內容提要：本研究旨在介紹一種方法來修訂和增強定期測試制動系統(tǒng)的SOP。所采用的方法包括使用故障樹分析(FTA)和失效模式和影響分析(FMEA)工具進行全面的風險評估。

摘要

定期測試貨運車輛對于預防交通事故非常重要。導致這些事故的主要因素之一是制動系統(tǒng)故障。盡管實施了定期測試，但事故發(fā)生率仍然高得驚人。解決這個問題需要采取主動的方法來加強和完善管理定期車輛測試的標準操作程序(SOP)。因此，本研究旨在介紹一種方法來修訂和增強定期測試制動系統(tǒng)的SOP。所采用的方法包括使用故障樹分析(FTA)和失效模式和影響分析(FMEA)工具進行全面的風險評估。FTA用于識別潛在風險，而FMEA有助于分析制動系統(tǒng)內的失效原因，以查明最關鍵的風險情景。根據(jù)分析，確定了13個失效案例并將其歸類為不可容忍的風險實例。對于每個案例，都建議添加量身定制的SOP，以便為利益相關者提供有價值的見解，使他們能夠修改和完善定期車輛測試的規(guī)定。

1. 簡介

貨物運輸事故是交通事故的主要原因。因為陸路運輸仍然占主導地位，約為90%。為了減少貨物運輸部門的這種情況，交通部對公共和貨運車輛實施了每兩年一次的車輛評估制度。然而，貨物運輸事故仍然令人擔憂地上升了16.13%。這一增長可以歸因于當前的定期車輛評估，該評估強調系統(tǒng)的綜合功能，而不是審查系統(tǒng)內各個組件的性能。基于這種情況，有必要補充系統(tǒng)功能測試，并集中檢查關鍵部件，例如制動、驅動和轉向系統(tǒng)。

制動系統(tǒng)失效是導致貨運車輛事故的主要因素。緩解制動系統(tǒng)問題的潛在解決方案包括通過修改和添加標準操作程序(SOP)來提高車輛測試的質量。對定期機動車輛測試的SOP的這些調整有可能減少貨運車輛事故的發(fā)生，特別是那些因制動系統(tǒng)失效而引起的事故。

為了查明制動系統(tǒng)中哪些組件需要緊急改進SOP，將采用風險分析方法。該方法將使用故障樹分析(FTA)和失效模式和影響分析(FMEA)工具。FTA用于識別潛在風險，而FMEA則提供全面的分析，重點關注風險最高的組件。

2.2和2.3節(jié)概述了大量專注于汽車和制動系統(tǒng)領域的風險分析的研究，涵蓋了每種方法的優(yōu)缺點。因此，實施了一種采用FTA和FMEA的組合方法來解決每種方法固有的局限性，并確定與車輛系統(tǒng)失效有關的可靠性和維護任務。第2.4節(jié)闡述了使用組合方法對制動系統(tǒng)風險分析的進一步見解。

在第2.2至2.4節(jié)討論的各種研究中，很明顯，使用FTA和FMEA工具的風險分析方法尚未用于修訂或增強定期車輛測試系統(tǒng)的SOP。大多數(shù)以前專注于FTA和FMEA的研究都圍繞單個車輛部件展開。因此，本文以SOP增補和調整的形式提出了針對貨運車輛制動系統(tǒng)定期測試的建議。這些建議來自涉及這些工具的風險識別和分析方法。

2. 綜述

2.1. 風險評估

風險評估是風險管理的一個關鍵方面，包括識別潛在危害和分析這些危害出現(xiàn)時的潛在結果。ISO 31000:2009標準概述了風險評估過程，包括風險識別、風險分析和風險評估。風險評估流程如圖1所示。風險評估中有多種實用工具，包括FTA、FMEA、初步危害分析、HAZOP和根本原因分析。本文采用了FTA和FMEA工具。

2.2. 最大似然估計(MLE)

