（机械设计及理论专业论文）起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价.pdf

中文摘要 中文摘要 风险评价理论在核工业、海洋领域、化工领域等已经取得巨大的成就，在中国的起 重机械行业已形成庞大的企业和用户群，且起重机械的事故呈上升趋势，急需建立适合 起重机械的风险评价方法。 通过收集资料、研读分析等透彻理解风险评价理论起源、发展和现状，把握风险评 价方法的难点与问题所在及风险评价方法的发展趋势，梳理各种风险评价方法的优点与 不足，从而确定建立定量的风险概率经济性评价方法。本方法以安全系统工程的系统的 观点出发：首先比较分析风险识别方法，确定以f t a 为主f m e a 为辅方法来识别风险， 从人一机一环三个方面，建立起重机大车运行机构故障树得到风险因素；其次计算风险概 率和风险严重度，以模糊可靠性理论和第二代人因可靠性来估算机械设备和人的可靠 性。依据安全经济学的经济观点把风险严重度转化为风险经济损失，利用a h p 方法和 事故经济损失评估技术得到量化的风险经济损失，从而得到单个风险因素项目的风险 度，以风险概率、风险损失和风险度来确定系统的评价项目；再次对a l a l 冲原则进行 深入研究，确定合适的风险评价定性和定量标准；进而检查系统的评价项目风险状况和 系统的安全预防、监测和控制措施等，通过定量的风险评价标准得到系统风险度，根据 系统风险度，来采取预防、监测和控制措施，给出评价报告；然后以起重机大车运行机 构为实例，检验所建立方法是正确和可行的；最后以v c + + 为编程工具，结合数据库技 术和c o m 技术，编写大车运行机构风险评价软件，实现绘制故障树、风险评价和评价 报告。 关键字：定量；风险评价；风险概率；风险损失；系统等级 h a b s t r a c t a b s t r a c t 砀er i s ka s s e s s m e n tt h e o r ya l r e a d ya c h i e v e dt h eh u g ea c h i e v e m e n t i n n u c l e a ri n d u s t r y ，m a r i n ef i e l d ，c h e m i c a ls e c t o ra n ds oo n ，a n dh o i s t i n g m a c h i n e r yi n d u s t r yh a sf o r m e dt h eh u g ee n t e r p r i s e sa n d u s e rg r o u p si nc h i n a h o w e v e r h o i s t i n gm a c h i n e r y sa c c i d e n t sa r ei n c r e a s i n ge v e r yy e a r ，t h e s u i t a b l e r i s ka s s e s s m e n tm e t h o do fh o i s t i n gm a c h i n e r yu r g e n t l yw a sn e e d e dt o b e e s t a b l i s h e d i t si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n d i n gt h eo r i g i n s ，d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no f r i s ka s s e s s m e n tt h e o r yb yc o l l e c t i n gm a t e r i a l ， f u r t h e rr e a d i n g ， n o t i n g ， c a r e f u l l ya n a l y z i n ga n ds oo n ，m a k i n gc l e a r l ye a c hk i n do fr i s ka s s e s s m e n t m e t h o d - sm e r i ta n di n s u f f i c i e n c y ，a n dm a s t e r i n gt h ed i f f i c u l t ya n dq u e s t i o no f t h er i s ka s s e s s m e n tm e t h o da n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fr i s k a s s e s s m e n t m e t h o d f i n a l l yq u o t ap r o b a b i l i t yr i s k a n de c o n