王志強(qiáng) 張晨孌 吳云天

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 包頭 014010）

（2.包頭市特種設(shè)備檢驗所 包頭 014030）

電梯作為公共建筑中的垂直交通工具，已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分，在電梯為人們帶來便利的同時，電梯安全事故也隨之而來，國家質(zhì)檢總局2017年1月公布的數(shù)據(jù)中顯示，2016年，全國共發(fā)生電梯事故48起，死亡41人。包頭市作為內(nèi)蒙古自治區(qū)的第二大城市，電梯的使用數(shù)量在自治區(qū)內(nèi)也居前列，根據(jù)包頭市特種設(shè)備檢驗所（以下簡稱“特檢所”）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，截至2017年6月包頭全市在用電梯數(shù)量是12683臺，并以平均18%的增長率逐年遞增。在電梯使用范圍如此廣泛并且有著不斷擴(kuò)大的趨勢下，電梯質(zhì)量可靠性的研究為今后電梯的安全運(yùn)行提供了保障，使人們更加安心放心乘梯。特檢所每年對包頭市在用電梯進(jìn)行統(tǒng)計和檢驗，把收集的數(shù)據(jù)錄入特檢所電梯檢驗系統(tǒng)，從而形成電梯檢驗大數(shù)據(jù)庫，此大數(shù)據(jù)庫成為本文研究的基礎(chǔ)，為研究包頭市電梯可靠性提供了數(shù)據(jù)支持。

電梯可靠性研究起源于歐盟，歐盟也是世界最早把電梯安全評價納入電梯技術(shù)規(guī)范進(jìn)行推行的，如EN 115—2008中把電梯安全評價貫穿于電梯安裝到報廢的整個生命周期，且處于核心地位。世界上對電梯安全可靠性的研究也有很多，G Gruppie（2009）認(rèn)為要避免因維修保障疏忽產(chǎn)生的安全事故[1]。S-T Park（2010）提出電梯風(fēng)險檢測技術(shù)對電梯的安全具有重要作用[2]。V Zarikas等（2013）對希臘過去12年的電梯事故進(jìn)行了整理和分析，提出應(yīng)該對電梯安全進(jìn)行立法和規(guī)定定期的檢查服務(wù)[3]。

中國專家學(xué)者也對電梯的可靠性運(yùn)用自己的方法進(jìn)行了研究和分析。慶光蔚等（2013）運(yùn)用模糊綜合安全評價方法衡量了南京市102臺老舊電梯的運(yùn)行狀況及安全性能[4]。李中興等（2014）通過基于預(yù)先危險性分析—故障類型和影響分析(PHA-FMEA)的評估方法，建立了電梯系統(tǒng)綜合風(fēng)險評估模型[5]。鄭強(qiáng)（2016）運(yùn)用FMEA理論研究分析建立人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素、管理因素四個方面的電梯風(fēng)險評價指標(biāo)體系，為改善電梯風(fēng)險狀況的對策措施提供依據(jù)[6]。

大數(shù)據(jù)分析，是基于大數(shù)據(jù)的全面覆蓋性和蘊(yùn)藏規(guī)律性進(jìn)行的分析，維多克認(rèn)為，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)覺的規(guī)律可以引導(dǎo)未來的行為。將大數(shù)據(jù)思維應(yīng)用在電梯宏觀評價和監(jiān)管中是電梯研究的發(fā)展方向。蘇健等（2014）認(rèn)為大數(shù)據(jù)是一種全新的思維監(jiān)管模式，可以有效彌補(bǔ)當(dāng)前廣州電梯監(jiān)管的不足[7]。林穗賢（2016）提出通過分析電梯大數(shù)據(jù)，建立的電梯故障預(yù)診斷模型是電梯技術(shù)的重要發(fā)展方向[8]。張貞貞等（2016）通過對目前的電梯監(jiān)管現(xiàn)狀的分析，建立了一套基于大數(shù)據(jù)的新的電梯監(jiān)管新模式[9]。徐斌等（2017）通過構(gòu)建武漢市近十萬臺電梯信息資源數(shù)據(jù)庫，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)設(shè)計智慧電梯綜合分析預(yù)警平臺，實現(xiàn)了對武漢市電梯的動態(tài)監(jiān)管[10]。

