汽車被動安全部件結構安全性風險評價研究

賈紅，趙瑞妮，邱兆文

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

0 引言

汽車作為道路交通系統的重要組成單元，整車技術狀況直接影響道路交通系統的安全性，汽車上任何一個部件出現故障，都會直接導致交通事故的發生。汽車自身故障導致的交通事故往往造成嚴重的后果，為了提高在用車輛的行駛安全性，使有限的資源重點關注影響行駛安全的高風險部件，就要對汽車安全部件進行風險評估。一般而言進行故障模式影響分析(Failure Modes and Effects，FMEA)被認為是最有效的風險預防措施，但傳統的故障模式影響(Risk Priority Number,RPN)分析存在的諸多問題廣受質疑。目前，不少學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RPN方法在風險評價中的不足，同時給出了選取風險評價指標和進行權重分配更為合理的評價方法，但此種方法3個參數的選擇仍然依賴專家的主觀經驗，因此依然存在RPN法本質上的不足。范晉偉等[2]在分析傳統RPN方法缺陷和不足的基礎上，以不同子系統某種故障模式發生的概率及所花費費用取代傳統的專家評分方式。

BOWLES[3]對傳統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險等級排序，但沒有提出具體的實現方法。ZHANG等[4]提出基于加權最小二乘法的模糊RPN法，解決了傳統評價方法的不確定性問題，在一定程度上可以確保評價結果的準確性。NIU等[5]提出了基于故障傳播概率及成本的風險評估方法，利用灰色關聯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]提出一種新的風險優先數模型來克服傳統風險優先數的主要缺點，其中的風險等值函數根據風險變量的重要性順序對3個風險變量進行排序，同時風險優先級指數函數對3個風險變量進行加權。

李華府等[7]利用灰色關聯理論對不同故障模式下的風險等級進行排序，得出危害度最大的故障模式，但RPN方法的3個參數仍舊是采用傳統方法得到的，人為主觀性太強。王曉暾等[8]提出基于有序加權算子的風險評估方法，考慮到風險因子的權重，以及對錯誤、有偏見的語言賦以較低權重，能夠提高風險評估的準確性。胡璽良等[9]采用故障成本展開FMEA分析，能夠改善系統的可靠性、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、故障模式的相關性進行分析。李艷等人[11]以多狀態退化系統為研究對象，引入風險優先數，利用多粒度語言評價集結系統，提出一種新的多狀態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維修策略。王曉峰等[12]提出了以客觀權重度量的方法，以多專家評估為基礎的多種評估值表述方式，利用相似度定序法思想對區間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險順序數分析法，以故障率代替故障發生度，以費用損失代替嚴酷度以及可探測度，克服了傳統風險順序數分析法的不足，對不同故障模式進行合理、有效的風險評估。

1 研究方法

1.1 傳統FMEA分析方法的不足

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

圖1 FMEA工作流程

而傳統RPN方法中3個參數取值都是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均勻的，且當其中任何一個值發生微小變化時都將對RPN值的結果造成較大影響。同時RPN中3個參數的度量完全取決于專家的主觀經驗，專家經驗水平的不同將會造成評判結果的較大差異，同時RPN中3個參數在計算過程中沒有主次之分，相同的RPN值對應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，根據其嚴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。故障后果越嚴重，對整個交通環境及司乘人員造成的損失越大，修復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代替嚴酷度(S)等級和可探測度(D)等級，使得評價效果更加直觀。

(1)故障發生頻率

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

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

(1)

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

(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種系統總成故障中的第j種故障事件所需要的維修工時數目。

(3)計算故障風險順序數RPN

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

(4)

2 案例應用

將層次分析法和改進的FMEA分析法應用到汽車被動安全部件結構安全性的風險評價中，首先利用層次分析法確定汽車被動安全各個子系統的風險權重，其次選取被動安全部件中的安全氣囊系統應用改進的FMEA分析法進行其常見故障模式的風險排序，最后進行安全氣囊系統不同部件的風險系數的綜合計算。

2.1 汽車被動安全子系統的權重確定

根據對汽車被動安全各個子系統工作原理和作用效果，以及各子系統不同故障模式的研究綜合分析，文中現構建汽車被動安全系統的AHP(Analytic Hierarchy Process)層次結構模型。

