1、第28卷第3期哈爾濱工程大學學報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(大連海事大學輪機工程學院,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為研究對象,應用FM EA 方法,制作出專家調查表格,表格回收匯總后,應用模糊綜合評判方法建模并進行分析,分析結果表明,噴水

2、推進器液壓系統安全可靠.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FM EA 綜合安全評估過程更加合理. 關鍵詞:故障模式影響分析;模糊綜合評判;噴水推進器液壓系統;安全評估中圖分類號:X951文獻標識碼: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世紀初,泰坦尼克號的沉沒產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識和改進大都還是當船舶發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則時,基本上是基于經驗或事故教訓,因此這樣的規則修改只能是一個亡羊補牢、被動吸取經驗教訓的過程.如何將船舶安全維護由被

7、動變為主動,就應“防病”,而非僅是“治病”.事實上,大多數工程技術人員在進行產品、工藝設計工作中,都自覺或不自覺地聯想自己的設計是否能在實際操作中實現,有哪些因素對它產生影響或設計本身會對哪些方面產生影響等,卻沒有對其進行系統、量化地預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”,是從實踐中發展起來的一種可靠性分析技術2.該技術既可以用在事先預防階段,分析潛在的故障模式及其原因, 采取預防措施防止缺陷(故障發

8、生,也可以用在事后改進階段,分析已經發生的故障模式及其原因,采取改進措施,并防止缺陷(故障再次發生.它在制造業運用得較為廣泛,可以在設計階段和在產品投產前分析產品,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,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.硬件分析法是根據系統功能框圖和可靠性框圖,對組成系統的各個單元可能發生的所有故障模式及其對系統功能的影響進行分析,并列出表格;復雜系統的每一個分系統或單元都有一定的設計功能,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、信息多少和系統的復雜程度.FM EA 通過標準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船舶領域缺少FM EA 經驗,很難找到準確的概率資料,所以有必要進行調查研究,盡可能地掌握準確數據或定性地給出概率類別.由設計人員、使用人員等對故障出現的概率O ,故障嚴重程度S 和故障檢測難易程度D 打分,形成3種十分制的分數,最后連乘,得到風險順序數(RPN 4.由于對不同系統和部件,這3類評判對象對風險的

10、貢獻不同,所以FM EA 的風險評估定量分析不盡客觀嚴密,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量值精確描述的指標,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驗去度量的指標.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驗和意見的方法,這些經驗和意見一般具有模糊性.針對傳統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,采用模糊數學分析方法進行

11、改進,將風險數據由分明集改成與采集相適應的模糊集,并對(RPN 對風險的貢獻采用加權分析,可使傳統的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 為權重向量,B 為模糊綜合評判結果,上標°為模糊算子.1.3.1隸屬度的確定在建立模糊評判模型時,采用專家調查和集值統計方法相結合來構造單因素評判矩陣.首先制作專家打分調查表,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,根據專家的經驗和看法進行認定,在打分表對應等級處打勾,再通過對專家調查表統計,得到各個因素對應等級的頻率數,經過歸一化處理即可得到各個因素對應等級的隸屬度,從而得到單因素評判矩陣R i .1.3.2權重5的確定通過表格1應用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哈爾濱工程大學學報第28卷 b ij ,可構造判斷矩陣為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 .根據判斷矩陣B ,計算它的最大特征根max 及其所對應的特征向量:=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(consistent index I C =max -n n -1.當R C <0.1時,認為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應對判斷矩陣作適當修正.取x i 作為因素u i 重要程度系數a i ,必要時再對特征向量=x 1x 2x m 歸一化作為權重:A =a 1a 2a m .1.3.3模糊算子上標°的確定:就理論上而言,廣義模糊合成運算有無窮多種,根據本文例子中的特點,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結果的處理為了能更直觀地看

