特种设备安全管理评估方法应用及综述

陈星斌，毛锦荣，周叶平，冷庆虎

（江西省特种设备检验检测研究院，江西南昌 330096）

0 引言

随着我国经济的快速发展，人们对美好生活的期望值不断提高，同时对企业安全生产管理日益重视。特种设备作为国民经济建设及发展的重要基石，与人民群众的财产安全紧密相连[1-2]。因此，确保特种设备安全运行，保障人民群众生命财产安全是当前极其重要的工作和任务。然而，近年来锅炉、起重机械、电梯、游乐设施等特种设备的安全事故时有发生，给社会造成了较大的负面影响。根据国家市场监管总局发布的数据显示，截止2018 年底的全国特种设备总量为1394.35万台，其中各类特种设备的分类及比例分布具体情况如图1所示。

图1 2018 年特种设备数量分类及比例分布

根据相关统计，2018 年全国共发生特种设备事故和相关事故200 余起，死亡220 余人，受伤近70 人，相比上一年，事故减少了十余起、降幅约为8%，并且死亡人数降幅约11%，受伤人数降幅53%。其万台特种设备死亡率为0.22（图2），同比下降27%[3]。

由此可见，虽然特种设备行业的整体事故率持续下降，设备安全管理情况有所改善，但特种设备事故总量的比例仍然较高。所以，积极开展特种设备安全管理工作，对特种设备风险进行有效管理和评估，对于降低事故发生率，避免事故发生和损失具有重要意义。目前，国内外对特种设备安全管理评估方法众多，但各种方法如何应用、使用状况及优缺点未作详细报道，下面通过分析国内外特种设备安全管理评估方法相关应用，列举和介绍不同评估方法的步骤及优缺点，旨在提高特种设备安全管理评估水平，丰富特种设备安全评估方法，为确保特种设备安全做出积极的贡献。

图2 2009—2018 年全国万台特种设备死亡率情况

1 常见的安全评估方法应用及探讨

风险管理是通过调研、收集资料等方法识别风险、评价风险、分析风险，从而采取相关措施有效地控制风险，这是最经济、最佳的安全生产保障的科学评估方法[4]。常用于特种设备风险评估方法主要有模糊综合评价法、层次分析法、灰色关联分析等，大部分特种设备风险评估采用的方法基本路线如图3 所示。

1.1 模糊综合评价法

图3 风险评估方法基本路线

模糊综合评价法是定性和定量相结合的综合性评价方法，这种方法主要是通过隶属度函数进行定性评价和定量评价的相互转换[5]。王冰洁采用模糊综合评价方法对承压类特种设备进行了风险评价，找到了锅炉安全运行的关键风险因素，并且提出了锅炉风险管理对策，从而提高了承压类特种设备风险管理水平[6]。陈力等人[7]通过构建隶属度函数模型实现了起重机械的安全评估，并且提出了可以程序化产生模糊关系矩阵的隶属度函数模型，发现该模型具有良好的预测结果。模糊综合评价法在评价过程中，需要采用不同的评价指标来对评价目标多方面进行评价，通过评价目标设定相应的评价指标，并根据实际情况对评价指标设定相应的权重系数，然后再对评价描述进行无量纲化处理，形成数据评价信息，模糊评价方法的一般步骤为:

（1）确定评价因素集（U）。根据指标的个数，设定含有n（n=1，2，3.......）项指标的模糊评价集合U={u1，u2，u3，.......，un}。

为了明确评价指标的权重值的分配，根据评价对象的属性再对评价指标进行详细分解，并进行分等级层处理。

（2）确定评价指标所处的等级。假设评价等级有n（n=1，2，3.......）级，那么评价等级可表示为:V={v1，v2，v3，.......，vn}。

（3）权重值向量的确定（W）。设权重向量集为W={w1，w2，w3，.......，wn}，wn为各项权重值，其中各权重值之和等于1，即wn=1。一般情况下，权重向量已经通过单因素评价值和相应的权重赋值。如果权重向量在未知的条件下，那么可设定M={m1，m2，m3，.......，mn}作为相应的权重模糊矢量，其中mi表示第i 个因素的权重。

（4）构件模糊关系评价矩阵R。从单因素评价出发，为进一步确定被选定的评价集与因素集的隶属关系，判断因素集与评价集的合理关系，建立相应的模糊关系矩阵。R 表示模糊关系评价矩阵的隶属值，R=。在该矩阵中，rmn表示每项指标的隶属度，满足

（5）将指标权重与模糊评价矩阵相乘，通过最大隶属度原则及加权平均原则计算得到最终的模糊综合评价结果Z，Z=W·R={z1，z2，z3，.......，zn}。其中，Zi表示评价对象对评价等级V的隶属度。

（6）对评价结果进行分析，最终确定评价状态。模糊综合评价方法其优点是可操作性强，对于不确定的问题可以直观、简单、方便的解决。而缺点主要是在解决实际问题时往往考虑的评价指标较多，易受主观分析评价人员主观因素的影响。