可靠性即產(chǎn)品在規(guī)定的時間和條件下能夠完成規(guī)定功能的能力，可以通過壽命、失效率、可靠度等指標(biāo)來進(jìn)行評價。[11]本文主要研究對象是曳引驅(qū)動電梯（以下簡稱“電梯”），將其主體機(jī)械設(shè)備劃分為可靠性研究的指標(biāo)，通過故障模式及影響分析（FMEA）法，計算得出危險優(yōu)先數(shù)（RPN），再將RPN進(jìn)行歸一化計算得出電梯各指標(biāo)所占上級指標(biāo)可靠度的比例，以此作為模糊綜合評價方法的權(quán)重進(jìn)行評價模型的構(gòu)建，最后將評價模型應(yīng)用于特檢所2014～2016年進(jìn)行檢驗的電梯，通過調(diào)取特檢所歸納整理電梯檢驗數(shù)據(jù)所形成的電梯檢驗大數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，以此大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對包頭市電梯質(zhì)量可靠性進(jìn)行宏觀評價。通過本文的研究論證，包頭市電梯監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以得出包頭市電梯主體機(jī)器設(shè)備的不可靠程度，為包頭市電梯監(jiān)管機(jī)構(gòu)更好地對包頭市電梯進(jìn)行監(jiān)管提供指導(dǎo)性監(jiān)管意見和建議。

1 電梯可靠性綜合評價指標(biāo)體系

分級評價指標(biāo)的建立，是為了通過分析電梯整機(jī)及其子系統(tǒng)發(fā)生故障的單元和原因，從而對電梯整機(jī)的可靠性做出評價?？煽啃栽u價指標(biāo)是以電梯整機(jī)為主體，并結(jié)合TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動電梯》[12]以及特檢所的電梯定期檢驗項目進(jìn)行劃分，同時參照了GB/T 7024—2008《電梯、自動扶梯、自動人行道術(shù)語》[13]。

Ⅰ級評價指標(biāo)是對電梯整體機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)（E）的劃分，即電梯整體機(jī)器設(shè)備的子系統(tǒng)。Ⅰ級評價指標(biāo)包括機(jī)房及相關(guān)設(shè)備（E1），井道及相關(guān)設(shè)備（E2），轎廂與對重（E3），懸掛裝置、補(bǔ)償裝置及旋轉(zhuǎn)部件防護(hù)（E4），轎門與層門（E5）5項。Ⅱ級評價指標(biāo)是對Ⅰ級評價指標(biāo)的再度劃分，即Ⅰ級評價指標(biāo)的子系統(tǒng)。Ⅲ級評價指標(biāo)是綜合特檢所的資料文件記錄和業(yè)內(nèi)專家意見，兼顧資料獲取的難易程度及現(xiàn)場評價的可操作性，對Ⅱ級評價指標(biāo)的再細(xì)分化指標(biāo)。

整個評價指標(biāo)體系中，共有Ⅰ級評價指標(biāo)5個，Ⅱ級評價指標(biāo)41個，Ⅲ級評價指標(biāo)114個，具體劃分見表1，由于篇幅限制，Ⅱ級評價指標(biāo)和Ⅲ級評價指標(biāo)只列出部分。

表1 電梯可靠性綜合評價指標(biāo)體系

（續(xù)表）

故障模式及影響分析（FMEA）是一種從可靠性角度出發(fā)查找故障的分析方法，通過分析系統(tǒng)中每個組成單元故障的發(fā)生情況，得出此故障對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，同時按照影響程度劃分出等級，并根據(jù)需要對故障的預(yù)防和對系統(tǒng)的改進(jìn)提出建議，完善整個系統(tǒng)的可靠性程度，F(xiàn)MEA經(jīng)常被用于設(shè)計開發(fā)階段，但后來的學(xué)者專家也將其用于對象后續(xù)試用階段的可靠性評價[14]。FMEA的分析過程是從畫可靠性框圖開始的，通過分析每個單元的功能和參數(shù)，找出可能的故障模式，根據(jù)相應(yīng)的評價體系對可能的故障模式進(jìn)行危險量化評估，用危險優(yōu)先數(shù)（RPN）對每個可能故障模式的危險優(yōu)先級進(jìn)行評定，最后根據(jù)需要提出相應(yīng)的完善意見。本文目的是對整個電梯系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行綜合評價，由于RPN的值可以對可能的故障模式進(jìn)行排序，RPN的值越高的故障模式就越應(yīng)該受到重視，RPN是對故障模式從定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)變，所以FMEA所得出的RPN可以作為綜合評價中的權(quán)重來使用，F(xiàn)MEA最后需要提出的建議和意見將在結(jié)論中闡述，本節(jié)將不進(jìn)行建議和意見的贅述。

