概率安全評(píng)估方法在港口起重機(jī)械結(jié)構(gòu)上的研究應(yīng)用

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 10007

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)港口機(jī)械市場(chǎng)規(guī)模年增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上，發(fā)展前景廣闊。目前沿海存有數(shù)量龐大的服役中后期及超期服役的港口起重機(jī)械，其巡檢頻次、安全評(píng)估和報(bào)廢需求不斷增長(zhǎng)。安全評(píng)估業(yè)務(wù)在港口起重機(jī)械領(lǐng)域有顯著市場(chǎng)需求，但傳統(tǒng)的檢測(cè)手段及方法已不能滿(mǎn)足安全監(jiān)察的要求，迫切需要全面的檢測(cè)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的安全評(píng)價(jià)手段[1]。

在起重機(jī)械檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域，設(shè)備的安全評(píng)估技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。國(guó)外起重機(jī)械的安全評(píng)估側(cè)重于事故的分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的研究，即開(kāi)展事故原因排查、危險(xiǎn)源判別、遠(yuǎn)程評(píng)估維護(hù)等方面研究。在國(guó)內(nèi)，目前更側(cè)重于安全評(píng)估方法的理論性研究，研究成果未能較好的應(yīng)用于工程項(xiàng)目。我國(guó)起重機(jī)械的檢驗(yàn)仍以傳統(tǒng)方式為主，檢驗(yàn)內(nèi)容多限于法定檢驗(yàn)和安全性能檢驗(yàn)。對(duì)復(fù)雜服役環(huán)境下起重機(jī)械特別是港口機(jī)械的安全性分析研究不足，缺失安全評(píng)估的核心技術(shù)，尤其是綜合考慮起重機(jī)械的工作環(huán)境、載荷情況、變形情況、循環(huán)次數(shù)、裂紋狀況及維修情況等多因素的安全評(píng)估與安全性預(yù)測(cè)研究。

港口起重機(jī)械是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，鋼結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)會(huì)直接影響整機(jī)的服役性能、可靠運(yùn)行以及使用壽命。因此，本文主要聚焦于其中的鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)展安全評(píng)估研究。影響港口起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)安全性的因素眾多，各因素之間的邏輯關(guān)系也非常復(fù)雜，而且還存在大量的不確定因素[1]。因此，本文采用模糊數(shù)學(xué)理論開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)的概率安全評(píng)估方法研究，并基于模糊層次綜合分析法形成概率安全評(píng)估流程，共包括確定指標(biāo)體系、確定因素論域、確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域、確定因素權(quán)重集、建立隸屬度矩陣、合成評(píng)估結(jié)果向量、求取安全等級(jí)與概率分布等七個(gè)步驟。同時(shí)以國(guó)內(nèi)某港口門(mén)座起重機(jī)為例，基于模糊層次綜合分析法和評(píng)估流程對(duì)其實(shí)際服役狀態(tài)進(jìn)行安全性評(píng)估。

1 安全評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系的建立

如圖1所示，建立港口起重機(jī)械結(jié)構(gòu)安全評(píng)估指標(biāo)體系，包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層。目標(biāo)層也稱(chēng)結(jié)果層，是指在役起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等級(jí)評(píng)定與各等級(jí)概率分布結(jié)果。準(zhǔn)則層是目標(biāo)層的進(jìn)一步細(xì)化，按照工作環(huán)境、尺寸檢測(cè)、應(yīng)力裂紋、使用維護(hù)等四個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)歸納。指標(biāo)層是準(zhǔn)則層中各因素的具體展開(kāi)，對(duì)應(yīng)于多維度多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)獲取的大數(shù)據(jù)參數(shù)信息。

