基于模糊层次分析的大型游乐设施关键部件安全性研究

陈远玲，金亚光，侯怡，张泽, 任乐野，刘渊

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

大型游乐设施作为一种释放压力和增加勇气的新方式，受到了广泛关注，特别是过山车、大摆锤、摩天轮等大型、高速、高空游乐设施深受年轻人喜爱。大型游乐设施具有特殊性和复杂性，乘客和工作人员安全意识不足等原因导致的游乐设施安全事故时有发生[1-3]。如何结合大型游乐设施的特点建立有效的评价理论和方法用于大型游乐设施安全评估，是目前亟待解决的问题。

近年来，在国家的大力资助和众多科研技术工作者的辛勤努力下，我国在大型游乐设施安全评估方面取得了一定的成就[4]。王雪颖等[5]率先采用专家判断法和安全检查表法，在大型游乐设施安全分析时分别引入了定性和定量的分析思想进行分析。林伟明[6]从多角度出发，开发了一套面向大摆锤的风险评价系统，为类似大型游乐设施的风险评价奠定了基础。庄春吉等[7]从人、机、环、管4个指标出发, 开发了一套应用于大型游乐设施的风险评估系统软件。杨臣剑等[8]引入模糊事故树理念，对过山车风险等级做出了评判。张德兵等[9]基于虚拟样机技术，建立了过山车模型，通过MATLAB进行数据处理，实现了对过山车轨道针对性的调整。杨振宏等[10]以过山车为例建立熵权物元可拓模型，提出了一种确定过山车整体安全等级的新思路。沈功田等[11]首次从健康状态本质出发提出了一种定量健康评价的新理论，并以弹射式过山车为例对该方法的准确性进行了验证。Liu等[12]提出了一种基于最大偏差模型和犹豫模糊TOPSIS的FMEA分析方法，可以有效用于对失效模式按风险优先级进行排序。相对于国内而言，国外对游乐设施的安全评估主要集中在风险因素分析方面。Woodcock等[13-14]考虑到人和物因素对大型游乐设施安全评价具有重要影响，并采用哈顿矩阵对大型游乐设施进行了安全性研究。

本文在前人的研究基础上，针对大型游乐设施关键部件安全评价问题，基于模糊层次分析法，从危险源的辨识和分析出发，将定性和定量分析相结合，构建了大型游乐设施关键部件的安全评价指标体系模型并结合实例进行了综合评价分析。

1 模糊层次分析

模糊层次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)是一种定性与定量相结合的系统分析方法，对多因素复杂问题中各要素权重的确定具有很强的实用性。其中层次分析法可以把复杂问题看作一个存在隶属关系的系统，将各影响因素自上而下按层次分解，从而建立系统的层次结构模型。模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，可以将定性评价转化为定量评价。采用模糊层次分析法进行分析，可以使分析结果更加科学、合理[15-16]。

1.1 失效模式分析

通过查阅资料、现场实地调研以及对游乐设施各关键部件进行可靠性分析，辨别出系统的主要失效模式并对其危害程度进行分析，其目的是为了发现设备或系统中产生故障的原因以及需要进行安全评估的对象，以便确定层次分析法中准则层和指标层中的元素。其故障分析流程见图1。

图1 故障分析流程

1.2 构造判断矩阵及一致性检验

在分析出准则层和指标层元素的基础上，根据各元素的隶属关系建立层次结构模型，采用重要性标度得到各层次评价指标的相对重要性程度，构建各层次判断矩阵A，判断矩阵标度含义见表1。

表1 判断矩阵标度含义

对矩阵A的行向量进行归一化处理，进行一致性检验步骤如下。

① 一致性指标(C.I.)的计算：

(1)

式中λmax为判断矩阵最大特征值。

② 平均随机一致性指标IR的确定。

表2为平均随机一致性指标IR，可以根据矩阵阶数选择相应的IR值。

表2 平均随机一致性指标IR

③ 计算一致性比例RC：

(2)

