水力式升船機(jī)運(yùn)行安全重要風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)分析*

劉精凱，胡亞安，薛 淑，李中華

(1.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

水力式升船機(jī)是以水力驅(qū)動(dòng)船廂升降的一種新型通航建筑物。與鋼絲繩卷?yè)P(yáng)、齒條爬升等電力驅(qū)動(dòng)方式的升船機(jī)相比，水力式升船機(jī)具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)勢(shì)，特別在應(yīng)對(duì)引航道水位變幅較大、船廂漏水、設(shè)備檢修與維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)越性[1-2]。然而，在運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少的情況下，新建成的水力式升船機(jī)存在與傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)相似的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，即需要解決水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械同步系統(tǒng)等潛在風(fēng)險(xiǎn)難題。因此，為保障水力式升船機(jī)運(yùn)行安全，有必要對(duì)水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)重要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

由于水力式升船機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)及設(shè)備類(lèi)型眾多，水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子劃分存在一定的模糊性，難以直觀地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行辨識(shí)和描述風(fēng)險(xiǎn)事故之間的邏輯關(guān)系。而且，評(píng)估水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)，通常難以將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿实目赡苄耘c風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)?yè)p失的嚴(yán)重度相結(jié)合進(jìn)行分析。針對(duì)上述水力式升船機(jī)的運(yùn)行安全重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估難題，本文提出一種基于模糊理論的水力式升船機(jī)運(yùn)行安全重要風(fēng)險(xiǎn)源事故樹(shù)分析方法，通過(guò)建立水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源事故樹(shù)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，系統(tǒng)描述風(fēng)險(xiǎn)因子之間的邏輯關(guān)系；基于模糊理論，考慮風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重，建立水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)方法；并以景洪水力式升船機(jī)為例，針對(duì)水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)重要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析，劃分風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1 水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源

1.1 系統(tǒng)及組成設(shè)備

水力式升船機(jī)的運(yùn)行是通過(guò)輸水系統(tǒng)對(duì)豎井充泄水來(lái)驅(qū)動(dòng)浮筒的升降，帶動(dòng)船廂升降運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)船舶過(guò)壩，其組成部分見(jiàn)圖1。水力式升船機(jī)主要由水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及船廂組成。水力系統(tǒng)是水力式升船機(jī)的核心系統(tǒng)，其組成設(shè)備包括豎井、輸水管道、閥門(mén)、浮筒等。機(jī)械系統(tǒng)是水力式升船機(jī)的重要系統(tǒng)，其組成設(shè)備包括同步軸、制動(dòng)器、卷筒、鋼絲繩等。

圖1 水力式升船機(jī)主要組成部分

1.2 風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)值

水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)是系統(tǒng)及設(shè)備相互依賴與影響而發(fā)生的不確定性結(jié)果，導(dǎo)致水力式升船機(jī)設(shè)備故障、人員損傷、通航功能失效等損失事件。水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的不確定性用“可能性”表示，風(fēng)險(xiǎn)的可能性由人、船舶、升船機(jī)及運(yùn)行環(huán)境等方面的不確定性引起。風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的事故后果用“嚴(yán)重度”表示，風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重度是風(fēng)險(xiǎn)可能造成的事故后果嚴(yán)重程度，涉及升船機(jī)的設(shè)備損壞、經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡程度。

水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)值的確定主要考慮各系統(tǒng)之間發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性和風(fēng)險(xiǎn)造成后果的嚴(yán)重度。通過(guò)確定風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)值。構(gòu)建水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式：

R=ωPFP+ωSFS

(1)

式中：R為水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)值；ωP、ωS分別為風(fēng)險(xiǎn)的可能性、嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重；FP、FS分別為風(fēng)險(xiǎn)的可能性、嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)源事故樹(shù)

采用事故樹(shù)分析法，直觀地對(duì)水力式升船機(jī)運(yùn)行安全重要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，描述風(fēng)險(xiǎn)因子之間的邏輯關(guān)系。事故樹(shù)是一種基于事件符號(hào)、邏輯符號(hào)的圖形演繹法，表達(dá)各事件之間的邏輯關(guān)系[3]。通過(guò)熟悉水力式升船機(jī)水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)，調(diào)查各個(gè)系統(tǒng)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，確定頂事件。調(diào)查與頂事件有關(guān)的所有原因事件，最后按照一定的邏輯關(guān)系繪制成事故樹(shù)。建立了水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子事故樹(shù)，見(jiàn)圖2。

圖2 水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子事故樹(shù)

2 水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源模糊評(píng)價(jià)方法

2.1 模糊評(píng)價(jià)方法

模糊評(píng)價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，能夠?qū)㈦y以定量的因素定量化，適用于多層次和多因素的復(fù)雜問(wèn)題評(píng)價(jià)，是其他數(shù)學(xué)模型難以替代的方法。模糊評(píng)價(jià)作為模糊數(shù)學(xué)的一種具體的評(píng)價(jià)方法，其原理是：確定被評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集和評(píng)價(jià)集；分別確定各個(gè)因素的權(quán)重和模糊評(píng)價(jià)矩陣；將評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重合成評(píng)價(jià)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)被評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬等級(jí)狀況[4-5]。近年來(lái)，模糊評(píng)價(jià)方法逐漸在交通管理、過(guò)程控制、故障診斷、環(huán)境評(píng)價(jià)等交通、建筑、水利及環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)源模糊評(píng)價(jià)流程

針對(duì)水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估難題，借鑒模糊理論及層次分析法，建立水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用層次分析理論中成對(duì)比較的方法，確定水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重；建立模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，把風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度放在同一尺度下評(píng)價(jià)分析；綜合可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重和模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分水力式升船機(jī)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。基于模糊理論的水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程見(jiàn)圖3。

