輕型車排放試驗室能力驗證數(shù)據(jù)分析及結(jié)果評定

王剛，朱瑞杰，錢超，鄧延，郭濤

（1.215200 江蘇省 蘇州市 清華大學(xué)蘇州汽車研究院（吳江）；2.2152000 江蘇省 蘇州市 華業(yè)檢測技術(shù)服務(wù)有限公司）

0 引言

能力驗證是按照預(yù)先制定的準(zhǔn)則，利用實驗室間比對，對參加者能力進(jìn)行評價的活動[1-3]。能力驗證既可以綜合考核參加者實驗室的硬件能力、管理水平及檢測技術(shù)水平，也是實驗室內(nèi)部質(zhì)量控制的重要補充手段[4]，同時還是認(rèn)可機構(gòu)和管理機構(gòu)評價實驗室能力的重要技術(shù)手段之一。

輕型車排放實驗室領(lǐng)域能力驗證活動相對較少，為提高排放測試能力組織了能力驗證。本次能力驗證活動一共有20 家實驗室參加，試驗方法采用GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（Ⅰ型試驗），總共獲取180條檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析過程中，首先采用柯克倫（Cochran）檢驗和格拉布斯（Grubbs）檢驗對實驗室內(nèi)和試驗室間的離群值進(jìn)行識別，充分考慮離群值的影響后，以3 次測量結(jié)果的平均值作為參加者最終結(jié)果進(jìn)行分析，對參加者結(jié)果的正態(tài)分布情況進(jìn)行驗證。然后，將參加者結(jié)果的平均值x-和標(biāo)準(zhǔn)差S 分別作為指定值xpt、能力評定標(biāo)準(zhǔn)差σpt，采用國際通用的“Z 比分?jǐn)?shù)”法對獲得的各檢測實驗室檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行能力評價[3]。

1 能力驗證測試方案

本次能力驗證計劃為順序計劃，將一個能力驗證樣品依次傳遞給參加者實驗室。檢測項目和要求為：（1）檢測項目：常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗（Ⅰ型試驗）；（2）檢測要求：參加者實驗室采用GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》規(guī)定的Ⅰ型試驗方法，重復(fù)進(jìn)行3 次檢測；（3）檢測參數(shù)：CO、THC、NMHC、NOX、N2O、PM、PN、CO2、油耗。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法的選擇

能力驗證結(jié)果統(tǒng)計分析常用的2 種方法是經(jīng)典統(tǒng)計方法和穩(wěn)健統(tǒng)計方法[2]。能力驗證的統(tǒng)計方法需考慮數(shù)據(jù)特性（定量、定性、解釋等）、統(tǒng)計假設(shè)和誤差性質(zhì)，以及參加者結(jié)果數(shù)量。同時統(tǒng)計設(shè)計應(yīng)考慮參加者結(jié)果的評價方式。

ISO 13528 標(biāo)準(zhǔn)附錄D 對參加實驗室不同數(shù)量的統(tǒng)計分析進(jìn)行了表述[5]。當(dāng)參加者數(shù)據(jù)中有離群值時，宜優(yōu)先采用穩(wěn)健統(tǒng)計，但對于數(shù)據(jù)較少的情況通常并不推薦使用，當(dāng)參加者較少（如少于18家）的能力驗證計劃，宜優(yōu)先使用經(jīng)典統(tǒng)計方法[1]。相比于穩(wěn)健統(tǒng)計，經(jīng)典統(tǒng)計方法中樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差是總體均值和標(biāo)準(zhǔn)差最小無偏估計量，因此具有最高的統(tǒng)計效率[1]。本次能力驗證參加者數(shù)量只有20 家，略大于18 家，考慮到經(jīng)典統(tǒng)計的優(yōu)點，故本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法采用經(jīng)典統(tǒng)計方法。

