基于FMEA和模糊综合评判的船舶安全评估

1、第28卷第3期哈尔滨工程大学学报Vol.28.32007年3月Journal of Harbin Engineering University Mar.2007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

2、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(20070320263206Ship safety assessment based on FMEA and f uzzycomprehensive evalu ation methodsCU I Wen 2bin ,WU Gui 2tao ,SUN Pei 2ting ,ZHAN G Yu 2qing(School of Mari

3、ne Engineering ,Dalian Maritime University ,Dalian 116026,China Abstract :Since many evaluation element s are involved in FM EA (failure modes and effect s analysis met hod and it s concept s are f uzzy ,a f uzzy comp rehensive evaluation met hod is applied to improve FM EA in t his st udy.As a case

4、 st udy ,a survey on water jet hydraulic system of a high speed ro 2ro ship is conducted and t hen t he f uzzy comprehensive evaluation model is developed to analyze t he whole system.The result shows t hat t he object is working in good condition.The p rocess indicates t hat FM EA combined wit h f

5、uzzy com 2prehensive evaluation is suitable for safety assessment of a high speed ro 2ro ship.K eyw ords :failure modes and effect s analysis (FM EA ;f uzzy comp rehensive evaluation ;water jet hydraulic system ;safety assessment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,E 2mail

6、 : ;吴桂涛(1968-,男,博士,副教授.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 AS 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(international maritime organization ,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.如何将船舶安全维护由被

7、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 modes and effect s analysis ,FM EA 是解决此问题的有效方法1.1模型简介1.1FM EA 模型简介FM EA 即“故障模式和影响分析”,是从实践中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, 采取预防措施防止缺陷(故障发

8、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.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

9、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.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1FM EA 工作过程Fig.1FM EA process1.2FM 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

10、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.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.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

11、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 °A 1°R 1A 2°R 2.式中:R i 为模糊因子集(隶属度矩阵,A j 为权重向量,B 为模糊综合评判结果,上标°为模糊算子.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

12、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R i .1.3.2权重5的确定通过表格1应用A HP (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T able 1Judgement of factor importance degree因素u i ,u j 相比较的重要程度等级f u j (u i f u i (u j 注u i 与u j “同等重要”11u i 比u j “稍微重要”31u i 比u j “明显重要”51u i 比u j “

13、强烈重要”71两个等u i 比u j “绝对重要”91级判断u i 比u j 的重要程度介2,4,61值的中于各等级之间8之一值令b ij =f uj (u i f ui (u j ,i |j =1,2,m ,由m ×m 个462哈尔滨工程大学学报第28卷 b ij ,可构造判断矩阵为B =b 11b 12b 1 m b 21b 22b 2m b m 1b m 2b mm.显然,b ii =1,b ij =1/b ji .根据判断矩阵B ,计算它的最大特征根max 及其所对应的特征向量:=x 1x 2x m .一致性检验:计算一致性比率R C (consistent ratio R

14、C =I CI R.式中,I C 为一致性指标(consistent index I C =max -n n -1.当R C <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x i 作为因素u i 重要程度系数a i ,必要时再对特征向量=x 1x 2x m 归一化作为权重:A =a 1a 2a m .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 (, b j =mi =1a irij,j =1,2,n.即b j =min 1,mi =1a i r ij.1.3.4结果的处理为了能更直观地看

15、出结果,将向量结果B =b 1b 2b n 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 C T.式中:C 为等级化向量d 1d 2d n .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通过对大连高速客轮“海燕”号喷水推进器液压系统实际调查和分析,应用FM EA 按功能影响制定故障体系(图3.喷水推进器液压系统对喷水推进 器倒航戽

16、/舵液压控制、水泵轴承润滑及腔室润滑,主要由2部分组成:1 设定转舵喷嘴及倒航戽位置的液压机构;2为齿轮箱提供润滑的润滑系统,当液压系统故障时,也可短时间作为液压功能使用.图2计算流程图Fig.2Calculation procedure图3喷水推进器液压系统故障体系图Fig.3Block diagram of hydraulic system failure analysis制作出重要性表格(表2及专家调查表(表3,为了获得相对准确的数据,向在此船工作过多年及对此系统具有丰富使用经验的30位轮机长、大管轮562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 进行咨询(收回25

17、份,请这些专家在调查表上选择自己认为最贴切的一项,因文章篇幅限制,仅列如下部分表格。表2重要性表格T able 2A survey on the importance degree betw een factors重要性传感器线路中断电液控阀V 10/V 11卡死传感器线路中断1电液控阀V 10/V 11卡死不填1注:如果“电液控阀V 10/V 11卡死”与“传感器线路中断”同等重要就打1分;“电液控阀V 10/V 11卡死”比“传感器线路中断”重要,就根据层次分析法中的重要程度打29分.如果“传感器线路中断”比“电液控阀V 10/V 11卡死”重要,就填写相应重要等级的倒数(如1/3.2.2

18、模糊语言的量化(隶属度及权重的确定此例中隶属度的获得采用概率统计法.表格回收后,将故障调查表(表3中(故障出现的概率O 选项A 、B 、C 、D 、E 定位为10、8、6、4、2分;将(故障严重程度S 、定位为10、7.5、5、2.5分;将(故障检测难易程度D a 、b 、c 、d 、e 、f 定位为10、8、6、4、2、1分.将每一栏的分值定出后,根据(RPN =O ×S ×D ,算出风险顺序数(RPN (风险顺序数是评价安全等级的重要参数,分值越高,安全等级越低.再以1000分为满分平均划分7个等级,如表4.表3喷水推进器液压系统故障专家调查表T able 3A sur