o m ya s s e s s m e n tm e t h o di s d e c i d e dt ob ee s t a b l i s h e d t h i sm e t h o db a s e so ns y s t e mv i e w p o i n to fs a f e t y s y s t e me n g i n e e r i n g ：f i r s t l y ，t h o u g hc o m p a r i n g a n da n a l y z i n gr i s ki d e n t i f i c a t i o n m e t h o d ，t h es c h e m ei sd e t e r m i n e dt h a ti t i sf t a b a s e da p p r o a c ht oi d e n t i f y r i s k s ，s u p p l e m e n t e db yf m e a f r o m t h eh u m a n m a c h i n e e n v i r o n m e n tt h ef a u l t t r e eo ft h et r a v e l i n gm e c h a n i s mo ft h el a r g e rt r a v e l e r so fc r a n ei sb u i l tt og a i n t h er i s kf a c t o r ；s e c o n d l y ，i ti sc r u c i a lt oc a l c u l a t i n gr i s kp r o b a b i l i t ya n dr i s k s e v e r i t y ：t h er e l i a b i l i t yo fm e c h a n i c a le q u i p m e n tw a s u s e dt h ef u z z yr e l i a b l e t h e o r ya n dr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y ，a n dt h er e l i a b i l i t yo fp e o p l ew a st a k e nt h e s e c o n d g e n e r m i o no fp e r s o nr e l i a b i l i t y t e c h n o l o g y 1 1 1 e r i s k s e v e r i t yw a s t r a n s f o r m e dt h er i s ke c o n o m i cl o s st h o u g ht h ev i e w p o i n to ft h es e c u r i t y e c o n o m i c ，i tu s e dt h ea h pm e t h o da n dt h ea c c i d e n te c o n o m i cl o s sa p p r a i s a l t e c h n o l o g yt oc a l c u l a t et h eq u a n t i f i c a t i o nr i s kl o s s s oi t o b t a i n st h ev a l u eo f s i n g l ep r o j e c tr i s k ，s y s t e m sa p p r a i s a lp r o j e c t sa r ea b l et od e t e r m i n eb yt h er i s k p r o b a b i l i t y ，t h er i s kl o s so rt h er i s k i t i sa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yt or e s e a r c h d e e p l yt h ea l a i 之pp r i n c i p l eb e f o r et h ea p p r o p r i a t e r i s ka s s e s s m e n ts t a n d a r dw a s m a d e t h e nu s i n gt h ec o n d i t i o no fs y s t e m sa p p r a i s a lp r o j e c tr i s ka n dc h e c k i n g s a f e t yo f t h es y s t e mo fp r e v e n t i o n ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm e a s u r e s ，s y s t e m i c i v ，t努 。