当RC<0.1时，认为满足一致性要求；否则，重新构造判断矩阵。直至最终构造一个准确可信的综合判断矩阵。

1.3 模糊综合评判

得到各元素权重后，采用专家评价法，对不同的指标进行评分，最后对专家评分结果进行加权平均，并对专家意见重要度数学模型进行归一化处理，得到隶属度r和评价矩阵R，之后对其进行综合评价得出综合评价指数P(综合评价结果)，即P=W·RT。

1.4 系统SIL划分

通过上述方法得到游乐设施系统的综合评价结果之后，为了对其安全性进行分级，可以根据游乐设施综合评价结果得到对应的安全完整性等级，确定游乐设施的SIL等级，SIL划分标准见表3。

表3 SIL划分标准

2 案例分析

2.1 过山车安全压杠部件分析

以某在役过山车的安全压杠为研究对象，该过山车采用链传动将车厢提升至最高点，随后使其自由下落，其轨道最高可达18 m，全长约为630 m，单次运行时间为80 s，最高时速可达80 km/h，可承载24人，采用压肩式安全压杠，主要由磁式接触开关、机械式锁紧装置以及液压自动驱动装置等组成，安全压杠内部结构见图2。

1—磁式接触开关；2—机械式锁紧装置；3—液压自动驱动装置。

为了更加准确地对安全压杠各指标进行评价，建立安全压杠的安全评价指标体系模型，并且提高专家评分的可靠度，首先对安全压杠关键部件进行如下分析。

2.1.1 材料的性能

由于压杠直接对游客起保护作用，在安全防护方面起到重要的影响作用，因此压杠主部分采用高强度钢Q420，常温条件下具备有很好的冲击韧性。其他非主要部分的材料采用Q235结构钢，同时齿条、棘爪进行了热处理。材料性能较好，失效概率较小。

2.1.2 液压缸驱动机构

液压驱动机构主要包括液压缸、调速阀、三位四通换向阀、平衡阀、单向阀等，在系统中处于串联方式。根据相关文献[17]，液压原件失效概率分布服从指数分布，其可靠度的数学模型为

(3)

式中：R(t)为液压系统的可靠度；Ri(t)为第i个液压原件的可靠度；t为时间。

故指数分布的可靠度为可改写为

(4)

式中λi为第i个元件的失效率。

λi=Kfλ0,

(5)

式中:Kf为失效率修正系数(取Kf=10)；λ0为基本失效率。

液压元件基本失效率和500 h可靠度见表4，其中基本失效率由机械设计手册及安全座椅日常维修记录综合考虑所得。

表4 液压元件基本失效率

可知安全压杠液压系统可靠度良好。

2.1.3 锁紧机构

安全压杠采用齿条与棘爪的机械式锁紧机构，该机械式机构可靠性高，结构简单，所占用空间较少。广范应用于各种锁紧装置中，失效率相对比较低。

2.1.4 互锁冗余机构

在机械锁紧机构中采用了双棘爪的设计和液压缸的力辅助支撑等冗余设计，提高了锁紧机构的可靠性。

2.1.5 压杠主部分静力学分析

通过ANSYS workbench构建了安全压杠主部分的实体模型，并进行了静强度分析，正常工况应力分析结果见图3，可以发现最大应力处发生在连杆的销轴孔内，最大应力值为138 MPa，已知压杠柱部分材料的屈服强度为420 MPa，依据Miner理论，虽然该安全压杠处于交变循环载荷的工况，但在循环载荷中最大的载荷都低于其材料的屈服强度，在理论上可以认为该结构在正常工作时使用寿命是无限的。

图 3 正常工况应力分析结果

2.1.6 安全压杠主部分的冲击分析

考虑到过山车在运行过程中因事故或者车轮卡顿会造成很强的冲击载荷，并依据动量定理公式

Ft=mΔv,

(6)

