1、第28卷第3期哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報Vol.28.32007年3月Journal of Harbin Engineering University Mar.2007基于FM EA 和模糊綜合評判的船舶安全評估崔文彬,吳桂濤,孫培廷,張余慶(大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院,遼寧大連116026摘要:針對綜合安全評估過程中故障模式影響分析(FM EA 表格涉及的評價因素多、模糊概念多以致評價不夠精確的缺陷,運用模糊綜合評判方法加以改進.以高速客輪綜合安全評估為例,選擇噴水推進器液壓系統(tǒng)為研究對象,應(yīng)用FM EA 方法,制作出專家調(diào)查表格,表格回收匯總后,應(yīng)用模糊綜合評判方法建模并進行分析,分析結(jié)果表明,噴水

2、推進器液壓系統(tǒng)安全可靠.評估過程中,模糊綜合評判方法對FM EA 方法進行補充,使高速客滾船F(xiàn)M EA 綜合安全評估過程更加合理. 關(guān)鍵詞:故障模式影響分析;模糊綜合評判;噴水推進器液壓系統(tǒng);安全評估中圖分類號:X951文獻標(biāo)識碼:A 文章編號: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.基金項目:交通部科技資助項目(200432922506.作者簡介:崔文彬(1981-,男,碩士,E 2mail

6、 : ;吳桂濤(1968-,男,博士,副教授.安全是船舶運輸永恒的主題.20世紀(jì)初,泰坦尼克號的沉沒產(chǎn)生了著名的國際海上人命安全公約(SOL AS 公約.遺憾的是,至今人們對船舶安全的認(rèn)識和改進大都還是當(dāng)船舶發(fā)生事故之后才注意到問題的所在.該公約生效以來,對一系列油船、客船、散貨船的海難事故幾乎重復(fù)著同樣的做法.可以說國際海事組織(international maritime organization ,IMO 在過去幾十年修改船舶安全規(guī)則時,基本上是基于經(jīng)驗或事故教訓(xùn),因此這樣的規(guī)則修改只能是一個亡羊補牢、被動吸取經(jīng)驗教訓(xùn)的過程.如何將船舶安全維護由被

7、動變?yōu)橹鲃?就應(yīng)“防病”,而非僅是“治病”.事實上,大多數(shù)工程技術(shù)人員在進行產(chǎn)品、工藝設(shè)計工作中,都自覺或不自覺地聯(lián)想自己的設(shè)計是否能在實際操作中實現(xiàn),有哪些因素對它產(chǎn)生影響或設(shè)計本身會對哪些方面產(chǎn)生影響等,卻沒有對其進行系統(tǒng)、量化地預(yù)測和評估并采取必要的防范措施.故障模式影響分析(failure modes and effect s analysis ,FM EA 是解決此問題的有效方法1.1模型簡介1.1FM EA 模型簡介FM EA 即“故障模式和影響分析”,是從實踐中發(fā)展起來的一種可靠性分析技術(shù)2.該技術(shù)既可以用在事先預(yù)防階段,分析潛在的故障模式及其原因, 采取預(yù)防措施防止缺陷(故障發(fā)

8、生,也可以用在事后改進階段,分析已經(jīng)發(fā)生的故障模式及其原因,采取改進措施,并防止缺陷(故障再次發(fā)生.它在制造業(yè)運用得較為廣泛,可以在設(shè)計階段和在產(chǎn)品投產(chǎn)前分析產(chǎn)品,也可以在制造、裝配等過程中對各種過程加以分析.在非制造業(yè),FM EA 也同樣可以作為過程管理的一個非常有效的工具3.FM EA 常用的2種基本方法4是硬件分析法和功能分析法.硬件分析法是根據(jù)系統(tǒng)功能框圖和可靠性框圖,對組成系統(tǒng)的各個單元可能發(fā)生的所有故障模式及其對系統(tǒng)功能的影響進行分析,并列出表格;復(fù)雜系統(tǒng)的每一個分系統(tǒng)或單元都有一定的設(shè)計功能,每一種功能就是一項輸出,逐一列出這些輸出,分析它們的故障模式及其對系統(tǒng)功能的影響,即為功

