方法都无法消除或控制的危险，说明其原理设计或者结构设计本身存在重大缺陷，这时需要在概念设计层进行改正甚至提出新的解决方案。

2.2 基于零部件的FMEA

失效模式及后果分析FMEA(Failure Mode And Effects Analysis)是在风险发生之前对风险进行预防和控制。它主要是从失效严重度S(Severity)、频度O(Occurrence)和探测度D(Detection)3个维度进行风险评估，通过量化指标确定风险的失效模式及关键失效起因，从而制定预防措施加以控制，从而将风险减少到可接受的水平[8,9]。FMEA是一种归纳分析方法，它在零部件级的水平上系统详细地分析了所有可能的失效模式以及这些失效模式对系统的影响游乐设施非常实用游乐设施零部件角度的单点失效分析。

根据我国历年游乐设施事故与故障统计分析情况,设计了游乐设施零部件失效可能性积分表(见表1)、失效可发现性积分表(见表2)和失效后果严重性积分表(见表3)。

表1 失效可能性积分表

表2 失效可发现性积分表

表3 失效后果严重性积分表

2.3 系统层次危险源分析

虽然基于零部件的FMEA方法对于识别危险，确定关键部件和游乐设施风险控制起到很重要的作用，但基于零部件FMEA识别的危险并不是游乐设施全部的危险。由于游乐设施有很大一部分危险源是在零部件装配成系统（子系统）时或系统中产生的，或在各系统相互作用时产生的，因此，还必须对这些系统进行危险识别、风险评估和风险控制，以求最大限度地识别游乐设施全部或绝大多数危险，采取措施予以消除或处于有效控制之下[10,11]。根据多年的国内外游乐设施设计文件鉴定与检验试验实践，在从系统层次自上而下识别并排除危险源时，根据目前游乐设施工作特点和游乐设施实际情况，从危险部位、失效模式、失效原因、控制措施等方面详细分析了大摆锤的危险源失效方式，见表4。

表4 大摆锤危险源分析表

从表4中可以看出，基于危险源的系统层次风险分析从机械危险、电气危险、噪声危险、忽略人机工程学造成的危险、环境危险及意外危险等，全面分析了所有可能的危险源。其中机械危险，如螺栓、焊缝、销轴、驱动系统的风险分析涵盖了基于零部件失效模式分析，从而避免了风险分析中可能的缺项，保证了风险分析的完整性。同时基于危险源的系统层次风险分析方法还考虑了噪声危险以及其他特殊危险，这些危险无法在零部件失效模式中体现。

3 实例分析

大摆锤作为一种典型的旋转类大型游乐设施，其运动形式是座舱的旋转和吊臂的摆动。目前大摆锤高度通常在15m，最大运行高度可达30m，单侧摆动幅度一般在110°～120°左右，转盘直径在8m左右，转速在7～10r/min左右，座舱最大线速度可达90km/h，最大加速度可达4g以上，每次最大载客量最多可达56人。游客在极速上摆与下落过程中，体验高度、速度、加速度带来的惊险与刺激。大摆锤的运动特点决定了设备的运行风险，进行全面系统的风险评估是保证设备正常运行的必要条件。

基于零部件的FMEA方法和系统层次危险源分析法对大摆锤可能的风险进行全面评估。大摆锤零部件层次失效分析见表5，系统层次危险源失效分析如见表6(仅列出主要项)。

表5 大摆锤零部件FMEA分析表

表6 大摆锤系统层次危险源分析表

由表5和表6可以看出，基于零部件的FMEA和系统层次危险源分析法全面分析了大摆锤在设计阶段可能存在的各种失效可能，并提出了具体的风险规避措施，为保证大摆锤的安全运行提供了强有力的保证。

4 结论

1）在分析游乐设施特点基础上，提出了游乐设施设计风险评估流程。通过信息收集、危险识别、风险评估和风险控制四个过程从设计阶段完善设计方案，保证设备安全。

2）提出了一种针对游乐设施特点的设计风险综合评估方法，从零部件失效模式分析（FMEA）、危险源系统风险分析和概念设计层分析三个方面实现了游乐设施风险的全面评估。

3）以典型大摆锤游乐设施为例，利用本文提出的设计风险评估方法，全面评估了大摆锤在设计阶段可能存在的各种失效可能，并提出了具体的风险规避措施，验证了该方法的有效性和适用性。

1 李向东.大型游乐设施安全技术.北京:中国计划出版社,2010

2 孙小帅.大型游乐设施的安全评价和状态检测.郑州:郑州大学,2011

3 杨振林.特种设备风险管理研究.天津:天津大学,2008

4 朱海容.基于虚拟样机技术的游乐设施安全分析方法探讨.中国安全科学学报,2004,14(3):12－15.

5 刘敏.基于层次分析法的特种设备安全监察风险评价的研究.广州:华南理工大学,2010

6 郭曙光.机械安全风险评价方法研究.北京:机械科学研究总院,2008

7 曹云,徐卫亚.系统工程风险评估方法的研究进展.中国工程科学,2005,7(6):92－98

8 武文娟,刘混举.基于FMEA和FTA的矿用减速机可靠性分析.煤矿机械,2013,34(8):112－113

9 陶建峰.计算机辅助FMECA 与FTA 综合分析方法研究.北京航空航天大学学报,2000,26(6):663－665

10 林伟明,肖原,叶建平等.大型游乐设施的多级综合安全评价方法研究.微计算机信息,2010,26(3):51－52

11 秦庭荣,陈伟炯.综合安全评价(FSA)方法.中国安全科学学报,2005,15(4):88－92

Based on the analysis of characteristics of amusement rides, the process of design risk assessment is proposed to perfect the design by information collection, risk identification, risk assessment and risk control. Considering the current risk assessment methods, a new approach adapting the feature of amusement rides is built, integrating the failure mode analysis of components, danger source analysis and concept design analysis. The risk assessment and control in the component and system level is realized. For instance of large pendulum, the details of risk assessment is illustrated, which verifies the effectiveness and applicability of the proposed method in the risk assessment of amusement rides.

Design risk assessment Failure mode analysis Risk source identifcation Large pendulum

2013－11－14）