丁高耀李爱华曹雄鹰赵章焰

（1.宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

（2.武汉理工大学 物流工程学院 武汉 430063）

岸边集装箱起重机安全评价方法综述

丁高耀1李爱华2曹雄鹰2赵章焰2

（1.宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

（2.武汉理工大学 物流工程学院 武汉 430063）

岸边集装箱起重机安全评价是提高港口安全管理水平的重要手段，能有效促进港口经济的发展。为提高岸边集装箱起重机安全评价的准确性与合理性，对岸边集装箱起重机的安全评价方法研究进行了评述。针对评价指标体系、评价指标权重、安全评价方法中存在的问题，提出了改进建议，为岸边集装箱起重机安全评价研究提供理论参考与借鉴。

安全评价 岸边集装箱起重机 指标体系 权重

1 概述

岸边集装箱起重机（简称为岸桥）是一种大型起重设备[1]，其起重对象是港口码头的集装箱。岸边集装箱起重机价格昂贵，目前一台集装箱装卸桥的报价达五千多万人民币，用户总希望延长其使用寿命；但如何保证其经济、安全地运行，是企业管理非常重要的一个方面[2]。岸边集装箱起重机引起的码头安全事故约占30%，事故原因包括设计、安装、适用、维护、以及人的因素，安全形势严峻[3-4]。因此这类设备使用过程中的安全性评估必不可少。如果偏于安全的考虑，可能昂贵的设备还可以继续使用，就被人为报废了，造成经济上的损失，相反如果从降低成本方面考虑，凭着直观感觉继续使用超期服役的设备，又有可能会出现灾难性事故。企业迫切需要对在役使用年限长、设备状况差的起重机进行安全状况评定，在保证安全生产的前提下尽可能的减少生产成本，同时制定出有针对性地，科学、合理的设备维护管理制度。

近年来，随着我国经济的快速发展，货物越来越趋向大型化，促使岸边集装箱起重机也朝着重型化、高速化、智能化、自动化、长寿命、节能环保型方向发展[5-6]，同时大量订单的完成对起重机的实用性和安全性提出了更高的要求[7]。然而，一些港口设备的制造日期为上世纪90年代末和2000年初，基本使用年期已达到了15年左右，个别设备甚至为上世纪80年代初的产品，现状令人担忧。当前国内特种设备检验检测机构采取的方式是根据定期检验的项目及内容对所涉及风险指标的安全状况进行符合性验证，但是缺少对风险根源、后果及潜在风险进行系统分析，缺少对整机安全性的综合判断；另外不仅仅需要对设备本体状态评价，更重要的是要对日常使用管理规范程序进行综合判定[8-9]。因此，有必要对岸边集装箱起重机安全评价方法加以总结和评述。

2 岸边集装箱起重机安全评价研究概况

安全评价又称危险性评价或风险评价[10]，是指在对系统风险辨识和分析的基础上，对系统的安全性或危险性，按有关标准、规范、安全指标予以衡量，对危险的程度进行分级，以便据此结合现有科学技术水平和经济条件 ，提出控制系统危险性的安全措施[11]。由于国家对大型起重机械设备安全运行的重视程度越来越高，对起重机的安全运行和风险研究也有一定的进展[12]。目前，岸边集装箱起重机安全评价方面的研究主要可分为三类。

一是设计使用阶段的分析计算。交通部水运科学研究所的刘晋川等[13]研究提出设计阶段金属结构疲劳寿命的预测方法。上海海运学院郑培等[14]基于有限元分析方法，采用ANSYS软件对岸边集装箱起重机金属结构建模，分析结构的强度和刚度，以保证设计的合理、安全。二是使用过程中对岸边集装箱起重机出现的部件损伤失效现象进行分析研究。同济大学卢耀祖等[15]通过分析起重机拉耳的载荷、应力，探讨拉耳断裂的原理。上海振华的段忠东等[16]针对岸桥使用中出现的小车减速箱轴承外圈跟转及异常噪音的问题进行分析，指出轴承配合公差的选取与设备的工况和受力情况有关。赵健宇等[17]对小车拖链皮带跑偏损伤现象进行了分析，提出了皮带、导向盘及托辊的改进措施。三是对在役岸边集装箱起重机进行风险评价、剩余寿命估算等以指导未来的使用。随着许多起重机进入服役后期或超期服役阶段，安全风险增加，该方面的研究受到越来越多的关注。武汉理工大学的赵章焰等[18-19]在对金属结构进行强度、疲劳分析的基础上，根据裂纹扩展速度，估算起重机剩余寿命。上海振华重工的江华等[20]根据起重机大车平衡梁的受力特点及裂纹位置，采用欧洲标准BS EN 1993-1-9：2005进行平衡梁疲劳寿命分析，从而评估平衡梁使用寿命。上海海事大学陈体军教授对岸边集装箱起重机的结构可靠性进行研究时，提出了五级模糊综合评判方法[21]。武汉工程大学罗胜男等采用模糊综合评价方法对超期服役的岸桥式起重机进行了安全评价[22]。

