汽車被動安全部件結(jié)構(gòu)安全性風(fēng)險評價研究

賈紅，趙瑞妮，邱兆文

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院運輸車輛運行安全技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100088； 2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

汽車作為道路交通系統(tǒng)的重要組成單元，整車技術(shù)狀況直接影響道路交通系統(tǒng)的安全性，汽車上任何一個部件出現(xiàn)故障，都會直接導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。汽車自身故障導(dǎo)致的交通事故往往造成嚴(yán)重的后果，為了提高在用車輛的行駛安全性，使有限的資源重點關(guān)注影響行駛安全的高風(fēng)險部件，就要對汽車安全部件進行風(fēng)險評估。一般而言進行故障模式影響分析(Failure Modes and Effects，F(xiàn)MEA)被認(rèn)為是最有效的風(fēng)險預(yù)防措施，但傳統(tǒng)的故障模式影響(Risk Priority Number,RPN)分析存在的諸多問題廣受質(zhì)疑。目前，不少學(xué)者對此進行了深入的研究。

王貴寶等[1]用模糊理論、最大信息熵理論指出傳統(tǒng)RPN方法在風(fēng)險評價中的不足，同時給出了選取風(fēng)險評價指標(biāo)和進行權(quán)重分配更為合理的評價方法，但此種方法3個參數(shù)的選擇仍然依賴專家的主觀經(jīng)驗，因此依然存在RPN法本質(zhì)上的不足。范晉偉等[2]在分析傳統(tǒng)RPN方法缺陷和不足的基礎(chǔ)上，以不同子系統(tǒng)某種故障模式發(fā)生的概率及所花費費用取代傳統(tǒng)的專家評分方式。

BOWLES[3]對傳統(tǒng)RPN方法的不足進行了深入分析，以不同故障模式下所花費費用的期望值進行故障模式風(fēng)險等級排序，但沒有提出具體的實現(xiàn)方法。ZHANG等[4]提出基于加權(quán)最小二乘法的模糊RPN法，解決了傳統(tǒng)評價方法的不確定性問題，在一定程度上可以確保評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。NIU等[5]提出了基于故障傳播概率及成本的風(fēng)險評估方法，利用灰色關(guān)聯(lián)理論提出了對于維修措施的選擇問題，該方法存在較好的研究價值。ANES等[6]提出一種新的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)模型來克服傳統(tǒng)風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的主要缺點，其中的風(fēng)險等值函數(shù)根據(jù)風(fēng)險變量的重要性順序?qū)?個風(fēng)險變量進行排序，同時風(fēng)險優(yōu)先級指數(shù)函數(shù)對3個風(fēng)險變量進行加權(quán)。

李華府等[7]利用灰色關(guān)聯(lián)理論對不同故障模式下的風(fēng)險等級進行排序，得出危害度最大的故障模式，但RPN方法的3個參數(shù)仍舊是采用傳統(tǒng)方法得到的，人為主觀性太強。王曉暾等[8]提出基于有序加權(quán)算子的風(fēng)險評估方法，考慮到風(fēng)險因子的權(quán)重，以及對錯誤、有偏見的語言賦以較低權(quán)重，能夠提高風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性。胡璽良等[9]采用故障成本展開FMEA分析，能夠改善系統(tǒng)的可靠性、可維護性，同時對維修過程提出建議。

吳虎勝等[10]提出一種面向電子系統(tǒng)間歇故障的RPN改進計算方法，該方法利用DEMATEL方法對故障部位、故障機制、故障模式的相關(guān)性進行分析。李艷等人[11]以多狀態(tài)退化系統(tǒng)為研究對象，引入風(fēng)險優(yōu)先數(shù)，利用多粒度語言評價集結(jié)系統(tǒng)，提出一種新的多狀態(tài)退化過程的評估方法，運用策略迭代算法，計算不同故障模式下的最優(yōu)維修策略。王曉峰等[12]提出了以客觀權(quán)重度量的方法，以多專家評估為基礎(chǔ)的多種評估值表述方式，利用相似度定序法思想對區(qū)間RPN值進行排序。

本文作者提出了一種基于故障率和費用損失的定量的風(fēng)險順序數(shù)分析法，以故障率代替故障發(fā)生度，以費用損失代替嚴(yán)酷度以及可探測度，克服了傳統(tǒng)風(fēng)險順序數(shù)分析法的不足，對不同故障模式進行合理、有效的風(fēng)險評估。

1 研究方法

1.1 傳統(tǒng)FMEA分析方法的不足

FMEA即“故障模式和影響分析”，是從實踐中發(fā)展起來的一種可靠性分析技術(shù)。該技術(shù)既可以用在事先預(yù)防階段，分析潛在的故障模式及其原因，采取預(yù)防措施防止缺陷(故障)發(fā)生，也可以用在事后改進階段，分析已經(jīng)發(fā)生的故障模式及其原因，采取改進措施，并防止缺陷(故障)再次發(fā)生。圖1為FMEA工作流程。

