基于層次分析法與專家打分法的機械式停車設備安全評價指標體系研究*

毛雨晗 金 彥 歐陽惠卿 李傳磊 胡 朋

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062

0 前言

截至2022年3月，我國汽車保有量達3.07億輛，79個城市汽車保有量超過100萬輛[1]，停車問題的日益嚴峻對城市配套停車設施提出了更高的要求。使用機械式停車設備較平面停車位可節約50%～80%的占地面積，是解決停車難問題的有效措施之一，近年來在相關政策的扶持下迅速發展。機械停車設備是通過機械搬運的方式實現汽車平面或立體停放的設備[2]，具有一定自動化程度，作業環境復雜、無強制性維護保養要求、缺少專人操作、使用過程中存在一定危險性，易發生較大人員傷害和車輛損失事故，故國家將機械式停車設備納入特種設備進行專項管理。

1 機械式停車設備常見故障與原因

1.1 設備自身原因

設備自身原因導致的故障主要分為鋼結構故障、傳動系統故障兩類。鋼結構故障將直接影響動態工作狀態下鋼結構框架結構的穩定性。主要原因包括材料強度不足、結構設計不合理、框架結構的模態參數不明確以及服役過程中超載、銹蝕、外力損傷等。傳動系統故障主要原因包括軸、軸承、齒輪、鏈輪、鏈條等傳動部件在設計、材料選擇、加工制造等方面的不足，以及在服役過程中的過度磨損、變形、機械損傷等。

1.2 人為原因

人為原因主要包括操作使用人員培訓不足、車庫指示不清晰、控制元件分布不合理或自我保護能力不足。人為原因將導致如車輛進出轉彎角過大，載車板強行移位，橫移限位開關與定位撥桿脫離等，無法進行二次自動存取；倒車入庫車輛后輪越過后車輪擋；車輛停放不當，車長報警；車輛超高；倒車鏡過于靠邊，提升時將過早觸發限位開關，造成運行異常；車輛超重，上升、橫移觸發超時報警；設備運行時人員、車輛誤入；誤觸急停按鈕等。

1.3 外部環境因素

外部環境因素主要包括環境電磁波、環境溫度、濕度等，將導致環境電磁波、電氣系統電磁干擾等典型故障；極端環境溫度造成控制器、顯示屏、液壓油等無法正常工作。設備因防風、防塵、防水、防雨、防腐等能力不足而導致故障。

2 建立機械式停車設備安全指標體系

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）由美國運籌學家T.L.Satty提出，是一種將總目標分解為多層次、多準則、多要素的決策方法[3]，此模型分為目標層、標準層、指標層[4]。將機械式停車設備安全評價指標體系進行層次分析，分解為：1）目標層：目標為對機械式停車設備進行安全評價，層次等級為最高層；2）標準層：表征評價目標相關中間環節，層次等級為主要系統層；3）指標層：評價的指標因子，層次等級為基本層。

對停車設備事故的歷史數據進行溯源和機理分析，綜合事故分析、失效模式分析及檢驗檢測的數據，其安全評價指標體系可從金屬結構、機構和零部件、電氣系統、安全防護裝置等角度出發。

1)金屬結構C1標準層

金屬結構相關的事故，常表現為結構的傾斜、折斷、物體打擊、整體傾覆、噪聲等故障。金屬結構表征機械式停車設備安全情況的主要評價指標可以從強度、剛度、穩定性3個方面進行進一步的危險源分析，主要為了評價該設備金屬結構的設計的合理性、加工制造的質量、安裝使用過程的偏差和破壞。

標準層的主要危險源可分解為：I1強度不足：金屬結構材料的強度安全系數不滿足國標的要求；立柱、橫梁、縱梁等產生裂紋，塑性變形、嚴重腐蝕；連接缺陷，焊縫有明顯可見的焊接缺陷，螺栓或銷軸連接松動，有缺件、損壞等缺陷；I2剛度不足：靜剛度；動剛度；I3穩定性不足：地基破壞導致整體失穩；安裝偏差。

2)機構和零部件C2標準層

機構和零部件相關的事故，常表現為結構失穩、破壞、開裂、損傷、碰撞、傾斜、車輛墜落等故障。機構和零部件表征機械式停車設備安全情況的主要評價指標可以從搬運器、載車板、鋼絲繩、卷筒、滑輪、制動系統、回轉盤、導軌及其附件、對重、緩沖器、柵欄門等方面進行危險源分析，主要為了評價該設備的機構和零部件是否符合相關標準、產生的裂紋變形磨損的程度、安裝精度和間隙的控制程度。本標準層的主要危險源可分解為表1所示。

表1 機構和零部件C2標準層對應指標、危險源

3)電氣系統C3標準層

電氣系統相關的事故，常表現為電路干擾、漏電、短路、電氣故障、失控、打滑、墜落等故障。電氣系統表征機械式停車設備安全情況的主要評價指標可以從供電電源、總斷路器、控制電路、電線電纜、電動機的保護、插座、電氣保護裝置、信號、抗電磁干擾、電動機選型等方面進行危險源分析，主要為了評價該設備的電氣系統是否符合相關標準、相關保護措施是否配備、電器選型是否合理。本標準層的主要危險源可分解為表2所示。

