基于模糊综合评价方法的通用桥式起重机风险评价

李新宇

(南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 211102)

0 引言

起重机械是涉及生命安全、危险性非常大的机电类特种设备，每年发生的特种设备事故中，起重机械事故数量最多，起重机械的安全问题越来越不可忽视，而对于处于服役期尤其是服役多年的起重机械，正常的检验和维保无法明确设备的实际安全状态，因此对起重机械的安全性进行全面、科学、客观的分析评价对预防安全事故的发生意义重大。

目前国内外研究人员常用的分析评价方法有综合层次分析法、模糊综合评价法、数据包络分析法、神经网络分析法、灰色理论分析法等，他们采用不同的思路展开了研究。CHEN Z P等[1]提出了一种基于分类分析和模糊神经网络的桥式起重机安全评估方法，通过分类分析修改了专家评价权重分布并提高了专家评估集的合理性；李爱华等[2]运用博弈论和未确知测度理论，建立起重机安全等级评价模型，一定程度上克服评价过程中常用的单一赋权方法和最大隶属度原则的不足；赵晓姣等[3]基于可拓理论和改进AHP方法建立桥式起重机安全评价的物元模型，为桥式起重机安全评价提供了一种新方法。

虽然研究方法有很多，但很多研究在对评价向量的获取和处理上，不能充分利用研究结果中的信息，不当的处理方法甚至导致评价信息丢失较多，不能准确真实地反映设备的安全状态[4-5]。本文通过层次分析法构建了通用桥式起重机评价指标体系，并计算了指标权重，通过构建隶属函数，得到隶属度矩阵，和权重向量进行复合运算后得到通用桥式起重机的综合评价向量，最后利用可变模糊集理论综合未确知测度理论中的置信度识别准则确定通用桥式起重机安全性评价等级。通过实例验证，本文所研究的评价方法科学合理，能够较为准确地反映通用桥式起重机的安全状态。

1 通用桥式起重机模糊综合评价过程

1.1 构建评价指标体系

构建一个科学合理的评价指标体系是进行模糊综合评价的前提，这个体系应该要涵盖其整个服役期内的所有安全因素[6-8]。根据通用桥式起重机的特点，参考《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》(TSG Q7016—2016)和《起重机械定期检验规则》(TSG Q7015—2016)[9-10]等安全技术规范，并且结合相关文献资料和部分专家的观点，构建了通用桥式起重机安全评估指标体系，如表1所示。

表1 通用桥式起重机安全评价指标体系

1.2 构建判断一致矩阵和权重计算

采用层次分析法(AHP)的理论构造分级判断矩阵[11-13]，并计算各层级评价指标权重。本文使用1—9标度法，并以各指标对起重机安全性的影响为判断准则，将各层级内的指标进行两两对比打分，综合多个专家的判断结果，得到合适的判断矩阵。通过对判断矩阵的归一化处理求得最大特征向量，此向量即为该层次判断矩阵的权重向量，为保证指标权重的准确性，需要对判断矩阵进行一致性检验，通过一致性指标CI除以平均一致性比率RI(查表得到)得到一致性比率CR，只有CR<1时，才可认为判断矩阵满足一致性要求，当矩阵级数小于3时，无需进行一致性检验。

根据指标体系表1建立指标集并得到各层次判断矩阵及其权重向量，一级指标集UB={B1,B2,B3,B4}，二级指标集分别为B1={C1,C2}；B2={C3,C4,C5,C6}；B3={C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13}；B4={C14,C15}。一级判断矩阵P和二级判断矩阵M1、M2、M3、M4及其权重向量ω如下：

ωB3=(0.20,0.15,0.05,0.08,0.15,0.30,0.08)T

各层次判断矩阵一致性比率CR<0.10，均通过一致性检验。对二级指标进行层次总排序，可得到各因素对通用桥式起重机的安全性影响程度。经计算，得到RI总=1.73，CI总=0.09，因此CR总=0.05<0.10，则层次总排序结果可靠。总排序结果如表2所示。

表2 层次总排序

1.3 构建指标模糊评价集及确定隶属度

要描述起重机的安全程度这一模糊概念，需要利用模糊评价的思想构建评价集，评价人员对每一个指标进行打分，定量表示各评价指标的安全状况，通常在建立评价集时很多学者采用对每个指标根据其特点建立评价子集，这种方法的优点是可以对每个指标进行很细致的评分，但缺点是评分过程比较繁琐，在指标太多时需要建立的评价子集也多，对每个评价子集的构建依赖性较大[14]。本文根据指标体系的特点采用综合模糊评价集对各指标进行赋值。

