基于模糊集理论的岸桥加高施工过程失效模式及影响分析

孙远韬,秦仙蓉,周兆伟,张 氢

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

随着18 000 TEU的超大集装箱船的出现,使得集装箱在船舶上的堆放高度不断增加[1].而在未来几年内,22 000～24 000 TEU集装箱船舶紧随其后也会出现[2].所以现有岸桥在起升高度或外伸距上无法适应新的需求,购置新岸桥势必增加码头运营成本,并且造成近期刚购置的已有岸桥资源浪费.为了节约港口企业成本并满足未来港口发展的需要,世界港口正兴起岸桥加高技术来解决当前问题.然而在加高及提升的施工过程中,将涉及大量的设备和多个工艺环节,在断开岸桥整体结构连接的前提下,将上千吨质量的上部结构升高4～7 m,面临的风险因素比较复杂,施工过程中任何环节或设备的失效,可能导致整个工程的失败,并产生重大伤事故及财产损失,所以对于类似的岸桥加高、桥梁施工、体育场馆建设等重大工程的施工过程而言,要求在施工设计前,需要给出合理的方法,确保施工过程风险处于一个可控水平.

目前失效模式及影响分析(Failure Modes and Effect Analysis,FMEA)主要用于设备本身设计方案的合理性论证,鲜见用于施工过程的风险控制;在进行FMEA时,所需要收集大量资料主要为专家的知识和经验,但由于专家的知识经验通常是主观或定性的语言描述出来的,因而FMEA很难对此做出统一定量的判断.国内外有些学者已将模糊数学方法应用于各种评估体系中[3-7],从而将不同的专家知识和经验进行分析,尽力消除了不同专家评价时的主观因素对于结果的影响偏差.

本文以天津港某岸桥加高施工过程的FMEA为例,通过结合模糊语言集和与其对应的模糊数,将不同的专家知识和经验进行有效的应用,提高了FMEA的准确性,并采用最低合理化可行准则(As Low As Reasonably Practicable,ALARP)即二拉平原则,从众多潜在失效模式中,分级确定危险程度,在施工过程中监控各危险源,在保证施工安全的同时使得施工更经济.

1 基于模糊集理论的FMEA方法

FMEA通过分析系统中每一个潜在的故障模式,确定其对系统产生的影响,从而识别系统中的薄弱环节或关键项目,为制定控制措施提供依据,它是“事先预防”而不是“事后纠正”.FMEA通过分析系统结构,鉴别系统的每一个潜在的故障模式,分析引起故障的原因,然后利用统计方法估算故障发生时的严酷度S、故障发生频率O以及不可探测度D,计算风险优先度(Risk Priority Number,RPN)的值,根据RPN值的大小判断系统是否有必要进行改进或者确定改进的优先级别,具体如下:

RPN=SOD

(1)

式中:S为潜在故障模式发生时,对下工序或系统影响后果的严重程度评价标准,要减少故障后果的严重程度,只能通过修改设计来实现,一般分为灾难的、致命的、临界的、轻微的等几个等级,取值在1～10之间;O为某一故障起因或机理出现的可能性,一般可分为极高、高、中等、低等几个等级,取值在1～10之间;D为发现故障原因的难易程度,是探测故障模式或原因的能力指标,一般分为极难、难、可能、能等几个等级,取值在1～10之间.

可以看到,将FMEA中的3个输入变量S,O,D看作模糊语言变量,应用模糊集理论,结合专家知识和经验就能够建立各语言变量的模糊语言语集和对应的模糊数.其过程如下:

(1) 建立S,O,D的模糊语言术语,将其看做模糊语言变量,每个语言变量包括5个语言术语,即S/O/D={极低R，较低L，一般M，较高H，极高VH}.对应传统FMEA分析中S,O,D的不同等级,其取值关系准则如表1所示.

