范 英，田志成，叢國全，夏明珠

(1.太原科技大學(xué)機電工程學(xué)院，太原030024;2.國家工程機械質(zhì)檢中心，北京102100)

裝載機廣泛應(yīng)用于各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域和物流領(lǐng)域.據(jù)統(tǒng)計，我國裝載機保有量約90～100萬臺[1]，仍處在高速增長階段，對現(xiàn)有裝載機的安全監(jiān)管已顯得愈發(fā)重要.參照歐美國家采用的市場準(zhǔn)入制度，我國僅對裝載機新產(chǎn)品按照特種設(shè)備型式檢驗細則進行審核，沒有針對在用車的安全檢驗標(biāo)準(zhǔn).在使用過程中，由于設(shè)計缺陷、維護保養(yǎng)不當(dāng)、違規(guī)操作等各種原因，國產(chǎn)裝載機制動失靈、車架斷裂解體、儲氣罐爆炸、轉(zhuǎn)向失靈、自燃等事故屢屢發(fā)生.為降低裝載機安全隱患，規(guī)范監(jiān)管制度，有必要了解在用裝載機的安全狀況，在此基礎(chǔ)上提出裝載機安全狀況等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，實行分類監(jiān)管.為保證分類科學(xué)合理，在此對在用裝載機安全狀況的評價方法進行了研究.

1 裝載機安全狀況綜合評價指標(biāo)體系的建立

按照層次分析方法的理論，裝載機評價模型有3個基本要素:因素集、評價集和權(quán)重集.層次分析法(Analytic Hierarchy Process簡稱AHP)，是指將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進而分解為多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序，以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法[2].

1.1 建立評價因素集

因素集是由影響評判對象的各因素組成的集合，是安全評價的基礎(chǔ)，是安全評價模型是否科學(xué)合理的前提.查找和確定裝載機安全評價因素的主要依據(jù)是國內(nèi)外適用于裝載機的有關(guān)安全的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)、裝載機可靠性分析結(jié)果、專家調(diào)研和專家論證結(jié)果.

首先，依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)全面查找危險源.國內(nèi)外適用于裝載機的有關(guān)安全的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 16856-1997《機械安全 風(fēng)險評價》、JB6030-2001《工程機械通用安全技術(shù)要求》、JB6028-1998《工程機械安全標(biāo)志和危險圖示通則》、《機電類特種設(shè)備制造許可規(guī)則》、ISO12100-1:2003《機械安全基本概念與設(shè)計通則第1部分:基本術(shù)語和方法》、ISO12100-2:2003《機械安全基本概念與設(shè)計通則第2部分:技術(shù)原則》、ISO/DIS14121-1:2007《機械安全風(fēng)險評價第1部分:原則》、ISO/DTR14121-2:2007《機械安全風(fēng)險評價第2部分:使用指南和方法舉例》、以及相關(guān)行業(yè)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn).在解讀這些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，裝載機的危險源主要劃分為機械危險源、電氣危險源、熱危險源、噪聲危險源、振動危險源、輻射危險源、材料和物質(zhì)產(chǎn)生的危險源、與人類工效學(xué)原則有關(guān)的危險源、與機器使用環(huán)境有關(guān)的危險源、綜合危險源以及與人員管理有關(guān)的危險源，等等.結(jié)合各類大小事故全面查找危險源，或通過模擬、預(yù)測尚未發(fā)生的事故，辨識出裝載機潛在的危險源(見表1).

表1 裝載機危險情節(jié)識別、風(fēng)險評估、安全狀況等級、風(fēng)險類別評定示例

其次，大量收集裝載機使用數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計(結(jié)果見表2).裝載機各系統(tǒng)故障比例較大且與裝載機安全緊密相關(guān)的系統(tǒng)主要有:工作液壓系統(tǒng)、腳制動系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、工作裝置系統(tǒng)，等等[1]，進一步分析從中找出了裝載機使用過程中存在的危險要素、可能發(fā)生的機率及發(fā)生后可能造成的后果.

表2 裝載機主要系統(tǒng)故障比率 %

隨后經(jīng)咨詢專家，并召開專題會議討論后，確定了裝載機安全評價指標(biāo)共96項.根據(jù)各項指標(biāo)的不同特性，以及每個因素在安全評價中所處地位不同，把裝載機安全指標(biāo)劃分為三級層次結(jié)構(gòu).一層指標(biāo)為6項，一層指標(biāo)下面再細分二層指標(biāo)27項.

最后，經(jīng)專家論證后，建立了裝載機安全狀況評價指標(biāo)體系(見圖1).