n。、_参：簟f移警蠹； 目录 目录 第一章绪论1 1 1 前言11 刖舌l 1 2 起重机械风险评价的研究现状和研究必要性2 1 2 1 风险评价理论在工程领域研究现状2 1 2 2 风险评价理论在起重机械领域研究现状3 1 2 3 起重机械风险评价理论与方法研究的必要性3 1 3 风险评价研究现状与问题4 1 3 1 风险识别方面4 1 3 2 风险概率估计方面4 1 3 3 风险后果估计方面：j 5 1 3 4 风险评价标准方面5 1 4 课题背景与研究内容6 1 4 1 课题背景6 1 4 2 本文的研究内容及技术路线：6 1 5 本章小结7 第二章风险评价体系及风险识别9 2 1 风险评价概述9 2 2 风险评价的基本概念9 2 3 风险识别1 1 2 3 1 故障类型和影响分析( f m e a ) 11 2 3 2 故障树分析( f 1 a ) 1 3 2 3 3f m e a 与f t a 的比较1 6 2 4 起重机大车运行机构风险识别示例1 6 2 4 1f m e a 对大车运行机构风险识别1 7 2 4 2f a t 对大车运行机构风险识别2 0 2 5 本章小结2 4 第三章定量的风险概率经济性评价方法2 5 3 1 风险概率经济评价方法概述2 5 3 2 风险评价中事件概率的定性评价2 6 3 2 1 形成故障树关联矩阵2 6 i 目录 3 2 2 故障树关联矩阵运算法则2 7 3 2 3 故障树关联矩阵运算步骤瞄1 2 7 3 3 风险评价中事件概率的定量分析2 8 3 3 1 确定底事件失效概率2 8 3 3 2 确定顶事件失效概率3 2 3 3 3 确定各基本事件的重要度3 5 3 4 风险损失估计方法研究3 6 3 4 1 层次分析法3 6 3 4 2 风险损失估计方法层次分析法4 0 3 5 确定风险评价项目4 2 3 6 风险评价标准4 3 3 6 1 风险评价的a l a r p 原则4 3 3 6 2 定性风险评价标准4 4 3 6 3 定量风险评价标准4 5 3 6 4 系统风险4 5 3 7 风险控制4 6 3 8 本章小结4 6 第四章风险评价实例4 7 4 1 前言j 4 71 刖舌4 ， 4 2 大车运行机构风险因素的定性分析j 4 7 4 3 大车运行机构风险因素的定量分析4 8 4 3 1 基本事件中机械设备可靠性4 8 4 3 2 基本事件中人的可靠性4 9 4 3 4 确定系统顶事件失效概率5 0 4 4 大车运行机构风险损失5 0 4 4 1 大车运行机构风险损失分类5 1 4 4 2 构造合理的判断矩阵5 1 4 4 3 判断矩阵的最大特征值和对应向量并做一致性榆验5 1 4 4 4 计算风险损失5 2 4 5 确定风险评价的风险项目5 2 4 6 评价系统风险5 4 目录 4 7 本章小结5 4 第五章起重机大车运行机构风险评价软件开发5 5 5 一1 前言5 5日u 舌5 5 5 2c s e e 系统框架结构及系统模型5 5 5 3 软件系统编程技术5 5 5 4c s e e 主要功能模块和特点5 7 5 4 1 风险识别模块5 7 5 4 2 风险估算模块5 8 5 4 3 风险评估模块5 9 5 4 4 评价结果输出模块6 1 5 5 本章小结6 2 第六章结论与展望6 3 6 1 研究工作与结论6 3 6 2 创新之处6 4 6 3 进一步研究的设想和建议6 4 参考文献6 7 致谢7 1 攻读学位期间发表的学术论文目录7 3 l v t=|每，“zp诚，了，文 绪论 第一章绪论 1 1 前言 人类自工业革命开始，工业事故不断升级，进入大规模的工业社会后，技术灾难就 接踵而来，致使生产安全问题同益突出。特别2 0 世纪全球的十大工程技术灾难，使人类 认识到利用生产技术获得利益的同时，也为生产技术赋予的利益付出巨大的代价。工厂 ( 场) 、矿山和港口等生产过程中运用的起重设备、运输设备、锅炉、压力容器等，如 果应用失控或发生故障，随时可能释放破坏能量产生灾难后果。人类丌始思考为得到的 利益和享受所承担的技术风险是否值得，能否把技术风险代价降低下来、控制技术风险 所带来的后果、正确的评价技术风险。在清醒和理智的反省中“善待生命，正视现实， 警觉灾患”，如何有效地战胜技术风险成为现代社会所面临的重大挑战【l 】。 风险是客观世界的不确定性和人的主观有限性造成。本文风险是特指工业生产过程 中采用技术而带来的技术风险，就其不确定性性质而言，既表现为技术可靠性和人在技 术中的可靠性，又表现为技术故障和人的失误导致的损失大小。对应于不确定性的两个 方面，人们总是追求高可靠性和低的事故损失。 风险的存在以及生产管理人员对风险的苛刻要求促生了风险评价。风险评价最先出 现在2 0 世纪3 0 年代的保险行业，2 0 世纪6 0 年代开始全面、系统地研究企业、装置和设施 的风险评价原理和方法。