基于04-FCE 的岸邊集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)安全評價研究

袁博文，于 昊

（煙臺市煙臺港股份有限公司礦石碼頭分公司，山東煙臺 264000）

0 引言

隨著集裝箱港口吞吐量的急劇增加，岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）作為港口最常用的集裝箱起重設(shè)備之一，其使用數(shù)量和頻率越來越高，這對其安全性能提出了更高的要求[1]。目前，由岸橋引起的碼頭安全事故約占30%[2]。最嚴(yán)重的事故是由金屬結(jié)構(gòu)的故障和失效引起的，對岸橋金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估和等級評估，可以通過拆除、維修、檢查[3]等手段，盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患并及時處理，有效避免安全事故。

目前，起重機(jī)安全評價的理論方法較多，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[4]、灰色綜合評價法[5]、Fisher 判別法[6]、未確知測量理論[7]、模糊綜合評價法[8]、專家系統(tǒng)法[9]等。盧茹利等[10]基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過實地調(diào)研、專家評判等方法對服役中后期岸橋的安全性評價體系作了分析研究。張文[11]通過改進(jìn)的可變模糊集法，由具體指標(biāo)層到岸橋整機(jī)逐層確定評價對象的安全等級并驗證了建立的岸橋評價體系的可行性。

現(xiàn)有的安全評價方法的準(zhǔn)確性受到專家水平或訓(xùn)練樣本數(shù)量的很大影響，特殊情況下反映的數(shù)據(jù)不真實，使得評價體系的魯棒性不足。因此，有必要從有效性、可靠性和通用性的角度，建立一種實用的岸橋評價方法。

1 建立岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)體系

根據(jù)岸橋的設(shè)計原理和工程實踐，首先對岸橋金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、裂紋、腐蝕和維修等影響安全性的因素進(jìn)行了分析和評價。然后，根據(jù)層次分析法將岸橋劃分為前梁、后梁、梁、梯形框架、拉桿、立柱6 個子系統(tǒng)，分別進(jìn)行單因素分析。最后，構(gòu)建了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)體系。

1.1 選擇評價指標(biāo)

按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》、GB/T 5905—2011《起重機(jī)試驗規(guī)范》和GB 6067.1—2010《起重機(jī)安全規(guī)程第1 部分：總則》、GB 6067.5—2014《起重機(jī)安全規(guī)程 第5 部分：橋式和門式起重機(jī)》，GT/B 17495—2009《港口門式起重機(jī)》《起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)》等，影響起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)安全的因素應(yīng)從兩個角度考慮：從設(shè)計角度看，影響因素包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等；從故障角度看，影響因素包括裂紋、腐蝕、變形、維修等。

對于岸橋，梁的整體穩(wěn)定性在設(shè)計階段已經(jīng)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，整體穩(wěn)定性指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)通過應(yīng)力體現(xiàn)，部分穩(wěn)定性體現(xiàn)在變形指標(biāo)上。在安全評價指標(biāo)體系中，穩(wěn)定性指標(biāo)不作為獨(dú)立的評價指標(biāo)，因此選擇強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修作為評價指標(biāo)。

1.2 岸橋結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)體系

岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)體系分為整機(jī)層、子系統(tǒng)層和單因素層。通過幾個子系統(tǒng)的評價結(jié)果，可對整機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行綜合評價。子系統(tǒng)的評價體現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修6 個指標(biāo)上。

岸橋的金屬結(jié)構(gòu)主要由前大梁、后大梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿組成。由于在某些子系統(tǒng)中，有些因素對金屬結(jié)構(gòu)的安全性影響不大，因此立柱子系統(tǒng)中的剛度因素、拉桿子系統(tǒng)中的剛度和變形因素不參與安全評價。

2 基于04-FCE 的岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價模型的建立

為了對岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價，首先根據(jù)實際情況對評價指標(biāo)進(jìn)行無因次優(yōu)化。然后采用04-FCE 評價方法建立安全評價模型，確定岸橋結(jié)構(gòu)的安全等級和評價結(jié)論。最后，為降低安全風(fēng)險提出相應(yīng)的建議。

2.1 評價價值的確定

岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全評價指標(biāo)包括強(qiáng)度、剛度、裂縫、變形、腐蝕及維修。由于這些維度是不同的，在進(jìn)行模糊評價計算之前需進(jìn)行無量綱處理。

評價指標(biāo)值的計算分為2 個步驟：①測量單因素評價指標(biāo)的狀態(tài)值；②對各指標(biāo)狀態(tài)值進(jìn)行常規(guī)無因次處理，使指標(biāo)數(shù)據(jù)的取值范圍統(tǒng)一在［0，1］。

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

采用“0-4”評分法對岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價中涉及的指標(biāo)進(jìn)行評價，并以此確定指標(biāo)的權(quán)重。技術(shù)人員對評價指標(biāo)體系中2 個指標(biāo)的重要水平進(jìn)行比較，可得到“0-4”分。

指標(biāo)的最終權(quán)重表示為某一指標(biāo)的得分與所有指標(biāo)的總分之比。

2.3 模糊關(guān)系矩陣的建立

模糊評價包括評價結(jié)果集（V）、權(quán)重集（W）、指標(biāo)集（U）、模糊關(guān)系矩陣（R）4 個基本要素。V 包括對象所有可能的評價結(jié)果；W元素為各指標(biāo)對結(jié)果的權(quán)重；U 為評價指標(biāo)集；R 是U 和V 的鏈接，反映了評價指標(biāo)與評價結(jié)果的關(guān)系。n 個評價指標(biāo)，m 個評價結(jié)果的模糊關(guān)系矩陣可表示為：