表1 FMEA评价准则Tab.1 FMEA evaluation criteria

模糊语言术语对应的三角模糊数,可以采用德尔菲方法借助专家的知识和经验来确定.第i个专家的能力为βi,该专家对失效模式某一变量的模糊评价术语为xi,用三角模糊数的形式表示为xi=(ai,bi,ci)[2].该变量的参数汇总得到

(2)

(3)

(4)

根据此方法,解决了在实践过程中由于个人认知差异,导致对于故障模式的各个语言变量选择的不同.

(3) 模糊数的非模糊化.在模糊环境下的非模糊化是后续计算的基础,能将模糊术语对应的三角模糊数转化为清晰数,即下文中,将表2中的模糊数转化为表3中的清晰数,这样在计算RPN时就可得到各失效模式清晰的风险值.

国内外许多学者对非模糊算法进行了深入的研究,本文选择文献[4]的非模糊化方法：

(5)

式中:M,N是根据a,c相对b的偏离程度而确定的,以b为界,分等概率情况考虑.确定结果是b的可能性大小是a的倍数N,确定结果是b的可能性大小是c的倍数M.

2 ALARP准则

由于过程中任意一处的失效均导致整个施工过程的延期或事故,因而本文在根据RPN制定措施时,为了更好地针对各个潜在失效模式可能存在的风险,在ALARP准则的基础上,依据行业相关经验划分,将ALARP区域确定为几个危险等级,对危险控制源进行分级.针对不同的危险等级作出更加适合不同危险等级的相关措施,用最低的成本达到最可靠的状态.

ALARP是当前国外可接受水平普遍采用的一种判据原则.该判据依据风险的严重程度,将项目可能出现的风险进行分级.项目风险由不可容忍线和可忽略线分为风险严重区、ALARP区和可忽略区.风险严重区和ALARP区是项目风险辨识的重点所在[8].

3 岸桥加高过程分析

根据天津港实际情况,由于采用浮吊吊装作业会对港内船舶顺利进出及港装卸作业造成较大影响,且其租用价格相对较高,所以该型岸桥采用液压提升方法进行加高.施工过程如图1所示.

图1 岸桥加高过程流程图Fig.1 Flowsheet of ship-to-shore (STS) crane heightening

施工方案步骤如下.

(1) 准备工作:对改造后的岸桥进行有限元建模和结构计算,确定对应力的控制,加高对轮压的影响;加高段的预制;桥吊的位置停放,各部位摆放以及整机测量;相关零件的拆装.

(2) 将加强联系横梁在地面拼装,用汽车吊吊装,并按图纸进行装焊.

(3) 提升设备安装:采用的是钢绞线式桥吊提升装置,如图2所示.安装提升设备过程包括支撑梁的安装、立柱牛腿的装焊、支撑梁与桥吊局部固定与加强的安装、提升横梁与托梁的安装、支撑座与提升支架的安装、提升支架斜撑的安装、液压设备及控制系统与提升梁的装配、提升系统的调试.此外,安装前需整体划线,注意提升装置与桥吊相对位置的控制,保证重心重合.

(4) 提升桥吊,安装加高段;门框立柱和下横梁划线;提升桥吊并安装加高段.

(5) 后续工作:拆除提升装置,安装新增部分零部件、电气部分并贯通.

(6) 试车验收.

图2 桥吊提升装置Fig.2 Bridge crane lifting device

4 加高过程FMEA分析

根据加高过程,本文将可能出现的失效模式、原因及影响制成FMEA工作表,并请相关专业人员依据评估标准进行评估,最终确定失效模式的风险优先度.需要说明的是汽车吊、提升装置等设备的功能和故障分析不在FMEA层次范围内.

以失效模式的严酷度S为例,选择3位专家进行评价,评价结果以三角模糊数的形式表示,将各个专家的评价意见汇总,可得到严酷度的模糊语言术语对应的三角模糊数,如表2所示.进行去模糊化处理,将其转化为清晰数,选择文献[4]提出的非模糊化方法,利用式(5)，就可获得S,O,D的模糊语言、术语集以及对应的清晰数,如表2和表3所示.