1 9 7 5 年由麻省理工学院n r a s m u s s e m 领导的研究小组发表 ( ( w a s h1 4 0 0 ：反应堆安全研究( w a s h1 4 0 0 ：t h er e a c t o rs a f e t ys t u d y ) 说明风险概率 评价( p r a ) 为代表的系统风险评价技术得到了研究和开发。随后学术界又开发一系列 以概率论为理论基础的有特色的风险评价方法 2 - - 3 】。国内在1 9 8 1 年首次由原劳动人事部 组织有关的科研机构和大专院校进行风险评价研究工作。1 9 8 8 年，原机械电子工业部颁 布了机械工厂安全评价标准，1 9 9 2 年，广东劳动保护研究所完成了工厂危险程度分 级方法。风险评价经过多年发展积累逐渐形成了三大类定性风险评价、半定量风险评价 和定量风险评价。随着风险评价的蓬勃发展又形成了新的学科风险管理学【4 j 。 我国起重运输( 物料搬运) 机械行业从上世纪五、六十年代丌始建立并逐步发展壮 大，开发研制了各种类型的产品，形成了庞大的企业群体。表1 1 是n 2 0 0 8 年1 2 统计，我 国起重运输( 物料搬运) 行业生产销售总值。同时起重运输设备事故也呈上升趋势，起 重运输机械伤害事故占全部工业企业伤亡事故的比例己达1 5 左右，占生产性事故的 2 0 左右。同时国内各大企业、研究机构和高校已经丌始关注起重运输机械事故，并利 用可靠性理论对其结构使用寿命进行研究，对其安全操作也做了相应的规定，国家对操 作人员也做了相应要求。但针对起重运输机械系统做出j x l 险评价的理论和方法，即能对 l 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 在役的起重运输机械做出合理科学的风险评估的理论和方法还没有出现。 表1 12 0 0 8 年1 - 1 2 月物料搬运( 起重运输) 机械行业生产销售总值表 t a b1 1t h ep r o d u c t i o na n ds a l e sv a l u eo fm a t e r i a lh a n d l i n g ( h o i s t i n ga n dc o n v e y i n g ) m a c h i n e r y 工业总 企业 产值 同比新产品同比工业销售同比出口同比 名称增长产值增长产值增长交货值增长 个数 ( 亿 ( ) ( 亿元) ( ) ( 亿元) ( ) ( 亿元) ( ) 元) 物料搬运( 起重运 1 5 9 92 7 5 3 9 22 7 6 77 0 5 8 9 2 8 9 5 2 7 0 6 1 42 9 6 75 3 7 2 62 0 0 1 输) 机械行业 其中：中型企业 1 6 61 1 0 7 6 92 2 5 64 1 5 8 2 3 7 0 7 1 0 9 0 6 52 7 5 43 4 7 5 81 9 7 4 其中：二资企业 2 5 31 1 6 4 6 72 0 0 54 8 9 5 13 0 5 41 1 5 6 1 52 4 1 03 7 4 0 91 7 5 1 喜冰私刖蠲黝业 1 1 6 29 8 1 4 23 7 1 26 7 5 31 9 7 1 9 5 4 5 6 3 6 8 48 0 2 51 5 8 3 1 2 起重机械风险评价的研究现状和研究必要性 起重机械事故的频繁发生使得从事起重机械的管理、设计、制造、研究和操作人员 在内心深处留下无法磨灭的烙痕，使人们深刻认识到在起重机械的寿命周期内所面临的 巨大挑战，产生一系列的问题需要去深思和研究，例如为什么会发生事故、事故如何发 生、事故发生的规律性、事故发生的可能性、事故损失、如何减小事故发生的可能性以 及降低事故损失。上述问题是风险评价的研究内容，可通过对起重机械进行风险评价的 研究来科学地回答这些问题。 1 2 1 风险评价理论在工程领域研究现状 在工程领域里，风险的研究及应用起始于美国能源部为核工业所作的安全评价，随 后在航空、电子、石油、金融、化工、汽车、船舶和许多工业领域，压力容器和管道领 域也得到了广泛应用。但是对于不同的领域、不同的专业、不同的应用背景下，风险的 定义及风险的分析方法常常不尽相同，即产生“仁者见仁，智者见智 的理解。 核工业的行业特殊性，2 0 世纪5 0 年代木欧美国家首先将风险评估应用于核电厂的安 全性分析之中，到了2 0 世纪7 0 年代，概率安全分析( p r o b a b i l i s t i cs a f e t ya n a l y s i s ，p s a ) 方法在核工业中得到了发展：在海洋领域，风险评估研究起始于1 9 8 1 年挪威石油工业协 会颁布了海洋平台的安全分析规范；在化工领域，风险评估多集中在化工企业，以著名 的d o w 指数法和蒙德法为代表；在石油工程领域罩，以1 9 6 7 年英国卫生与安全管理局 针对坎维尼岛( c a n v e y ) 的炼油厂进行了风险评估为起点。