3 岸边集装箱起重机模糊安全评价

虽然研究人员在上述三个方面开展了一些研究，但是由于在役岸边集装箱起重机的复杂性和模糊性，使得模糊综合评价方法在岸边集装箱起重机安全评价中应用最广。模糊综合评价是对多种属性的事物，或者总体优劣受多种因素影响的事物，做出一个能合理地综合这些属性和因素的总体评判。模糊逻辑是通过使用模糊集合来实现的，是一种解决不精确、不完全信息的方法，其最大特点就是用它可以比较自然地处理人类思维的不确定性和模糊性。在多数情况下，评判涉及模糊因素，用模糊数学的方法进行评判，是一条可行的、也较好的途径。岸桥模糊安全评价的基本流程如图1所示。

图1 岸桥模糊安全评价流程

3.1 指标体系和评价标准

关于岸边集装箱起重机安全评价指标体系尚不统一，文献[22]从人的因素、金属结构、环境因素、保护装置的角度出发建立了危险因素的指标体系，然而除金属结构外的危险因素较难定量化处理，也没有一致的评判标准，大多文献仅针对起重机金属结构进行安全评价。岸边集装箱起重机安全评价开展整机或部分系统的评价依据有：GB 6067.1 《起重机械安全规程第1部分：总则》、GB/T 5095《起重机试验规范和程序》、YTJ/XZ-Q11《起重机检验常用测试方法》、YTJ/AQ05《起重机检验安全导则》等。关于金属结构安全评价指标无量纲化后评价标准可参考文献[23]。

3.2 指标权重的计算方法

指标权重在岸桥安全评价中有着重要的作用。目前，岸桥安全评价采用较多的是层次分析法（AHP）。AHP是美国运筹学家萨蒂(satty)创立的一种应用较广的主观赋权法[24]。针对岸桥评价指标体系，比较指标的相对重要程度，通过两两比较的方式评价层次结构中指标的重要性，计算权重。AHP赋权法的基本步骤为：1）建立层次结构模型；2）建立两两判断矩阵，并检验矩阵的一致性。判断矩阵若满足一致性，则继续往下计算；若一致性条件不满足，则需要修正比较矩阵，直至满足条件。AHP法权重ω 计算公式为：

式中：

A ——比较矩阵；

ω ——主观权重向量；

λmax——最大特征值。

3.3 安全评价方法

●3.3.1 定性安全评价方法

岸桥操作人员熟练程度、安全管理情况、使用环境等指标难以定量表示，较适合定性描述。定性的安全评价方法是依据专家的专业知识和经验，通过专家投票的方式来确定评价指标的安全隶属等级。令待评价的岸桥数为s，则s个岸桥组成的评价向量为R = {R1, R2, …, Rs}，设每台岸桥Ri(i = 1, 2, …, s)有n个评价指标，安全评价指标构成的向量为X = {X1, X2, …, Xn}，指标Xj( j = 1, 2, …, n)的评价值用xj表示，那么每台岸桥Ri的指标xj的评价值可用xij表示。如果xij有m级安全等级，则第k级安全等级可用Ck(k = 1, 2, …, m)表示，C = (C1, C2, …, Cm)。令μijk= μ(xij∈Ck)表示评价值xij相对于第k级(Ck)的隶属度。隶属度矩阵表示为：式中：

μijk= q/Q；

q —— 判断指标xj隶属等级Ck的专家数；

Q —— 参加评估的专家总人数。

●3.3.2 定量安全评价方法

岸桥的金属结构安全评价指标是可以根据实测数据获得的，属于定量化指标。岸桥的定量安全评价方法用于金属结构指标的评估，需要先对评价指标做无量纲化处理[23]。计算岸桥定量指标评价值包括：1）获取指标状态值；2）无量纲化处理。其过程如图2所示。

图2 定量指标评价值计算过程

此时理论上可以通过评价指标值与评价标准的关系获得隶属度。岸桥的金属结构单因素评价指标通常包括：结构强度、变形、裂纹、腐蚀、刚度[25]。文献[22]给出了岸桥结构强度、变形、裂纹、腐蚀等指标的评价函数。