MLE是一種最大化似然函數(shù)以最大精度得出參數(shù)估計值的方法。此外，它采用了一種隱式非線性形式，適合求解牛頓-拉夫森算法。

圖1.風險管理流程

似然函數(shù)定義如下：

其中x1, x2, x3… 表示服從f(x;θ)分布的隨機變量大小n，該分布取決于θ∈Ω，Ω表示參數(shù)范圍。公式(1)用于確定計算制動系統(tǒng)部件失效率的分布。

2.3. 故障樹分析(FTA)

在系統(tǒng)層面有效進行風險分析的最普遍方法之一是FTA，它用于分析、直觀地描述和評估系統(tǒng)內的失效路徑。FTA的核心特征在于使用邏輯圖來說明系統(tǒng)失效或事故與潛在原因（通常源于部件失效）之間的相關性。

FTA在定性使用時采用兩種基本類型的符號，即事件和邏輯門。事件符號包含四個符號，包括一個圓圈（代表基本事件）、一個正方形（代表中間事件）、四個菱形（表示未開發(fā)事件）和一個三角形（用作轉移符號）。通常，使用兩種類型的邏輯門，例如AND門和OR門。當來自組件的所有輸入事件都會導致系統(tǒng)風險事件時，使用AND門；當一個或多個組件輸入事件導致系統(tǒng)風險事件時，使用OR門。故障樹分析方法通過基于邏輯門確定每個組件的失效率來評估系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)分析中采用的具體邏輯門，該組件失效率隨后會影響系統(tǒng)的失效率。如果邏輯門是AND門，則系統(tǒng)失效率是通過將各個組件的失效率相乘來計算的。另一方面，當使用OR門時，系統(tǒng)失效率變?yōu)槊總€組件的失效率之和。FTA具有多項優(yōu)勢(a)它有助于發(fā)現(xiàn)各種失效場景，這些場景要求在頂級事件發(fā)生之前至少發(fā)生兩個事件。(b)它既可以定性使用，也可以定量使用，如果可以獲取單個事件的失效率估計值，則可以計算頂級事件的可能性。(c)該方法提供了一種解決問題的系統(tǒng)方法，并附帶可視化表示。此外，定性FTA可以與其他方法相結合。研究已成功地將FTA和模糊分析結合起來，以提高模型的質量。為了認識到該方法在表達基本事件之間的聯(lián)系方面的局限性，人們努力通過將FTA與貝葉斯網(wǎng)絡模型相結合來對其進行優(yōu)化。這些努力表明，F(xiàn)TA貝葉斯有效地映射了模型中的關鍵因素。

2.3.1 FTA在汽車應用中的應用

人們已將FTA單獨應用于汽車應用，以分析部件失效（特別是制動系統(tǒng)內的部件失效）并調查事故。該方法可用作輕型商用車制動系統(tǒng)的失效分析。兩個FTA的開發(fā)，輔以可靠性框圖，導致制動系統(tǒng)失效和制動系統(tǒng)性能下降被識別為主要事件。此外，該方法可定量用于衡量線控制動系統(tǒng)的可靠性，結合概率重要性指數(shù)(PI)。本文強調了FTA在指導車輛系統(tǒng)架構設計方面的關鍵作用，并探討了1995年至2011年美國采礦活動中卡車事故的根本原因。結果表明，操作前檢查不足和卡車維護不善是大多數(shù)事故的主要原因。汽車制造業(yè)也采用了動態(tài)FTA(DFT)，將車輛導航系統(tǒng)的元素擴展到300個。此外，汽車行業(yè)還探索了模糊FTA與貝葉斯網(wǎng)絡的集成，以減輕缺陷并增強優(yōu)化。

2.4. 失效模式和影響分析(FMEA)

