基于FMEA和模糊TOPS...波浪能发电装置风险评估方法_李蒙.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 6 基于基于 FMEA 和模糊和模糊 TOPSIS 的波浪能的波浪能 发电装置风险评估方法发电装置风险评估方法 李 蒙，王海峰，汪小勇，段云棋，崔 琳（国家海洋技术中心，天津 300112）摘摘 要：要：波浪能发电装置结构复杂，运行环境恶劣，易受到风浪冲击和海水长期浸泡腐蚀的威胁，对装置进行可靠性分析时面临系统故障模式复杂、故障记录少等问题，海洋工程领域传统的故障模式及影响分析（FMEA）方法难以对装置系统的风险进行准确评价。基于模糊逼近理想排序法（TOPSIS）提出一种改进的FMEA 风险评价模型，采用模糊置信结构对评价因素进行表示，引入评价因素的权重概念，建立风险性能指标的加权规范化矩阵，利用 TOPSIS 逼近理想解的原理进行风险排序，得到风险优先数，并以浮力摆式波浪能装置为例进行分析，结果表明俘获系统对波浪能发电装置整体的可靠性影响最为显著。关键词：关键词：波浪能发电装置；故障模式及影响分析（FMEA）；逼近理想解排序法（TOPSIS）；风险评估 中图分类号：中图分类号：P742 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.02 Risk Assessment Method of Wave Energy Converter Based on FMEA and Fuzzy TOPSIS LI Meng,WANG Haifeng,WANG Xiaoyong,DUAN Yunqi,CUI Lin(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)Abstract:Wave energy generator has complex structure and bad operating environment,and is vulnerable to the threat of wind and wave impact and long-term immersion corrosion of seawater.The reliability analysis of the device is faced with the problems of complex system fault mode and few fault records.The traditional failure mode and effects analysis(FMEA)method in the field of marine engineering is difficult to accurately evaluate the risk of the device system.An improved FMEA risk evaluation model is proposed based on the fuzzy TOPSIS method.The fuzzy confidence structure is used to represent the evaluation factors,the concept of weight of evaluation factors is introduced,the weighted normalization matrix of the risk indicator evaluation is used to approximate the ideal solution by TOPSIS to rank the risks and obtain the risk priority number,and taking the buoyancy pendulum wave energy converter as an example,the results show that the capture system has the most significant impact on the overall reliability of the wave energy converter.Key words:wave energy converter;failure mode and effects analysis(FMEA);technique for order preference by similarity to an ideal solution(TOPSIS);risk assessment 0 引言引言 在经济迅猛发展的今天，能源需求一直是全球关注的焦点。传统的化石能源由于持续性的开采已面临着资源枯竭和环境污染等问题，新能源的开发利用迫在眉睫。波浪能作为海洋可再生能源的一种，因其具有蕴藏量大、分布广和绿色清洁等优点，备受工业界的广泛关注1。近年来，世界许多国家都加大对波浪能开发利用的研究，波浪能发电技术取得快速发展，收稿日期：2022-05-06；修回日期：2022-06-30 基金项目：国家重点研发计划项目“波浪能、潮流能技术综合评估方法合作研究”（2019YFE0102500）作者简介：李 蒙（1983），女，硕士、工程师。研究方向：海洋能利用技术。通信作者：崔 琳（1978），男，博士、研究员。研究方向：海洋新能源开发利用。李蒙等，基于 FMEA 和模糊 TOPSIS 的波浪能发电装置风险评估方法 7 应用前景日渐广阔。在我国，波浪能利用技术的开发不但能促进海洋资源开发，助力未来能源结构的调整，而且有利于推动我国海洋高新技术产业的发展2。可靠性是决定波浪能利用技术实现产业化和规模化利用的重要因素。一方面，由于波浪能发电装置需要长期工作在恶劣的海洋环境下，尤其是在风浪较大的海况下，装置往往会面临着被破坏的风险3。