我们将评价集分为4个等级，其描述内容分别为“安全”、“存在少量问题”、“存在较多问题”、“失效”，依次赋值为“4”、“3”、“2”、“1”。评价人员可根据判断在1～4之间取值，每个指标的分值是取所有评价人员打分的平均值。

根据评价集可以构建隶属函数，将指标Ci的评分代入隶属函数后可以得到指标的隶属度向量Ri，设评分为x，则隶属函数u(x)如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 构建模糊综合评价向量和确定安全性评价等级

1.4.1 构建模糊综合评价向量

通过各评价指标隶属度与权重进行合成运算可构建模糊综合评价向量S，即为

(5)

1.4.2利用可变模糊集理论和未确知测度理论确定安全性评价等级

通常很多学者在进行模糊评价时使用最大隶属度原则较多，由于本文中评价等级划分是有序的，所以最大隶属度准则不适合。另外，在进行指标评分时常用的方法是按照评分专家打分的百分比直接得到隶属度，但在本文中是采用隶属函数的方式间接得到的隶属度。利用可变模糊集理论[15]中的等级识别方法，可以有效可靠地获得评价对象的安全等级，这样做可减少模糊评价集对结果带来的不利影响，有效避免评价结果超模糊的情况。另外，为了进一步优化评价结果，使得评价结果更加准确可信，可结合未知测度理论中的置信度识别准则确定安全等级[2]。设X为综合评价得分，可变模糊集理论确定评价对象的级别特征公式：

(6)

可变模糊集理论中的判别准则为

(7)

假设评语空间C={C1，C2，…，Ck}，Cn为第n个评价等级，且1≤n≤k，则安全评价等级Cn优于Cn+1。

根据可变模糊集理论中的判别准则，本文将安全评价等级分为4个等级，建立通用桥式起重机安全性评价等级如表3所示。

表3 通用桥式起重机安全性评价等级

续表3

在未知测度理论中，利用置信度λ计算安全等级，0.5<λ≤1，通常取0.6或者0.7计算，置信度的取值越大，评价结果则越趋于保守。置信度识别准则如下：

(8)

当利用可变模糊集理论中的判别准则判断安全评价等级为K时，通过综合评价向量Sk可计算得到对应等级的λ值，本文中λ的参照值取0.7，因此，当置信度λ≥0.7，则判定等级为K级，当等级K对应的置信度λ<0.7时，那么将λ=0.7代入式(8)中计算，即可确定安全评价等级为Ck0。

2 实例分析

使用本文模型对某公司一台在役的通用桥式起重机进行模糊评价，评价人员有5人。经过评价发现以下问题：该设备主梁有多处裂纹和锈蚀；车轮和轨道存在一定程度的磨损；钢丝绳、吊具和卷筒存在一定程度的锈蚀、破损等问题。

按照指标体系中的15个指标项目，依据评价标准进行检测和评分，取所有评价得分的平均值，并计算隶属度，结果如表4所示。

表4 各指标评判结果

得到每个指标的隶属度后，可以构建隶属矩阵R，代入式(5)中，得到该通用桥式起重机的模糊综合评价向量S为(0,0.41,0.10,0.49)。

代入式(6)中可得X(S)为3.08，根据表2中可知，安全等级为2级(合格)，但由于该等级对应的置信度λ=0.59<0.7，因此将参照值0.7代入式(8)中，可知k0=3，因此可判定该通用桥式起重机的安全评价等级为3级(异常)，整机安全风险较大，需要停机维修，重新评价合格后继续使用，这与实际情况较为符合。

3 结论

(1)本文利用层次分析法从金属结构基础、运行机构、起升机构和人员及管理4个方面建立了通用桥式起重机的评价指标体系，并由判断一致矩阵计算得到了各评价指标的权重。

(2)建立了评价指标评分标准，通过构建隶属函数得到隶属矩阵，并与指标权重进行合成运算得到评价对象的综合评价向量。

(3)引入了可变模糊集理论等级判别方法和未知测度理论中的置信度识别准则，优化了评价结果的处理，尽可能利用了评价信息，这样得到的结果比利用常用的评价方法得到的结果更符合实际情况，更能够科学合理地反映出评价对象的安全状态。