風險分析的另一種可行替代方案是FMEA。其核心前提是通過歸納過程識別給定系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件的每種潛在失效模式。該方法同時概述了潛在失效原因及其后果。鑒于FMEA是系統(tǒng)分析，它嚴重依賴于來自不同部門的專業(yè)人員的專業(yè)知識，包括設計、操作、維護和安全。專家之間的協(xié)作增加可帶來更精確的FMEA結果（失效模式、影響和原因）。結果主要是定性的，描述失效模式及其影響，可以通過結合關鍵性分析(FMECA)將其擴展為定量分析。關鍵性是使用EN 50126標準中的風險接受矩陣來確定的。一些標準根據(jù)特定目的規(guī)定了風險接受矩陣。FMEA研究的優(yōu)點包括(a)全面評估潛在失效及其對系統(tǒng)的影響，有助于確定糾正措施。(b)幫助確定流程和產品的關鍵方面。(c)結果有可能作為制定法規(guī)和程序的基礎技術分析。(d)FMEA優(yōu)先考慮預防而不是檢測。通過檢測和了解可能的失效模式和原因，可以采取先發(fā)制人的措施來避免或盡量減少發(fā)生這些失效的可能性，最終提高可靠性和質量。與FTA類似，可以通過結合貝葉斯網(wǎng)絡和模糊方法定量優(yōu)化FMEA。模糊方法通過引入靈活的風險優(yōu)先級數(shù)(RPN)值來增強FMEA。

2.4.1. 汽車應用的FMEA

FMEA以前曾被用作汽車應用的單獨分析方法，特別是在使用基于自動模型的系統(tǒng)技術評估制動系統(tǒng)時。此外，變量之間的有限定性關系已被整合。結果表明，采用自動化模型進行FMEA產生的結果與專家產生的結果相當。

2.5. FTA和FMEA

基于上述解釋，F(xiàn)TA和FMEA之間的主要區(qū)別在于它們的方法。FTA通過演繹方法進行操作，將系統(tǒng)失效與組件失效的根本原因聯(lián)系起來。另一方面，F(xiàn)MEA是歸納的，側重于評估組件失效原因的影響。這些方法對風險分析有很大貢獻，但也有一些缺點。FTA的核心限制是它無法解釋失效模式之間的相互依賴性。對每種失效模式單獨進行這種分析可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在具有各種失效模式的復雜系統(tǒng)中。另一方面，當應用于具有眾多組件和多種功能的復雜系統(tǒng)時，F(xiàn)MEA可能會耗時且復雜。它的有效性需要昂貴的專業(yè)知識和技能，這意味著在風險分析中同時使用FTA和FMEA可以抵消它們的局限性。

本文將這些方法結合在風險分析中，通常使用FTA作為執(zhí)行FMEA的初始指南。在更廣泛的工程背景下，提出了一種使用FTA指導飛機襟翼FMEA分析的組合方法。結果表明，F(xiàn)TA的結構化特性有助于在生成FMEA結果時形成結構良好的配置。同樣，在軟件中也結合使用了這些方法與PHA。結果表明，該方法特別適合迭代軟件流程。FTA和FMEA也被遞歸使用，首先在系統(tǒng)級進行分析，然后進行定量FMEA。最高RPN是功能級甚至組件級FTA的首要事件。此外，在這些方法中添加了一個關鍵權重指數(shù)，以確定關鍵設備，從而進行有效的維護計劃。經(jīng)過多次探索，我們成功開發(fā)出一種組合定量FTA和FMEA方法來增強風險分析結果。此外，還采用了將這些方法與模糊分析相結合來優(yōu)化定性分析。

2.5.1. FTA和FMEA在制動系統(tǒng)風險分析中的應用

考慮到制動失效是事故的重要因素，F(xiàn)TA和FMEA相結合的方法有望有效識別制動系統(tǒng)內的潛在危害、風險和相關失效模式。通過可靠性建模，F(xiàn)TA和FMEA在定性和定量上均用于制動系統(tǒng)。FTA估計了組件失效率，代表了制動系統(tǒng)的失效概率。隨后，F(xiàn)MEA引入了RPN數(shù)，結果顯示空氣制動器失效是最高的RPN，強調需要監(jiān)測導致此失效的因素。這兩種方法也用于解決個別弱點，其中FTA是基于失效概率和每種失效模式(FMEA)的計算構建的。通過使用改進的層次分析法(IAHP)、可靠性指數(shù)和重要度，進一步完善了FTA。該方法被認為比傳統(tǒng)的FTA更有效、更可行。

