基于AHP-TOPSIS的港口机械设备安全风险评价研究.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）螺栓编号横向摩擦力 fy纵向摩擦力 fx仿真结果/N理论值/N相对误差/%仿真结果/N理论值/N相对误差/%1802.218100.961 097.1210970.012802.360.941 097.710.073801.801.011 097.630.064810.260.031 092.610.405810.590.071 092.420.426809.850.021 091.490.50合力4 837.0748590.456 568.9865800.17表 1简化多螺栓组螺栓横向工作载荷验证螺栓编号摩擦力横向/N纵向/N合力/N误差/%1541964110523.352704102412439.653815108713590.29411741362179824.195848114814274.496663965117116.40表 2蓄电池箱吊挂螺栓横向工作载荷计算结果计算中取横向和纵向加速度均为正值，对于其他工况可同样采用上述方法进行计算。由刚体力学法的计算结果可知，由于刚体力学法假设横向载荷均匀地作用于每一颗螺栓，因此所有螺栓的横向工作载荷均为 1363 N。对比表 2 中有限元的计算结果可以看出，多螺栓组不同螺栓上的横向工作载荷并不相同，且与刚体力学法给出的理论值存在较大差异，最大相对误差达到 24%。有限元计算值与理论值存在偏差的原因可能有以下两个：淤刚体力学法假设所有构件均为刚体，未考虑可能存在的弹性变形；于蓄电池箱所受的垂向载荷产生的附加弯矩可能使得螺栓连接的部分紧固面脱开，进而改变接触状态，造成螺栓横向工作载荷发生了重分配。由于刚体力学法低估了部分螺栓的横向工作载荷，很可能给出偏危险的设计结果，因此在进行动车组车下设备螺栓连接设计时，应使用本文给出的有限元法进行螺栓横向工作载荷计算。3结束语针对动车组车下设备连接螺栓的设计问题，本文基于有限元法提出一种多螺栓连接的横向工作载荷计算方法，通过简化多螺栓连接结构验证方法的有效性。并以动车组蓄电池箱的螺栓连接问题为例，分别基于刚体力学法和有限元法计算其横向工作载荷。结果表明，刚体力学由于未考虑结构弹性变形，低估了部分螺栓的横向工作载荷，在进行动车组车下设备螺栓连接设计时，应使用本文给出的有限元法进行螺栓横向工作载荷计算。参考文献1VDI 2230-2014，Systematic Calculation of Highly Stressed BoltedJoints S.2李娅娜，李跃，谢素明.基于 VD I2230 标准的动车组枕梁联接螺栓强度分析 J.大连交通大学学报，2019，40（2）：51-56.3李维岗，刘卫，白文虽.一种基于 VD I2230 的轨道车辆轴箱螺栓联接强度评估方法 J.机械工程师，2020（7）：126-129.4潘虹宇，方吉，薛宁鑫，等.某城轨列车牵引变流器安装螺栓强度分析 J.现代机械，2022（4）：57-62.5IEC 61373-2010，Railway Applications-Rolling Stock Equipment-Shock and Vibration Tests S.编辑张韵0引言港口机械设备是港口货物装运的重要组成部分，其运行的可靠性决定了港口货物装运的稳定性和效率1。近年来，随着机械行业的快速发展，港口机械设备运行的可靠性明显上升，但受货物吨位、体积等影响，港口机械设备运行中的稳定性问题是一个动态的复杂过程，机械设备发生故障问题具有不确定性和动态性2。因此，为了提高港口货物装卸作业的安全水平，开展港口机械设备运行稳定性研究具有重要意义。摘要：为解决港口机械设备运行中的安全隐患问题，基于模糊数学原理，提出一种基于 AHP-TOPSIS 法的港口机械设备运行可靠性评判模型。从人、机、环、管 4 个维度出发，构建“三违”率、设备检修率等影响港口机械设备运行可靠性的 16 个评价指标体系，构建设备运行可靠性评判标准；通过 AHP 确定指标权重，进而结合 TOPSIS（逼近理想解）排序法。以山东烟台港大型吊装设备为例，利用该模型分析机械设备运行稳定性并找出安全隐患，表明该模型能有效探明影响设备稳定性的主要因素，具有一定参考价值。关键词：港口机械；AHP；TOPSIS；稳定性中图分类号：U653.92；X913.3文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.27基于 AHP-TOPSIS 的港口机械设备安全风险评价研究付景浩，王浩楠（烟台市烟台港股份有限公司矿石码头分公司，山东烟台264000）輪輴设备管理与维修2023 翼10（下）基于模糊数学理论，构建一种基于 AHP-TOPSIS 的机械设备运行稳定性评价模型，以山东烟台港机械设备运行状况为背景，分析设备运行稳定性，并结合分析结果查明设备的薄弱环节，降低设备故障率，以期为港口机械设备运行稳定性分析提供理论支撑。