圖1 FMEA工作流程

而傳統(tǒng)RPN方法中3個參數(shù)取值都是1～10，因此得到的RPN值范圍為1～1 000，但RPN值的分布并不是連續(xù)均勻的，且當(dāng)其中任何一個值發(fā)生微小變化時都將對RPN值的結(jié)果造成較大影響。同時RPN中3個參數(shù)的度量完全取決于專家的主觀經(jīng)驗，專家經(jīng)驗水平的不同將會造成評判結(jié)果的較大差異，同時RPN中3個參數(shù)在計算過程中沒有主次之分，相同的RPN值對應(yīng)的故障危害度無法判斷。

1.2 改進的FMEA方法

汽車在不同故障模式下的故障后果，根據(jù)其嚴(yán)重程度的不同大致可分為：不影響汽車運行的功能失效、功能故障導(dǎo)致汽車停運以及汽車失控造成重大交通事故。故障后果越嚴(yán)重，對整個交通環(huán)境及司乘人員造成的損失越大，修復(fù)故障所需要的時間越長，更換配件費用也越高。因此，選擇費用損失作為評價參數(shù)代替嚴(yán)酷度(S)等級和可探測度(D)等級，使得評價效果更加直觀。

(1)故障發(fā)生頻率

故障發(fā)生頻率指故障模式發(fā)生的概率大小，通常以平均每一段時間內(nèi)會發(fā)生的次數(shù)來決定其等級程度。在汽車維修數(shù)據(jù)中，以汽車在一定里程范圍內(nèi)各系統(tǒng)總成零部件失效的頻率為判據(jù)，來計算汽車各個系統(tǒng)總成或零部件的故障發(fā)生概率。假設(shè)在某車型維修數(shù)據(jù)中共收集了N輛該車型的維修數(shù)據(jù)，其中第i種系統(tǒng)總成故障總共發(fā)生了mi次。

每一種系統(tǒng)總成故障包括了多種故障事件，則在第i種系統(tǒng)總成故障下發(fā)生了kj次第j種故障事件，則發(fā)生第j種故障事件的概率

(1)

式中：Pij為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件的發(fā)生概率；mi為發(fā)生第i種系統(tǒng)總成故障的次數(shù)；N為所選取的樣本子樣的車輛總數(shù)；kj為在第i種系統(tǒng)總成故障下發(fā)生第j種故障事件的次數(shù)。

(2)汽車維修所需總費用

汽車維修費用主要包括工時費用Ct、材料費用Cm和其他費用Co，工時費用為生產(chǎn)工時、倉儲工時以及管理工時等勞動時間的總和，材料費用是指汽車維修過程中所更換配件以及材料管理費用。

Wij(C)=Wij(Ct)+Wij(Cm)+Wij(Co)

(2)

式中：Wij(C)為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的維修總費用；Wij(Ct)為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的維修工時費用；Wij(Cm)為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的維修材料費用；Wij(Co)為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的其他維修費用。

Wij(Ct)=eij×nij

(3)

式中：eij為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的維修工時單價；nij為該車型第i種系統(tǒng)總成故障中的第j種故障事件所需要的維修工時數(shù)目。

(3)計算故障風(fēng)險順序數(shù)RPN

改進后的風(fēng)險順序數(shù)RPN的計算公式如式(4)，為某種故障系統(tǒng)總成下可能發(fā)生的各個故障事件的概率與相應(yīng)的所需維修總費用的乘積之和，即是修復(fù)這種故障模式總花費的期望值

(4)

2 案例應(yīng)用

將層次分析法和改進的FMEA分析法應(yīng)用到汽車被動安全部件結(jié)構(gòu)安全性的風(fēng)險評價中，首先利用層次分析法確定汽車被動安全各個子系統(tǒng)的風(fēng)險權(quán)重，其次選取被動安全部件中的安全氣囊系統(tǒng)應(yīng)用改進的FMEA分析法進行其常見故障模式的風(fēng)險排序，最后進行安全氣囊系統(tǒng)不同部件的風(fēng)險系數(shù)的綜合計算。

2.1 汽車被動安全子系統(tǒng)的權(quán)重確定

根據(jù)對汽車被動安全各個子系統(tǒng)工作原理和作用效果，以及各子系統(tǒng)不同故障模式的研究綜合分析，文中現(xiàn)構(gòu)建汽車被動安全系統(tǒng)的AHP(Analytic Hierarchy Process)層次結(jié)構(gòu)模型。