可靠性框圖便于研究系統(tǒng)中各部分的相互關(guān)系，根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行可靠度和故障率的計算，計算結(jié)果用于評價系統(tǒng)的可靠性?？煽啃钥驁D有串聯(lián)和并聯(lián)兩種組合方式，電梯整體的機(jī)器設(shè)備是一個完整的系統(tǒng)，各部分是相互關(guān)聯(lián)的，某一部分的故障都會引起電梯整體的不運(yùn)作，所以將電梯各子系統(tǒng)的關(guān)系用串聯(lián)形式進(jìn)行可靠性框圖的構(gòu)建，見圖1，由于篇幅限制，電梯各子系統(tǒng)沒有進(jìn)行再進(jìn)一步劃分。

圖1 電梯系統(tǒng)可靠性框圖

危險優(yōu)先數(shù)（RPN）是每個故障可能發(fā)生的危險程度，它的值等于故障嚴(yán)重度（S），故障發(fā)生率（O）和故障不易探測程度（D）三個值的乘積，即RPN=S×O×D。S表示指標(biāo)的故障所產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度，根據(jù)具體的判別標(biāo)準(zhǔn)，將故障影響分為從無警告的危險到無危險10個影響級別，并從危險的高級別到低級別賦予10到1分。O表示指標(biāo)的故障出現(xiàn)的概率，按照調(diào)查的不合格電梯中此指標(biāo)故障的發(fā)生概率，給出一個可能故障的比例標(biāo)準(zhǔn)，按照這個標(biāo)準(zhǔn)用一個10分值對這個概率進(jìn)行描述，故障發(fā)生率越高則分值越高，并根據(jù)分值將故障概率從非常高到極小劃分為5個評價等級。D表示在現(xiàn)有的探測方法下，指標(biāo)的故障能被探測出來的難易程度，從幾乎肯定可能找出的故障模式到幾乎不可能找出的故障模式劃分為1～10級，評分1～10分，即故障越不易探測則分值越高，一般來說，故障發(fā)生率低，不易探測度也低。S、O、D的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

RPN值越大的故障越應(yīng)該引起研究者的重視，根據(jù)RPN的值可以將同系統(tǒng)同級指標(biāo)進(jìn)行故障優(yōu)先級排序，RPN值太低的指標(biāo)作為“弱危險權(quán)重指標(biāo)”可以從指標(biāo)系統(tǒng)中剔除，因為其發(fā)生故障的可能性和影響都比較小，對整個系統(tǒng)的可靠性的影響不是很大。通過對不合格電梯的檢驗數(shù)據(jù)分析，并且通過與電梯標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對比，特檢所的負(fù)責(zé)電梯檢驗的專職人員對表1中Ⅲ級評價指標(biāo)的S、O、D進(jìn)行了評分，通過計算可以得出其RPN值。根據(jù)層級遞推原則，通過計算Ⅲ級評價指標(biāo)的RPN值的比例并進(jìn)行歸一化運(yùn)算，把此比例作為在Ⅱ級評價指標(biāo)中的權(quán)重，并根據(jù)此比例依次計算Ⅱ級評價指標(biāo)、Ⅰ級評價指標(biāo)的S、O、D、RPN值，并通過比例計算、歸一化運(yùn)算計算出Ⅰ級評價指標(biāo)在主體評價指標(biāo)中的比例權(quán)重。

Sij，Oij，Dij為對i級第j個指標(biāo)的故障嚴(yán)重度，故障發(fā)生率和故障不易探測程度評分，1≤Sij，Oij，Dij≤ 10，則可算得RPNij：

表2 嚴(yán)重度評價標(biāo)準(zhǔn)（S），故障發(fā)生頻率的判別標(biāo)準(zhǔn)（O），不易探測度的判別標(biāo)準(zhǔn)（D）