式中运行最大线速度v=22.2 m/s，取m=75 kg，减速时间为0.1 s，计算出最大冲击载荷约F=160 00 N。在ANSYS workbench中对最大冲击力进行了强度分析，最大冲击载荷应力分析结果见图4，可以发现最大应力为386 MPa，未超过材料的屈服极限，可认为压杠在最大冲击载荷作用下可以保障乘客安全。

图4 最大冲击载荷应力分析结果

2.2 评价指标体系的构建

通过上述对过山车安全压杠关键部件的分析以及查阅相关资料[18-19]，发现安全压杠的失效因素主要有人员操作失误、设施设备失效、不严谨的安全管理、不健康的使用环境。再对各部分的组成进行细化分层得到如图5所示的安全压杠层次结构图。

图5 安全压杠层次结构图

2.3 各因素权重的计算

为得到指标层各因素的相对重要性程度，需要进行如下计算。

(1)计算准则层对于目标层的相对重要程度，首先需要采用两两比较法建立第一层T-C判断矩阵见表5。

表5 T-C判断矩阵

(2)采用方根法求解评价指标权重向量ui′。

(7)

(3)求解评价因素权重ui。

(8)

u1=0.250 0，u2=0.500 0，u3=0.166 7，u4=0.083 3。

即权重向量为u=(0.250 0,0.500 0,0.166 7,000 0.083 3)。

(4)计算判断矩阵最大特征值λmax。

λmax=4

一致性指标为：

通过表2查得IR=0.89,则一致性比率为：

满足一致性要求，无需对矩阵进行修正。

(5)指标层各因素对准则层的权重向量计算。

同理，可得各准则层的权重向量u1、u2、u3、u4。

①λ1max=2，u1=(0.25,0.75)，RC=0<0.1，满足一致性要求。

②λ2max=7.210 9，u2=(0.081 9,0.176 5,0.166 7,0.142 4,0.116 8,0.268 5,0.047 5)，RC=0.035 2<0.1，满足一致性要求。

③λ3max=3.018 3，u3=(0.187 3,0.321 7,0.491)，RC=0.009 2<0.1，满足一致性要求。

④λ4max=4.016 4，u4=(0.468 7,0.278 7,0.149 8,0.102 8)，RC=0.005 5<0.1，满足一致性要求。

(6)指标层综合权重计算。

各准则层权重向量经过一致性检验后，对系统指标层进行综合权重计算，得到安全压杠综合权重见表6。

表6 安全压杠综合权重

2.4 综合评价结果及分析

通过上述对安全压杠可靠性的分析和参考相关文献中关于人员、安全管理、环境卫生的评分意见，采用专家评价法得出的专家评分结果见表7。评分采用百分制，分数越高表示安全性越好。

表7 专家评分结果

结合表6和表7中的数据，可以得到安全压杠各个指标的权重矩阵W以及综合专家评分的平均值矩阵R，从而得到综合评价结果P，

P=WRT=83.460 5。

以百分制来衡量系统安全性，该过山车安全压杠的安全性得分为83.460 5分。根据表3安全完整性等级划分标准，可知安全压杠对应的安全完整性等级为SIL3，可以看出该过山车安全压杠的安全性能良好，允许继续使用。

3 结语

① 针对过山车安全座椅关键部件的特性，从人员操作、设施失效、安全管理、使用环境4个方面选取了16个指标建立了一套多因素指标评价体系，将复杂问题运用定性与定量相结合的方法进行分析。

② 过山车安全压杠安全性主要影响因素的敏感性从大到小排序为安全意识、压杠部分、互锁冗余机构、故障检测周期、锁紧机构，其安全性受安全意识和压杠部分的影响显著。

③ 提出了一种综合利用层次分析法和模糊综合评价法对大型游乐设施关键部件进行安全评价的方法，避免了完全定性分析使分析结果过于主观的现象。以某游乐园过山车安全压杠为例，构建了一套安全评价指标体系，并对各指标权重进行了计算，确定了其安全性得分以及对应的安全完整性等级。评价结果与实际年检结果相符，为类似游乐设施关键部件的优化、改进设计以及日常维护和保养提供一定借鉴作用。