王銀蘭 宋偉科 林偉明 張 勇 中國特種設備檢測研究院

大型游樂設施設計風險評估方法

王銀蘭 宋偉科 林偉明 張 勇 中國特種設備檢測研究院

針對游樂設施的特點，提出了游樂設施設計風險評估流程，通過信息收集、危險識別、風險評估和風險控制四個過程從設計階段完善設計方案。結合現(xiàn)有風險評估方法，建立了一套適合游樂設施的設計風險評估方法，集成了基于零部件失效模式分析、危險源系統(tǒng)分析和概念設計分析方法，實現(xiàn)了零部件層次和系統(tǒng)層次的風險分析和控制。以典型游樂設施-大擺錘為例，詳細說明了該方法具體實現(xiàn)過程，驗證了該方法在游樂設施風險評估中的有效性和適用性。

設計風險評估 失效模式分析 危險源識別 大擺錘

游樂設施的安全取決于：安全的設計；滿足設計要求的制造與安裝；安全的運行、操作；保養(yǎng)和維護,其中設計是產品質量的源頭。安全的設計決定了后面幾個因素的難易程度。因此，必須重視游樂設施的設計開發(fā)。我國的游樂設施設計由最初的簡單測繪國外設備開始，經過多年的經驗積累和技術進步，目前對中小型設備具備了計算分析等能力。但是由于缺乏設計理論和方法的指導，目前的游樂設施設計仍停留在以個人的設計經驗為主的階段，安全漏洞較多，產品安全隱患大。因此，必須在設計階段就開始進行有效的危險識別與風險評估，從源頭提高產品安全可靠性。

1 風險評估流程

游樂設施風險評估的根本理念是以系統(tǒng)科學為指導，“以人為本”為原則進行危險識別、風險評估和控制。由于游樂設施的特殊性，所有的風險評估都圍繞人的安全展開，避免其他因素的干擾，體現(xiàn)“人員重于設備”。風險評估的目的是在設計階段盡量識別所有可能出現(xiàn)的與游客有關的不利因素。一旦發(fā)現(xiàn)存在對游客造成人身損害危險，應對風險進行評估。評估內容包括危險導致的損害發(fā)生的可能性和嚴重程度。隨后應采取措施消除或減少風險，以及危險時的救援措施[1-4]。

游樂設施設計風險評估主要由信息收集、危險識別、風險評估和風險控制四個過程。信息收集的目的是獲取設備的相關安全信息與數據，收集的數據越多，則風險識別、風險評估和控制工作的內容就越充實。危險識別是風險評價的關鍵環(huán)節(jié)。危險識別是否全面、準確與真實，任何一種危險在識別階段是否被忽略，都將直接影響風險評價和安全決策的質量。正確識別全部危險，需運用科學方法進行多角度、多層次的分析。大多數危險可以被識別，并能通過后續(xù)措施加以消除。有些無法完全消除的危險，應對其可能造成的人身健康和安全的風險進行評估，并采取適當的措施使其最小化。風險控制重要的一點就是為消除具體危險采取的措施，或者說使風險最小化的措施，就其本身性質而言，不會又引起新的危險。游樂設施設計風險評估流程如圖1所示。

圖1 游樂設施設計風險評估流程

2 風險評估體系建立

2.1 風險評估方法

系統(tǒng)工程領域的風險分析和風險評估研究日益引起人們的重視，各種風險評估方法也在逐步發(fā)展并得到應用。系統(tǒng)工程風險分析結果的可信度在很大程度上取決于風險評估方法的正確選擇。不同的風險評估方法側重的分析方面是不同的，同時在分析問題的深度、廣度上都存在一定的差別，因此合理的風險評估方法是獲得可靠結果的保證。

目前常見的各種風險評估方法在游樂設施設計中應用存在一定的難度。因為游樂設施是一種由鋼結構、機械、電氣、控制、液壓氣動、土建基礎等多方面技術集成的產品，各個部件和各個子系統(tǒng)之間的關系復雜。如失效樹分析(FTA)或事件樹分析(ETA)分析法，其故障樹的建造和計算過程極為復雜，最終數的分支樹會呈指數增長，產生大量的冗余分支[5-7]。鑒于游樂設施設計多樣化特點，某一類游樂設施生產的產品數量少，難以形成定量分析。更為重要的是，為了吸引游客的關注，游樂設施的設計大多是一種創(chuàng)新性和個性化設計，設計中缺乏成熟產品參考和定量數據的支持，各種定量分析方法也不適用。因此，本文提出了一種針對游樂設施特點的設計風險綜合評估方法，如圖2所示。

圖2 游樂設施設計風險綜合評估方法

該方法從零部件層次、常見危險源層次和概念設計層次三個方面對設計階段的風險進行分析與控制。這種方法考慮了當前游樂設施行業(yè)的特點，統(tǒng)籌兼顧了零部件和系統(tǒng)層次的危險。通過不同層次、不同方法的風險評估對設備進行有效的安全控制，是一種集成創(chuàng)新。其中基于零部件的失效模式分析從系統(tǒng)底層單個零部件角度評估系統(tǒng)風險，考慮到每個子系統(tǒng)的潛在風險?；谖ｋU源的系統(tǒng)風險分析從上層全局角度分析可能存在的各種失效風險，考慮系統(tǒng)的潛在風險。概念設計層則針對各種方法都無法消除或控制的危險，說明其原理設計或者結構設計本身存在重大缺陷，這時需要在概念設計層進行改正甚至提出新的解決方案。