在医疗卫生领域，风险评估 主要集中在医疗服务和医疗器械方面。在水电工程领域罩，伊泰普工程的规划、设计和 施工，j x l 险评估对各方面的关键决策均提供了有力的支持。地铁工程、隧道工程、铁路 工程等就工程规模或者难度而言，都属于高风险工程项目，风险评估在些也得到了广泛 的应用。 2 绪论 1 2 2 风险评价理论在起重机械领域研究现状 随着经济的健康快速的发展，我国起重机械制造业突飞猛进。从风险事故发生的态 势来看，起重机械面临的各种事故和潜在风险同益严重性，一方面表现为事故发生的可 能性比过去大大增加，除受到人为因素、自然因素所带来的风险外，还会受到结构形式 创新、新技术的应用、特殊工作条件要求等带来的一些新的风险事态。另一方面表现为 风险事故的后果严重程度大大增加，从目前国内已建和在建的起重运输设备来看，投资 规模动辄上千成、几亿，这个的研发投资无论对于投资者还是国家，都是巨大的数目， 风险事故所造成的生命、财产损失程度将会大大增加，对社会也会产生非常大的不利影 响。 我国对起重机械的研究主要集中在结构可靠性、关键的安全装置、起重运输机械事 故分析、起重运输机械操作和安全管理等方面。在“十一五 国家科技支撑计划项中开 展了“大型机电类特种设备安全保障关键技术研究及工程示范课题的研究【5 1 。此项研 究涉及起重机，塔式起重机、电梯、游乐设施、客运索道、场( 厂) 内机动车辆等机电 设备的安全状况的评价，使我国在大型机电类特种设备安全管理等方面有了较大提高， 从理论到技术都有了一定的认识。但对于起重机械形成系统的j x l 险评价理论和方法还需 进一步研究，而在起重机械行业真正科学实现风险评价还需进行大量的工作和努力。 1 2 3 起重机械风险评价理论与方法研究的必要性 根据起重机事故分析统计来看，起重机械运行阶段成为起重机械风险评价的重点之 一，主要有以下几个方面决定的： 1 ) 起重机械运行阶段风险评价是减少事故发生的客观需要 在起重机械的全寿命周期中，设计、制造和安装所占比例周期时间少，运行阶段不 仅时间长而且涉及因素多，面临来自自然界的，社会的、技术的、人为的、材料的不确 定性因素影响，一旦事故发生，生命及财产就会遭受很大损失，同时事故所衍生的社会 成本损失更是难以估计，所以决策过程中必须对各种极端事件进行充分的考虑。通过风 险评价，了解和掌握起重机械运行阶段潜在的j x l 险因素，并形成积极有效的风险应对策 略，从而控制和降低风险水平，减少事故的发生和降低事故损失。 2 ) 起重机械运行阶段是制定风险预案和降低风险损失的客观需要 作为生命线工程的重要组成部分，起重机械在国家经济的发展中具有非常重要的意 义，决策者应对各种安全隐患有充分的认识和准备。可以说，起重机械运行阶段风险 评价，正是以起重机械安全为主要目标，以定性方法、定量方法和半定量方法为研究手 段，综合考虑结构、社会、环境、等多方面的因素，以辅助决策者建立保障安全的预警 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 机制，达到防患于未然的目的；并通过建立健全突发事件应急机制，使得事故发生后， 事故的次生灾害降至最低，达到减少风险损失的目的。 3 ) 起重机械运行阶段风险评价研究是行业技术进步的需要 风险评价在很多领域都有了较为广泛的研究，但在起重机械方面的研究目前尚处于 起步阶段，其研究深度和研究水平也参差不齐，没有充分体现风险评价工具的有效性， 难以满足机械安全使用的需要，本课题的研究希望能为本行业提供进一步开展研究的基 础，促进行业技术的全面发展。 4 ) 起重机械运行阶段风险评价研究是缓解决策压力、保护公众利益和开展保险业 务的需要 随着社会的不断进步，公众对灾害事故的敏感性以及参政意识的增强，使得政府越 来越感到决策的压力，重大事故发生后，政府不得不承受来自各方面的压力。风险评价 的最终目的是为决策者提供决策依据，帮助投资方、设计方、使用方充分了解所面临的 各种风险的风险水平及风险损失情况，从而应用经济有效的手段制定相应的措施，为如 何管理风险做出理智的决策，提高决策者对不确定事件的掌控程度1 6 j 。 综上所述，起重机械运行阶段风险评价在提高起重机械安全性工作中具有很重要的 地位，通过j x l 险评价确定潜在风险，得出起重机械风险值，制定风险控制方案，拟定消 除风险的预案是非常必要的。 1 3 风险评价研究现状与问题 1 3 1 风险识别方面 风险识别2 3 1 是对尚未发生的潜在的各种风险进行系统的归类和实施全面的识别。 在该阶段应强调识别的全面性，目前常用的风险识别方法有定性和定量识别方法。定性 方法虽然不受统计数据的限制，但易受分析人员的主观因素影响而缺乏说服力。层次分 析方法属于一种综合风险识别方法【7 】【8 1 ，该方法符合人的思维逻辑，形式简单，但实际 应用中，风险因素的复杂性和人们认识中存在的主观偏差以及数字标度的限制，专家给 出的判断矩阵很难得到完全一致性。