15、出結果,將向量結果B =b 1b 2b n 通過加權平均(重心法轉化為一個簡單百分制數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”號的噴水推進系統器液壓系統為研究對象,應用FM EA 功能分析法與模糊綜合評判相結合對其進行分析,流程圖如圖2.2.1評價指標體系與標準確定通過對大連高速客輪“海燕”號噴水推進器液壓系統實際調查和分析,應用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 設定轉舵噴嘴及倒航戽位置的液壓機構;2為齒輪箱提供潤滑的潤滑系統,當液壓系統故障時,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及專家調查表(表3,為了獲得相對準確的數據,向在此船工作過多年及對此系統具有豐富使用經驗的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,請這些專家在調查表上選擇自己認為最貼切的一項,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,就填寫相應重要等級的倒數(如1/3.2.2

18、模糊語言的量化(隸屬度及權重的確定此例中隸屬度的獲得采用概率統計法.表格回收后,將故障調查表(表3中(故障出現的概率O 選項A 、B 、C 、D 、E 定位為10、8、6、4、2分;將(故障嚴重程度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(RPN =O ×S ×D ,算出風險順序數(RPN (風險順序數是評價安全等級的重要參數,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故障專家調查表T able 3A sur

19、vey on hydraulic system failures系統名稱功能故障模式故障原因故障發生的概率級別嚴重度級別可檢測級別噴水推進器液壓潤滑系統噴水推進器倒航戽/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 -經常發生B -很可能發生C -偶然發生D -很少發生E -極不可能發生-災難性的-嚴重性的-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 -經常發生B -很可能發生C -偶然發生D -很少發生E -極不可能發生-災難性的-嚴重性的-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:請專家根據表中給出的“故障發生概率級別”(5個等級、“嚴重級別”(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,計算出對應各個等級的概率(如表5、6,其中的題目代碼與圖3相對應.表5噴水推進器液壓系統控制故障對應的各等級隸屬度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液壓不足對應的各等級隸屬度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則根據表5隸屬度矩陣R 1的數據為R 1=000000.50.5000000.60.40000000000.60.4.同理可根據表6獲得隸屬度矩陣R 2的數據.662哈爾濱工程大學學報第28卷對調查表中重要性數據的匯總,利用1.3.2節求取各個等級相應權重(表7、8、9.表7一級評價指標相對于液壓系統的判斷矩陣及權重T able7The judgement m atrix and w eights belong to1st stage of hydraulic system failureC K a1a2權重a1150.8333a21/510

23、.1667注:max=2R C=0<0.1表8二級評價指標相對于液壓系統控制故障的判斷矩陣及權重T able8The judgement m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K1a11a12a13a14權重a1113530.5038 a121/3151/20.1935 a131/51/511/30.0676 a141/32310.2351注:max=4.2226R C=0.083<0.1表9二級評價指標相對于液壓系統液壓不足故障的判斷矩陣及權重T able9The judgeme

24、nt m atrix and w eights belong to2nd stage of hydraulic system failuresC K2a201a202a203a204a205a206a207a208a209權重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運算結果經過以上所得數據,兩次模糊運算后,得出結果,B=000.0017300.02200.5260.450采用加權平均(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由以上結果可知,

26、應用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,這說明該系統的綜合評估水平是非常高的.經過對“海燕”輪實船調查,相關操作人員也都對此噴水推進器液壓系統安全性表示肯定.3結束語對高速客輪進行安全評估的結果,證明了FM EA與模糊數學方法結合的可行性.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.如果能通過設計方運用“頭腦風暴法”7等方法獲得相關信息,所得的表格內容會更加詳細、數據更加詳盡.另外還可以通過“模糊關系方程”對最終評價結果

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.這樣會對船舶的設計及使用有更強的指導意義.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技術應用研究J.質量與可靠性,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在過程管理中的應用J.工業工程與管理,2002,6(1:37-39.(下轉第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 學 報 第 M . 1999. Comp uter2Aided Scheduling , Sp ringer2Verlag , 技術的支持 . 綜上 ,該方法在公交調度中有很強的實 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框架與實施方案 系統工程理論與實踐 ,2001 ,3 : 36 - 39. 研究 J . 交通運輸系統工程與信息 ,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