圖1 裝載機安全評價指標(biāo)體系示例

第一層次指標(biāo)分為6大項:A強制性安全檢查、B行車安全檢查、C安全保障及防護、D人機環(huán)境安全、E整機外觀檢查、F常規(guī)檢查.強制性安全檢查項主要考慮車輛的制動性能、噪聲和自由加速煙度排放值等內(nèi)容，是國家法規(guī)強制要求檢驗的項目，而且制動性能是影響安全最大的因素，重大事故中有近一半是由制動性能不合格造成的.整機外觀檢查和常規(guī)檢查2項，是考慮檢查的方便性和合理性，主要針對用戶使用過程中的管理不善，違規(guī)改裝而造成的不安全隱患.其余指標(biāo)項則考察裝載機各部件性能的穩(wěn)定性，和相關(guān)安全的性能衰減等問題.

1.2 建立評價集

為了真實反映裝載機安全狀況，每一項指標(biāo)都應(yīng)該能覆蓋實際可能出現(xiàn)的情況，我們還需要對指標(biāo)的評價制定相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn).對于定性指標(biāo)，依照現(xiàn)行的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和專家調(diào)查意見設(shè)立指標(biāo)檢查方法和評判標(biāo)準(zhǔn)，評價人員按照指標(biāo)檢查結(jié)果及相關(guān)的評判標(biāo)準(zhǔn)選擇合理的評價等級.對于定量指標(biāo)，我們結(jié)合調(diào)查意見和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了隸屬函數(shù).目標(biāo)評價集的數(shù)學(xué)表示為 V=(v1，v2，v3，v4)=(優(yōu)，良，中，差).

1.3 建立評價指標(biāo)權(quán)重集

模糊數(shù)學(xué)在評價定量指標(biāo)方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，但是在權(quán)重確立方面并非優(yōu)于其他方法，而層次分析法正好可以彌補其不足.層次分析(AHP)法的主要特征是，它合理地將定性與定量的決策結(jié)合起來，按照思維、心理的規(guī)律把決策過程層次化和數(shù)量化.作為主觀方法，AHP法有其他主觀方法不可比擬的優(yōu)越性.

AHP法應(yīng)用過程主要為:建立遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造兩兩比較判定矩陣、層次排序及一致性檢驗.

1)建立遞階層次結(jié)構(gòu).

經(jīng)分析初步確定評價層次結(jié)構(gòu)后，課題組做了進一步的走訪調(diào)研，對評價體系的完整性和合理性做了調(diào)整，確定裝載機安全評價指標(biāo)體系為圖1所示的結(jié)構(gòu).

2)構(gòu)造兩兩比較判定矩陣.

每一層次中各個指標(biāo)在各自分組中所占的比重不同及對整機安全的影響度不同，我們設(shè)計兩兩比較調(diào)查表，請相關(guān)專家填寫，匯總調(diào)查結(jié)果，計算各項指標(biāo)權(quán)重.利用表3所示的兩兩比較標(biāo)度構(gòu)造指標(biāo)重要度判定矩陣(見表4).表4的一層指標(biāo)判定矩陣用數(shù)學(xué)表示為X(見公式(1)).本節(jié)中數(shù)據(jù)為國產(chǎn)某型裝載機評價用數(shù)據(jù)，以此為例說明本模型的構(gòu)造過程.

表3 指標(biāo)兩兩比較標(biāo)度含義

表4 一層指標(biāo)評分值判定矩陣示例

3)確定各因素權(quán)重.

在構(gòu)造完成比較矩陣X后，權(quán)重計算和一致性檢驗需要經(jīng)過以下幾個步驟(以一層指標(biāo)為例):首先，矩陣按行將各元素連乘并開6次方，即

得 Y=(YA，YB，YC，YD，YE，YF)=(2.402，1.26，1.26，0.63，1.26，0.33). 將 Y 歸一化，求得最大特征值對應(yīng)的特征向量W，即

求最大特征值λmax，即

由式(5)求得表示不一致程度的指標(biāo)CI，即

式中:n表示指標(biāo)數(shù)目，RI表示不同指標(biāo)數(shù)目對應(yīng)的平均隨機一致性指標(biāo)，其值見表5.

表5 平均隨機一致性指標(biāo)RI

然后由式(6)計算一致性比例指標(biāo)CR，即

當(dāng)CR＜0.10時，判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)作適當(dāng)修正.經(jīng)計算該示例裝載機第一層評價指標(biāo)判定矩陣的一致性比例值CR=0.062＜0.1，故通過一致性檢驗，權(quán)重賦值合理.

用同樣的方法可得到其余指標(biāo)層各個指標(biāo)在本組中相應(yīng)的權(quán)重.

2 模糊綜合評價

安全評價主要包括定量評價和定性評價2種.定量評價，雖然可以預(yù)測特定事故的發(fā)生概率，但需要大量數(shù)據(jù)支持，非常繁雜.定性評價需要借助專家的知識和經(jīng)驗進行判斷，在某種程度上會損害評價的客觀性.模糊評價[3]可以綜合兼顧兩類方法的特征，其典型特點是評價結(jié)果不是絕對地肯定或否定，而是用一個模糊集合來表示，更加接近于人的思維模式，適合于對受多種因素影響的事物做出全面評價.