定量分析方法由于据有大量的数据而具有较大的可 靠性，分析过于复杂，多用于危险性较高而且要求有较高可靠性的行业，如核工业和航 天q - , _ i k t 9 。 1 3 2 风险概率估计方面 风险概率估计是风险分析整个过程中最为复杂也是关键的核心步骤。目前风险评 价，在缺少相关统计资料的情况下，风险概率估计常应用专家调查法l l o 】、特尔斐方法 ( d e l p h i ) 1 1 1 和层次分析法( a h p ) ir a 2 1 进行，这些方法的前提是专家的判断应尽可能的真实 4 绪论 可靠。随着数值计算和计算技术的发展，现在出现模糊数学对不确定的底事件概率进行 计算1 1 3 j 【1 4 】。对于结构失效概率的求解，可靠性分析理论提供了许多基本解析算法，如一 次二阶矩法、高次高阶矩法及其改进算法等【1 5 儿1 6 1 ，随机有限元方法和蒙特卡罗方法【1 s l 擅长解决大型复杂结构非显式功能函数的可靠性求解问题，还有神经网络法【1 9 】来解决不 确定性因素影响下蕴藏在系统内部的风险发生规律。 1 3 3 风险后果估计方面 定性的后果评价是用定性的指标如严重、一般、轻微等分级来描述损失的严重程度。 虽然具有一定的适用性，但对于风险损失难以定量估计情况下，损失估计结果却不可避 免的具有片面性陷。 定量风险后果评价，有文献【2 0 l 以浅层模型发展而来的s l a b 模型为基础，根据重气 浓度划分4 个等级的事故后果评估区域，建立重气泄漏扩散事故后果评估系统和重气理 化参数信息库。文献【2 l 】【冽采用层次分析法( a h p ) 和案例分析相结合的方法，建立了 基于事故后果评价的危化品风险评价模型。定量风险后果分析应用面比较狭小，能适应 的领域不多，国内外现在较多采用风险后果综合评价方法。 综合评价方法，文献乜3 1 基于灰色关联理论的企业事故损失综合评价，根据以往企业 事故损失评价研究的基础上，首先对历史数据对企业事故损失进行初步评价，然后在此 基础上结合预测值对企业事故损失进行再评价，最后得出评价结果。文献【2 4 】【2 5 】总结了国 内外事故损失评估理论与方法的共同特点及问题，确定比较清晰的事故经济损失的概念 和计算范围，建立从企业角度和国家角度评价事故经济损失的评价模型，详细给出生产 活动中劳动力资源损失的计算方法，并应用面向对象的数据库系统开发事故经济损失计 算程序，以货币形式给出了每个评价项目的损失大小。 1 3 4 风险评价标准方面 安全与否的判定，需要确定一个风险接受标准。风险可接受的标准实际上是公众愿 意承受的经济负担和能够经受得起的风险之间的一种平衡，是经济、技术和安全之间的 一种平衡。相对于我国的国情，起重机械领域罩风险分析研究才刚刚起步，尚没有确定 相应的风险可接受标准，可以借鉴风险管理科学中的a l a r p ( a sl o wa sr e a s o n a b l y p r a c t i c a b l e ，最低合理可行) 原则【2 6 1 。 另外日前实际中的风险评价，人们往往把目光集中在结构本身和使用环境上，注重 投资和工程技术，而忽略了伦理、公众意愿等非工程措施对于质量控制的作用，这是一 个认识误区。随着社会的不断进步，公众对灾害事故的敏感性以及参政意识不断增强， 研究如何让公众参与工程决策过程已经非常必要，需要风险评价研究过程中充分重视和 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 考虑社会公众的意见，使风险标准的制定能够充分反映公众意愿。 1 4 课题背景与研究内容 1 4 1 课题背景 本文在国家“十一五 科技支撑计划重大项目2 0 0 6 b a k 0 2 8 0 4 0 1 0 2 专题“起重机 械( 结构) 系统可靠性分析与关键部件剩余寿命评估方法研究基础上【5 】，对起重机械 事故进行风险概率经济性安全评价方法和手段研究。 1 4 2 本文的研究内容及技术路线 调研分析国内外风险评价理论的发展现状，针对桥门式起重机大车运行机构的事故 进行深入研究，依据安全系统工程以实现系统整体安全性为目的，分析和辨别各种风险 识别方法，利用模糊可靠性理论、第二代人因可靠性和安全经济学，实现风险值两个因 素发生概率和风险严重度的量化，提出定量的风险概率经济性安全评价方法，并将新方 法运用于工程实例，验证所担出定量的评价方法的实用性和可操作性。具体的结构内容 和研究过程框架见图1 1 ，详细步骤是： 1 ) 收集资料，熟悉大车运行机构的组成和事故发生特点 大车运行机构【4 2 4 3 】主要部件是驱动装置，运行支承装置和安全装置。驱动装置包括 原动机、传动装置( 传动轴、联轴器、减速器) 和制动器；运行支承装置包括钢制车轮 组和轨道及均衡装置；安全装置有行程限位开关、防风抗滑装置、缓冲器、连锁保护装 置、轨道端部止挡。 