基于04-FCE 的岸边集装箱起重机金属结构安全评价研究

袁博文，于 昊

（烟台市烟台港股份有限公司矿石码头分公司，山东烟台 264000）

0 引言

随着集装箱港口吞吐量的急剧增加，岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）作为港口最常用的集装箱起重设备之一，其使用数量和频率越来越高，这对其安全性能提出了更高的要求[1]。目前，由岸桥引起的码头安全事故约占30%[2]。最严重的事故是由金属结构的故障和失效引起的，对岸桥金属结构进行安全评估和等级评估，可以通过拆除、维修、检查[3]等手段，尽早发现结构中存在的安全隐患并及时处理，有效避免安全事故。

目前，起重机安全评价的理论方法较多，如神经网络评价法[4]、灰色综合评价法[5]、Fisher 判别法[6]、未确知测量理论[7]、模糊综合评价法[8]、专家系统法[9]等。卢茹利等[10]基于数据统计，通过实地调研、专家评判等方法对服役中后期岸桥的安全性评价体系作了分析研究。张文[11]通过改进的可变模糊集法，由具体指标层到岸桥整机逐层确定评价对象的安全等级并验证了建立的岸桥评价体系的可行性。

现有的安全评价方法的准确性受到专家水平或训练样本数量的很大影响，特殊情况下反映的数据不真实，使得评价体系的鲁棒性不足。因此，有必要从有效性、可靠性和通用性的角度，建立一种实用的岸桥评价方法。

1 建立岸桥金属结构安全评价指标体系

根据岸桥的设计原理和工程实践，首先对岸桥金属结构的强度、刚度、稳定性、裂纹、腐蚀和维修等影响安全性的因素进行了分析和评价。然后，根据层次分析法将岸桥划分为前梁、后梁、梁、梯形框架、拉杆、立柱6 个子系统，分别进行单因素分析。最后，构建了岸桥金属结构安全评价指标体系。

1.1 选择评价指标

按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》、GB/T 5905—2011《起重机试验规范》和GB 6067.1—2010《起重机安全规程第1 部分：总则》、GB 6067.5—2014《起重机安全规程 第5 部分：桥式和门式起重机》，GT/B 17495—2009《港口门式起重机》《起重机金属结构》等，影响起重机金属结构安全的因素应从两个角度考虑：从设计角度看，影响因素包括强度、刚度、稳定性等；从故障角度看，影响因素包括裂纹、腐蚀、变形、维修等。

对于岸桥，梁的整体稳定性在设计阶段已经满足安全标准，整体稳定性指标和强度指标通过应力体现，部分稳定性体现在变形指标上。在安全评价指标体系中，稳定性指标不作为独立的评价指标，因此选择强度、刚度、裂纹、腐蚀、变形和维修作为评价指标。

1.2 岸桥结构安全评价指标体系

岸桥金属结构安全评价指标体系分为整机层、子系统层和单因素层。通过几个子系统的评价结果，可对整机的结构安全性进行综合评价。子系统的评价体现在强度、刚度、裂纹、腐蚀、变形和维修6 个指标上。

岸桥的金属结构主要由前大梁、后大梁、横梁、梯形框架、立柱和拉杆组成。由于在某些子系统中，有些因素对金属结构的安全性影响不大，因此立柱子系统中的刚度因素、拉杆子系统中的刚度和变形因素不参与安全评价。

2 基于04-FCE 的岸桥金属结构安全评价模型的建立

为了对岸桥金属结构的安全性进行评价，首先根据实际情况对评价指标进行无因次优化。然后采用04-FCE 评价方法建立安全评价模型，确定岸桥结构的安全等级和评价结论。最后，为降低安全风险提出相应的建议。

2.1 评价价值的确定

岸桥金属结构的安全评价指标包括强度、刚度、裂缝、变形、腐蚀及维修。由于这些维度是不同的，在进行模糊评价计算之前需进行无量纲处理。

评价指标值的计算分为2 个步骤：①测量单因素评价指标的状态值；②对各指标状态值进行常规无因次处理，使指标数据的取值范围统一在［0，1］。

2.2 评价指标权重的确定

采用“0-4”评分法对岸桥金属结构安全评价中涉及的指标进行评价，并以此确定指标的权重。技术人员对评价指标体系中2 个指标的重要水平进行比较，可得到“0-4”分。

指标的最终权重表示为某一指标的得分与所有指标的总分之比。

2.3 模糊关系矩阵的建立

模糊评价包括评价结果集（V）、权重集（W）、指标集（U）、模糊关系矩阵（R）4 个基本要素。V 包括对象所有可能的评价结果；W元素为各指标对结果的权重；U 为评价指标集；R 是U 和V 的链接，反映了评价指标与评价结果的关系。n 个评价指标，m 个评价结果的模糊关系矩阵可表示为：