首先是要確定評價對象指標(biāo)相對評價等級的隸屬度.隸屬度可利用專家打分評定，也可利用隸屬函數(shù)來計算[4].對評價集中同一組指標(biāo)計算每個指標(biāo)相對各評價等級的隸屬度，就得到該組指標(biāo)隸屬關(guān)系矩陣.實例應(yīng)用中，組織6名相關(guān)專家對裝載機第三層指標(biāo)進行了安全評價.對6份安全評價表的結(jié)果匯總后(見表6)，得到各項指標(biāo)的模糊隸屬度.

表6 裝載機安全狀況評價結(jié)果匯總示例(C4電器系統(tǒng)檢查部分)

例如:rc41=(rc411，rc412，rc413，rc414)，其中rc411，rc412，rc413，，rc414分別為指標(biāo) “C41蓄電池絕緣防護”對評價等級V=(優(yōu)，良，中，差)的隸屬度，rc41是第三級指標(biāo)“C41蓄電池絕緣防護”相對評價集的模糊隸屬度向量.由

可得到所屬“C4電器系統(tǒng)”第三層指標(biāo)的評價模糊關(guān)系矩陣RC4.應(yīng)用模糊線性加權(quán)模型[5]對評價結(jié)果進行綜合可得第二層指標(biāo)項“C4電器系統(tǒng)”相對評價集的模糊隸屬度向量rC4.

同理，可得所屬“C安全保障及防護”第二層指標(biāo)的評價模糊關(guān)系矩陣RC的其余模糊隸屬度向量rC1，rC2，rC3，rC5，rC6.

由式(8)得出第一層指標(biāo)項“C安全保障及防護”的模糊隸屬度向量rC.

同理，可得rA，rB，rD，rE，rF.這樣就得到一層指標(biāo)模糊關(guān)系矩陣R.

用模糊變換對一層指標(biāo)的評價結(jié)果向量進行綜合，得到裝載機安全評價模糊決策向量B，即

B=W·R=[wAwBwCwDwEwF]·

式中:b1，b2，b3，b4分別表示被評價對象對評級的模糊隸屬程度.

最后，按照最大隸屬度原則，對模糊綜合評價結(jié)果向量做進一步分析，max(b1，b2，b3，b4)對應(yīng)的等級就是被評價對象所得的最終評價等級.

3 實例應(yīng)用

為了驗證評價模型的正確性，課題組隨即挑選5臺裝載機進行安全評價示范應(yīng)用.首先成立專家組，專家應(yīng)該包括檢驗、生產(chǎn)、售后服務(wù)、使用、試驗等領(lǐng)域有資深經(jīng)歷的人員，且比例要合適.其次，專家組應(yīng)該對裝載機安全評價指標(biāo)體系的合理性作出評價，無異議后，請每位專家填寫兩兩比較調(diào)查表，構(gòu)造指標(biāo)重要度判定矩陣，進行指標(biāo)重要度的評判.每位專家打分結(jié)果經(jīng)一致性檢驗合格后，得到各指標(biāo)層各個指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重.對各位專家的打分所得權(quán)重進行加權(quán)平均，就得到了裝載機安全評價指標(biāo)權(quán)重集.接下來，專家應(yīng)該對第三層(最末層)指標(biāo)的評判依據(jù)或考核內(nèi)容以及劃分等級標(biāo)準(zhǔn)的合理性進行審查.然后，針對產(chǎn)品對照評價細則進行具體評價.最后，按照上述步驟計算安全評價模糊決策向量，得到被評價對象的模糊評價結(jié)果.

本文示例評價對象為國產(chǎn)某ZL50型裝載機.經(jīng)計算得到第一層指標(biāo)模糊評價矩陣與第一層權(quán)重向量的乘積，得到該裝載機安全狀況模糊評價結(jié)果向量:[0.206 0.492 0.232 0.069].

根據(jù)最大隸屬度原則[5]，此裝載機安全隸屬度為良，可以得出裝載機安全狀況為良好.

被評價對象基本情況及評價結(jié)果見表7.

表7 裝載機工程應(yīng)用安全狀況評價結(jié)果

4 結(jié)束語

綜合運用模糊綜合評價法和層次分析法，建立模糊層次綜合評價模型，將其應(yīng)用于在用裝載機的安全狀況綜合評價中，為裝載機安全評價方法做了有益的探索，對裝載機分類監(jiān)管、使用壽命和報廢標(biāo)準(zhǔn)的修正提供了依據(jù).通過實例驗證，該評價方法能準(zhǔn)確地反映被評價對象的安全狀況，評價結(jié)果與專家組討論確定的安全等級基本一致，適用于國內(nèi)在用裝載機的安全狀況評價.

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