一种结合云模型、AHP和TOPSIS方法的扩展故障模式与影响分析（FMEA），用于研究货物装卸作业中的故障问题

《Ocean Engineering》：An extended failure mode and effects analysis (FMEA) combining cloud model, AHP and TOPSIS for cargo discharge operation failure

针对传统FMEA在航海领域的局限性，本文提出融合云模型（CM）、层次分析法（AHP）和TOPSIS法的改进框架，应用于化学 tanker 货舱卸货操作风险评估。通过量化专家判断不确定性、优化风险因子权重分配及引入多准则决策模型，有效解决主观性强、权重均等化及RPN计算不足等问题，最终识别出FM8（船舶稳性管理不当）为最高风险失效模式，为航海安全提供新方法。

　　

Sukru Ilke Sezer

土耳其哈塔伊省伊斯肯德伦市伊斯肯德伦技术大学海运运输与管理工程系，邮编31200

摘要

海上安全的可持续性是海运运输中的一个关键问题。船舶运营中的海上安全面临许多威胁。因此，分析海运运输中的操作故障至关重要。FMEA（故障模式与效应分析）是一种广泛用于提高运营安全性和评估故障的系统技术。在FMEA中，会确定潜在故障模式的严重性等级。然而，传统的FMEA存在一些缺点，例如忽略了专家判断的不确定性、对风险因素赋予了相同的权重，以及风险优先数（RPN）的计算不够准确。本文旨在改进FMEA，并为海运行业提出一个新的框架。在该框架中，将云模型（CM）、层次分析法（AHP）和基于理想解相似性的排序偏好技术（TOPSIS）整合到FMEA中。FMEA-CM方法处理了专家判断的不确定性，而AHP-CM方法根据风险因素对故障模式进行加权。此外，TOPSIS-CM方法用于对故障模式进行优先级排序。为了展示该框架的适用性，以化学品运输船的货物排放操作作为一个独特案例进行了研究。研究结果表明，FM8（船舶稳定性管理不当）是货物排放操作中最关键的故障模式。在这方面，本文不仅为海运文献提出了一个坚实的理论框架，还为提高安全性提供了宝贵的见解。

引言

海运运输构成了国际运输的重要部分，也是最受欢迎的运输方式。它对全球贸易的连续性起着至关重要的作用（UNCTAD，2024年）。然而，海运行业本质上涉及复杂且危险的船舶操作（Mallam等人，2022年）。联合国下属的国际海事组织（IMO）专门负责海事事务。IMO的目标是确保航运的安全、可靠、环保和可持续。为此，它实施了各种标准和规则（IMO，无日期）。尽管取得了重大进展，海运行业仍面临各种事故和事件（EMSA，2024年）。在这种情况下，对某些操作过程进行谨慎管理对于船员的安全、防止环境污染以及避免船舶和货物损失至关重要（Durukan等人，2024年）。因此，进行海事风险评估对于减少事故和识别现有风险至关重要（Huang等人，2023年）。《国际安全管理规则》（ISM）强调了风险评估对船舶运营的重要性（IMO，2018a）。另一方面，尽管IMO引入了正式安全评估（FSA），该评估包括系统分析船舶运营中风险的各个步骤，但它并未推荐任何具体的方法论（IMO，2018b）。因此，海运文献中采用了多种定性和定量风险分析技术，如故障树分析（FTA）（Sezer等人，2024年；Ugurlu和Cicek，2022年）、事件树分析（ETA）（Tao等人，2022年）、贝叶斯网络（BN）（Chen等人，2022a；Aydin等人，2025年；Fan等人，2025年）、危险与操作性分析（HAZOP）（Ayd?n，2023年；Durukan等人，2024年）以及故障模式与效应分析（FMEA）（Ceylan，2023年；Park等人，2023年；Liu等人，2024年）。