1港口机械安全风险指标体系构建港口机械设备的运行稳定性评价，是对机械设备全生命周期内的本质安全、资源合理利用和运行质量的综合评价，需要科学合理的选取评级指标。综合考虑各评价指标的实用价值，优选了 16 个具有代表性的影响港口机械设备的运行稳定性的因素作为评价指标，并基于因果交叉理论和事故致因理论，按照人、机、环和管 4 个维度将其分为人为因素、机械设备因素、环境因素和管理组织因素 4 个方面，构建层次结构指标体系，港口机械设备的运行稳定性评价分为目标层、准则层和单因素指标（图 1）。2AHP-TOPSIS 综合评判模型构建2.1基于 AHP 指标综合权重分析AHP（Analytic Hierarchy Process，层次分析法）在指标权重确定过程中主要由人为因素进行定性分析，以大数定理为基础，构建期望回归的数值模拟方法，以实现对指标权重的确定。（1）决策矩阵同一化。针对指标体系中指标类型不同及量纲不同，对指标按照不同标准进行同一化处理和无量纲化处理。rij=xijmi=1移xij2姨（1）（2）加权决策矩阵的建立。加权决策矩阵是决策矩阵与指标体系权重矩阵的对应性乘积。其中，Wj为第 j 指标的权重。C=（cij）m伊n=（wjrij）m伊n=w1r11 wjr1j wnr1nw1ri1 wjrij wnrinw1rm1 wjrmj wnrmn晌尚上上上上上上上上上上上上上上上裳捎梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢（2）（3）样本贴近度计算：正理想解和负理想解求取见式（3）；样本指标与理想解的距离可以通过空间欧氏距离进行衡量，样本指标与理想解距离计算见式（4）。A+=maxciji渣 j沂J1蓸蔀，minciji渣 j沂J2蓸蔀，渣i=1，2，m=c1+，c2+，cn+A-=minciji渣 j沂J1蓸蔀，maxciji渣 j沂J2蓸蔀，渣i=1，2，m=c1-，c2-，cn-扇墒设设设设设设设缮设设设设设设设（3）S+=nj=1移（cij-cj+）2姨S-=nj=1移（cij-cj-）2姨扇墒设设设设设设缮设设设设设设（4）2.2AHP-TOPSIS 模型AHP-TOPSIS 综合评判模型中，以 AHP 确定安全评价指标体系的综合权重，进而结合 TOPSIS 模型确定的相对贴近度评判矩阵，以获得最优的安全评价结果。其数学表达可描述为：F=着E。3实例分析烟台港地处山东半岛东端，扼渤海湾入海口，靠近国际主航道，处东北亚国际经济圈的核心地带，与日本、韩国隔海相望，是中国大陆沿海主枢纽港之一。烟台港具有矿石、油品、液化、LNG、化肥等稳定大宗货源现代综合物流体系平台，成为东北亚地区极少数同时拥有矿石、油品、煤炭、集装箱 4 大货类深水大型码头的港口之一。因此，整个码头具有极为复杂的机械设备系统，包括装载机、转载机、吊装设备、运输设备、门座起重机、装船机等。大宗货物到港后由于装卸时间的限制，常需要多种设备联合使用，存在较多的交叉作业现象，这增大了各机械设备事故的发生率，因此需要对港口机械设备的运行安全性进行评判。3.1指标权重的确定在建立得港口机械风险评价指标体系之上，以 1-9 标度值分别对 4 类一级指标以及 24 项二级指标以进行重要度标度，进而对评判矩阵进行特征向量和特征值求解，从而进行一致性检验，检验通过则进行权重记录。将权值进行均一化处理，作为港口机械安全风险评价指标的最终权重（表 1）。其中，“三违”是指生产作业中违章指挥、违章作业、违反劳动纪律这三种现象。图 1层次结构指标体系一级指标一级指标权重二级指标二级指标权重人员因素0.286人员的“三违”率0.425月培训时常0.158设备因素0.208设备承载能力0.154设备检修程度0.124防护程度0.102设备工作时常0.152运输距离0.214设备完好度0.168环境因素0.224百万吨事故率0.165工作难易程度0.125作业空间合理性0.106货物码放整齐度0.148货物种类0.102管理因素0.282安全措施完善率0.198应急机制完善率0.382表 1机械设备安全风险评价指标权重值輪輵设备管理与维修2023 翼10（下）3.2TOPSIS 指标综合评价根据港口机械设备安全系统的特点，将港口机械设备风险评价体系中的各类指标对港口机械设备安全风险的影响划分为4 个等级，分别记为玉级（轻微影响）、域级（一般影响）、芋级（较大影响）和郁级（严重影响）。同时结合相关研究成果，对各指标因素的量化进行分级。定性指标中的部分危险性存在指标以 0和 1 进行划分，而能够进行分级的指标，分别按照影响等级从小到大以 0.2、0.4、0.6、0.8 进行标注，则港口机械设备风险评价指标对港口机械设备安全风险的影响程度如表 2 所示。