在已有的研究中，rij的確定通常采用德爾菲法，其結(jié)果很大程度上依賴于打分專家的主觀判斷。評價結(jié)果在很大程度上依賴于專家的水平，容易產(chǎn)生偏差，不利于普通技術(shù)人員的操作，在港口的實際應(yīng)用上也不強(qiáng)。該研究采用“距離歸一化”方法確定評價值的隸屬度，方法簡單、準(zhǔn)確。方法如下：

（1）設(shè)P={P1，P2，…，P8}為8 個評價結(jié)果集的中點，分別為：

（2）判斷評價值Si下降的評價結(jié)果為Vi級。

（3）求Si與Vi對應(yīng)中點Pi之間的距離Di，即：

（4）求離Si最近的評價結(jié)果集Vj的中點Pj，求Sj與Pj之間的距離Dj，即：

（5）求Di和Dj的倒數(shù)，然后將結(jié)果歸一化，得到的隸屬度Si在Vi和Vj中的隸屬度為0。

與德爾菲法的結(jié)果比較，該方法與德爾菲法的平均誤差為0.68%，最大誤差為1.6%。因此，該方法可以替代德爾菲法。

2.4 模糊綜合評價

根據(jù)模糊矩陣的乘法運(yùn)算，模糊評價集可表示為B={B1，B2，…，Bm}，模糊評價集B 式（4）計算：

采用加權(quán)平均法求解最終評價結(jié)果v：

采用模糊綜合評判法進(jìn)行多級評價，得到了整機(jī)結(jié)構(gòu)的評價結(jié)果V。0-100 平均分成8 個區(qū)間，形成V1-V8整機(jī)結(jié)構(gòu)的安全等級。每個評估值都有對應(yīng)的結(jié)果狀態(tài)描述：

V1：當(dāng)0≤v≤12.5 時，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)極差，相關(guān)結(jié)構(gòu)件甚至整機(jī)應(yīng)報廢。

V2：當(dāng)12.5＜v≤25 時，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀況較差，必須立即停機(jī)進(jìn)行全面大修。

V3：當(dāng)25＜v≤37.5 時，機(jī)器結(jié)構(gòu)不好，必須停機(jī)維修。

V4：當(dāng)37.5＜v≤50 時，整體結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重安全風(fēng)險，需制訂整體維修方案和減載使用。

V5：當(dāng)50＜v≤62.5 時，整機(jī)結(jié)構(gòu)故障較多，必須制訂整機(jī)維修方案。

V6：當(dāng)62.5＜v≤75 時，整機(jī)結(jié)構(gòu)有一定故障，必須對故障部件進(jìn)行修理。

V7：當(dāng)75＜v≤87.5 時，整機(jī)結(jié)構(gòu)狀況良好，只需加強(qiáng)巡視檢查。

V8：當(dāng)87.5＜v≤100 時，整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

3 案例分析

以某港口岸橋金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，采用“0-4”分值法確定各指標(biāo)權(quán)重，采用模糊綜合評價（FCE）進(jìn)行安全性評價。根據(jù)岸橋金屬結(jié)構(gòu)的特點，確定了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)體系，子系統(tǒng)層包括前梁、后梁、橫梁、梯形框架、立柱和拉桿，單因素層包括強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形和維修。

3.1 指標(biāo)評價值的確定

按照GB/T 5905—2011 和GB 6067.1—2010，對某岸橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到狀態(tài)值d。通過現(xiàn)場測試計算，得到岸橋單因素指標(biāo)的評價值S（表1）。

表1 岸橋指標(biāo)評價值

3.2 04-FCE 評價

以前梁強(qiáng)度、剛度、裂紋、腐蝕、變形、維修等單因素指標(biāo)權(quán)重值的計算為例，專家或相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)指標(biāo)的重要性，對2個指標(biāo)進(jìn)行比較后，采用“0-4”評分法計算出各指標(biāo)的權(quán)重值。

前梁各指標(biāo)權(quán)重W1=（0.275，0.176，0.275，0.098，0.098，0.098）

采用“距離歸一化”方法，可得到前梁子系統(tǒng)的模糊關(guān)系矩陣：

前梁模糊評價集為：B=（0，0，0.128，0.055，0，0.066，0.199，0.551）

前梁的評價結(jié)果為78.83。其他子系統(tǒng)的評價過程與上述計算過程類似。可以得到以下子系統(tǒng)的評價結(jié)果：后梁子系統(tǒng)81.10；橫梁子84.06；梯形框架子系統(tǒng)87.59；立柱子系統(tǒng)69.49；拉桿子系統(tǒng)91.88，故整機(jī)最終評價值為83.99。

3.3 整機(jī)安全性評價

經(jīng)計算，岸橋金屬結(jié)構(gòu)的安全評價值為83.99，安全等級7級。評價結(jié)果對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)描述及相關(guān)處理建議為：整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，可加強(qiáng)檢查。04-FCE 評價方法在某港口一段時間的實際應(yīng)用表明，該方法合理，易于港口技術(shù)人員操作。具有一定的普適性和推廣價值。

4 結(jié)論

通過分析影響岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全性的因素和特點，建立了岸橋金屬結(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)體系，首次提出“0-4”評分+模糊綜合評價（04-FCE）的方法，解決了打分者專業(yè)技術(shù)水平不同造成的權(quán)重計算結(jié)果普遍存在的問題，偏差大、通用性強(qiáng)、操作方便。通過實例分析和應(yīng)用04-FCE 對整個碼頭集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價。評價結(jié)果與工程實際基本一致。因此，該方法可作為港口岸橋安全評價的依據(jù)，為提高港口機(jī)械安全管理水平提供支持。