表2 電氣系統C3標準層對應指標、危險源

4)安全防護裝置C4標準層

安全防護裝置相關的事故，常常表現為沖頂、碰撞、擠壓、損傷、車輛墜落、無法停止等故障。安全防護裝置表征機械式停車設備安全情況的主要評價指標可以從緊急停止開關、各類超限裝置、阻車裝置、聯鎖裝置、檢測裝置、保護警示裝置等方面進行進一步的危險源分析，主要為了評價該設備的安全防護裝置是否符合要求、并且有效。

本標準層的主要危險源可分解為：I26緊急停止開關未設置或失效；I27防止超限運行裝置未設置或失效；I28汽車長、寬、高限制裝置未設置或失效；I29阻車裝置未設置或失效；I30汽車位置檢測裝置未設置或失效；I31出入口門聯鎖保護裝置未設置或失效；I32自動門防夾裝置未設置或失效；I33防重疊自動檢測裝置未設置或失效；I34防墜落裝置未設置或失效；I35警示裝置未設置或失效；I36緩沖器未設置或失效；I37運轉限制裝置未設置或失效；I38控制聯鎖功能未設置或失效；I39載車板鎖定裝置未設置或失效。

3 基于專家打分法確定各指標權重系數

專家打分法在層次分析結構的基礎上，根據專家的知識和經驗給出定量評價，對由層次分析法確定的指標進行重要程度的賦權[5]。具體通過對同層次指標進行兩兩比較，再將指標與上一層次進行重要程度的排序，即可得出所有準則層、指標層的所有指標的權重系數。此方法適用于機械式停車設備此類指標繁多、定性指標占比高、缺少足夠數據參考、專家知識經驗重要性高的問題。

3.1 判斷矩陣的構造

判斷矩陣用于將某一準則層的指標層內各指標進行兩兩比較，得到相對重要程度。矩陣中的元素uij是一個標度，代表元素ui對于uj的重要性。矩陣主對角線恒為1，且uij=1/uij。各元素取值由專家根據自身知識和相關資料評價得出，具體含義如表3所示。

表3 標度與對應含義

3.2 判斷矩陣的一致性檢驗

判斷矩陣需要進行序數和基數的一致性檢驗，以保證判斷矩陣在專家打分后沒有存在明顯偏差。序數一致性即保證了若u1好于u2，且u2好于u3，則u1一定好于u3。基數一致性即保證了若u1好于u22倍，且u2好于u33倍，則u1一定好于u36倍。

求解判斷矩陣Z的最大特征根λmax，即

平均隨機一致性指標RI取值如表4所示。

表4 平均隨機一致性指標取值

式中：一致性指標為CI，相對一致性指標為CR。當CR＜0.1，判斷矩陣即通過一致性檢驗。

1）解得各個指標的權重

解出矩陣Z的最大特征根相對的特征向量

并將特征向量歸一化為，即可作為判斷矩陣Z的各個元素的權重向量。

2）將機械式停車設備安全等級劃分為4個等級如表5所示。

表5 機械式停車設備安全等級劃分和含義

3）由專家依據相關標準和個人經驗，對篩選出的定量指標完成表6所示打分。

表6 機械式停車設備指標權重與等級劃分

4 樣本安全評價

選取其市4個城區共計30臺在用機械式停車設備樣本進行安全評價，樣本分布情況和平均使用年限如下：城區112臺套，平均使用年限3.2 a；城區27臺套，平均使用年限4.8 a；城區35臺套，平均使用年限3.3 a；城區46臺套，平均使用年限2.2 a。

按照前文所述基于層次分析法與專家打分法的機械式停車設備安全評價指標體系，對30臺設備樣本進行安全評價，結果顯示：安全性評價結果為安全的有8臺套；安全性評價結果為較安全的有18臺套；安全性評價結果為較危險的有3臺套；安全性評價結果為危險的有1臺套。86.7%的樣本處于安全和較安全的等級，13.3%的樣本處于較危險和較危險的等級，需要進行整改。

對本次安全評價中發現的不合格指標項進行統計與排序：滑輪繩槽徑向磨損發生3次；滑輪繩槽壁厚磨損發生2次；滑輪繩槽不均勻磨損發生1次；制動襯墊厚度磨損發生1次。結果顯示設備樣本的安全問題主要集中在滑輪繩槽的磨損和制動器的磨損兩方面，基本符合專家對機械式停車設備指標權重與等級劃分中的高權重設置。

5 結語

機械停車設備無強制性維保要求、缺少專人操作，因而困人困車事故頻發，社會影響較大，而其安全評價的相關研究較少，存在一定空白。本文通過歷史事故和檢驗檢測數據分析了機械式停車設備常見故障和失效模式，運用層次分析法將機械式停車設備安全的主要指標從金屬結構、機構和零部件、電氣系統、安全防護裝置的角度進行分解。通過專家打分法和一致性檢驗確定了各個指標的權重系數和等級劃分，初步建立了機械式停車設備安全評價指標體系，并應用此體系對部分在用設備樣本進行了安全評價。后續可根據停車設備實際運行情況和檢驗結果對安全評價指標體系的指標內容、權重系數和等級劃分進行修正和優化以進一步開展設備健康監測和故障診斷與預測的研究。