19、vey on hydraulic system failures系统名称功能故障模式故障原因故障发生的概率级别严重度级别可检测级别喷水推进器液压润滑系统喷水推进器倒航戽/舵液压控制、水泵轴承润滑及腔室润滑控制故障传感器线路中断A -经常发生B -很可能发生C -偶然发生D -很少发生E -极不可能发生-灾难性的-严重性的-一般的-次要的a -无法检出b -非常低c -低d -中等e -高f -非常高电液控阀V 10/V 11卡死A -经常发生B -很可能发生C -偶然发生D -很少发生E -极不可能发生-灾难性的-严重性的-一般的-次要的a -无法检出b -非常低c -低d -中等e -高f

20、-非常高注:请专家根据表中给出的“故障发生概率级别”(5个等级、“严重级别”(4个等级和“可检测级别”(6个级别,从中画出一个您认为最合适的等级.表4 (RPN 值等级划分T able 4G rade the values of (RPN -3非常差-2很差-1较差一般+1较好+2很好+3非常好85910007168585737154305722874291442860143表格汇总后,计算出对应各个等级的概率(如表5、6,其中的题目代码与图3相对应.表5喷水推进器液压系统控制故障对应的各等级隶属度T able 5The membership degrees of hydraulic syst

21、em failure题目等级-3-2-10+1+2+31.100000000000000表6喷水推进器液压系统液压不足对应的各等级隶属度T able 6The membership degrees of hydraulic systemlow hydraulic failure题目等级-3-2-10+1+2+32.10000000002.3000.2000000000000.60.402.60000000000000

22、000.20.8则根据表5隶属度矩阵R 1的数据为R 1=000000.50.5000000.60.40000000000.60.4.同理可根据表6获得隶属度矩阵R 2的数据.662哈尔滨工程大学学报第28卷对调查表中重要性数据的汇总,利用1.3.2节求取各个等级相应权重(表7、8、9.表7一级评价指标相对于液压系统的判断矩阵及权重T able7The judgement m atrix and w eights belong to1st stage of hydraulic system failureC K a1a2权重a1150.8333a21/510

23、.1667注:max=2R C=0<0.1表8二级评价指标相对于液压系统控制故障的判断矩阵及权重T able8The judgement m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K1a11a12a13a14权重a1113530.5038 a121/3151/20.1935 a131/51/511/30.0676 a141/32310.2351注:max=4.2226R C=0.083<0.1表9二级评价指标相对于液压系统液压不足故障的判断矩阵及权重T able9The judgeme

24、nt m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K2a201a202a203a204a205a206a207a208a209权重a20111/215555550.2879 a20221211/31/31/31/31/30.0884 a20311/211/21/31/31/31/31/30.0518 a2041/51211/21/21/21/210.0560 a2051/5332111/31/31/30.0777 a2061/533211111/20.0922 a2071/533231111/20.

25、1060 a2081/533231111/20.1060 a2091/5331322210.1340注:max=10.0667R C=0.091<0.12.3运算结果经过以上所得数据,两次模糊运算后,得出结果,B=000.0017300.02200.5260.450采用加权平均(重心反模糊化方法得出具体分值,将C等级赋值:C=d1d2d3d4d5d6d7=14.328.642.957.271.584.8100,于是,综合评价值:Z=BC T=000.0017300.02200.5260.450×14.328.642.957.271.584.8100T=91.28由以上结果可知,

26、应用FM EA及模糊综合评判的方法,最后得到对此船舶的综合评价值为91.28分,这说明该系统的综合评估水平是非常高的.经过对“海燕”轮实船调查,相关操作人员也都对此喷水推进器液压系统安全性表示肯定.3结束语对高速客轮进行安全评估的结果,证明了FM EA与模糊数学方法结合的可行性.由于该方法简洁方便,在考虑各影响因素的基础上,对各因素按照不同重要性进行了评价,使FM EA在评价过程中更具科学性.此次制作FM EA表格,仅针对使用者-船舶使用方,表格相对粗糙.如果能通过设计方运用“头脑风暴法”7等方法获得相关信息,所得的表格内容会更加详细、数据更加详尽.另外还可以通过“模糊关系方程”对最终评价结果

27、B和模糊因子集R j进行逆向运算,得出对各组件的重视程度.这样会对船舶的设计及使用有更强的指导意义.参考文献:1居季成,徐名聪,乔靓.失效模式及后果分析的运用J.现代制造工程2004,6(11:83-86.J U Jicheng,XU Mingcong,QIAO Liang.Application of FM EAJ.Machinery Manufacturing Engineer,2004,6(11:83-86.2刘正高,李福秋.工艺FM EA技术应用研究J.质量与可靠性,2005,20(1:42-46.L IU Zhenggao,L I Fuqiu.Study on the applica

28、tion of technical FM EAJ.Quality and Reliability,2005,20(1:42-46.3奚立峰,徐刚.FM EA在过程管理中的应用J.工业工程与管理,2002,6(1:37-39.(下转第276页762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 276 哈 28 卷 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 M . 1999. Comp uter2Aided Scheduling , Sp ringer2Verlag , 技术的支持 . 综上 ,该方法在公交调度中有很强的实 用价值 . 3 黄溅华 , 张国伍 . 公共交通实时放车调度方法

29、研究 J . 参考文献 : 1 杨兆升 ,胡坚明 . 中国智能公共交通系统框架与实施方案 系统工程理论与实践 ,2001 ,3 : 36 - 39. 研究 J . 交通运输系统工程与信息 ,2001 ,1 :39 - 43. tect ure and implementary siheme of intelligent p ublic YAN G Zhao sheng , HU Jianming. Research o n t he archi2 ity management J . Indust rial Engineering and Manage2 ment , 2002 ,6 (1 :37 - 39. time deadheading in t ransit J . Systems Engineering Theory & Practice , 2001 ,3 :36 - 39. 4 C HOWD HU R Y M S