另一方面，波浪能发电装置也会长期受到海水浸泡、盐雾侵蚀及海生物附着等问题的威胁4。能否提升波浪能装置的可靠性是决定装置研发成败的关键因素之一，也是现阶段波浪能研究领域亟待解决的问题之一。在装置设计阶段，需要统筹考虑各种因素对装置海上运行可靠性的影响，提前预判可能遇到的风险及应对措施，为装置设计研发和运维方案的制定提供重要的决策依据。本文利用故障模式与影响分析（Failure Mode and Effects Analysis,FMEA）方法对浮力摆式波浪能发电装置各组成部位的故障可能性进行分析，并基于模糊多准则决策方法对构建的FMEA模型进行改进，对不同故障引发的风险性能指标进行排序，直观展现装置部件故障模式与风险优先数，为浮力摆式波浪能发电装置的设计与维护提供有效参考依据，同时也为当下波浪能利用技术的研究发展奠定可靠性分析和风险评估方法的研究基础。1 基于基于FMEA和模糊和模糊TOPSIS的风险评估方法的风险评估方法 1.1 FMEA方法介绍方法介绍 FMEA是一种前瞻性的可靠性分析和安全性评估方法，在预防事故的保护机制系统中被广泛使用。该方法通过分析系统中每一个潜在的故障模式，确定其对系统所产生的影响，从而识别系统中的薄弱环节和关键项目，为制定改进控制措施提供依据，是一项用于确定、识别、预防或消除产品在系统、设计、过程和服务中已知的和潜在的失效、问题、错误的工程技术5-6。FMEA的分析步骤见图17。图1 FMEA分析方法的分析步骤图 FMEA的原理是分析系统中每一部件所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按照每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类。其特点是将故障的严重性、发生的可能性和故障检测的可能性等3个方面通过危险优先数（Risk Priority Number,RPN）进行量化。RPN是一种主要用于FMEA的相对潜在故障评估方法，由3个表示故障模式对系统功能影响的度量参数组成：严重度（Severity）S、发生率（Occurrence）O和不易探测度（Detection）D7。每项度量参数的值从110分为10个等级，数值越大说明故障发生率越高、影响越大、越难以被检测。RPN的值NRP在11 000之间，由3个度量参数的乘积获得：NRP=OSD8。FMEA在20世纪60年代首次被应用于美国宇航局阿波罗项目。1974年，它被用于发展美国海军导弹，之后根据美国汽车工业制定QS-9000标准，FMEA在所有行业中均被引入8。随着FMEA方法的不断改进与完善，FMEA的应用领域也在不断扩大，经过几十年发展，FMEA已越来越多地应用于包括建筑安装工程、船舶与海洋工程、医疗卫生、软件工程及系统开发等领域5。随着海洋工程领域的产品系统复杂程度及其集成度越来越高，FMEA在船舶及海洋工程、海上风电项目运行等方面都得到了广泛应用。国际海事组织、船级社和国际航运商会等都详细明确了FMEA的使用指南9。周俊峰等10采用FMEA方法对船舶系统进行可靠性及安全性分析，并有针对性地对其薄弱环节提出预防改进措施以提高船舶系统的可靠性。唐莹等11将FMEA方法运用于石油平台供应船的设计和调试，以估计船上设备遭遇破坏时对船舶的定位能力及其他能力产生的影响。杨瑜等12应用FMEA方法对海洋工程重型起重机功能的故障模式和影响进行系统评估，得出控制系统不同冗余对于起重机能力的影响，以及消除减少故障影响的措施。陈长钦等13通过FMEA可靠性设计的系统方法，对船海工程液压潜液泵系统进行明确系统及组成的工作状态 列出潜在故障模式 对系统功能的影响 评估发生度和不可测度 完成FMEA 报告，进行可靠性信息管理 识别各项功能级零部件潜在故障模式 确定故障 根本原因 确定故障模式检测方法，确定故障预防措施 全面分析系原理及组成 收集相关资料和信息，明确分析对象分析系统组件功能，绘制可靠性/功能框图进行危险严重度量化评估评定故障模式的 危险优先级别 准备阶段准备阶段分析阶段评价阶段分析阶段评价阶段专题：海洋可再生能源 8 了可靠性分析与设计，找出了系统薄弱环节并制定了基于可靠性分析的控制策略，以满足复杂工况高风险的使用环境。金伟晨14利用FMEA方法对海上浮式风机系统的潜在故障模式和故障监测方式进行分析，以提升风机系统总体可靠性。1.2 基于模糊基于模糊TOPSIS方法对方法对FMEA的改进的改进 传统FMEA方法在工程实践中存在一定局限性，主要体现在以下3个方面15-17：1）传统FMEA的评价因素和评价分值没有统一标准，从而导致评价信息的不确定和不完整；2）传统FMEA认为评价因素之间同等重要，没有考虑相对重要性即评价因素各自的权重；3）RPN值由3个评价因素简单相乘获取，某个评价因素变动很小却可能造成RPN值差别很大，对风险排序的准确性造成影响。为解决FMEA方法存在的缺陷，国内外学者对FMEA提出了许多改进方法，发展出了一系列基于模糊数学、灰色系统理论、贝叶斯网络、区间二元语义测度、D-S理论、数据包络分析和云模型等理论与传统风险评估方法相结合的新方法16-18。BOWLES等19首先将模糊集理论应用到FMEA中，以此来分析发生度、严重度、检测度与风险度的关联。XU等20则在此基础上构建了模糊评价系统，并将其应用到柴油发动机涡轮增压系统FMEA评价中。PILLAY等21引入模糊规则库和灰色关联理论对风险水平不同但RPN值相同的故障模式进行分级，并运用去模糊语义值和灰色关联度确定最终的排序。GARCIA等22利用模糊数据包络分析理论对故障模式的风险水平进行排序。常规的FMEA在描述发生度O、严重度S及检测度D时常采用高、中、低等模糊信息。为了能更清晰、更准确地处理这些模糊信息，本文采用模糊集理论与逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS）相结合的组合评估方法对FMEA进行改进，既解决了风险影响因素难以评价的问题，又通过TOPSIS