表2 各种评价语言术语的含义Tab.2 Meanings of all kinds of evaluation language terms

表3 严酷度S的模糊语言术语的清晰度Tab.3 Definition of the fuzzy language terminologyfor severity S

采用同样的方法,可以得到故障发生频率O以及不可探测度D的清晰数,如表4和表5所示.

表4 故障发生频率O的模糊语言术语的清晰度Tab.4 Definition of the fuzzy language terminologyfor failure frequency O

表5 不可探测度D的模糊语言术语的清晰度Tab.5 Definition of the fuzzy language terminologyfor failure non-testability D

根据FMEA分析表(见表6),可将表中RPN值位于ALARP区域的潜在分析风险重点分析.根据行业经验,将ALARP区域划分为几个等级,如图3所示.将处于同一等级的潜在失效模式定为同一危险等级.在此次施工过程中,将潜在失效模式的RPN值51～100定义为ALARP区域等级1,将RPN值100～200定义为ALARP区域等级2,将RPN值大于200定义为ALARP区域等级3.根据危险等级,制定详细的施工章程,令施工人员严格遵守操作流程,降低故障发生可能性.RPN接近不可容忍线的环节，制定专门的监测措施.

从表6和表7中可以看出,在加高施工过程中,风险较高的潜在失效模式分别为提升过程异常、支撑梁与桥吊局部固定加强不牢固、部分拆装零件被遗漏、安装钢绞线断裂、整机贯通复位、提升装置安装不牢固.

对处于不同区域的失效模式采取不同的应对措施:针对ALARP准则不可容忍区域的潜在失效模式,必须改变施工过程细节,消除该潜在失效模式发生的可能性;针对ALARP高等级区域的潜在失效模式,需派专人在施工过程中监督该失效模式是否有发生的迹象;针对ALARP低等级区域的失效模式,则在施工章程上,予以提出和标示,提醒施工人员在操作中注意该步骤的安全性和完成度;针对ALARP可容忍区域的失效模式,则不必处理.

表6 FMEA工作表Tab.6 FMEA worksheet

图3 增加危险等级划分的ALARP准则Fig.3 ALARP rule for increasing risk-grade division

ALARP区域分级潜在失效模式可忽略区域提升装置安装前划线零件拆装后的固定横梁吊装后固定ALARP区域1整机贯通复位安装钢绞线断裂部分拆装零件被遗漏ALARP区域2提升装置安装不牢固安装牛腿不同高ALARP区域3支撑梁与桥吊局部固定加强不牢固安装牛腿不同高不可容忍区域无

如提升异常这一潜在失效模式,由于其RPN所处等级较高,且本方案采用的是液压提升方法,那么此次施工过程可以采用计算机控制液压同步提升技术,提升过程为主控计算机通过同一电磁阀将动作指令发向所有液压泵,使其同时动作,实现动作同步.因而其可完成全自动同步升降、负载均衡、姿态校正、应力控制、过程监控和自动报警等功能,大大降低了这一失效模式的RPN值,从源头上控制了危险源.这样就能有效降低整个施工过程潜在失效模式的发生,提高整体施工的安全性并保证了工期,对于类似项目具有指导意义.

5 结论

本文采用的FMEA方法具有以下特点:

(1) 通过建立模糊语言集和与其对应的模糊数,将不同的专家知识和经验进行有效的应用,尽力消除不同专家评价时的主观因素对于结果的影响偏差.

(2) 本文针对过程FMEA,利用ALARP原则,从众多潜在失效模式中,挑选出有可能对系统造成失效的几个失效模式,并制定相关措施.不必再对各个失效模式进行风险排序,降低了过程分析的复杂性,提高了分析的效率.但ALARP准则在本行业内并未广泛使用,若要更好地利用ALARP准则,还需共同制定行业ALARP区域的评判准则以及等级分界准则.

(3) 项目最后成功实施,其总体成本比通常的方法节省了近20%,约100万元,且在控制成本的前提下，保障了项目实施过程的可靠性和有序性,充分证明了以ALARP准则为标准,基于模糊集理论的FMEA方法解决施工过程的合理性和优越性.

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