基于AHP分析的高放环境下挖掘机系统安全性能研究*

邹树梁 赵 然

1.南华大学环境保护与安全工程学院 2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室

关于核设施退役过程中放射性废物的处置，国内外部分核电站目前采用桶内干燥、静态热压、深床过滤、离子交换及超级压缩等新型废物处理工艺对低、中放废液进行包装，使低、中放废液不经固化处理就可以达到安全处置[1]。对于低、中放固体废物，建造低、中水平放射性固体废物处置场以及时安全处置低、中水平放射性固体废物[2]。本文探讨采用特殊防辐射性能的挖掘机系统进行高放射性环境下作业。

研究高放射性环境下挖掘机系统安全性能，为保障挖掘机系统安全作业、作业人员防护以及实现高放环境下核设施安全退役治理做准备。退役核设施具有放射性，其退役与公共安全息息相关[3]，对即将退役的核设施制定并实施退役计划刻不容缓。为避免人体被暴露于高放射性环境下，核设施退役用挖掘机在整机性能方面需要在普通挖掘机基础上进行优化，以保证其作业期间安全可靠性，增强其在高放环境下核设施退役中应用的专业功效。

1 非标液压反铲挖掘机SWE××

此非标挖掘设计满足高放射性环境下屏蔽性能（屏蔽γ射线，减弱标准辐射源剂量800倍）液压反铲履带挖掘机将完成核设施与核放射性物质的清理、切割、挖掘、装载、运输、填埋等作业，对其安全性能展开研究意义重大。

2 挖掘机系统常见故障及故障树建立

生产领域中对不同系统故障进行的研究目前有很多，多数研究成果基于事故统计[4-6]形成，然而事前防范比事故发生后经验总结对事故的预防更重要。笔者认为基于防范事故为目标的统计不应该仅仅统计历史上事故情况，非事故数据的基层隐患及其他因素在灾难发生之前事故预测中同样起着积极作用。本文结合标准液压反铲挖掘机SWE××以往事故资料，及非标液压反铲挖掘机SWE××系统状态信息、安全作业人员客观评价、故障分析人员数据记录以及安全外环境等各方面情况对高放射性环境下非标液压反铲挖掘机SWE××系统进行全面安全性能评估，建立故障树。根据相关文献[7-10]资料及现场调研，建立非标液压反铲挖掘机SWE××故障树，如图1。

图1 系统故障树图

3 模糊聚类层次分析法在高放射性环境下挖掘机系统中的应用

3.1 挖掘机系统模糊聚类分析

挖掘机安全防护技术目前已经基本发展成熟，根据上述故障图及相关研究发现挖掘机具有故障模式多样、概率小的特点[11]。

聚类分析是将复杂问题简单化处理的有效方法，模糊聚类分析可以用来进行数据挖掘，通过一定的聚类准则把具有相似特征的目标进行分类[12]。本文采用模糊聚类法以功能区分作为分类依据将非标液压反铲挖掘机SWE××分为上下车、司机室、工作装置、动力系统、液压系统和电气系统六个部分，如图2，并运用进行层次分析法进行总体重要度分析。

3.2 层次分析法分析非标液压反铲挖掘SWE××

综合考虑高放射性环境下挖掘机作业目标与安全性、环保性和作业效率等因素，为提高整机安全性能，本文选取提高挖掘机防辐射性、减震性、密封效果、防尘性、减噪声性、清洁性为目标，分析非标液压反铲挖掘机SWE××六大部分对提高整机性能影响度，建立层次结构分析模型，如图3。

图2 挖掘机系统聚类框架

图3 目标层次结构模型

结合图3，准则方案相关性，根据判断矩阵准则采取专家评判，构造判断矩阵并计算其权重如下矩阵所示，其中因素相比较过程中，1表示重要性相同，1/3表示稍微不重要，1/5表示明显不重要，1/7表示特别不重要，1/9表示极端不重要，“*”表示没有相关性。统计各专家评分并按照2/3以上专家意见作为评价结果，计算目标及各方案单层权重、进行一致性检验如下：

准则层B1-B6对于目标层A的判断矩阵及其层次单排序为：

2.1 2组治疗前后中医证候积分比较 2组治疗后反酸嗳气、胃脘胀满、双胁疼痛、胸闷、食欲不振及大便不畅等中医证候积分比较。中年治疗组与对照组比较，χ2=6.624，P=0.010(P＜0.05)差异具有统计学意义；老年治疗组与对照组比较，χ2=6.624，P=0.010(P＜0.05)，差异具有统计学意义；中老年治疗组比较，χ2=5.875，P=0.017(P＜0.05)，差异具有统计学意义； 中老年对照组比较，χ2=2.43，P=0.119(P＞0.05)，差异无统计学意义。详见表1。