在已有的研究中，rij的确定通常采用德尔菲法，其结果很大程度上依赖于打分专家的主观判断。评价结果在很大程度上依赖于专家的水平，容易产生偏差，不利于普通技术人员的操作，在港口的实际应用上也不强。该研究采用“距离归一化”方法确定评价值的隶属度，方法简单、准确。方法如下：

（1）设P={P1，P2，…，P8}为8 个评价结果集的中点，分别为：

（2）判断评价值Si下降的评价结果为Vi级。

（3）求Si与Vi对应中点Pi之间的距离Di，即：

（4）求离Si最近的评价结果集Vj的中点Pj，求Sj与Pj之间的距离Dj，即：

（5）求Di和Dj的倒数，然后将结果归一化，得到的隶属度Si在Vi和Vj中的隶属度为0。

与德尔菲法的结果比较，该方法与德尔菲法的平均误差为0.68%，最大误差为1.6%。因此，该方法可以替代德尔菲法。

2.4 模糊综合评价

根据模糊矩阵的乘法运算，模糊评价集可表示为B={B1，B2，…，Bm}，模糊评价集B 式（4）计算：

采用加权平均法求解最终评价结果v：

采用模糊综合评判法进行多级评价，得到了整机结构的评价结果V。0-100 平均分成8 个区间，形成V1-V8整机结构的安全等级。每个评估值都有对应的结果状态描述：

V1：当0≤v≤12.5 时，整机结构状态极差，相关结构件甚至整机应报废。

V2：当12.5＜v≤25 时，整机结构状况较差，必须立即停机进行全面大修。

V3：当25＜v≤37.5 时，机器结构不好，必须停机维修。

V4：当37.5＜v≤50 时，整体结构存在严重安全风险，需制订整体维修方案和减载使用。

V5：当50＜v≤62.5 时，整机结构故障较多，必须制订整机维修方案。

V6：当62.5＜v≤75 时，整机结构有一定故障，必须对故障部件进行修理。

V7：当75＜v≤87.5 时，整机结构状况良好，只需加强巡视检查。

V8：当87.5＜v≤100 时，整体结构状态良好。

3 案例分析

以某港口岸桥金属结构为研究对象，采用“0-4”分值法确定各指标权重，采用模糊综合评价（FCE）进行安全性评价。根据岸桥金属结构的特点，确定了岸桥金属结构安全评价指标体系，子系统层包括前梁、后梁、横梁、梯形框架、立柱和拉杆，单因素层包括强度、刚度、裂纹、腐蚀、变形和维修。

3.1 指标评价值的确定

按照GB/T 5905—2011 和GB 6067.1—2010，对某岸桥进行数据采集，得到状态值d。通过现场测试计算，得到岸桥单因素指标的评价值S（表1）。

表1 岸桥指标评价值

3.2 04-FCE 评价

以前梁强度、刚度、裂纹、腐蚀、变形、维修等单因素指标权重值的计算为例，专家或相关技术人员根据指标的重要性，对2个指标进行比较后，采用“0-4”评分法计算出各指标的权重值。

前梁各指标权重W1=（0.275，0.176，0.275，0.098，0.098，0.098）

采用“距离归一化”方法，可得到前梁子系统的模糊关系矩阵：

前梁模糊评价集为：B=（0，0，0.128，0.055，0，0.066，0.199，0.551）

前梁的评价结果为78.83。其他子系统的评价过程与上述计算过程类似。可以得到以下子系统的评价结果：后梁子系统81.10；横梁子84.06；梯形框架子系统87.59；立柱子系统69.49；拉杆子系统91.88，故整机最终评价值为83.99。

3.3 整机安全性评价

经计算，岸桥金属结构的安全评价值为83.99，安全等级7级。评价结果对应的整体结构安全状态描述及相关处理建议为：整体结构状态良好，可加强检查。04-FCE 评价方法在某港口一段时间的实际应用表明，该方法合理，易于港口技术人员操作。具有一定的普适性和推广价值。

4 结论

通过分析影响岸桥金属结构安全性的因素和特点，建立了岸桥金属结构安全性评价指标体系，首次提出“0-4”评分+模糊综合评价（04-FCE）的方法，解决了打分者专业技术水平不同造成的权重计算结果普遍存在的问题，偏差大、通用性强、操作方便。通过实例分析和应用04-FCE 对整个码头集装箱起重机金属结构的安全性进行了评价。评价结果与工程实际基本一致。因此，该方法可作为港口岸桥安全评价的依据，为提高港口机械安全管理水平提供支持。