文中所建立的子系統(tǒng)評價AHP層次模型如圖2所示，其中方案層依次是安全車身、汽車門鎖、車門防撞梁、轉(zhuǎn)向系防傷機構(gòu)、安全玻璃、安全氣囊、安全座椅、安全帶。

圖2 被動安全系統(tǒng)AHP評價層次結(jié)構(gòu)模型

(1)建立判斷矩陣

準(zhǔn)則層B對目標(biāo)層A的判斷矩陣見表1。

方案層C對準(zhǔn)則層B1的判斷矩陣見表2。

表1 A-B判斷矩陣

表2 B1-C判斷矩陣

(2)計算權(quán)重向量

①單個判斷矩陣的特征向量計算

計算可得A-B判斷矩陣的特征向量為

歸一化后可得

判斷矩陣最大特征值

(5)

判斷矩陣一致性檢驗

(6)

(7)

準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重向量為

同理計算判斷矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，可得對應(yīng)的特征向量以及一致性檢驗值。

對于判斷矩陣B1-C：

WB1=[0.309 8 0.033 8 0.045 9 0.020 0 0.030 4 0.191 1 0.103 9 0.265 1]T

(8)

對于判斷矩陣B2-C：

WB2=[0.096 3 0.113 6 0.026 6 0.022 5 0.055 3 0.374 7 0.201 5 0.109 5]T

(9)

對于判斷矩陣B3-C：

WB3=[0.104 6 0.247 2 0.084 8 0.026 6 0.262 9 0.039 7 0.063 3 0.171 0]T

(10)

對于判斷矩陣B4-C：

WB4=[0.078 6 0.060 6 0.145 7 0.318 3 0.025 5 0.230 8 0.106 0 0.034 5]T

(11)

②求全體判斷矩陣的合成權(quán)重向量

層次總排序結(jié)果為

WT=WBi×WA=

[0.231 6 0.068 3 0.055 2 0.050 0 0.053 3 0.216 3 0.118 7 0.206 5]T

CR=0.027，整體通過一致性檢驗。

則由以上可知汽車被動安全系統(tǒng)各子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)為

WT=[0.231 6 0.068 3 0.055 2 0.050 0 0.053 3 0.216 3 0.118 7 0.206 5]

2.2 安全氣囊的FMEA分析

(1)安全氣囊的傳統(tǒng)FMEA分析

根據(jù)對汽車被動安全系統(tǒng)的安全氣囊子系統(tǒng)的FMEA故障模式影響分析結(jié)果，確定傳統(tǒng)FMEA分析法下安全氣囊不同故障模式的風(fēng)險順序數(shù)，見表3。

表3 常見故障模式風(fēng)險順序數(shù)

(2)基于維修數(shù)據(jù)的安全氣囊FMEA分析

基于汽車維修數(shù)據(jù)，由公式(4)可得，其RPN值如表4所示。

表4 基于維修費用的RPN值

2.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)故障模式權(quán)重系數(shù)確定

(1) 建立AHP層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)對汽車安全氣囊不同故障模式的研究和FMEA的分析結(jié)果，文中構(gòu)建AHP層次結(jié)構(gòu)模型，評價準(zhǔn)則見表5。

表5 安全氣囊AHP層次結(jié)構(gòu)模型評價準(zhǔn)則

安全氣囊常見不同故障模式下AHP層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 汽車安全氣囊系統(tǒng)AHP層次結(jié)構(gòu)模型

(2) 權(quán)重系數(shù)的計算

通過對不同故障模式進行AHP運算，可得不同故障模式相對于汽車安全氣囊系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)是[0.299 0.186 0.185 0.096 0.037 0.060 0.084 0.054]。

2.4 安全氣囊不同部件的RPN綜合分析

傳統(tǒng)的RPN分析是針對安全氣囊系統(tǒng)的不同故障模式計算的RPN，分類較細(xì)，而安全氣囊的實際維修過程中，大多只是更換零部件總成，一般情況下，安全氣囊的控制系統(tǒng)和氣囊總成出現(xiàn)故障后必須更換，而不是針對某一故障模式進行修復(fù)。鑒于傳統(tǒng)的FMEA分析和基于維修費用的FMEA分析各自的優(yōu)缺點，對兩種分析方法計算的RPN分別賦予權(quán)重0.5，綜合計算得出安全氣囊系統(tǒng)不同部件的風(fēng)險系數(shù)。

(1)傳統(tǒng)的FMEA分析評價結(jié)果的合成

為了和基于維修費用的FMEA分析得到的RPN進行綜合計算，需要對現(xiàn)計算的不同故障模式的RPN值進行量綱一化處理，通過歸一化的方法得到風(fēng)險系數(shù)是[0.190 0.152 0.133 0.152 0.114 0.133 0.076 0.005 1]。