同时，基于收集的山东烟台港 2020 年 7 月份的相关指标信息建立人员因素初始评判矩阵，对烟台港的安全状况进行判定：Dh=0.80.80.20.80.80.60.60.40.60.60.40.40.60.40.40.20.20.80.20.20.80.80.40.60.6杉删山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫由于安全风险评价指标的人员因素中，“三违”次数属于损耗性指标，值越小越好；而其他的 4 个指标，均属于效益性指标，值越大越好，因此结合式（2）、式（3）构建加权决策矩阵：Ch=0.1250.15800.1320.1640.0830.1050.1400.0880.1090.0420.0530.2810.0440.055000.0421000.1250.1580.1400.0880.109杉删山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫根据式（4）计算人员因素正理想解为 A+=0.125，0.158，0，0.132，0.164，负理想解为 A-=0，0，0.281，0，0，则基于人员因素的各安全风险等级的贴近度为 Eh=0.215，0.222，0.584，1，0.358。同理，计算可得基于设备因素的各安全风险等级的贴近度为Ed=0.235，0.362，0.423，1，0.268，基于环境因素的各安全风险等级的贴近度为 Ee=0.264，0.285，0.379，1，0.306，基于管理因素的各安全风险等级的贴近度为 Em=0.284，0.265，0.408，1，0.322。3.3机械设备安全风险评价根据 TOPSIS 模型计算的指标综合评价贴近度，可得出安全风险等级综合评判矩阵：E=0.2150.2220.58410.3580.2350.3620.42310.3220.2640.2850.37910.3060.2840.2650.40810.268杉删山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫结合已计算的机械安全风险评价指标体系中的准则层权重，则可得综合评价矩阵的结果为：F=0.185，0.277，0.455，1，0.289则港口机械设备安全风险等级可按照表 3 划分级别。表 3港口机械设备安全风险等级量化综上分析，结合表 3 的分级结果可知，山东烟台港在 2020年 7 月份的煤港口机械设备安全风险评价的结果为 0.289，表明该阶段设备安全风险量化分级属于芋级风险。由表 1 可知，人为因素对机械设备运行稳定性影响最大，其权重为 0.286。由此可见，人为因素是影响港口机械设备运行稳定性的关键因素，其中人员的“三违”率、应急机制的完善率等因素在权重总排序中占比较大，因此港口机械作业时需要加强对这些因素的管理。4结束语（1）挖掘了港口机械安全事故致因，结合指标体系构建原则，从人为因素、机械设备因素、环境因素和管理组织因素 4 个方面，构建层次结构指标体系。（2）构建了 AHP-TOPSIS 的港口机械设备安全风险评价模型。以 2020 年 7 月份山东烟台港机械吊装设备的数据为例，利用 AHP-TOPSIS 模型对山东烟台港机械吊装设备当月的安全风险等级进行评价，结果表明安全风险等级为芋级，对设备的安全管理具有一定指导意义。参考文献1敖维川.基于层次分析与模糊综合评判的建筑起重机械现场安全评价体系研究 D.成都：西南交通大学，2019.2杜春晖.基于多技术融合的煤矿井下采掘运输设备防碰撞系统 J.煤炭学报，2020（S02）：1060-1068.3王晓荣.变频调速技术的港口船舶起重机械稳定性评估 J.舰船科学技术，2021，43（14）：217-219.4付犇，詹晓玲，雷刚.基于层次分析云模型的化工机械系统安全评价 J.安全与环境工程，2020，27（3）：142-146.5徐建东.基于 LM 神经网络的起重机械本质安全评价方法研究 J.电子制作，2015（1）：238-240.6郝昊.借助无失效数据的煤矿机电设备可靠性评判研究 J.能源与节能，2020（3）：135-137.7何宇东.基于神经网络的起重机械安全评价方法研究 D.南昌：南昌大学，2012.8徐鹏.基于粗糙集的建筑起重机械安全精细化评价研究 D.西安：西安建筑科技大学，2015.编辑吴建卿安全风险界别玉级域级芋级郁级量化标准臆0.185约0.277约0.455约1一级指标二级指标指标体系对安全风险影响等级玉级域级芋级郁级人员因素人员的“三违”率0.80.60.40.2月培训时常0.80.60.40.2设备因素设备承载能力0.20.40.60.8设备检修程度0.80.60.40.2防护程度0.20.40.60.8设备工作时常1000设备完好度00.20.40.2运输距离1000环境因素百万吨事故率0.80.60.40.2工作难易程度0111作业空间合理性01.011货物码放整齐度0.20.40.60.8货物种类0.20.40.60.8管理因素安全措施完善率0.80.60.40.2应急机制完善率0111表 2机械安全风险影响因素等级划分輪輶