4 岸边集装箱起重机安全评价存在的问题

但是从前期研究成果可知，岸边集装箱起重机模糊安全评价时还存在以下几个方面的问题：

4.1 评价指标体系方面

影响岸边集装箱起重机的安全因素较多，目前相关研究集中于金属结构，对使用环境、维保管理等涉及较少。岸边集装箱起重机是一个复杂的系统，既有定性指标又有定量指标。然而，目前我国岸边集装箱起重机械安全评价指标体系还不完善，没有形成相对统一的建立模式。评价指标体系是安全评价中的核心和依据，如果没有一套科学合理的评价体系，任何评价方法得出的结果，必然与事实不符。因此，有必要加强安全事故影响因素的分析，提出建立岸边集装箱起重机安全评价指标体系的方法。

4.2 指标体系权重方面

岸边集装箱起重机安全评价是多层次复杂体系，需要运用适当的方法确定各评价指标的相对重要程度，也就是指标的权重。岸边集装箱起重机安全评价模型中权重的确定是关键因素之一，权重的合理性直接影响评估结果[26-27]。目前，岸边集装箱起重机指标权重的确定方法主要是层次分析法（AHP）。该方法是美国运筹学家萨蒂于20世纪70年代初提出的一种权重计算方法。通常采用的是9标度层次分析法，专家运用9标度对指标评判时存在着一定的模糊性和复杂性，并且当一致性检验不通过时，需要重新建立判断矩阵加以修订，对于复杂的系统计算较为复杂繁琐。一些改进的层次分析法，如3标度层次分析法既可以减少定权过程中的主观性，又可以减少计算工作量[28-29]。岸边集装箱起重机涉及的指标众多，可以考虑运用改进的层次分析法确定指标权重。

4.3 安全评价理论方面

起重机安全评价理论方法较多，如神经网络安全评价方法[30-32]、灰色综合评价方法[33]、Fisher判别法[34]、未确知测度理论[35-36]、模糊综合评价法[37]、专家打分法[38-39]等。其中专家打分法在岸边集装箱起重机安全评价中应用较多。专家打分法是一种简单的安全评价方法。该方法通过收集历史数据，将评价对象的相关风险指标列举成表，征询有关专家的判断和意见，对这些意见进行统计、归纳、汇总，得出评价结果，对决策方案做出修正。专家打分法简单直观，能够对不确定的因素和难以进行定量分析的因素做出合理的评估，但是，该方法主观性较强，对可以定量测量的评价指标而言，该方法并非最为合适。文献[22]虽然对岸边集装箱起重机评价指标中除起重量限制设备、制动设备、防风装置、力矩限制设备的指标给出了定量计算公式，然而公式较为复杂，其合理性有待进一步验证。此外岸桥安全评价指标中既有定量指标又有定性指标，因此采用的安全评价方法需要能够处理定量和定性指标的问题。

5 结语与建议

1）我国岸边集装箱起重机安全评价的研究仍存在一些问题。尤其是指标体系非常不完善，评价指标的选取方法缺乏统计数据的支撑，缺乏科学的建立方法。岸边集装箱起重机评价指标的赋权方法以主观赋权法为主，权重的合理性和安全评价方法的适用性还需要深入研究。

2）目前岸边集装箱起重机安全评价过多依赖专家主观意见。随着人工智能、物联网、大数据和云计算等技术的快速发展和日趋成熟，未来应积极探索利用智能化安全评价方法，运用先进的测量方法尽量获取定量评价指标的评价值，加强评价指标的在线监测水平，建立安全评价专家知识库，减少主观因素对评价结果的影响，提高评价结果的可靠性和准确性。

3）建议在岸边集装箱起重机安全评价后续研究中，建立较为全面的指标体系，加强指标体系有效性、稳定性，以及指标筛选的研究工作；为克服主观赋权法或客观赋权法的不足，建议采用组客观组合赋权法确定岸边集装箱起重机指标权重；开发具有良好人机界面的评价软件，提高岸边集装箱起重机安全评价的工作效率。

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Research Summary of Safety Assessment Methods on Container Crane

Ding GaoyaoLi Aihua Cao XiongyingZhao Zhangyan
(1. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048)

(2. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063)

Safety assessment of container crane is an important measure to improve the safety management level. And it can effectively promote the development of port economy. In order to improve the rationality and accuracy of risk assessment for container crane in service, research summary of container crane safety assessment was introduced. Aim ing at the shortcom ings in index system, index weight and assessment method, and improvement suggestions were proposed. And it offered theoretical reference for container crane safety assessment research.

Safety assessment Container crane Index system Weight

X 941

B

1673-257X(2017)06-0033-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.009

丁高耀（1975～)，男，硕士，副研究员，从事机电类特种设备检验检测技术管理工作。

李爱华，E-mail: liaihua97412@aliyun.com。

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2015QK262)

2017-01-15）