在不同的风险分析技术中，FMEA会检查系统或过程中的潜在故障模式及其影响。同时，它可以通过比较故障模式的风险等级来识别关键风险事件（An等人，2025年）。FMEA方法已在许多不同行业中得到广泛应用（Yousaf等人，2023年；Wismer等人，2024年；Cui等人，2025年；Sun等人，2025年）。在海运行业中，已经开展了关于压载操作（Elidolu等人，2023年）、货物分配过程（Sezer等人，2023a）、加油操作（Ceylan，2025年）、靠泊/离泊操作（Goksu和Arslan，2023年）、船舶主机故障（Doganay等人，2025年）以及船用柴油发动机涡轮增压器污染风险（Ceylan，2024年）的研究。尽管传统的FMEA是一种实用的风险评估工具，但它也有一些缺点（Akyuz等人，2016年；Jianxing等人，2021年；Akhtar等人，2024年）。首先，用于量化风险程度的评估因素的发生（O）、严重性（S）和检测（D）的相对重要性被忽视了。此外，专家判断具有不确定性和模糊性，因此难以为评估因素获得明确的评级。最后，通过将O、S和D因素相乘计算得出的风险优先数（RPN）不足以对故障模式进行优先级排序。由于不同的O、S和D组合可能产生相同的RPN值，因此文献中寻求改进FMEA过程的解决方案。在这方面，FMEA与D-S证据理论、模糊逻辑、粗糙数和基于证据的推理等方法相结合。

FMEA技术可用于可能存在严重安全风险的化学品运输船的操作故障检测。化学品运输船运输大量液态化学品。考虑到所运输货物的危险性和特殊要求，这些船舶面临更高的操作风险（Arslan，2009年；Sezer和Akyuz，2024年）。因此，这些类型船舶上发生的事件的后果和影响可能更为严重。在海运文献中，有一些研究集中在货物装载操作（Akyuz和Celik，2016年；Aydin，2025年）、惰性气体操作（Aydin等人，2021年）、无气体操作（Sezer等人，2022年）以及罐体清洁操作（Sezer等人，2023b；Akyuz和Celik，2015年）上。这些研究涉及风险评估、人类可靠性分析和人为错误预测。然而，尚无研究评估货物排放操作中的风险。本研究通过分析化学品运输船在货物排放操作中的风险，填补了这一重要空白。

在FMEA中，系统或过程中的故障被系统地确定，并对这些故障进行优先级排序。从而可以针对这些问题采取主动措施。本文利用FMEA来评估货物排放操作中的风险。为了克服FMEA的不足，采用了结合云模型（CM）、层次分析法（AHP）和基于理想解相似性的排序偏好技术（TOPSIS）的模型。通过CM改进了FMEA因素评估过程中的不确定性和模糊性专家判断。AHP-CM方法根据O、S和D因素计算故障模式的权重，以减少主观性。TOPSIS用于确定故障模式的风险优先级。因此，引入了一种适用于海运行业的独特模型。从这个意义上说，本研究在两个方面具有创新性。首先，对化学品运输船的货物排放操作进行了风险评估，这在海运文献中是前所未有的。其次，本文中使用的扩展FMEA方法在海运领域是首次应用。因此，本研究的主要目标是提出一个系统化的海运运营风险分析框架。次要目标是识别和优先处理化学品运输船货物排放操作中的潜在故障模式。本文的其余结构如下：第2节提供了研究中使用的方法的理论信息。第3节详细解释了针对海运行业的提出方法的流程。第4节展示了一个货物排放操作的案例研究。第5节描述了研究的结论。

方法论

本节全面解释了研究中应用的方法的理论基础。

方法整合

本节介绍了为海运行业风险评估提出的扩展FMEA模型。该模型的概念框架如图1所示。首先，专家根据FMEA-CM评估风险参数。然后，使用AHP-CM方法确定每个风险因素的故障模式权重。使用TOPSIS-CM对相关主题的故障模式进行优先级排序。最后，对获得的结果进行评估。模型的步骤如下所述：

步骤1.

化学品运输船上的排放操作

化学品运输船上的货物操作遵循国际法规（ICS，2020年；ICS，2014年；IMO，2020年）。货物操作的一般周期中的一个关键操作是排放。排放操作的目的是在没有任何故障的情况下将所载货物送达目的地港口。为了成功进行排放操作，负责操作的船员会制定一个排放计划。排放计划指明了 tanks 的排放顺序

结论

本文通过减少传统FMEA的缺点，为海运行业提出了一个系统模型。在此背景下，使用CM、AHP和TOPSIS方法扩展了FMEA。通过FMEA-CM评估FMEA的风险因素，从而解决了与不确定性和随机性相关的问题。在提出的模型中，计算了故障模式相对于O、S和D风险因素的相对重要性

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。