基于FMEA和模糊综合评判的船舶安全评估

安全是船舶运输永恒的主题. 20 世纪初 ,泰坦 尼克号的沉没产生了著名的国际海上人命安全公约 ( SOL A S 公约) . 遗憾的是 ,至今人们对船舶安全的 认识和改进大都还是当船舶发生事故之后才注意到 问题的所在. 该公约生效以来 ,对一系列油船 、客船 、 散货船的海难事故几乎重复着同样的做法. 可以说 国际海事组织 (internatio nal maritime organizatio n , IMO) 在过去几十年修改船舶安全规则时 ,基本上是 基于经验或事故教训 ,因此这样的规则修改只能是 一个亡羊补牢 、被动吸取经验教训的过程. 如何将船
FM EA 通过标准表格形式进行分析时的表格 制作过程如图 1 所示[3 ] .
图 1 FM EA 工作过程 Fig. 1 FM EA p rocess
1. 2 FM EA 船舶评估过程中的缺陷 鉴于国内船舶领域缺少 FM EA 经验 ,很难找到
准确的概率资料 ,所以有必要进行调查研究 ,尽可能 地掌握准确数据或定性地给出概率类别. 由设计人 员 、使用人员等对故障出现的概率 O ,故障严重程度 S 和故障检测难易程度 D 打分 , 形成 3 种十分制的 分数 ,最后连乘 ,得到风险顺序数 ( RPN) [4] . 由于对 不同系统和部件 ,这 3 类评判对象对风险的贡献不 同 ,所以 FM EA 的风险评估定量分析不尽客观严 密 ,不容易得到综合评估的效果.
Abstract :Since many evaluatio n element s are involved in FM EA (failure modes and effect s analysis) met hod and it s co ncept s are f uzzy , a f uzzy co mp rehensive evaluatio n met ho d is applied to imp rove FM EA in t his st udy. A s a case st udy , a survey o n water jet hydraulic system of a high speed ro2ro ship is co nducted and t hen t he f uzzy co mp rehensive evaluatio n model is developed to analyze t he whole system. The result show s t hat t he o bject is working in good co nditio n. The p rocess indicates t hat FM EA co mbined wit h f uzzy co m2 p rehensive evaluatio n is suitable fo r safet y assessment of a high speed ro2ro ship . Keywords :failure modes and effect s analysis ( FM EA) ;f uzzy co mp rehensive evaluatio n ; water jet hydraulic system ; safet y assessment
Hale Waihona Puke Baidu
析 ,可使传统的 FM EA 得以改进 ,并建立 Fuzzy 意
义上的 FM EA 综合评估方法.
1. 3 模糊综合评判方法介绍
二级模糊评判模型如下 :
B
=
A°R
=
A°
A1 A2
°R1 °R2
.
式中 : Ri 为模糊因子集 (隶属度矩阵) , Aj 为权重向
量 , B 为模糊综合评判结果 ,上标°为模糊算子.
因素 ui , uj 相比较的
重要程度等级
ui 与 u“j 同等重要” ui 比 u“j 稍微重要” ui 比 u“j 明显重要” ui 比 u“j 强烈重要” ui 比 u“j 绝对重要” ui 比 u j 的重要程度介
于各等级之间
f uj ( ui )
1 3 5 7 9 2 ,4 ,6 8 之一
过归一化处理即可得到各个因素对应等级的隶属
度 ,从而得到单因素评判矩阵 Ri . 1. 3. 2 权重[5] 的确定
通过表格 1 应用 A H P (层次分析法) 得出各因
素的相对重要性.
表 1 因素重要程度判断值表 Table 1 Judgement of factor importance degree
f ui ( uj )
1 1 1 1 1 1
注
两个等 级判断 值的中 值
令
bij
=
f uj ( ui ) f ui ( uj )
, i|
j
= 1 ,2 ,
……, m ,由
m ×m 个
第 3 期 崔文彬 ,等 :基于 FM EA 和模糊综合评判的船舶安全评估
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常有“很好”“、很差”、“较好”、“较差”等较模糊
的概念 ,而且往往会采取征求专家经验和意见的方
法 ,这些经验和意见一般具有模糊性.
针对传统 FM EA 在对船舶安全评估的缺陷及
船舶安全影响因素的特点 ,采用模糊数学分析方法
进行改进 ,将风险数据由分明集改成与采集相适应
的模糊集 ,并对 ( RPN) 对风险的贡献采用加权分
FM EA 常用的 2 种基本方法[4] 是硬件分析法 和功能分析法. 硬件分析法是根据系统功能框图和 可靠性框图 ,对组成系统的各个单元可能发生的所 有故障模式及其对系统功能的影响进行分析 ,并列 出表格 ;复杂系统的每一个分系统或单元都有一定 的设计功能 ,每一种功能就是一项输出 ,逐一列出这 些输出 ,分析它们的故障模式及其对系统功能的影 响 ,即为功能分析法. 这 2 种方法互有利弊 ,实际工 程中究竟采用何种方法进行分析 ,可取决于所利用 的资料 、信息多少和系统的复杂程度.
1. 3. 4 结果的处理
m
∑ai rij , j = 1 , 2 , …, n.
i =1
.
为了能更直观地看出结果 , 将向量结果 B = [ b1
b2 … bn ]通过加权平均 (重心) 法转化为一个简单百
分制数[6] ,作为评估项目的综合评价值 ,即
Z = B ·CT .
式中 : C 为等级化向量[ d1 d2 … dn ].