1.2 层次分析法

层次分析法（AHP）是1970 年代美国数学家Satty 等人提出的一种将定量分析与定性分析相结合的多目标决策分析方法[8]。杨振林等人[9]将HAP 方法成功的引用到了特种设备综合评价当中，并且通过实例验证了综合评价结构模型的准确性。福州大学李志毅[10]采用层次分析法对港口门座式起重机金属结构进行了安全评价，计算出了门座起重的门座具体安全评价值。文献[11]采用层次分析法对特种设备安全的影响因素进行了分析，通过设置不同等级指标，成功构建了特种设备安全管理层次结构模型。层次分析法的策略主要是把复杂问题分解为多个层次和多个因素，对两者之间指标的重要程度进行判断，再建立判断矩阵，最后通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，从而得出不同的权重值。层次分析法主要有以下步骤:

（1）建立阶梯层次结构。

（2）构建判断矩阵，一般按照“1～9”九标度法构造。

（3）判断矩阵的一致性检验。一致性指标CR 值的大小可以直接反映有无逻辑混乱。

以特种设备检验质量评价为例，检验质量的好坏与众多因素有关，即涉及到众多与检验质量的因素可以形成指标体系。而这些因素及环节对特种设备检验质量的影响占有不同的权重，分析权重后可以方便区分影响特种设备检验质量的主要因素和次要因素。根据不同指标所占的权重，可将影响特种设备检验质量的指标逐渐分成三个级别，即最高层指标、一级指标和二级指标。

设:最高层级指标为M，一级指标包含4 个子集:

那么，二级指标包含16 个子集，

形成递阶层次结果模型后再对同一层次的各影响因素进行相对重要性的判定，从而得到判断矩阵。

若判定比较复杂可通过专家咨询、安全事故统计分析、调查问卷调查等方法来搜集判定所需的相关价值信息[12]。

假设整个检验工作质量的评价总分设定分值为100 分，根据实际工作中对机电类特种设备检验质量保证影响权重的分析，可对使用、生产、检验、监管对应的 A、B、C、D 四个大类16 个指标分别赋予不同的权重分值，用以评价特种设备检验质量。确定各指标的权重后，还要依据一致性检验公式进行验证[13]。

其中，当CI=0 时，有完全一致性；当CI 接近于0 时，有满意的一致性；当CI 越大时，一致性越差；当CR＜0.1 时，认为判断矩阵具有满意的一致性；当CR≥0.1 时，就需要根据实际情况多次的调整判断矩阵，直到满足判定条件的要求。

（4）评价因素重要性排序。根据矩阵理论可知，判断矩阵具有唯一最大特征值λmax。采用方根法计算出近似特征值向量W=(W1，W2，……，Wn)。W 即为评价因素重要性排序。

层次分析法能够在信息数据较少的情况下通过计算判断出各要素间的相对重要程度，这种方法比较简便，且实用性较大。缺点主要是专家评分、指标权重对评价结果的影响较大，需要邀请工作经验丰富的、数量较多的行业专家和技术人员进行评分。此外，当特征值、特征向量计算过程相对复杂时，难以提供满意的决策方案。

1.3 灰色关联分析方法

20 世纪80 年代，国内著名学者邓聚龙教授通过不断努力创建了灰色系统理论[14]。灰色系统理论是一门带有不确定性现象的应用数学学科，主要研究信息部分清楚和部分不清楚。许景顺[15]采用灰色关联分析方法对叉车监管范围和常见安全事故原因进行了分析，建立了场内机动车辆（叉车）的安全风险评估模型，该模型对加强场内机动车辆安全量化的分级监管及降低事故风险具有显著意义。兰州理工大学曹康运用改进的层次分析法（IAHP）和灰色关联分析方法系统全面的建立了海洋平台压力容器安全评价体系，并且通过实例计算，验证了该评价方法的实用性[16]。灰色系统理论的最重要成果就是灰色关联分析方法，灰色关联分析方法的精准度与关联度密切相关，即灰色关联度越大，表明两系统指标变化的态势越一致，评价对象指标越好。灰色关联分析方法一般步骤如下:

（1）建立原始序列矩阵。

（2）确定参考数列。参考数列由各个指标的最优值组成。

则标准化后评价矩阵为:

（4）计算差序列和最值差序列为:

（7）评价分析。根据灰色计算出的关联度的大小，对各评价对象进行排序，计算出的关联度越大，评价结果越准确。

灰色关联分析方法是系统发展变化态势的定量描述和比较分析，能够定性和定量分析，可以较好地处理服役于复杂环境中特种设备的风险因素，并且该方法具有模糊不确定性和信息不完整性的特点。其评价结果符合实际，具有良好的通用性。其不足之处在于计算过程较为复杂、工作量大，需要不断改进。

2 结束语

目前，随着现代科技的不断进步，我国对特种设备的风险管理评估及相关研究取得了瞩目的成绩，但总体创新性仍存在不足之处，各方法也都有自己的局限性。另外，根据特种设备安全管理评估研究现状不难发现，国内对于风险评估的定量分析还需要积极深入的研究。只有通过不断地完善与深入研究特种设备安全评估方法，同时结合实际应用，才能更好地对特种设备安全进行有效的管理。因此，开展特种设备风险管理评价对于降低事故发生率，避免事故损失具有重要意义，积极归纳研发新的特种设备安全评价方法可以有效提高特种设备安全评价体系的实用性、科学性。