圖3 基于模糊理論的水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程的具體步驟如下。

1)可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響權(quán)重。采用層次分析理論的因素對(duì)比方法，確定可能性和嚴(yán)重度的對(duì)比矩陣。以成對(duì)比較的方式，建立對(duì)比矩陣X：

(2)

式中：x11、x22為其自身的對(duì)比；x12為可能性與嚴(yán)重度對(duì)比的標(biāo)度；x21為嚴(yán)重度與可能性的對(duì)比。

2)模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣。為了綜合可能性和嚴(yán)重度，采用模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣將水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度放在同一尺度下討論。

記A=(a，b，c，d)，其中a≤b≤c≤d，有相應(yīng)的隸屬度函數(shù)：

(3)

與其對(duì)應(yīng)，稱A為梯形模糊數(shù)。依據(jù)模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣，以及在此基礎(chǔ)上劃分水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的基準(zhǔn)值，見(jiàn)表1。

表1 模糊風(fēng)險(xiǎn)判斷和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

續(xù)表1

3)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)。引入多人評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的方式，風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度分別由水力式升船機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全評(píng)估人員給出結(jié)果。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估組有n位人員，水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果由以下公式得到：

(4)

(5)

式中：FPi、FSi為評(píng)估組中第i位專(zhuān)家給出風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度的評(píng)價(jià)結(jié)果。

水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果由可能性和嚴(yán)重度的權(quán)重及模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)得出，得到的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判結(jié)果是一個(gè)模糊量。為了便于風(fēng)險(xiǎn)的定量排序，進(jìn)一步將模糊風(fēng)險(xiǎn)R去模糊化[6]：

(6)

式中：(a，b，c，d)為梯形模糊數(shù)。

最后，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析，劃分水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：①RH

3 景洪水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估

3.1 重要風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)因子

綜合分析水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源事故樹(shù)，針對(duì)水力式升船機(jī)水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)重要風(fēng)險(xiǎn)源，確定相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因子作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子主要包括豎井水位差超標(biāo)、豎井液面紊動(dòng)劇烈、閥門(mén)不能啟閉、閥門(mén)空化程度過(guò)大等；機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子主要包括制動(dòng)器意外上閘、制動(dòng)器制動(dòng)力不足、卷筒傳動(dòng)間隙過(guò)大、同步軸斷裂、鋼絲繩均衡油缸失靈等。

3.2 重要風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

應(yīng)用本文建立的水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)方法，對(duì)景洪水力式升船機(jī)水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行模糊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，進(jìn)一步將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)去模糊化，更直觀地展現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值。

1)水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算。建立可能性與嚴(yán)重度的對(duì)比矩陣，確定風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度相對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)小組的專(zhuān)家依據(jù)模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣來(lái)對(duì)可能性和嚴(yán)重度進(jìn)行評(píng)價(jià)；在評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值。水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值見(jiàn)圖4。可以看出，水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子中，豎井水位差超標(biāo)、豎井液面紊動(dòng)劇烈、浮筒卡阻、浮筒漏水、閥門(mén)不能關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)值大，分別為5.83、5.46、6.74、6.43、6.79；空化程度過(guò)大、摻氣系統(tǒng)意外中斷的風(fēng)險(xiǎn)值小，分別為1.40、1.82。

圖4 水力式升船機(jī)水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值

表2 水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)結(jié)果

2)機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行模糊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值，見(jiàn)圖5。可以看出，機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子中，同步軸斷裂、制動(dòng)器意外上閘的風(fēng)險(xiǎn)值極大，分別為7.83、6.97；調(diào)平油缸失靈、均衡油缸失靈的風(fēng)險(xiǎn)值大，依次為6.54、6.70。

表3 機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5 水力式升船機(jī)機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值

3.3 重要風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)價(jià)結(jié)果

從整體角度分析，水力式升船機(jī)運(yùn)行安全的風(fēng)險(xiǎn)因子多數(shù)處于中低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，少數(shù)處于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，極少數(shù)處于極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中：

1)水力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子中，閥門(mén)不能關(guān)閉、豎井水位差超標(biāo)、豎井液面紊動(dòng)劇烈、浮筒卡阻、浮筒漏水屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2)機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子中，同步軸斷裂屬于極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制動(dòng)器意外上閘、調(diào)平油缸失靈、均衡油缸失靈屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，同步軸扭矩超標(biāo)屬于中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

綜上分析，水力系統(tǒng)重大風(fēng)險(xiǎn)源在豎井中復(fù)雜水動(dòng)力條件、充泄水閥門(mén)及浮筒，機(jī)械系統(tǒng)重大風(fēng)險(xiǎn)源在同步軸、制動(dòng)器及鋼絲繩油缸。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用事故樹(shù)分析法，對(duì)水力式升船機(jī)運(yùn)行安全重要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，闡明風(fēng)險(xiǎn)因子之間的邏輯關(guān)系。

2)借鑒模糊理論及層次分析法，建立水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)方法。考慮了風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重，把水力式升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重度放在同一尺度下評(píng)價(jià)分析。

3)水力式升船機(jī)重要風(fēng)險(xiǎn)源分析表明：同步軸斷裂屬于極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；制動(dòng)器意外上閘、浮筒卡阻、浮筒漏水、豎井水位差超標(biāo)、豎井液面紊動(dòng)劇烈等屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；同步軸扭矩超標(biāo)屬于中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4)在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施方面，需要對(duì)水力系統(tǒng)的豎井中復(fù)雜水動(dòng)力條件及充泄水閥門(mén)、機(jī)械系統(tǒng)的同步軸及制動(dòng)器采取有效的風(fēng)險(xiǎn)防范措施和合理的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)決策，以消除或控制風(fēng)險(xiǎn)。