在目標(biāo)層中，用參數(shù)F表示港口起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估等級(jí)。在準(zhǔn)則層中，用參數(shù)V1、V2、V3、V4分別表示工作環(huán)境、尺寸檢測(cè)、應(yīng)力裂紋、使用維護(hù)等指標(biāo)，即V=[V1V2V3V4]=[工作環(huán)境 尺寸檢測(cè) 應(yīng)力裂紋 使用維護(hù)]。在指標(biāo)層中，各因素是對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)則層的具體展開(kāi)，即工作環(huán)境V1=[M11M12M13M14]=[環(huán)境溫度 環(huán)境濕度酸堿度 腐蝕程度]，尺寸檢測(cè)V2=[M21M22M23M24M25M26M27M28M29]= [結(jié)構(gòu)變形 門(mén)架軌距 支腿對(duì)角線(xiàn)偏差 主臂蓋板厚 圓筒體 象鼻梁腹板厚 端梁上蓋板厚 主梁根部平臺(tái)板厚 振動(dòng)情況]，應(yīng)力裂紋V3=[M31M32M33M34]= [應(yīng)力分布 應(yīng)力峰值 裂紋分布 裂紋活性]，使用維護(hù)V4=[M41M42M43M44M45]= [使用時(shí)間作業(yè)量載荷情況 人員操作 保養(yǎng)操作]。具體而言，基于圖1所示的安全評(píng)估體系建立了相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)因素集和子因素集[2]。

基于模糊層次綜合分析法建立的指標(biāo)體系，不僅包含技術(shù)因素如尺寸檢測(cè)和應(yīng)力裂紋，而且包含非技術(shù)因素如工作環(huán)境和使用情況。這種方法和指標(biāo)體系主要用于評(píng)價(jià)港口起重機(jī)械在服役中后期的全面安全表現(xiàn)。此外，對(duì)于示例門(mén)座起重機(jī)以外的其他港口起重機(jī)械或相似的機(jī)械產(chǎn)品，都可以基于結(jié)構(gòu)形式和檢測(cè)條件，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的指標(biāo)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)安全評(píng)估。如橋式抓斗卸船機(jī)和裝船機(jī)的指標(biāo)體系，見(jiàn)圖2、圖3。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

在實(shí)際服役環(huán)境下，港口起重機(jī)械的工作條件存在很多不確定因素，如鋼結(jié)構(gòu)承受循環(huán)交變載荷，且動(dòng)載荷具有沖擊特性，還會(huì)承受非平穩(wěn)波動(dòng)風(fēng)載、鹽霧侵蝕等惡劣工況。因此，收集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)成為實(shí)現(xiàn)安全評(píng)估研究的基礎(chǔ)。

基于圖1建立的門(mén)座起重機(jī)安全評(píng)估指標(biāo)體系，搭建了多維度多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，其包含腐蝕形貌檢測(cè)模塊、尺寸變形檢測(cè)模塊、應(yīng)力分布檢測(cè)模塊、動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)模塊、裂紋分布檢測(cè)模塊、裂紋活性檢測(cè)模塊。具體而言，在港口起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)上采用先進(jìn)傳感技術(shù)來(lái)搜集檢測(cè)因素，包括腐蝕、尺寸、應(yīng)力、裂紋等因素。在此基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，將這些檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息整合、集成，從而對(duì)港口起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行較精確化和個(gè)性化的安全評(píng)估。

2 當(dāng)前狀態(tài)的安全評(píng)估

2.1 確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域

根據(jù)數(shù)據(jù)資料及以往經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合事故可能發(fā)生的嚴(yán)重程度進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)級(jí)，確定了5級(jí)評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域，即U=[U1U2U3U4U5]=[優(yōu)秀 良好 可用 待修 報(bào)廢 ]。

2.2 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

建立圖1所示的安全評(píng)估層級(jí)后，上下隸屬關(guān)系就已確定。在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)每一層級(jí)中各因素的相對(duì)重要性做出判斷，這里選用“1-9標(biāo)度法”進(jìn)行定量描述，如表1所示。

表1 “1-9標(biāo)度法”

基于表1的標(biāo)度法，可以構(gòu)造判斷矩陣

式（1）所示的判斷矩陣表示針對(duì)上一層次因素而言，本層次各因素的相對(duì)重要性比較。

首先計(jì)算一級(jí)指標(biāo)F的權(quán)重，具體而言，采用層次分析方法獲取工作環(huán)境、尺寸檢測(cè)、應(yīng)力裂紋、使用維護(hù)對(duì)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