2 ) 比较分析风险识别方法，确定以f t a 为主f m e a 为辅 对f t a 和f e m a 从分析细致程度、分析结果、应用范围、难易程度和分析流程等方 面进行比较，用f m e a 得到大车运行机构故障模式，并建立大车运行机构故障树。 3 ) 计算基本事件发生概率和风险经济损失 为计算基本事件概率，引入模糊可靠性理论、第二代人因可靠性，计算机械设备的 失效概率和人的失效概率。通过安全经济学的观点把风险严重度转化为风险经济损失， 并结合a h p 方法，推导风险总损失公式，根据基本事件从引起的后果计算风险经济损失。 4 ) 确定系统评价项目，建立系统定量评价标准，得出评价系统风险等级 系统评价项目可以根据发生概率、风险严重度及风险度来确定，以a l a r p 原则结合 国内起重机械情况制定定量的评价标准。根据评价结果，结合系统的监测和控制措施利 用公式计算系统风险度，并根据标准给出系统风险等级，提出预防和控制措施。 5 ) 给出大车运行机构的工程实例 建立故障树，利用关联矩阵或白尔代数计算出最小割集；估算基本事的发生概率， 6 绪论 并计算顶事件发生概率；计算基本事件风险经济损失；得出大车运行机构风险评价项目， 根据检验结果，计算系统风险等级，根据原因制定预防和控制措施。 6 ) 编写大车运行机构风险评价程序 利用v c + + 为基础平台，结合数据库技术和c o m 技术，编写程序实现绘制故障树、 风险评价和风险评价报告书。 1 5 本章小结 本章简要介绍了风险评价理论在起重机械及其在其它工程领域的研究现状，指出风 险评价在起重机械应用的必要性，并分析风险评价现状与不足，说明本文的研究的课题 背景，主要研究内容及技术路线。 7 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 图1 1 本文的研究内容及研究路线 f i g1 1t h ec o n t e n ta n dc o u r s eo f t h et h e s i s 8 风险评价体系及风险识别 第二章风险评价体系及风险识别 2 1 风险评价概述 风险评价也称安全评价或危险评价，是对系统发生事故的危险性进行定性或定量分 析，评价系统发生危险的可能性及其严重程度，以寻求最低事故率，最少的损失和最优 的安全投资效益【”1 。风险评价是安全管理和决策科学化的基础，是依靠现代科学技术预 防事故的具体体现。 2 2 风险评价的基本概念 2 8 】 美国风险分析协会( s r a ，s o c i e t yf o r 鼬s ka n a l y s i s ) 成立之初，就要给“风险 定名， 但历时四年后承认：给“风险 统一准确的定义很难，而且最好不要统一的定义，每个 研究者都可以给出自己的定义，只要能够自圆其说即可& 归+ lj 君m 。故先建立起一套在 本论文内“通行”的概念和术语体系。 风险是客观世界的不确定性和人的主 观有限性造成，通过事故现象和损失事件 表现出来。通过分析事故形成过程来理解 风险的概念，事故形成过程如图2 1 所示。 广义上的风险1 2 j ：危险的出现概率、发 图2 1 事故形成的机理 f i g 2 1t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ea c c i d e n t 生何种事故及其失效概率、导致何种损失及其概率的不确定过程，用公式表示为： r = f ( h ，p ，) ( 2 - 1 ) 其中：j i c 风险( r i s k ) ； 日危险( h a z a r d ) ； 尸危险发生的概率( p r o b a b i l i t y ) ； 三危险发生导致的损失( l o s s ) 。 工业风险：是指特定危害事件发生的概率与后果的结合。风险是描述系统危险程度 的客观量，风险r 具有概率和后果的二重性，风险可以用失效概率p 和风险损失三的函 数表示： r = f ( p ，) ( 2 - 2 ) 风险识别：是对尚未发生的潜在的各种风险进行系统的归类和实施全面的识别。 风险评估：是对特定风险发生的可能性及损失的范围与程度进行估计。通常运用概 率论和数理统计方法以及电子计算机等工具，有时还需依靠风险管理人员的直觉判断和 经验。 9 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 风险分析：是指在特定领域内，根据一定的条件限制通过风险识别和风险评估得出 统的风险评价项目。 风险评定：是指在风险分析基础上，根据风险评判标准得出系统风险值，以确定是 需要减小风险或是否达到了安全。 系统风险值：是指综合反映系统中事件发生的概率与后果，并反映对事故是否有监 与控制措施， 用公式( 2 - 3 ) 表示： r = f ( m ，p ，三) ( 2 - 3 ) 风险控制管理：是运用现有i = 的l 工程技术和管理水平，降低系统风险值，以最少的消 达到最优的安全水平。 风险管理：是通过风险评价来研究风险发生规律，采取风险控制和监督手段以最小 的经济代价来实现系统最小风险值的管理技术。 