但基于正態(tài)分布的經(jīng)典統(tǒng)計方法對離群值敏感，數(shù)據(jù)總體中即使只有一個離群值，也可能導(dǎo)致經(jīng)典統(tǒng)計失效，因此采用經(jīng)典統(tǒng)計方法前通常需對離群值進(jìn)行識別，同時對數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特性也需要進(jìn)行驗證[2]。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本次能力驗證計劃以參加者結(jié)果的公議值來確定指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差。采用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法，即對參加者結(jié)果進(jìn)行離群值檢驗先排除離群值的影響，然后計算均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差S 分別作為指定值xpt和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差σpt，同時需要對指定值的不確定度進(jìn)行評定。各統(tǒng)計量的意義及相關(guān)計算方法參見GB/T 28043-2019《利用實驗室間比對進(jìn)行能力驗證的統(tǒng)計方法》[6]。

3.1 離群值識別

GB/T 6379.2-2006《測量方法與結(jié)果的準(zhǔn)確度（正確度與精密度）第2 部分：確定標(biāo)準(zhǔn)測量方法重復(fù)性與再現(xiàn)性的基本方法》給出了2 種類型的離群值的識別方法，即柯克倫（Cochran）檢驗和格拉布斯（Grubbs）檢驗[7]?？驴藗悪z驗是對實驗室內(nèi)變異的檢驗，應(yīng)該首先應(yīng)用，若因此采取了任何行動，就有必要再次對剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗；格拉布斯檢驗主要是對實驗室間變異的檢驗，但當(dāng)n>2且柯克倫檢驗懷疑一個實驗室內(nèi)較高的變異是來自某個測試結(jié)果時，格拉布斯檢驗也可用來對該單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。

每個參加者實驗室提交3 次測試數(shù)據(jù)，因此針對數(shù)據(jù)離群值檢驗分2 個部分進(jìn)行，首先對每個實驗室內(nèi)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值識別，檢查合格后的檢測結(jié)果計算平均值作為參加者實驗室最終結(jié)果（以下簡稱“參加者結(jié)果”），然后再對參加者結(jié)果進(jìn)行離群值識別。

3.1.1 實驗室內(nèi)檢測數(shù)據(jù)柯克倫（Cochran）檢驗

采用柯克倫（Cochran）檢驗法對各實驗室內(nèi)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值識別，計算柯克倫檢驗統(tǒng)計量C：

檢驗判定規(guī)則如下：

（1）如果檢驗統(tǒng)計量≤5%臨界值，則接受被檢驗項目為正確值；

（2）如果檢驗統(tǒng)計量>5%臨界值，但≤1%臨界值，則稱被檢驗的項目稱為歧離值；

（3）如果檢驗統(tǒng)計量>1%臨界值，則被檢驗項目稱為統(tǒng)計離群值。

檢驗結(jié)果如表1 所示。檢驗結(jié)果表明，參數(shù)N2O、PM 測量結(jié)果的柯克倫檢驗統(tǒng)計量C>1%臨界值，相應(yīng)的對應(yīng)14、15 號實驗室，說明14、15 號實驗室參數(shù)N2O、PM 重復(fù)性檢測結(jié)果的方差較大，懷疑這些實驗室N2O、PM 檢測結(jié)果較高的變異來自于某一個檢測結(jié)果。

表1 實驗室內(nèi)檢測數(shù)據(jù)柯克倫（Cochran）檢驗結(jié)果Tab.1 Cochran test results of laboratory test data

3.1.2 各實驗室內(nèi)離群值格拉布斯（Grubbs）檢驗

利用格拉布斯（Grubbs）檢驗方法，對柯克倫（Cochran）檢驗懷疑數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。將實驗室結(jié)果由小到大排列，計算格布斯檢驗統(tǒng)計量：

式中：G1——最小觀測值格拉布斯檢驗統(tǒng)計量；Gp——最大觀測值格拉布斯檢驗統(tǒng)計量；p——提交結(jié)果的參加者實驗室數(shù)量；S——參加者實驗室最終測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

檢驗判定規(guī)則與柯克倫檢驗法相同。檢驗結(jié)果如表2 所示。經(jīng)檢驗，未發(fā)現(xiàn)離群值，相應(yīng)檢測結(jié)果不進(jìn)行剔除，仍參與后續(xù)統(tǒng)計分析。