2.6.AOH制動系統(tǒng)原理

圖2顯示了采用AOH制動類型的貨運車輛制動系統(tǒng)。系統(tǒng)分為兩個主要部件，即液壓和氣動。液壓部件包括主缸、液壓管和鼓式制動器，而氣動部件包括壓縮機、油水分離器、儲液器和制動助力器。

值得注意的是，AOH制動系統(tǒng)結合了液壓和增壓空氣制動器。壓縮空氣與助力缸活塞接合，助力缸活塞進而將制動液推入鼓式制動器內的輪缸。此動作會對剎車片施加壓力，使車輛減速或完全停止。這種制動器的優(yōu)勢在于其性能優(yōu)于液壓制動器。在安全性方面，AOH制動器被認為比液壓制動器高出一籌。

圖2.制動系統(tǒng)示意圖

3.方法

所選方法大致分為風險識別和分析，如圖3所示。本文將ISO 31000標準中的風險評估方法與MLE方法相結合。MLE用于確定NTSC數(shù)據(jù)分布的參數(shù)。隨后使用這些參數(shù)計算車輛制動系統(tǒng)每個潛在失效原因的失效率。下一步涉及使用FTA工具進行風險識別，該工具為車輛制動系統(tǒng)的每個失效實例生成失效原因。然后使用FMEA分析這些失效原因，以確定通過驗收風險矩陣得出的風險類別，同時考慮每個失效的嚴重程度及其頻率。嚴重程度方面是通過專家判斷確定的，而頻率是根據(jù)計算出的失效率計算出來的。該風險類別為發(fā)生的風險評估提供了信息，并得出了車輛測試的SOP建議。屬于“不可容忍”風險類別的部件失效案例被優(yōu)先考慮。在本文中，只要進入測試中心的車輛屬于貨車類別，就假設它們相似。因此，制動器測試的SOP項目可適用于所有貨物運輸車輛。

圖3.本文使用FTA-FMEA的流程圖

4. 結果與討論

4.1. 車輛事故數(shù)據(jù)收集

NTSC收集的2017年至2022年期間因制動故障而發(fā)生的事故數(shù)據(jù)是FTA和FMEA中失效頻率的主要輸入。NTSC根據(jù)特定標準調查事故：a)至少有8名受害者的事故，b)廣泛的公眾關注，c)引發(fā)爭論或爭議，d)造成重大基礎設施損壞，e)一年內在一個地點反復發(fā)生的事故，或f)運輸過程中因危害廢物或有毒物質造成環(huán)境污染。在收集了五年來的車輛事故數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)有25起事故直接或間接與制動系統(tǒng)失效有關。

4.2. 使用FTA進行風險識別

制動系統(tǒng)失效被定義為系統(tǒng)無法按照其預期功能運行。單個部件的失效會影響制動系統(tǒng)的整體性能。出于分析目的，假設所有貨物運輸車輛都共享相同的部件。在進行風險識別之前，對制動系統(tǒng)假設了以下邊界條件：

a. 配備AOH制動系統(tǒng)的車輛被視為統(tǒng)一的制動系統(tǒng)。

b. 新車的初始條件符合規(guī)定，除制動系統(tǒng)外的所有系統(tǒng)均處于正常狀態(tài)。

c. 假設車輛每天24小時運行，每年運行8760小時，五年觀察期內運行43800小時。

d. 排除了對道路狀況和環(huán)境的考慮。基于這些假設，選擇制動系統(tǒng)故障作為頂事件構建了FTA，如圖4所示。

圖4.制動系統(tǒng)失效的故障樹分析

圖4顯示了用于識別貨運車輛制動系統(tǒng)失效原因的FTA圖。該方法涉及將制動系統(tǒng)分解成其組成部分，并找出導致制動系統(tǒng)失效的重大失效原因。這些原因是通過與萬隆理工學院(BRIN)和NTSC的專家討論，根據(jù)特定時期的事故數(shù)據(jù)確定的。FTA圖中顯示的失效原因并非全部都可作為定期車輛測試SOP更改的參考。需要使用基于NTSC數(shù)據(jù)的FMEA方法進行進一步分析，如表1所示。根據(jù)從FTA得出的失效原因，使用NTSC事故數(shù)據(jù)計算相應的失效率。失效率(λ)的計算采用MLE方法來確定適當?shù)姆植肌Ｈ缓笫褂梅植嫉膮?shù)在Python 3.8.5軟件的幫助下計算失效率(λ)。表1顯示了每種失效原因的失效率計算結果，表明沒有遺漏2017年至2022年之間發(fā)生的案例。