方案层C1-C6对于准则层Bi(i=1,2…6)的判断矩阵及其层次单排序分别为：

λmax=6.2770; CI=0.0554; CR=0.0447＜0.10具有满意的一致性；

λmax=4.1169; CI=0.0390; CR=0.0433＜0.10具有满意的一致性；

λmax=3.0385; CI=0.0193;

CR=0.0332＜0.10具有满意的一致性；

λmax=2; CI=0; CR=0＜0.10具有满意的一致性；

λmax=4.0434; CI=0.0145; CR=0.0161＜0.10具有满意的一致性；

记方案层C对于准则层B的层次排序矩阵为：WB。

准则层B对于目标层A的层次排序为：WA。

则方案层对于提高安全性能目标层次总排序为：

3.3 层次分析评判结果

分析上述层次排序，作因素权重直观图表，如图4。

图4 因素-权重图

由此可见，虽然准则层六大性能均是挖掘机系统需要提高的指标，结合WA结果，相较而言，整机对提高防辐射性B1（0.362）和防尘性B4（0.228）有比较高要求，其次是密封性B3（0.131）和减噪声性B5（0.131），最后是清洁性B6（0.074）和减震性B2（0.074），如上图4目标权重所示。

由图4方案权重折线即层次总排序W分析可知，提高整机安全性能最优先采取的方案应为提高C2（0.5798）司机室安全性，其次分别是C5（0.2435）液压系统部分>C4（0.0707）动力系统部分>C6（0.0686）电气系统部分>C1（0.0200）上下车部分>C3（0.0174）工作装置部分。

4 结论

（1）减少挖掘机故障提高挖掘机系统安全性能对于高效率实施核设施退役工程保护环境意义重大，挖掘机系统复杂性决定了对其研究的困难程度，采用合理的分类标准将复杂问题简化处理是分析挖掘机系统的关键方法。

（2）模糊聚类层次分析结果表明，为提高非标液压反铲挖掘机SWE××整机安全性能，最关键的是要提高司机室安全性，保障作业人员安全；其次，液压系统为整机运行提供前提和保障，经过分析，其重要性在六大部分中排列第二，与实际工程应用相一致。

（3）模糊聚类层次分析法是模糊聚类与层次分析法的有效结合，为量化研究提高挖掘机系统安全性能提供指导，为安全性能设计和定期维护非标液压反铲挖掘机SWE××提供依据。

[1]李洪辉,王刚,付杰,等.高整体性能容器介绍与检测方法[J].辐射防护, 2013,33(3): 179-184,192

[2]李洋,顾志杰,康晶,等.低中放固体废物处置场选址规划环境影响评价方法研究[J].辐射防护, 2012,32(4):235-239

[3]刘中坤,彭敏俊,朱海山,等.核设施退役虚拟仿真系统框架研究[J].原子能科学技术,2011,45(9):1080-1086

[4]李波,王凯,魏建平,等.2001～2012年我国煤与瓦斯突出事故基本特征及发生规律研究[J].安全与环境学报,2013,13(3):274-278

[5]陈国华,曾辉.广东省特大道路交通事故统计分析及预防对策[J].中国安全科学学报,2010,20(10):106-112

[6]曾笑雨,刘苏,张奇.基于事故统计分析的城市轨道交通运营安全和可靠性研究[J].安全与环境工程,2012,19（1):90-94

[7]陶伟,马才伟.液压挖掘机常见故障的诊断与排除[J].筑路机械与施工机械化,2010,（2）:70-72

[8]Li Guoping,Zhang Qingwei,Ma Xiao. Combination of fault tree and neural networks in excavator diagnosis[J].Telkomnika,2013, 11(4):1787-1796

[9]Predrag D. Jovan i ,Dragan Ignjatovi , Milo Tanasijevi ,etal. Load-bearing steel structure diagnostics on bucket wheel excavator, for the purpose of failure prevention[J].Engineering Failure Analysis,2011,11(4):1203-1211

[10]Chae Soungho, T Yoshida . Application of RFID technology to prevention of collision accident with heavy equipment[J].Automation in Construction,2010,19(3):368-374

[11]魏兵,李亚非.基于安全聚类算法的挖掘机故障诊断研究[J].煤炭技术,2010,29(3):15-17

[12]王硕,朱万红.基于模糊聚类的国防工程电磁脉冲防护策略探讨[J].中国安全科学学报,2010,20(4):102-105