基于层次分析的装载机安全评价方法研究

范 英，田志成，丛国全，夏明珠

(1.太原科技大学机电工程学院，太原030024;2.国家工程机械质检中心，北京102100)

装载机广泛应用于各项基础设施建设领域和物流领域.据统计，我国装载机保有量约90～100万台[1]，仍处在高速增长阶段，对现有装载机的安全监管已显得愈发重要.参照欧美国家采用的市场准入制度，我国仅对装载机新产品按照特种设备型式检验细则进行审核，没有针对在用车的安全检验标准.在使用过程中，由于设计缺陷、维护保养不当、违规操作等各种原因，国产装载机制动失灵、车架断裂解体、储气罐爆炸、转向失灵、自燃等事故屡屡发生.为降低装载机安全隐患，规范监管制度，有必要了解在用装载机的安全状况，在此基础上提出装载机安全状况等级划分标准，实行分类监管.为保证分类科学合理，在此对在用装载机安全状况的评价方法进行了研究.

1 装载机安全状况综合评价指标体系的建立

按照层次分析方法的理论，装载机评价模型有3个基本要素:因素集、评价集和权重集.层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称AHP)，是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法[2].

1.1 建立评价因素集

因素集是由影响评判对象的各因素组成的集合，是安全评价的基础，是安全评价模型是否科学合理的前提.查找和确定装载机安全评价因素的主要依据是国内外适用于装载机的有关安全的法规和标准、装载机可靠性分析结果、专家调研和专家论证结果.

首先，依据国内外相关法规和标准全面查找危险源.国内外适用于装载机的有关安全的法规和标准主要有GB/T 16856-1997《机械安全 风险评价》、JB6030-2001《工程机械通用安全技术要求》、JB6028-1998《工程机械安全标志和危险图示通则》、《机电类特种设备制造许可规则》、ISO12100-1:2003《机械安全基本概念与设计通则第1部分:基本术语和方法》、ISO12100-2:2003《机械安全基本概念与设计通则第2部分:技术原则》、ISO/DIS14121-1:2007《机械安全风险评价第1部分:原则》、ISO/DTR14121-2:2007《机械安全风险评价第2部分:使用指南和方法举例》、以及相关行业法规和标准.在解读这些法规和标准的基础上，装载机的危险源主要划分为机械危险源、电气危险源、热危险源、噪声危险源、振动危险源、辐射危险源、材料和物质产生的危险源、与人类工效学原则有关的危险源、与机器使用环境有关的危险源、综合危险源以及与人员管理有关的危险源，等等.结合各类大小事故全面查找危险源，或通过模拟、预测尚未发生的事故，辨识出装载机潜在的危险源(见表1).

表1 装载机危险情节识别、风险评估、安全状况等级、风险类别评定示例

其次，大量收集装载机使用数据，对现有数据进行分析统计(结果见表2).装载机各系统故障比例较大且与装载机安全紧密相关的系统主要有:工作液压系统、脚制动系统、发动机系统、电气系统、转向系统、工作装置系统，等等[1]，进一步分析从中找出了装载机使用过程中存在的危险要素、可能发生的机率及发生后可能造成的后果.

表2 装载机主要系统故障比率 %

随后经咨询专家，并召开专题会议讨论后，确定了装载机安全评价指标共96项.根据各项指标的不同特性，以及每个因素在安全评价中所处地位不同，把装载机安全指标划分为三级层次结构.一层指标为6项，一层指标下面再细分二层指标27项.

最后，经专家论证后，建立了装载机安全状况评价指标体系(见图1).

图1 装载机安全评价指标体系示例

第一层次指标分为6大项:A强制性安全检查、B行车安全检查、C安全保障及防护、D人机环境安全、E整机外观检查、F常规检查.强制性安全检查项主要考虑车辆的制动性能、噪声和自由加速烟度排放值等内容，是国家法规强制要求检验的项目，而且制动性能是影响安全最大的因素，重大事故中有近一半是由制动性能不合格造成的.整机外观检查和常规检查2项，是考虑检查的方便性和合理性，主要针对用户使用过程中的管理不善，违规改装而造成的不安全隐患.其余指标项则考察装载机各部件性能的稳定性，和相关安全的性能衰减等问题.

1.2 建立评价集

为了真实反映装载机安全状况，每一项指标都应该能覆盖实际可能出现的情况，我们还需要对指标的评价制定相应的评判标准.对于定性指标，依照现行的法规标准和专家调查意见设立指标检查方法和评判标准，评价人员按照指标检查结果及相关的评判标准选择合理的评价等级.对于定量指标，我们结合调查意见和统计数据，建立了隶属函数.目标评价集的数学表示为 V=(v1，v2，v3，v4)=(优，良，中，差).

1.3 建立评价指标权重集

模糊数学在评价定量指标方面具有得天独厚的优势，但是在权重确立方面并非优于其他方法，而层次分析法正好可以弥补其不足.层次分析(AHP)法的主要特征是，它合理地将定性与定量的决策结合起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化和数量化.作为主观方法，AHP法有其他主观方法不可比拟的优越性.

AHP法应用过程主要为:建立递阶层次结构、构造两两比较判定矩阵、层次排序及一致性检验.

1)建立递阶层次结构.

经分析初步确定评价层次结构后，课题组做了进一步的走访调研，对评价体系的完整性和合理性做了调整，确定装载机安全评价指标体系为图1所示的结构.

2)构造两两比较判定矩阵.

每一层次中各个指标在各自分组中所占的比重不同及对整机安全的影响度不同，我们设计两两比较调查表，请相关专家填写，汇总调查结果，计算各项指标权重.利用表3所示的两两比较标度构造指标重要度判定矩阵(见表4).表4的一层指标判定矩阵用数学表示为X(见公式(1)).本节中数据为国产某型装载机评价用数据，以此为例说明本模型的构造过程.