表2 懷疑數(shù)據(jù)格拉布斯（Grubbs）檢驗結(jié)果Tab.2 Grubbs test results of suspected data

3.1.3 參加者結(jié)果格拉布斯（Grubbs）檢驗

各參加者實驗室內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的離群值識別后，計算平均值作為參加者實驗室最終結(jié)果，再對參加者試驗室的最終結(jié)果進(jìn)行離群值檢驗，采用格拉布斯（Grubbs）檢驗法。查表得p=20 時，臨界值 G1=3.001，參加者實驗室最終結(jié)果未發(fā)現(xiàn)離群值。

表3 參加者結(jié)果格拉布斯（Grubbs）檢驗結(jié)果Tab.3 Results of participants Grubbs test results

3.2 試驗數(shù)據(jù)正態(tài)分布情況

采用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法，離群值檢驗的柯克倫檢驗法和格拉布斯檢驗法均假設(shè)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。最常用的能力驗證統(tǒng)計分析假設(shè)是，來自合格參加者的測量結(jié)果服從近似正態(tài)分布，或至少為單峰且服從對稱分布(必要時經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后)。根據(jù)GB/T 28043-2019 規(guī)定，對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析技術(shù)應(yīng)與統(tǒng)計假設(shè)相一致，應(yīng)證明統(tǒng)計假設(shè)的有效性。通過繪制參加者結(jié)果的直方圖和正態(tài)分布曲線來觀察其數(shù)據(jù)分布情況，各實驗室最終結(jié)果正態(tài)分布情況如圖1-圖9 所示。

圖1 CO 正態(tài)分布圖Fig.1 CO normal distribution diagram

圖2 THC 正態(tài)分布圖Fig.2 THC normal distribution diagram

圖3 NMHC 正態(tài)分布圖Fig.3 NMHC normal distribution diagram

圖4 NOX 正態(tài)分布圖Fig.4 NOX normal distribution diagram

圖5 N2O 正態(tài)分布圖Fig.5 N2O normal distribution diagram

圖6 PM 正態(tài)分布圖Fig.6 PM normal distribution diagram

圖7 PN 正態(tài)分布圖Fig.7 PN normal distribution diagram

圖8 CO2 正態(tài)分布圖Fig.8 CO2 normal distribution diagram

圖9 油耗正態(tài)分布圖Fig.9 Normal distribution of fuel consumption

3.3 指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差

指定值的選擇與計算是能力驗證計劃成功的關(guān)鍵，實施機構(gòu)需采用適當(dāng)?shù)闹付ㄖ荡_定方法。定量計劃確定指定值的方法通常有配方法、有證參考值、獨家定值、專家公議值和參加者公議值。通常指定值的不確定度不應(yīng)超過0.3σpt。

本次能力驗證計劃采用參加者公議值確定指定值，利用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法，將經(jīng)離群值檢驗合格的參加者結(jié)果的平均值作為指定值xpt，參加者結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差S 作為能力評定標(biāo)準(zhǔn)差σpt。各參數(shù)的指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差如表4 所示。

表4 指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差Tab.4 Specified values and standard deviation of ability assessment

3.4 指定值的不確定度評定

指定值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度依賴于指定值的定值方法。當(dāng)由參加者的公議值確定指定值，使用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法，指定值xpt是參加者結(jié)果的平均值時，則指定值的不確定度按式（3）估計：

式中：p——提交結(jié)果的參加者實驗室數(shù)量；S ——參加者實驗室結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差。

本次能力驗證計劃中各參數(shù)的指定值及不確定度如表5 所示。

根據(jù)GB/T 28043，當(dāng)指定值的不確定度遠(yuǎn)大于能力驗證中使用的能力評定標(biāo)準(zhǔn)差時，指定值不確定度對能力驗證結(jié)果的影響不可忽略。當(dāng)指定值的不確定度滿足以下準(zhǔn)則時，指定值的不確定度可忽略。

由式（3）以及表5 可知，當(dāng)實驗室結(jié)果數(shù)量p ≥12 時，u（xp）t<0.3σpt準(zhǔn)則滿足，本次能力驗證計劃各檢測參數(shù)指定值的不確定度均滿足該準(zhǔn)則的要求。