2.2 基于零部件的FMEA

失效模式及后果分析FMEA(Failure Mode And Effects Analysis)是在風險發(fā)生之前對風險進行預防和控制。它主要是從失效嚴重度S(Severity)、頻度O(Occurrence)和探測度D(Detection)3個維度進行風險評估，通過量化指標確定風險的失效模式及關鍵失效起因，從而制定預防措施加以控制，從而將風險減少到可接受的水平[8,9]。FMEA是一種歸納分析方法，它在零部件級的水平上系統(tǒng)詳細地分析了所有可能的失效模式以及這些失效模式對系統(tǒng)的影響游樂設施非常實用游樂設施零部件角度的單點失效分析。

根據我國歷年游樂設施事故與故障統(tǒng)計分析情況,設計了游樂設施零部件失效可能性積分表(見表1)、失效可發(fā)現(xiàn)性積分表(見表2)和失效后果嚴重性積分表(見表3)。

表1 失效可能性積分表

表2 失效可發(fā)現(xiàn)性積分表

表3 失效后果嚴重性積分表

2.3 系統(tǒng)層次危險源分析

雖然基于零部件的FMEA方法對于識別危險，確定關鍵部件和游樂設施風險控制起到很重要的作用，但基于零部件FMEA識別的危險并不是游樂設施全部的危險。由于游樂設施有很大一部分危險源是在零部件裝配成系統(tǒng)（子系統(tǒng)）時或系統(tǒng)中產生的，或在各系統(tǒng)相互作用時產生的，因此，還必須對這些系統(tǒng)進行危險識別、風險評估和風險控制，以求最大限度地識別游樂設施全部或絕大多數危險，采取措施予以消除或處于有效控制之下[10,11]。根據多年的國內外游樂設施設計文件鑒定與檢驗試驗實踐，在從系統(tǒng)層次自上而下識別并排除危險源時，根據目前游樂設施工作特點和游樂設施實際情況，從危險部位、失效模式、失效原因、控制措施等方面詳細分析了大擺錘的危險源失效方式，見表4。

表4 大擺錘危險源分析表

從表4中可以看出，基于危險源的系統(tǒng)層次風險分析從機械危險、電氣危險、噪聲危險、忽略人機工程學造成的危險、環(huán)境危險及意外危險等，全面分析了所有可能的危險源。其中機械危險，如螺栓、焊縫、銷軸、驅動系統(tǒng)的風險分析涵蓋了基于零部件失效模式分析，從而避免了風險分析中可能的缺項，保證了風險分析的完整性。同時基于危險源的系統(tǒng)層次風險分析方法還考慮了噪聲危險以及其他特殊危險，這些危險無法在零部件失效模式中體現(xiàn)。

3 實例分析

大擺錘作為一種典型的旋轉類大型游樂設施，其運動形式是座艙的旋轉和吊臂的擺動。目前大擺錘高度通常在15m，最大運行高度可達30m，單側擺動幅度一般在110°～120°左右，轉盤直徑在8m左右，轉速在7～10r/min左右，座艙最大線速度可達90km/h，最大加速度可達4g以上，每次最大載客量最多可達56人。游客在極速上擺與下落過程中，體驗高度、速度、加速度帶來的驚險與刺激。大擺錘的運動特點決定了設備的運行風險，進行全面系統(tǒng)的風險評估是保證設備正常運行的必要條件。

基于零部件的FMEA方法和系統(tǒng)層次危險源分析法對大擺錘可能的風險進行全面評估。大擺錘零部件層次失效分析見表5，系統(tǒng)層次危險源失效分析如見表6(僅列出主要項)。

表5 大擺錘零部件FMEA分析表

表6 大擺錘系統(tǒng)層次危險源分析表

由表5和表6可以看出，基于零部件的FMEA和系統(tǒng)層次危險源分析法全面分析了大擺錘在設計階段可能存在的各種失效可能，并提出了具體的風險規(guī)避措施，為保證大擺錘的安全運行提供了強有力的保證。

4 結論

1）在分析游樂設施特點基礎上，提出了游樂設施設計風險評估流程。通過信息收集、危險識別、風險評估和風險控制四個過程從設計階段完善設計方案，保證設備安全。

2）提出了一種針對游樂設施特點的設計風險綜合評估方法，從零部件失效模式分析（FMEA）、危險源系統(tǒng)風險分析和概念設計層分析三個方面實現(xiàn)了游樂設施風險的全面評估。

3）以典型大擺錘游樂設施為例，利用本文提出的設計風險評估方法，全面評估了大擺錘在設計階段可能存在的各種失效可能，并提出了具體的風險規(guī)避措施，驗證了該方法的有效性和適用性。

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6 郭曙光.機械安全風險評價方法研究.北京:機械科學研究總院,2008

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10 林偉明,肖原,葉建平等.大型游樂設施的多級綜合安全評價方法研究.微計算機信息,2010,26(3):51－52

11 秦庭榮,陳偉炯.綜合安全評價(FSA)方法.中國安全科學學報,2005,15(4):88－92

Based on the analysis of characteristics of amusement rides, the process of design risk assessment is proposed to perfect the design by information collection, risk identification, risk assessment and risk control. Considering the current risk assessment methods, a new approach adapting the feature of amusement rides is built, integrating the failure mode analysis of components, danger source analysis and concept design analysis. The risk assessment and control in the component and system level is realized. For instance of large pendulum, the details of risk assessment is illustrated, which verifies the effectiveness and applicability of the proposed method in the risk assessment of amusement rides.

Design risk assessment Failure mode analysis Risk source identifcation Large pendulum

2013－11－14）