表1.失效原因的失效率計算

表1詳細列出了五年內發(fā)生三次的具體失效案例。失效率最高的是駕駛行為導致的事故，其值為3.8E-04。這種行為與駕駛員反復踩下制動踏板有關，導致壓縮機氣壓下降，進而影響制動功能。失效率第二高的是氣缸密封泄漏，通常發(fā)生在制動氣罐軟管連接處。這些失效率值用于頻率計算，以確定失效案例的頻率水平，以便進行后續(xù)的FMEA分析。

4.3. 使用FMEA進行風險分析

FMEA是指一種旨在通過考慮由組件組成的系統(tǒng)的各種失效模式，并分析它們對系統(tǒng)可靠性的影響來評估系統(tǒng)設計的方法。可以通過根據(jù)系統(tǒng)級別跟蹤組件失效的影響來評估特定的關鍵項目，并需要采取糾正措施來改進設計并消除或降低關鍵失效模式的概率。

評估過程中采用風險接受方法，該方法表示由事件頻率和組件/子系統(tǒng)中發(fā)生的干擾導致的嚴重程度之間的矩陣得出的臨界值。EN 50126標準將嚴重程度分為災難性、危急、不重要的和微不足道的，每種嚴重程度都會對人員、環(huán)境和服務/財產造成影響，如表2所示。事件頻率包括六個級別，即頻繁、可能、偶爾、稀有的、不可能和極不可能，由特定時期內的事件數(shù)量決定，如表3所示。風險接受值的大小決定了失效模式的干擾是否可以接受。風險接受矩陣上的不良和無法容忍的結果表明不容忍，需要通過評估和修改定期機動車測試的標準操作程序（特別是關于制動系統(tǒng)的標準操作程序）進行預防。

表2.失效模式的嚴重程度

表3. 失效模式的頻率水平

嚴重程度值是根據(jù)原因對制動系統(tǒng)的影響，由BRIN和NTSC的專家判斷得出的。頻率值是根據(jù)計算出的失效率得出的。頻率值基于表1，其中λ=失效率，n=組件數(shù)，t=車輛每年小時數(shù)。

表4展示了根據(jù)EN 50126標準分別在表2和表3中所示的嚴重程度和頻率之間的風險組合。這種風險類型用于FMEA表，結果根據(jù)組件失效原因中發(fā)生的風險對車輛測試SOP的建議進行優(yōu)先排序。失效模式組件和原因來自FTA圖，如圖4所示。可容忍和可忽略的風險是如果允許發(fā)生不會造成傷害或財產損失的水平。應當注意，不良風險類別需要考慮。雖然潛在損失并不緊急，但仍可能由失效造成。無法容忍的風險需要立即進行風險控制。在本文中，不可容忍風險案例是機動車測試更新的重點。

表4.制動系統(tǒng)失效模式的風險接受類別

表5顯示了FMEA結果，其中方法中與組件失效原因相關的SOP建議對制動系統(tǒng)失效有重大影響，尤其是那些被歸類為“不可容忍”風險的組件失效。由此產生的失效影響分為影響組件的“局部”影響和影響整個系統(tǒng)的“系統(tǒng)”影響。失效影響數(shù)據(jù)主要來自BRIN和NTSC專家，并輔以制動系統(tǒng)相關文獻的二手資料。

表5.制動失效的FMEA

表6提供了FTA和FMEA制動系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的風險級別結果摘要。制動執(zhí)行器是不可容忍案例數(shù)量最多的子系統(tǒng)，其次是氣動管道。這源于執(zhí)行器在執(zhí)行制動機制中的制動作用，制動機制由各種組件組成，每個組件都有失效模式。例如，鼓式制動器失效主要是由于磨損、腐蝕和雜質降低了制動性能。表格還顯示有13例被歸類為“無法容忍”的情況，這提示需要對車輛測試SOP進行更改或添加。