1. 3. 1 隶属度的确定
在建立模糊评判模型时 ,采用专家调查和集值
统计方法相结合来构造单因素评判矩阵. 首先制作
专家打分调查表 ,通过专家评判给分 ,即专家对每一
具体评价对象的每一项指标 ,根据专家的经验和看
法进行认定 ,在打分表对应等级处打勾 ,再通过对专
家调查表统计 ,得到各个因素对应等级的频率数 ,经
影响船舶安全的因素很多 ,船舶安全管理体系
中既有可以用数量值精确描述的指标 ,又有概念模
糊难以进行精确定量分析与评价而必须凭借人的主
观经验去度量的指标. 其特点为 :
1) 涉及的评价因素多.
影响船舶安全的因素有很多 ,它们相互制约 ,相
互影响 ,很难综合各方面因素做出一个更接近实际
的综合评价.
2) 涉及的模糊概念多.
第 28 卷第 3 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol. 28 №. 3 2007 年 3 月 Jo urnal of Har bin Engineering U niver sit y Mar. 2007
对特征向量ξ= [ x1 x2 … x m ]归一化作为权重 :
A = [ a1 a2 … am ] .
1. 3. 3 模糊算子上标°的确定 :
就理论上而言 ,广义模糊合成运算有无穷多种 ,
根据本文例子中的特点 ,选用 :
M (·, ) bj =
m
即 bj = min 1 , ∑ai rij i=1
bij ,可构造判断矩阵为
b11 b12 b21 b22
B= ⁝ ⁝
… b1 m … b2 m ⁝ ⁝.
bm1 bm2 … bmm 显然 , bii = 1 , bij = 1/ bji . 根据判断矩阵 B , 计算它的 最大特征根λmax 及其所对应的特征向量 :
ξ = [ x1 x2 … x m ] . 一致性检验 :
发展起来的一种可靠性分析技术[2] . 该技术既可以 用在事先预防阶段 ,分析潜在的故障模式及其原因 ,
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哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 28 卷
采取预防措施防止缺陷 (故障) 发生 ,也可以用在事 后改进阶段 ,分析已经发生的故障模式及其原因 ,采 取改进措施 ,并防止缺陷 (故障) 再次发生. 它在制造 业运用得较为广泛 ,可以在设计阶段和在产品投产 前分析产品 ,也可以在制造 、装配等过程中对各种过 程加以分析. 在非制造业 , FM EA 也同样可以作为 过程管理的一个非常有效的工具[3] .
2 实例分析
交通部基金项目 ———“大型高速客滚船的故障 模式和影响分析”研究课题使用 FM EA 对高速客滚 船进行安全评估. 文章以高速客轮“海燕”号的喷水 推进系统器液压系统为研究对象 ,应用 FM EA 功能 分析法与模糊综合评判相结合对其进行分析 ,流程 图如图 2. 2. 1 评价指标体系与标准确定
舶安全维护由被动变为主动 ,就应“防病”,而非仅是 “治病”. 事实上 ,大多数工程技术人员在进行产品 、 工艺设计工作中 ,都自觉或不自觉地联想自己的设 计是否能在实际操作中实现 ,有哪些因素对它产生 影响或设计本身会对哪些方面产生影响等 ,却没有 对其进行系统 、量化地预测和评估并采取必要的防 范措 施. 故 障 模 式 影 响 分 析 ( failure mo des and effect s analysis , FM EA ) 是 解 决 此 问 题 的 有 效 方 法[1] .
1 模型简介
收稿日期 :2006209220. 基金项目 :交通部科技资助项目 (200432922506) . 作者简介 :崔文彬 ( 1981 - ) ,男 ,硕士 , E2mail : cuiwenbin2000 @163.
co m ; 吴桂涛 (1968 - ) ,男 ,博士 ,副教授.
1. 1 FM EA 模型简介 FM EA 即“故障模式和影响分析”,是从实践中
基于 FM EA 和模糊综合评判的船舶安全评估
崔文彬 ,吴桂涛 ,孙培廷 ,张余庆
(大连海事大学 轮机工程学院 ,辽宁 大连 116026)
摘 要 :针对综合安全评估过程中故障模式影响分析 ( FM EA) 表格涉及的评价因素多 、模糊概念多以致评价不够精 确的缺陷 ,运用模糊综合评判方法加以改进. 以高速客轮综合安全评估为例 ,选择喷水推进器液压系统为研究对象 , 应用 FM EA 方法 ,制作出专家调查表格 ,表格回收汇总后 ,应用模糊综合评判方法建模并进行分析 ,分析结果表明 , 喷水推进器液压系统安全可靠. 评估过程中 ,模糊综合评判方法对 FM EA 方法进行补充 ,使高速客滚船 FM EA 综合 安全评估过程更加合理. 关键词 :故障模式影响分析 ;模糊综合评判 ;喷水推进器液压系统 ;安全评估 中图分类号 : X951 文献标识码 :A 文章编号 :100627043 (2007) 0320263206
计算一致性比率 RC (co nsistent ratio)
RC
=
IC IR
.
式中 , IC 为一致性指标 (co nsistent index)
IC
=λmnax-
1
n
.
当 RC < 0. 1 时 ,认为判断矩阵的一致性是可以
接受的 ,否则应对判断矩阵作适当修正.
取 xi 作为因素 ui 重要程度系数 ai , 必要时再
Ship safety assessment based on FMEA and f uzzy comprehensive evaluation methods
CU I Wen2bin , WU Gui2tao , SU N Pei2ting , ZHAN G Yu2qing
(School of Marine Engineering , Dalian Maritime U niversity , Dalian 116026 ,China)