根據(jù)RPNij數(shù)值進(jìn)行歸一化比例運(yùn)算可以算得i級第j個指標(biāo)在其所屬i級指標(biāo)中的權(quán)重：

n

根據(jù)此權(quán)重可以算得i級指標(biāo)的Si，Oi，Di和RPNi值：

按照層級遞推的原則，可以依次計算出i級指標(biāo)占i-1級指標(biāo)可靠性的權(quán)重。

包頭市在用電梯的檢驗周期為一年，從近幾年的電梯檢驗情況來看，影響電梯可靠性的指標(biāo)主要有“表1Ⅰ級評價指標(biāo)”中的E1、E2、E3、E5以及此四項所涵蓋的部分Ⅱ級、Ⅲ級評價指標(biāo)。E4指標(biāo)是由曳引鋼絲繩及其端部裝置、張力調(diào)節(jié)裝置組成，其安裝質(zhì)量關(guān)系到電梯的整體性能和運(yùn)行安全，所以該指標(biāo)對電梯可靠性的影響應(yīng)在電梯交付使用前進(jìn)行評估。特檢所的電梯定期檢驗工作一般在電梯投用后開展，因此E4指標(biāo)及其涵蓋的Ⅱ級、Ⅲ級評價指標(biāo)應(yīng)作為弱權(quán)重指標(biāo)，對此本文不作討論。同理，根據(jù)電梯檢驗數(shù)據(jù)，E1、E2、E3和E5指標(biāo)所涵蓋的部分Ⅱ級、Ⅲ級評價指標(biāo)也作為弱權(quán)重指標(biāo)進(jìn)行剔除。對包頭市電梯可靠性的評價指標(biāo)共包括4個Ⅰ級評價指標(biāo)，22個Ⅱ級評價指標(biāo)和54個Ⅲ級評價指標(biāo)。

根據(jù)檢驗數(shù)據(jù)和電梯標(biāo)準(zhǔn)，檢驗人員對54個Ⅲ級評價指標(biāo)進(jìn)行了S，O，D評分，并且由上述式（1）～式（6）由層級遞推公式推得4個Ⅰ級評價指標(biāo)占主體指標(biāo)權(quán)重，見表3。

表3 Ⅰ級評價指標(biāo)占主體指標(biāo)權(quán)重

通過計算Ⅰ級評價指標(biāo)占主體指標(biāo)的權(quán)重，可以看出每個指標(biāo)對電梯可靠性的影響是大致平均的，因為在特檢所檢驗的過程中，由于每次檢驗的側(cè)重點(diǎn)的不同，導(dǎo)致電梯維修管理單位對電梯維護(hù)的側(cè)重點(diǎn)也有不同，從而導(dǎo)致每次檢驗時引起電梯不可靠的原因不同。在各Ⅰ級評價指標(biāo)中，E1指標(biāo)和E3指標(biāo)對電梯可靠性影響相對較大。隨著技術(shù)發(fā)展和節(jié)能的要求，無機(jī)房電梯的使用越來越廣泛，但是機(jī)房作為電梯驅(qū)動主機(jī)及其附屬設(shè)備的專用空間，直接決定了電梯的運(yùn)行情況。轎廂和對重是電梯運(yùn)動的主體部件，電梯的一切運(yùn)行最終都要通過轎廂反映給乘客[15]，所以轎廂和對重決定著乘客乘梯的舒適度，決定著對電梯可靠性的直觀感受，是電梯可靠性最根本的落腳點(diǎn)。

2 電梯可靠性模糊評價模型

模糊數(shù)學(xué)是借助數(shù)學(xué)的方法對不能用數(shù)學(xué)方法精確描述的事物進(jìn)行處理和評價，但是想要對于任何一個事物做出評價，就要全面的考慮到影響這個事物的多個因素或者多個指標(biāo)，通過對這些因素和指標(biāo)的分析，得到對這個事物的綜合評價，這就是本文中電梯可靠性研究所用到的模糊綜合評價方法[16]。由表1可知，影響電梯可靠性的因素是多種多樣的，為了評價總體指標(biāo)電梯整體機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)（E）的可靠性，就要先對Ⅰ級評價指標(biāo)、Ⅱ級評價指標(biāo)和Ⅲ級評價指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)的可靠性評價，再對所有指標(biāo)進(jìn)行綜合評判，其中Ⅲ級評價指標(biāo)模糊綜合評價之后得出Ⅱ級評價指標(biāo)的可靠性，同理Ⅱ級評價指標(biāo)模糊綜合評價之后得出Ⅰ級評價指標(biāo)的可靠性，Ⅰ級評價指標(biāo)模糊綜合評價之后得出總體指標(biāo)電梯整體機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)（E）的可靠性。以Ⅰ級評價指標(biāo)作為模糊綜合評價因素進(jìn)行電梯整體機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價為例，構(gòu)建模糊綜合評價模型[17]。