在對FMEA分析的數(shù)據(jù)進行量綱一化處理后，需要結(jié)合不同故障模式的權(quán)重系數(shù)作為調(diào)整因子對上述RPN值進行調(diào)整，以更科學(xué)地提高該方法的準(zhǔn)確性，調(diào)整公式和結(jié)果如下：

對于安全氣囊的某部件故障模式i來說，其調(diào)整后的風(fēng)險系數(shù)為

RPN(i)′=RPN(i)×Wi

(12)

式中：RPN(i)′為故障模式i調(diào)整后的RPN值；RPN(i)為故障模式i調(diào)整之前的RPN值；Wi為故障模式i對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

利用上式，調(diào)整后的風(fēng)險順序數(shù)RPN′的值為[0.056 8 0.028 3 0.024 6 0.014 6 0.004 2 0.008 0 0.006 4 0.002 8]。

得到所有的故障模式的RPN后，需要對隸屬于一個部件的所有故障模式的風(fēng)險順序數(shù)進行合成，以得到安全氣囊不同部件的風(fēng)險順序數(shù)，利于設(shè)計者對RPN值較大的關(guān)鍵部件重點關(guān)注，對于部件a，其RPN為

(13)

式中：RPN′(a)為安全氣囊的某一部件風(fēng)險順序數(shù)；n為某一部件的故障模式數(shù)目。

利用上式，可得安全氣囊不同部件的風(fēng)險系數(shù)：氣囊組件0.029 6；發(fā)生器0.056 8；控制系統(tǒng)0.034 7；點火器0.024 6。

(2)基于維修費用的FMEA分析評價結(jié)果的處理

為了和傳統(tǒng)FMEA分析得到的風(fēng)險系數(shù)進行綜合計算，同理，需要對基于維修費用計算出的安全氣囊系統(tǒng)的不同部件RPN值進行量綱一化處理，通過歸一化的方法得到風(fēng)險系數(shù)：氣囊組件0.235 6；發(fā)生器0.547 9；傳感器0.164 9；控制系統(tǒng)0.023 2；氣囊線圈0.028 3。

(3)安全氣囊系統(tǒng)不同部件的風(fēng)險系數(shù)的綜合計算

雖然傳統(tǒng)的RPN方法操作簡單，易于理解，其值是嚴(yán)重度(S)、頻率(O)、探測度(D)三者的乘積，但是三者的評價準(zhǔn)則比較定性，大小取決于專家打分，專家經(jīng)驗水平不同會造成評判結(jié)果不一致。而基于維修費用的RPN方法雖然克服了傳統(tǒng)方法對專家評價的依賴，但因文中所用維修數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中提取的相關(guān)數(shù)據(jù)較少，計算的準(zhǔn)確性欠缺，因此將兩種方法各自賦予權(quán)重0.5，綜合評價不同部件的風(fēng)險系數(shù)，對于某個部件a來說，其計算公式為

RPN(a)=0.5RPN1+0.5RPN2

(14)

式中：RPN1為傳統(tǒng)的RPN方法計算值；RPN2為基于費用的RPN方法計算值。

根據(jù)公式(14)計算出安全氣囊系統(tǒng)各個零部件總成的風(fēng)險系數(shù)排序：發(fā)生器0.302 35>氣囊組件0.132 6>控制系統(tǒng)0.028 95>氣囊線圈0.014 15>點火器0.012 3。

3 結(jié)論

(1)在總結(jié)傳統(tǒng)FMEA分析不足的基礎(chǔ)上，針對在用車輛提出了一種新的基于費用損失的RPN分析方法，克服了傳統(tǒng)RPN分析法中取值不連續(xù)均勻、主觀因素強、參數(shù)之間沒有主次之分、相同RPN值等級排序的問題，使獲得的風(fēng)險排序更具有說服力，使結(jié)果更加合理客觀。

(2)基于事故的嚴(yán)重性、損耗性、探測性、可修復(fù)性4個指標(biāo)，采用層次分析法對汽車被動安全系統(tǒng)進行整體評價，得出安全車身、汽車門鎖、車門防撞梁、轉(zhuǎn)向系防傷機構(gòu)、安全玻璃、安全氣囊、安全座椅、安全帶8個不同子系統(tǒng)的權(quán)重分別為0.231 6、0.068 3、0.055 2、0.050 0、0.053 3、0.216 3、0.117 8、0.206 5。同時得出安全氣囊系統(tǒng)不同零部件總成的風(fēng)險系數(shù)排序：發(fā)生器0.302 35>氣囊組件0.132 6>控制系統(tǒng)0.028 95>氣囊線圈0.014 15>點火器0.012 3。