9、能分析法.這2種方法互有利弊,實際工程中究竟采用何種方法進行分析,可取決于所利用的資料、信息多少和系統(tǒng)的復(fù)雜程度.FM EA 通過標(biāo)準(zhǔn)表格形式進行分析時的表格制作過程如圖1所示 3.圖1FM EA 工作過程Fig.1FM EA process1.2FM EA 船舶評估過程中的缺陷鑒于國內(nèi)船舶領(lǐng)域缺少FM EA 經(jīng)驗,很難找到準(zhǔn)確的概率資料,所以有必要進行調(diào)查研究,盡可能地掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù)或定性地給出概率類別.由設(shè)計人員、使用人員等對故障出現(xiàn)的概率O ,故障嚴(yán)重程度S 和故障檢測難易程度D 打分,形成3種十分制的分?jǐn)?shù),最后連乘,得到風(fēng)險順序數(shù)(RPN 4.由于對不同系統(tǒng)和部件,這3類評判對象對風(fēng)險的

10、貢獻不同,所以FM EA 的風(fēng)險評估定量分析不盡客觀嚴(yán)密,不容易得到綜合評估的效果.影響船舶安全的因素很多,船舶安全管理體系中既有可以用數(shù)量值精確描述的指標(biāo),又有概念模糊難以進行精確定量分析與評價而必須憑借人的主觀經(jīng)驗去度量的指標(biāo).其特點為:1涉及的評價因素多.影響船舶安全的因素有很多,它們相互制約,相互影響,很難綜合各方面因素做出一個更接近實際的綜合評價.2涉及的模糊概念多.常有“很好”、“很差”、“較好”、“較差”等較模糊的概念,而且往往會采取征求專家經(jīng)驗和意見的方法,這些經(jīng)驗和意見一般具有模糊性.針對傳統(tǒng)FM EA 在對船舶安全評估的缺陷及船舶安全影響因素的特點,采用模糊數(shù)學(xué)分析方法進行

11、改進,將風(fēng)險數(shù)據(jù)由分明集改成與采集相適應(yīng)的模糊集,并對(RPN 對風(fēng)險的貢獻采用加權(quán)分析,可使傳統(tǒng)的FM EA 得以改進,并建立Fuzzy 意義上的FM EA 綜合評估方法.1.3模糊綜合評判方法介紹二級模糊評判模型如下:B =A °R =A °A 1°R 1A 2°R 2.式中:R i 為模糊因子集(隸屬度矩陣,A j 為權(quán)重向量,B 為模糊綜合評判結(jié)果,上標(biāo)°為模糊算子.1.3.1隸屬度的確定在建立模糊評判模型時,采用專家調(diào)查和集值統(tǒng)計方法相結(jié)合來構(gòu)造單因素評判矩陣.首先制作專家打分調(diào)查表,通過專家評判給分,即專家對每一具體評價對象的每一項

12、指標(biāo),根據(jù)專家的經(jīng)驗和看法進行認(rèn)定,在打分表對應(yīng)等級處打勾,再通過對專家調(diào)查表統(tǒng)計,得到各個因素對應(yīng)等級的頻率數(shù),經(jīng)過歸一化處理即可得到各個因素對應(yīng)等級的隸屬度,從而得到單因素評判矩陣R i .1.3.2權(quán)重5的確定通過表格1應(yīng)用A HP (層次分析法得出各因素的相對重要性.表1因素重要程度判斷值表T able 1Judgement of factor importance degree因素u i ,u j 相比較的重要程度等級f u j (u i f u i (u j 注u i 與u j “同等重要”11u i 比u j “稍微重要”31u i 比u j “明顯重要”51u i 比u j “

13、強烈重要”71兩個等u i 比u j “絕對重要”91級判斷u i 比u j 的重要程度介2,4,61值的中于各等級之間8之一值令b ij =f uj (u i f ui (u j ,i |j =1,2,m ,由m ×m 個462哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第28卷 b ij ,可構(gòu)造判斷矩陣為B =b 11b 12b 1 m b 21b 22b 2m b m 1b m 2b mm.顯然,b ii =1,b ij =1/b ji .根據(jù)判斷矩陣B ,計算它的最大特征根max 及其所對應(yīng)的特征向量:=x 1x 2x m .一致性檢驗:計算一致性比率R C (consistent ratio R

14、C =I CI R.式中,I C 為一致性指標(biāo)(consistent index I C =max -n n -1.當(dāng)R C <0.1時,認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正.取x i 作為因素u i 重要程度系數(shù)a i ,必要時再對特征向量=x 1x 2x m 歸一化作為權(quán)重:A =a 1a 2a m .1.3.3模糊算子上標(biāo)°的確定:就理論上而言,廣義模糊合成運算有無窮多種,根據(jù)本文例子中的特點,選用:M (, b j =mi =1a irij,j =1,2,n.即b j =min 1,mi =1a i r ij.1.3.4結(jié)果的處理為了能更直觀地看