可靠性評價等級是對電梯的各指標(biāo)是否可靠的評級和評分，把對電梯可靠性的評級分為可靠、較可靠、中等、較危險、危險5個級別[18]，具體對電梯可靠性評價等級及評分見表4，設(shè)第j個指標(biāo)的可靠性評級隸屬度為Vj={vj1，vj2，vj3，vj4，vj5}，其中vj1+vj2+vj3+vj4+vj5=1。根據(jù)特檢所專職檢驗人員對電梯的檢驗數(shù)據(jù)的評估，并且與電梯指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的對比，給出每個指標(biāo)的可靠性評級的隸屬度。

表4 電梯可靠性評價等級及評分

K={k1，k2，k3…kn}表示n個指標(biāo)在可靠性評級中所占的權(quán)重，Vn×5表示n個指標(biāo)的隸屬度所組成的n行5列矩陣，則對上一級指標(biāo)可靠性的評級隸屬度為：

根據(jù)此模糊綜合評判模型求隸屬度的關(guān)鍵在于層級遞推，子指標(biāo)的權(quán)重向量與指標(biāo)可靠性評級所構(gòu)成的矩陣相乘所得的是母指標(biāo)的可靠度評級隸屬度，一級一級類推計算，最后得出整個系統(tǒng)的可靠性評級隸屬度[19]。因為權(quán)重之和與各子指標(biāo)可靠性評級隸屬度之和均為1，則算得上一級可靠性評級隸屬度之和也為1，則不用再進(jìn)行歸一化計算，此隸屬度則可以作為電梯可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述方法和2014～2016年特檢所對包頭市電梯的檢驗數(shù)據(jù)，并參考電梯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[20]，對評價包頭市可靠性的54個Ⅲ級評價指標(biāo)進(jìn)行評級和評分，得到Ⅲ級評價指標(biāo)的可靠性評級隸屬度，由層級遞推和式（7）可以算得Ⅰ級評價指標(biāo)的可靠性評級隸屬度，見表5，再由Ⅰ級評價指標(biāo)的可靠性評級隸屬度和表3中權(quán)重可以算的包頭市電梯主體機(jī)器設(shè)備的可靠請評級隸屬度為V={0.5758，0.2965，0.1078，0.0199，0}，平均得分為89.2。總體而言，包頭市電梯總體評價為“較可靠”級別。其中，絕大部分電梯處于“可靠”狀態(tài)，“較可靠”級別電梯所占比例也比較大，有部分電梯處于“異?！焙汀拜^危險”級別，幾乎沒有電梯處于“危險”級別。

表5 Ⅰ級評價指標(biāo)的可靠性評級隸屬度

2014～2016年特檢所對包頭市電梯的檢驗數(shù)據(jù)，見表6，表中數(shù)據(jù)顯示，包頭市每年參加檢驗的電梯數(shù)占電梯使用總數(shù)的97%以上，檢驗不合格電梯占電梯使用總數(shù)的4%左右，與上述所得可靠性評價隸屬度較為吻合，證明對包頭市電梯可靠性評價模型的建立是有實際評價價值的，評價結(jié)果也有一定的代表性，折射出包頭市電梯的總體情況。

表6 特檢所2014～2016年檢驗統(tǒng)計

3 結(jié)論

包頭市電梯總體可靠性水平較高，特檢所每年所進(jìn)行的安全檢查的覆蓋面也比較全面，但是仍然存在部分不可靠級別電梯，作為與人們生活息息相關(guān)的設(shè)備，這部分不可靠級別電梯就是安全隱患所在，所以仍要加強(qiáng)實際的安全管理和監(jiān)督檢驗，避免安全事故的發(fā)生。在安全管理方面，特檢所要加強(qiáng)與電梯安裝、使用、管理部門的交流，形成互相監(jiān)督的安全管理模式，避免因為人為不可靠因素所帶來的影響。在機(jī)器設(shè)備方面，電梯的使用和管理者應(yīng)該定時進(jìn)行維護(hù)保修工作，對于每個零部件應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)及時換新和保養(yǎng)[21]，把由于機(jī)器設(shè)備老化所帶來的危險降至最低。

本文應(yīng)用FMEA方法進(jìn)行指標(biāo)劃分和權(quán)重計算，并與模糊綜合評判方法相結(jié)合評價包頭市電梯的可靠性，具有一定的創(chuàng)新性。通過查閱電梯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并由有多年電梯檢驗經(jīng)驗的專職檢驗人員根據(jù)檢驗數(shù)據(jù)結(jié)果對電梯進(jìn)行S、O、D評分和確定可靠性評級隸屬度，數(shù)據(jù)來源有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在今后的研究中，要更加優(yōu)化電梯可靠性評價指標(biāo)，并對評價評分的科學(xué)性做出驗證，使得評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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