表5 各參數(shù)的指定值及不確定度結(jié)果Tab.5 Specified value and uncertainty result of each parameter

4 能力評價

4.1 能力統(tǒng)計量及評價準(zhǔn)則

由3.4 可知，指定值不確定度均滿足u（xp）t<0.3σpt準(zhǔn)則，因此指定值的不確定度可忽略，可不包含在能力驗證結(jié)果中。能力統(tǒng)計量由z 比分?jǐn)?shù)表示：

式中：x——參加者結(jié)果；xpt——指定值；σpt——能力評定標(biāo)準(zhǔn)差。

能力評定準(zhǔn)則：

|z|≤2：表明“滿意”，無需采取進(jìn)一步措施；

2<|z|<3：表明“有問題”，產(chǎn)生警戒信號；

|z|≥3：表明“不滿意”，產(chǎn)生行動信號。

本次實驗室能力驗證活動統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6。

表6 實驗室能力統(tǒng)計量z 值Tab.6 The z value of laboratory capacity statistics

4.2 z 比分值分布

實驗室間的系統(tǒng)誤差通過實驗室間Z 比分值體現(xiàn)，Z 值越接近于0，表明參加驗證的實驗室與總體結(jié)果越接近，系統(tǒng)誤差越??；反之，Z越大，表明其測定值離群，系統(tǒng)誤差大。為了直觀看到此次能力驗證的評價結(jié)果，采用Z 比分?jǐn)?shù)直方圖來評價能力驗證統(tǒng)計結(jié)果，如圖10-圖18 所示。

圖10 CO Z 值柱狀分布圖Fig.10 Z value histogram distribution chart of CO

圖11 THC Z 值柱狀分布圖Fig.11 Z value histogram distribution chart of THC

圖12 NMHC z 值柱狀分布圖Fig.12 z value histogram distribution chart of NMHC

圖13 NOx z 值柱狀分布圖Fig.13 z value histogram distribution chart of NOx

圖14 N2O z 值柱狀分布圖Fig.14 z value histogram distribution chart of N2O

圖15 CO2 z 值柱狀分布圖Fig.15 z value histogram distribution chart of CO2

圖16 PM z 值柱狀分布圖Fig.16 z value histogram distribution chart of PM

圖17 PN z 值柱狀分布圖Fig.17 z value histogram distribution chart of PN

圖18 油耗 z 值柱狀分布圖Fig.18 Columnar distribution of z value of fuel consumption

4.3 能力評價結(jié)果

本次能力驗證計劃共計20 個實驗室報名參加，參加者實驗室均反饋了檢測結(jié)果，共180 個檢測結(jié)果，參加者實驗室能力評價結(jié)果匯總見表7。

表7 實驗室能力統(tǒng)計量z 值Tab.7 z value of laboratory capacity statistics

5 結(jié)論

本次能力驗證活動一共有20 家實驗室參加，以國Ⅵ輕型車Ⅰ型試驗作為本次的試驗方法，總共獲取180 條檢測數(shù)據(jù)。

（1）實驗室能力評價結(jié)果顯示，全部滿意結(jié)果（|z|≤2）有14 家，占比70%，無不滿意結(jié)果（|z|≥3）但包含有問題結(jié)果（2<|z|<3）有6 家，占比30%。同時，從具體污染的Z 值柱狀分布圖可以看出，同一個實驗室對不同的污染物測量能力具有一定的差別；

（2）輕型車排放污染物測量受實驗環(huán)境、測試系統(tǒng)、駕駛?cè)藛T、樣品狀態(tài)等諸多因素的影響，應(yīng)當(dāng)引起實驗室重視。實驗室按照標(biāo)準(zhǔn)方法要求嚴(yán)格控制試驗各個環(huán)節(jié)，是減小影響的有效方法；

（3）在數(shù)據(jù)的分析過程中，要注意對離群值的識別及數(shù)據(jù)正態(tài)分布進(jìn)行驗證，結(jié)合能力驗證的需求選擇合適數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法和能力評價準(zhǔn)則。