15、出結(jié)果,將向量結(jié)果B =b 1b 2b n 通過加權(quán)平均(重心法轉(zhuǎn)化為一個簡單百分制數(shù)6,作為評估項目的綜合評價值,即Z =B C T.式中:C 為等級化向量d 1d 2d n .2實例分析交通部基金項目“大型高速客滾船的故障模式和影響分析”研究課題使用FM EA 對高速客滾船進行安全評估.文章以高速客輪“海燕”號的噴水推進系統(tǒng)器液壓系統(tǒng)為研究對象,應(yīng)用FM EA 功能分析法與模糊綜合評判相結(jié)合對其進行分析,流程圖如圖2.2.1評價指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)確定通過對大連高速客輪“海燕”號噴水推進器液壓系統(tǒng)實際調(diào)查和分析,應(yīng)用FM EA 按功能影響制定故障體系(圖3.噴水推進器液壓系統(tǒng)對噴水推進 器倒航戽

16、/舵液壓控制、水泵軸承潤滑及腔室潤滑,主要由2部分組成:1 設(shè)定轉(zhuǎn)舵噴嘴及倒航戽位置的液壓機構(gòu);2為齒輪箱提供潤滑的潤滑系統(tǒng),當(dāng)液壓系統(tǒng)故障時,也可短時間作為液壓功能使用.圖2計算流程圖Fig.2Calculation procedure圖3噴水推進器液壓系統(tǒng)故障體系圖Fig.3Block diagram of hydraulic system failure analysis制作出重要性表格(表2及專家調(diào)查表(表3,為了獲得相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),向在此船工作過多年及對此系統(tǒng)具有豐富使用經(jīng)驗的30位輪機長、大管輪562第3期崔文彬,等:基于FM EA 和模糊綜合評判的船舶安全評估 進行咨詢(收回25

17、份,請這些專家在調(diào)查表上選擇自己認(rèn)為最貼切的一項,因文章篇幅限制,僅列如下部分表格。表2重要性表格T able 2A survey on the importance degree betw een factors重要性傳感器線路中斷電液控閥V 10/V 11卡死傳感器線路中斷1電液控閥V 10/V 11卡死不填1注:如果“電液控閥V 10/V 11卡死”與“傳感器線路中斷”同等重要就打1分;“電液控閥V 10/V 11卡死”比“傳感器線路中斷”重要,就根據(jù)層次分析法中的重要程度打29分.如果“傳感器線路中斷”比“電液控閥V 10/V 11卡死”重要,就填寫相應(yīng)重要等級的倒數(shù)(如1/3.2.2

18、模糊語言的量化(隸屬度及權(quán)重的確定此例中隸屬度的獲得采用概率統(tǒng)計法.表格回收后,將故障調(diào)查表(表3中(故障出現(xiàn)的概率O 選項A 、B 、C 、D 、E 定位為10、8、6、4、2分;將(故障嚴(yán)重程度S 、定位為10、7.5、5、2.5分;將(故障檢測難易程度D a 、b 、c 、d 、e 、f 定位為10、8、6、4、2、1分.將每一欄的分值定出后,根據(jù)(RPN =O ×S ×D ,算出風(fēng)險順序數(shù)(RPN (風(fēng)險順序數(shù)是評價安全等級的重要參數(shù),分值越高,安全等級越低.再以1000分為滿分平均劃分7個等級,如表4.表3噴水推進器液壓系統(tǒng)故障專家調(diào)查表T able 3A sur

19、vey on hydraulic system failures系統(tǒng)名稱功能故障模式故障原因故障發(fā)生的概率級別嚴(yán)重度級別可檢測級別噴水推進器液壓潤滑系統(tǒng)噴水推進器倒航戽/舵液壓控制、水泵軸承潤滑及腔室潤滑控制故障傳感器線路中斷A -經(jīng)常發(fā)生B -很可能發(fā)生C -偶然發(fā)生D -很少發(fā)生E -極不可能發(fā)生-災(zāi)難性的-嚴(yán)重性的-一般的-次要的a -無法檢出b -非常低c -低d -中等e -高f -非常高電液控閥V 10/V 11卡死A -經(jīng)常發(fā)生B -很可能發(fā)生C -偶然發(fā)生D -很少發(fā)生E -極不可能發(fā)生-災(zāi)難性的-嚴(yán)重性的-一般的-次要的a -無法檢出b -非常低c -低d -中等e -高f

20、-非常高注:請專家根據(jù)表中給出的“故障發(fā)生概率級別”(5個等級、“嚴(yán)重級別”(4個等級和“可檢測級別”(6個級別,從中畫出一個您認(rèn)為最合適的等級.表4 (RPN 值等級劃分T able 4G rade the values of (RPN -3非常差-2很差-1較差一般+1較好+2很好+3非常好85910007168585737154305722874291442860143表格匯總后,計算出對應(yīng)各個等級的概率(如表5、6,其中的題目代碼與圖3相對應(yīng).表5噴水推進器液壓系統(tǒng)控制故障對應(yīng)的各等級隸屬度T able 5The membership degrees of hydraulic syst