表6. FMEA的風險等級結果

4.4. 定期車輛測試的SOP建議

提出了對具有“無法容忍”風險級別的制動系統(tǒng)定期車輛測試的SOP建議，如表7所示。這些建議旨在降低貨運車輛制動系統(tǒng)失效的風險水平。每個組件的定期測試估計基于平均失效間隔時間(MTBF)值。表1中的MTBF值以小時為單位，需要轉換為天、周或月（假設車輛每天運行約18小時）。

表7. 每項SOP建議的定期評估

表7顯示了需要在不到六個月內實施的SOP，例如檢查儲液罐中的氣壓、檢查管道是否有漏氣、檢查主缸的制動液滲漏、監(jiān)測制動蹄和背板溫度以及使用軸載測試儀評估車輛負載。有了這些緊急部件和改進的定期車輛測試SOP，定期車輛測試的范圍需要考慮。

除了部件失效因素外，駕駛員行為也顯著影響制動系統(tǒng)失效。NTSC事故調查數(shù)據(jù)顯示，多起制動系統(tǒng)失效都是由駕駛員行為引起的，例如下坡時不使用發(fā)動機制動器和排氣制動器，以及對主制動器施加過大負荷。此外，反復使用行車制動器會導致儲氣室氣壓快速下降，從而導致制動執(zhí)行器氣壓降低。對新駕駛員進行培訓對于確保正確使用制動系統(tǒng)至關重要。對新駕駛員培訓的一些建議包括(a)獲得運輸貨物的知識，(b)城市駕駛培訓，包括導航交通，以及(c)高速公路或開放道路培訓，涵蓋上坡和下坡等各種地形。雖然這些課程缺乏具體的規(guī)定，但駕駛員需要接受培訓以減輕導致制動系統(tǒng)失效的人為錯誤。

5. 結論

總之，研究目標是使用系統(tǒng)風險分析方法增強車輛定期測試的SOP，特別是針對制動系統(tǒng)。風險分析基于2017年至2022年印度尼西亞運輸車輛事故數(shù)據(jù)。通過MLE方法處理這些數(shù)據(jù)以確定失效分布，從而得出失效率數(shù)據(jù)。隨后，使用此失效率確定組件失效的風險級別和嚴重程度。該過程涉及使用FTA識別失效原因，然后使用FMEA確定與每個失效原因相關的風險級別。

根據(jù)應用于制動系統(tǒng)的FTA和FMEA方法的結果，確定了十三個失效原因，其中最關鍵的風險被歸類為具有不可容忍的風險級別。針對這些失效原因，制定了SOP以防止或減輕失效原因再次發(fā)生的可能性。應該注意的是，此SOP旨在集成到現(xiàn)有協(xié)議中。因此，建議的定期車輛測試方法強調系統(tǒng)性能評估和每個組件狀況檢查，尤其強調制動系統(tǒng)。

根據(jù)關于機動車定期測試的規(guī)定，規(guī)定制動系統(tǒng)測試涉及在特定條件下評估制動性能，包括空載和良好道路條件。測試精度的缺乏可能會損害定期車輛測試的有效性。因此，鑒于與不可容忍風險水平相關的失效原因，建議的SOP優(yōu)先測試和檢查制動系統(tǒng)組件的狀況和性能，例如鼓式制動器、空氣壓縮機系統(tǒng)、氣動管道和制動室。建議在SOP中補充培訓計劃，以使他們掌握貨車有效制動所需的技能。

本文通過應用FTA和FMEA方法全面分析了與制動系統(tǒng)相關的風險。然而，F(xiàn)TA可能無法在同一門內不相互連接的組件之間建立因果關系。但是也非常有必要，以便通過FTA揭示制動系統(tǒng)內缺乏相關性的部件之間的關系。這可能通過采用貝葉斯網(wǎng)絡分析來實現(xiàn)，這將在數(shù)量和質量上增強風險計算。

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作者：牛喀網(wǎng)專欄作者
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