基于表1構(gòu)造的判斷矩陣N為

借助Matlab軟件計(jì)算判斷矩陣N的特征向量A。此特征向量反映了各評(píng)估因素的重要性，即權(quán)系數(shù)的分配，將其歸一化處理為

為了校驗(yàn)特征向量A所表示的權(quán)系數(shù)分配是否合理，需要對(duì)判斷矩陣N進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中，CR表示一致性比率，CI是一致性指標(biāo)，即

式中：n為矩陣維數(shù)，對(duì)于該一級(jí)指標(biāo)而言，n=4；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，它是用隨機(jī)的方法構(gòu)造1 000個(gè)樣本矩陣，然后對(duì)各個(gè)隨機(jī)樣本矩陣計(jì)算一致性指標(biāo)值，再對(duì)這些一致性指標(biāo)值求平均，當(dāng)矩陣維數(shù)n=4時(shí)，RI=0.89。

當(dāng)一致性比率為CR<0.1時(shí)，認(rèn)為獲取的權(quán)重系數(shù)分配是合理的。否則，要調(diào)整判斷矩陣N的元素取值，重新分配權(quán)系數(shù)的值。

基于上述表達(dá)式和相關(guān)結(jié)果，計(jì)算出一致性比率CR=0.09<0.1，表明特征向量A的權(quán)系數(shù)分配是合理的，也表明判斷矩陣N的元素取值是合理的。

2.3 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

1）二級(jí)指標(biāo)V1（工作環(huán)境）權(quán)重分配

V1=[M11M12M13M14]=[環(huán)境溫度 環(huán)境濕度 酸堿性腐蝕程度]，采用層次分析方法，結(jié)合“1-9標(biāo)度法”，構(gòu)造的判斷矩陣N1為

借助Matlab軟件計(jì)算判斷矩陣N1的特征向量A1，將其歸一化處理為：

計(jì)算出一致性比率CR=0.067<0.1，這表明特征向量A1的權(quán)系數(shù)分配是合理的，也表明判斷矩陣N1的元素取值是合理的。

2)二級(jí)指標(biāo)V2（尺寸檢測(cè)）權(quán)重分配

V2=[M21M22M23M24M25M26M27M28M29]=[結(jié)構(gòu)變形 門(mén)架軌距 支腿對(duì)角線(xiàn)偏差 主臂蓋板厚 圓筒體 象鼻梁腹板厚 端梁上蓋板厚 主梁根部平臺(tái)板厚 振動(dòng)情況]，采用層次分析方法，并結(jié)合“1-9標(biāo)度法”，構(gòu)造的判斷矩陣N2為

借助Matlab軟件計(jì)算判斷矩陣N2的特征向量A2，將其歸一化處理為

計(jì)算出一致性比率CR2=0.063<0.1，這表明特征向量A2的權(quán)系數(shù)分配是合理的，也表明判斷矩陣N2的元素取值是合理的。

3)二級(jí)指標(biāo)V3（應(yīng)力裂紋）權(quán)重分配

V3=[M31M32M33M34]=[應(yīng)力分布 應(yīng)力峰值裂紋分布裂紋活性]，采用層次分析方法，并結(jié)合“1-9標(biāo)度法”，構(gòu)造的判斷矩陣N3為

借助Matlab軟件計(jì)算判斷矩陣N3的特征向量A3，將其歸一化處理為

計(jì)算出一致性比率CR3=0.065<0.1，這表明特征向量A3的權(quán)系數(shù)分配是合理的，也表明判斷矩陣N3的元素取值是合理的。

4)二級(jí)指標(biāo)V4（使用維護(hù)）權(quán)重分配

V4=[M41M42M43M44M45]=[使用時(shí)間 作業(yè)量載荷情況 人員操作 保養(yǎng)頻率]，采用層次分析方法，并結(jié)合“1-9標(biāo)度法”，構(gòu)造的判斷矩陣為