安全系统工程：采用系统工程的基本原理和方法，预先识别，分析系统存在的危险 因素，评价并控制系统风险，使系统安全性达到预期目标的工程技术1 3 。 安全经济学：研究安全的经济( 利益、投资、效益) 形式和条件，通过对人类安全 活动的合理组织、控制和调整，达到人、技术、环境的最佳安全效益的科学1 2 6 。 本文风险评价系统概念之间关系如图2 2 所示。 图2 2 风险评价系统概念关系 f i g2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n c e p t so fr i s ka s s e s s m e n ts y s t e m l o 风险评价体系及风险识别 2 3 风险识别 从安全系统工程角度来说，风险识别属于系统安全分析，是为了保证系统安全运行， 运用安全系统工程的方法来辨识系统中的危险因素，以便采取相应措施消除系统故障或 事故。通常包括如下内犁3 5 】： 1 ) 对可能出现的初始的，诱发的及直接引起事故的各种危险因素及其相互关系进 行调查和分析； 2 ) 对与系统有关的环境条件、设备、人员及其他有关因素进行调查和分析： 3 ) 对能够利用适当的设备、规程、工艺或材料控制或根除某种特殊危险因素的措 施进行分析； 4 ) 对可能出现危险因素的控制措施及实施这些措施的最好方法进行调查和分析； 5 ) 对不可能根除的危险因素失去或减少控制可能出现的后果进行调查和分析； 6 ) 对危险因素一旦失去控制，为防止伤害和损害的安全防护措施进行调查分析。 在危险因素辨识中得到方法应用的方法主要有：故障树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ， f t a ) 、故障类型和影响分析( f a i l u r em o d e la n de f f e c t sa n a l y s i s ，f m e a ) 、人的可靠性分 析( h u m a nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，h r a ) 、安全检查表法( s a f e t yc h e c k l i s t ) 、预先危险性分 析( p r e l i m i n a r yh a z a r da n a l y s i s ，p h a ) 、危险及可操作性分析( h a z a r da n do p e r a b i l i t y a n a l y s i s ，h a z o p ) 、事件树分析( e v e n tt r e ea n a l y s i s ，e t a ) 、因果分析( c a u s e c o n s e q u e n c e a n a l y s i s ，c c a ) 等。 2 3 1 故障类型和影响分析( f m e a ) 故障类型和影响分析( f m e a ) 是对系统的各个组成部分，即元件、组件、子系统 等进行分析，找出所能产生的故障及其类型，查明每种故障对系统安全所产生的影响， 判明故障的重要度，以便采取措施予以防止和消除【州。该方法是一种归纳方法，也是自 下而上的分析方法，它简明直观，易于掌握，使用成本较低；其缺点是结果非精确。 早期故障类型和影响分析只能做定性分析，现在包括了故障发生难易程度的评价或 失效概率计算，构成故障类型和影响、致命度分析( f m e c a ) 。其定义为“在系统设计 过程中，通过系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统的影响与产生的后果的严 重程序进行分析，提出可能采取的预防措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法” 1 3 6 1 。目前，美国航天航空局和陆军在进行工程项目招标时，都要求承包商对承包项目做 f m e c a ，把f m e c a 当作保证宇宙飞船可靠性的基本方法。日本丰阳汽车发动机，采 用f m e c a 进行设计并与质量管理结合起来，收到相当有效的结果【3 0 3 2 1 。本文利用故障 类型和影响分析来分析起重机大车运行机构的危险因素。 起重机大车运行机构风险概率经济性安全评价 故障类型和影响分析的基本流程p 5 j 如下： 1 ) 掌握和了解对象系统：确定所分析的系统和设备，收集相关资料，如技术设计 说明和设计任务书、标准和规范、设备图纸和工艺流程、以及同类系统和设备的事故案 例等。其分析的详细程度取决于被分析系统的规模和层次。 2 ) 系统分析，清楚系统的功能和系统方框图。系统方框图用来表示被分析系统的 所有子系统及构成要素之间的逻辑关系，如串并联关系和输入出关系。 3 ) 系统元件故障的类型，根据系统方框图，分析出在各个子系统的输入或输出功 能丧失的情况下，可能会出现哪些故障类型。故障类型的确定依据两方面：