表3 指标两两比较标度含义

表4 一层指标评分值判定矩阵示例

3)确定各因素权重.

在构造完成比较矩阵X后，权重计算和一致性检验需要经过以下几个步骤(以一层指标为例):首先，矩阵按行将各元素连乘并开6次方，即

得 Y=(YA，YB，YC，YD，YE，YF)=(2.402，1.26，1.26，0.63，1.26，0.33). 将 Y 归一化，求得最大特征值对应的特征向量W，即

求最大特征值λmax，即

由式(5)求得表示不一致程度的指标CI，即

式中:n表示指标数目，RI表示不同指标数目对应的平均随机一致性指标，其值见表5.

表5 平均随机一致性指标RI

然后由式(6)计算一致性比例指标CR，即

当CR＜0.10时，判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应作适当修正.经计算该示例装载机第一层评价指标判定矩阵的一致性比例值CR=0.062＜0.1，故通过一致性检验，权重赋值合理.

用同样的方法可得到其余指标层各个指标在本组中相应的权重.

2 模糊综合评价

安全评价主要包括定量评价和定性评价2种.定量评价，虽然可以预测特定事故的发生概率，但需要大量数据支持，非常繁杂.定性评价需要借助专家的知识和经验进行判断，在某种程度上会损害评价的客观性.模糊评价[3]可以综合兼顾两类方法的特征，其典型特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是用一个模糊集合来表示，更加接近于人的思维模式，适合于对受多种因素影响的事物做出全面评价.

首先是要确定评价对象指标相对评价等级的隶属度.隶属度可利用专家打分评定，也可利用隶属函数来计算[4].对评价集中同一组指标计算每个指标相对各评价等级的隶属度，就得到该组指标隶属关系矩阵.实例应用中，组织6名相关专家对装载机第三层指标进行了安全评价.对6份安全评价表的结果汇总后(见表6)，得到各项指标的模糊隶属度.

表6 装载机安全状况评价结果汇总示例(C4电器系统检查部分)

例如:rc41=(rc411，rc412，rc413，rc414)，其中rc411，rc412，rc413，，rc414分别为指标 “C41蓄电池绝缘防护”对评价等级V=(优，良，中，差)的隶属度，rc41是第三级指标“C41蓄电池绝缘防护”相对评价集的模糊隶属度向量.由

可得到所属“C4电器系统”第三层指标的评价模糊关系矩阵RC4.应用模糊线性加权模型[5]对评价结果进行综合可得第二层指标项“C4电器系统”相对评价集的模糊隶属度向量rC4.

同理，可得所属“C安全保障及防护”第二层指标的评价模糊关系矩阵RC的其余模糊隶属度向量rC1，rC2，rC3，rC5，rC6.

由式(8)得出第一层指标项“C安全保障及防护”的模糊隶属度向量rC.

同理，可得rA，rB，rD，rE，rF.这样就得到一层指标模糊关系矩阵R.

用模糊变换对一层指标的评价结果向量进行综合，得到装载机安全评价模糊决策向量B，即

B=W·R=[wAwBwCwDwEwF]·

式中:b1，b2，b3，b4分别表示被评价对象对评级的模糊隶属程度.

最后，按照最大隶属度原则，对模糊综合评价结果向量做进一步分析，max(b1，b2，b3，b4)对应的等级就是被评价对象所得的最终评价等级.

3 实例应用

为了验证评价模型的正确性，课题组随即挑选5台装载机进行安全评价示范应用.首先成立专家组，专家应该包括检验、生产、售后服务、使用、试验等领域有资深经历的人员，且比例要合适.其次，专家组应该对装载机安全评价指标体系的合理性作出评价，无异议后，请每位专家填写两两比较调查表，构造指标重要度判定矩阵，进行指标重要度的评判.每位专家打分结果经一致性检验合格后，得到各指标层各个指标相应的权重.对各位专家的打分所得权重进行加权平均，就得到了装载机安全评价指标权重集.接下来，专家应该对第三层(最末层)指标的评判依据或考核内容以及划分等级标准的合理性进行审查.然后，针对产品对照评价细则进行具体评价.最后，按照上述步骤计算安全评价模糊决策向量，得到被评价对象的模糊评价结果.

本文示例评价对象为国产某ZL50型装载机.经计算得到第一层指标模糊评价矩阵与第一层权重向量的乘积，得到该装载机安全状况模糊评价结果向量:[0.206 0.492 0.232 0.069].

根据最大隶属度原则[5]，此装载机安全隶属度为良，可以得出装载机安全状况为良好.

被评价对象基本情况及评价结果见表7.

表7 装载机工程应用安全状况评价结果

4 结束语

综合运用模糊综合评价法和层次分析法，建立模糊层次综合评价模型，将其应用于在用装载机的安全状况综合评价中，为装载机安全评价方法做了有益的探索，对装载机分类监管、使用寿命和报废标准的修正提供了依据.通过实例验证，该评价方法能准确地反映被评价对象的安全状况，评价结果与专家组讨论确定的安全等级基本一致，适用于国内在用装载机的安全状况评价.

[1]范 英.装载机可靠性数据分析与管理系统的研究[D].北京:中国农业大学，2006.

[2]王莲芬，许树柏.层次分析法引论[M].北京:中国人民大学出版社，1990:5-17.

[3]刘小春，黄 嵩.基于模糊数学的民爆器材库房安全综合评价模型及应用[J].中国安全科学学报，2007，17(7):102-106.

[4]李安贵，张志宏，孟 艳.模糊数学及应用[M].2版.北京:冶金工业出版社，2006.

[5]叶义成，柯丽华，黄德育.系统综合评价技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社，2006.