借助Matlab軟件計(jì)算判斷矩陣N4的特征向量N4，將其歸一化處理為

計(jì)算出一致性比率CR4=0.045<0.1，這表明特征向量A4的權(quán)系數(shù)分配是合理的，也表明判斷矩陣N4的元素取值是合理的。

2.4 各指標(biāo)隸屬度的確定

基于評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域，構(gòu)造等級(jí)模糊子集D=[D1D2D3D4D5]=[優(yōu) 良 中 差 極差]，然后逐個(gè)對(duì)被評(píng)事物從每個(gè)因素上進(jìn)行量化，確定從單因素角度來(lái)看被評(píng)事物對(duì)等級(jí)模糊子集的隸屬度，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣。

示例門(mén)座起重機(jī)所處的工作場(chǎng)所為港口碼頭，根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境情況，確定工作環(huán)境指標(biāo)V1對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)矩陣為

第一行向量為環(huán)境溫度對(duì)模糊子集D的隸屬度，由于港口門(mén)座起重機(jī)服役期間溫度是變化的，故每一個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的隸屬度是概率統(tǒng)計(jì)值。通過(guò)查往年示例起重機(jī)所屬港口的天氣資料，惡劣天氣出現(xiàn)頻率較少，所以環(huán)境溫度的隸屬度向量為[0.2 0.3 0.3 0.1 0.1]。同理，對(duì)于環(huán)境濕度、酸堿性這兩個(gè)指標(biāo)，通過(guò)查往年資料可確定相應(yīng)的隸屬度，分別為[0.1 0.1 0.1 0.3 0.4]和[0.4 0.3 0.1 0.1 0.1]。

第四行向量為腐蝕程度對(duì)模糊子集D的隸屬度，由于腐蝕程度通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)獲取，故該隸屬度是一個(gè)確定值而不是概率分布。由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知，示例門(mén)座起重機(jī)的臂架齒條支座處、人字架根部、象鼻梁、立柱內(nèi)、臂架內(nèi)發(fā)生多處腐蝕，雖均未傷到母材，但應(yīng)引起注意。因此，腐蝕程度達(dá)到了等級(jí)模糊子集D“中”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 1 0 0]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，確定尺寸檢測(cè)指標(biāo)V2對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)矩陣為

第一行向量為結(jié)構(gòu)變形對(duì)模糊子集D的隸屬度，象鼻梁中鉸點(diǎn)處腹板起鼓、變形嚴(yán)重，檢測(cè)到平面度16 mm，同時(shí)下蓋板下凹平面度也為16 mm，達(dá)到了等級(jí)模糊子集D“極差”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 0 0 1]；

第二行向量為門(mén)架軌距對(duì)模糊子集D的隸屬度，門(mén)架軌距為10 504 mm和10 506 mm，偏差為+4 mm、+6 mm，車(chē)輪與軌道適合，確定軌距是合理的，達(dá)到了等級(jí)模糊子集D“中”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 1 0 0]；

第三行向量為支腿對(duì)角線(xiàn)偏差對(duì)模糊子集D的隸屬度，對(duì)角線(xiàn)為14 863 mm、14 866 mm，偏差為3 mm，GB/T 17495—2009 《港口門(mén)座起重機(jī)》中門(mén)座支腿底部對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度L的偏差為（-5～+5mm）的要求，考慮此偏差是設(shè)備制造時(shí)的指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量考慮相對(duì)偏差不大于10 mm，此臺(tái)設(shè)備兩對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度相對(duì)偏差僅3 mm，達(dá)到了等級(jí)模糊子集D“良”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 1 0 0 0]；

第四行向量為主臂蓋板厚對(duì)模糊子集D的隸屬度，檢測(cè)了其兩組數(shù)據(jù)14.1（非腐蝕處）、14.0（腐蝕），根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果達(dá)到等級(jí)模糊子集D“良”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 1 0 0 0]；

第五行向量為圓筒體對(duì)模糊子集D的隸屬度，檢測(cè)了其兩組數(shù)據(jù)25.0（非腐蝕處）、24.7（腐蝕），根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果達(dá)到等級(jí)模糊子集D“良”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 1 0 0 0]；

第六行向量為象鼻梁腹板厚對(duì)模糊子集D的隸屬度，檢測(cè)了其兩組數(shù)據(jù)10.1（非腐蝕處）、9.9（腐蝕），根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果達(dá)到等級(jí)模糊子集D“中”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 1 0 0]；