文中所建立的子系統評價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、轉向系防傷機構、安全玻璃、安全氣囊、安全座椅、安全帶。

圖2 被動安全系統AHP評價層次結構模型

(1)建立判斷矩陣

準則層B對目標層A的判斷矩陣見表1。

方案層C對準則層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)

準則層對目標層的權重向量為

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重向量

層次總排序結果為

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各子系統的權重系數為

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FMEA分析

根據對汽車被動安全系統的安全氣囊子系統的FMEA故障模式影響分析結果，確定傳統FMEA分析法下安全氣囊不同故障模式的風險順序數，見表3。

表3 常見故障模式風險順序數

(2)基于維修數據的安全氣囊FMEA分析

基于汽車維修數據，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 汽車安全氣囊系統故障模式權重系數確定

(1) 建立AHP層次結構模型

根據對汽車安全氣囊不同故障模式的研究和FMEA的分析結果，文中構建AHP層次結構模型，評價準則見表5。

表5 安全氣囊AHP層次結構模型評價準則

安全氣囊常見不同故障模式下AHP層次結構模型如圖3所示。

圖3 汽車安全氣囊系統AHP層次結構模型

(2) 權重系數的計算

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的權重系數是[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

傳統的RPN分析是針對安全氣囊系統的不同故障模式計算的RPN，分類較細，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和氣囊總成出現故障后必須更換，而不是針對某一故障模式進行修復。鑒于傳統的FMEA分析和基于維修費用的FMEA分析各自的優缺點，對兩種分析方法計算的RPN分別賦予權重0.5，綜合計算得出安全氣囊系統不同部件的風險系數。

(1)傳統的FMEA分析評價結果的合成

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險系數是[0.190 0.152 0.133 0.152 0.114 0.133 0.076 0.005 1]。

在對FMEA分析的數據進行量綱一化處理后，需要結合不同故障模式的權重系數作為調整因子對上述RPN值進行調整，以更科學地提高該方法的準確性，調整公式和結果如下：

對于安全氣囊的某部件故障模式i來說，其調整后的風險系數為

RPN(i)′=RPN(i)×Wi

(12)

式中：RPN(i)′為故障模式i調整后的RPN值；RPN(i)為故障模式i調整之前的RPN值；Wi為故障模式i對應的權重系數。

利用上式，調整后的風險順序數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險順序數進行合成，以得到安全氣囊不同部件的風險順序數，利于設計者對RPN值較大的關鍵部件重點關注，對于部件a，其RPN為

(13)

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

利用上式，可得安全氣囊不同部件的風險系數：氣囊組件0.029 6；發生器0.056 8；控制系統0.034 7；點火器0.024 6。

(2)基于維修費用的FMEA分析評價結果的處理

為了和傳統FMEA分析得到的風險系數進行綜合計算，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險系數：氣囊組件0.235 6；發生器0.547 9；傳感器0.164 9；控制系統0.023 2；氣囊線圈0.028 3。

(3)安全氣囊系統不同部件的風險系數的綜合計算

雖然傳統的RPN方法操作簡單，易于理解，其值是嚴重度(S)、頻率(O)、探測度(D)三者的乘積，但是三者的評價準則比較定性，大小取決于專家打分，專家經驗水平不同會造成評判結果不一致。而基于維修費用的RPN方法雖然克服了傳統方法對專家評價的依賴，但因文中所用維修數據的數據庫中提取的相關數據較少，計算的準確性欠缺，因此將兩種方法各自賦予權重0.5，綜合評價不同部件的風險系數，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為傳統的RPN方法計算值；RPN2為基于費用的RPN方法計算值。

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

3 結論

(1)在總結傳統FMEA分析不足的基礎上，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RPN分析法中取值不連續均勻、主觀因素強、參數之間沒有主次之分、相同RPN值等級排序的問題，使獲得的風險排序更具有說服力，使結果更加合理客觀。

(2)基于事故的嚴重性、損耗性、探測性、可修復性4個指標，采用層次分析法對汽車被動安全系統進行整體評價，得出安全車身、汽車門鎖、車門防撞梁、轉向系防傷機構、安全玻璃、安全氣囊、安全座椅、安全帶8個不同子系統的權重分別為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不同零部件總成的風險系數排序：發生器0.302 35>氣囊組件0.132 6>控制系統0.028 95>氣囊線圈0.014 15>點火器0.012 3。