21、em failure題目等級-3-2-10+1+2+31.100000000000000表6噴水推進器液壓系統(tǒng)液壓不足對應(yīng)的各等級隸屬度T able 6The membership degrees of hydraulic systemlow hydraulic failure題目等級-3-2-10+1+2+32.10000000002.3000.2000000000000.60.402.60000000000000

22、000.20.8則根據(jù)表5隸屬度矩陣R 1的數(shù)據(jù)為R 1=000000.50.5000000.60.40000000000.60.4.同理可根據(jù)表6獲得隸屬度矩陣R 2的數(shù)據(jù).662哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第28卷對調(diào)查表中重要性數(shù)據(jù)的匯總,利用1.3.2節(jié)求取各個等級相應(yīng)權(quán)重(表7、8、9.表7一級評價指標(biāo)相對于液壓系統(tǒng)的判斷矩陣及權(quán)重T able7The judgement m atrix and w eights belong to1st stage of hydraulic system failureC K a1a2權(quán)重a1150.8333a21/510

23、.1667注:max=2R C=0<0.1表8二級評價指標(biāo)相對于液壓系統(tǒng)控制故障的判斷矩陣及權(quán)重T able8The judgement m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K1a11a12a13a14權(quán)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9二級評價指標(biāo)相對于液壓系統(tǒng)液壓不足故障的判斷矩陣及權(quán)重T able9The judgeme

24、nt m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K2a201a202a203a204a205a206a207a208a209權(quán)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運算結(jié)果經(jīng)過以上所得數(shù)據(jù),兩次模糊運算后,得出結(jié)果,B=000.0017300.02200.5260.450采用加權(quán)平均(重心反模糊化方法得出具體分值,將C等級賦值:C=d1d2d3d4d5d6d7=14.328.642.957.271.584.8100,于是,綜合評價值:Z=BC T=000.0017300.02200.5260.450×14.328.642.957.271.584.8100T=91.28由以上結(jié)果可知,

26、應(yīng)用FM EA及模糊綜合評判的方法,最后得到對此船舶的綜合評價值為91.28分,這說明該系統(tǒng)的綜合評估水平是非常高的.經(jīng)過對“海燕”輪實船調(diào)查,相關(guān)操作人員也都對此噴水推進器液壓系統(tǒng)安全性表示肯定.3結(jié)束語對高速客輪進行安全評估的結(jié)果,證明了FM EA與模糊數(shù)學(xué)方法結(jié)合的可行性.由于該方法簡潔方便,在考慮各影響因素的基礎(chǔ)上,對各因素按照不同重要性進行了評價,使FM EA在評價過程中更具科學(xué)性.此次制作FM EA表格,僅針對使用者-船舶使用方,表格相對粗糙.如果能通過設(shè)計方運用“頭腦風(fēng)暴法”7等方法獲得相關(guān)信息,所得的表格內(nèi)容會更加詳細、數(shù)據(jù)更加詳盡.另外還可以通過“模糊關(guān)系方程”對最終評價結(jié)果

27、B和模糊因子集R j進行逆向運算,得出對各組件的重視程度.這樣會對船舶的設(shè)計及使用有更強的指導(dǎo)意義.參考文獻:1居季成,徐名聰,喬靚.失效模式及后果分析的運用J.現(xiàn)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劉正高,李福秋.工藝FM EA技術(shù)應(yīng)用研究J.質(zhì)量與可靠性,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,徐剛.FM EA在過程管理中的應(yīng)用J.工業(yè)工程與管理,2002,6(1:37-39.(下轉(zhuǎn)第276頁762第3期崔文彬,等:基于FM EA和模糊綜合評判的船舶安全評估 276 哈 28 卷 爾 濱 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 第 M . 1999. Comp uter2Aided Scheduling , Sp ringer2Verlag , 技術(shù)的支持 . 綜上 ,該方法在公交調(diào)度中有很強的實 用價值 . 3 黃濺華 , 張國伍 . 公共交通實時放車調(diào)度方法

29、研究 J . 參考文獻 : 1 楊兆升 ,胡堅明 . 中國智能公共交通系統(tǒng)框架與實施方案 系統(tǒng)工程理論與實踐 ,2001 ,3 : 36 - 39. 研究 J . 交通運輸系統(tǒng)工程與信息 ,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