第七行向量為端梁上蓋板厚對(duì)模糊子集D的隸屬度，檢測(cè)了其兩組數(shù)據(jù)19.7（非腐蝕處）、19.3（腐蝕:），根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果達(dá)到等級(jí)模糊子集D“中”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 1 0 0]；

第八行向量為主梁根部平臺(tái)板厚對(duì)模糊子集D的隸屬度，檢測(cè)了其兩組數(shù)據(jù)24.9（非腐蝕處）、23.8（腐蝕），腐蝕達(dá)到鋼板原厚度4.4%，根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果達(dá)到等級(jí)模糊子集D“差”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 0 0 1 0]；

第九行向量為振動(dòng)情況對(duì)模糊子集D的隸屬度，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，顯示回轉(zhuǎn)軸承和大臂鉸點(diǎn)處于健康狀態(tài)，達(dá)到了等級(jí)模糊子集D“良”這一檔，對(duì)應(yīng)的隸屬度向量為[0 1 0 0 0]。

確定應(yīng)力裂紋指標(biāo)V3對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)矩陣為

確定使用維護(hù)指標(biāo)V4對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)矩陣為

以上隸屬度函數(shù)矩陣R3、R4中M31—M34、M41—M45的確定同樣主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)調(diào)研，在此不贅述。

（5）各指標(biāo)評(píng)價(jià)向量的計(jì)算

計(jì)算工作環(huán)境指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量B1，并進(jìn)行歸一化處理

計(jì)算尺寸檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量B2，并進(jìn)行歸一化處理

計(jì)算應(yīng)力裂紋指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量B3，并進(jìn)行歸一化處理

計(jì)算使用維護(hù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量B4，并進(jìn)行歸一化處理

計(jì)算總目標(biāo)F的評(píng)價(jià)矩陣C，并進(jìn)行歸一化處理。先將求得的各指標(biāo)評(píng)價(jià)向量Bi(i=1,2,3,4)整合，可獲得總目標(biāo)F（門(mén)座起重機(jī)安全評(píng)估等級(jí)）的模糊關(guān)系矩陣B。

然后根據(jù)公式C=AB，基于式（3）～式（22）可求得門(mén)座起重機(jī)的評(píng)估矩陣C，概率分布的柱狀圖如圖4所示。

3 安全評(píng)估等級(jí)

根據(jù)評(píng)語(yǔ)等級(jí)加權(quán)表，如表2所示，將門(mén)座起重機(jī)的評(píng)估矩陣C按照公式F=C·ST進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，獲得門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的安全性總得分，從而對(duì)門(mén)座起重機(jī)做出評(píng)價(jià)。

表2 評(píng)語(yǔ)等級(jí)加權(quán)表

基于表3和門(mén)座起重機(jī)的評(píng)估矩陣C，得到門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的安全性總得分為

表3 安全等級(jí)劃分表

根據(jù)模糊層次綜合分析法對(duì)門(mén)座起重機(jī)的安全性進(jìn)行評(píng)估建模、求解，并計(jì)算得出安全性總得分為77.8分。再結(jié)合安全等級(jí)劃分表，如表3所示，對(duì)門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的服役情況做最終評(píng)定。

4 結(jié)論

1）建立包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的安全評(píng)估指標(biāo)體系，基本覆蓋影響港口起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)安全性的因素。在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)際服役環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的多維度多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，搜集實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、集成，提供安全評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

2）基于模糊數(shù)學(xué)理論，確立了一級(jí)、二級(jí)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度等級(jí)劃分檔位，揭示在役港口起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)前安全狀態(tài)的概率分布規(guī)律。示例門(mén)座起重機(jī)安全性總得分計(jì)算為77.8分，此臺(tái)設(shè)備在處理腐蝕問(wèn)題后可正常使用，建議后期加大巡檢頻率。

未來(lái)伴隨先進(jìn)檢驗(yàn)設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)的提高，以及起重機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)結(jié)果還可以進(jìn)一步完善研究。