宋守許, 李作穩(wěn), 周 丹, 田永廷

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

生活中,保險柜、密碼箱、自動柜員機(automated teller machine,ATM)等具有安全性要求的設備被廣泛應用。這些設備在提供便利的同時,對安全性提出了更高要求。為滿足安全性,防止不法分子蓄意惡性非法拆解,設備大都使用防破拆結構來提高安全性,但不可避免降低設備退役后的可拆解性,造成安全性和可拆解性的沖突。

在防破拆設計領域,安全性和可拆解性是重要的性能指標,用以衡量防破拆設備的拆解性能,兩者側重方向卻有所不同。安全性為設備服役階段抵抗不法分子非法拆解的能力;可拆解性表示在設備退役后的拆解過程中,其拆解效率、高值部件保護難易程度和拆解過程中的環(huán)保性。

在安全性領域,文獻[1]針對防盜安全門使用的破壞工具及破壞方法進行闡述和分析;文獻[2]利用碳-環(huán)氧樹脂的新型復合材料提升了側門框架提高汽車的安全性;文獻[3]使用要害識別方法研究核電廠設施破壞保護相關問題;文獻[4]針對電力通信光纜破壞提出一些技術性措施。

在可拆解性領域,文獻[5]建立了一套以碳排放量值為評價標準的拆解評價體系;文獻[6]建立易拆解可回收設計方案與發(fā)明原理或標準解法的映射關系;文獻[7]通過分析產品的技術、經濟和環(huán)境指標,利用綜合指數來評價產品拆解的可行性和有效性;文獻[8]同時考慮了拆解可達性、接觸面、連接方式、連接數量和種類這5個變量因素選出最適合回收的廢舊產品。

對防破拆設備的安全性和可拆解性進行綜合考量,保證其服役期間安全性能,提高回收階段的可拆解性,形成資源再利用閉環(huán)的有效途徑。在沖突量化領域,文獻[9]基于層次分析法對沖突因素進行量化處理,根據灰度理論提出一種沖突預測方法;文獻[10]綜合層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)及多級模糊綜合評價法,對沖突狀態(tài)進行量化評價;文獻[11]提出基于可拓和TRIZ理論的沖突分析與量化方法;文獻[12]根據多對沖突的出現(xiàn)頻率,提出一種基于TRIZ矩陣的快速解決多沖突的方法。

上述量化方法不能有效適用于量化安全性與可拆解性沖突,本文建立一套指標體系,既能有效評價安全性、量化機構的防破拆能力,又能量化可拆解性,進而在相同指標體系下提出沖突量化公式實現(xiàn)沖突量化。為設計提供方向指導,使設計師在設計之初參考量化結果,統(tǒng)籌考慮安全性與可拆解性的性能要求。

1 沖突指標分析

對于常見的防破拆結構,造成沖突的因素主要包括零部件之間的連接關系、材料、厚度以及可達性。常見的連接方式有螺栓、螺釘、鍵、銷、鉚接、過盈連接、膠接、焊接等。常見的材料有鑄鐵、鑄鋼、鋁合金和結構鋼等。根據各因素綜合作用引起的拆解難度不同,拆解選擇不同的拆解工具。為方便描述,本文將不法分子破壞性拆解稱為非法拆解,回收商回收后在工廠車間進行的拆解稱為回收拆解。非法拆解時,多會使用便于攜帶的電動工具,而在回收拆解時,則會優(yōu)先選擇拆解效率高的工具。不同的拆解工具面對同一防破拆結構時,拆解效率的不同會導致總體拆解時間不同。因此,本文使用拆解工具和拆解時間作為量化指標進行沖突量化。

1.1 拆解工具

參照文獻[13],將常見的拆解工具分為手工工具、電動工具和割炬3個等級,拆解工具類別見表1所列。在進行安全性和可拆解性量化時,可根據拆解環(huán)境選取不同的拆解工具。

表1 拆解工具類別

為實現(xiàn)沖突數值量化,采用單位時間成本對工具等級進行數值量化。本文以合肥地區(qū)為例,以各工種市場平均價格進行數據計算處理。

在進行拆解實驗時,以矩陣K1表示非法拆解選用工具的等級值,矩陣K2表示回收拆解選用工具的等級值,表達式為:

K1=[ki]1×n,i=1,2,…,n

(1)

K2=[ki]1×p,i=1,2,…,p

(2)

其中:i為工具選用的次序;ki為第i次更換的工具的等級值;n為非法拆解實驗更換工具次數;p為回收拆解更換工具次數。

1.2 拆解時間

拆解時間為防破拆結構完成拆解所需時間,包括工作時間ta和輔助時間tb,工作時間指拆解工具凈工作的時間,輔助時間包括更換工具損耗組件、調節(jié)工具狀態(tài)、觀察拆解狀態(tài)和調整拆解位置等消耗的時間。

由于非法拆解和回收拆解追求的拆解目標不同,拆解工具和拆解路徑的選擇也可能不同,造成2種拆解方式下的拆解時間不同。以T1表示非法拆解的拆解時間矩陣,以T2表示回收拆解的拆解時間矩陣。

在拆解過程中,拆解人員需不時觀察拆解位置及深度,避免帶來價值破壞和防止危險發(fā)生,同一產品拆解輔助時間也有可能呈現(xiàn)出較大差異性。拆解過程中為避免誤差,進行多次拆解取平均值以保障精度,對誤差等級的要求越高,進行拆解實驗次數越多。

非法拆解的拆解時間矩陣T1為:

(3)

回收拆解的拆解時間矩陣T2為:

(4)

其中:j為第j次拆解實驗;m為非法拆解實驗次數;q為回收拆解試驗次數。

2 沖突量化方法及流程

2.1 量化指標權重

不同的防破拆設備對性能要求不同,指標比重自然不同,在評價安全性與可拆解性沖突時需要對其進行權重分析。由于自身利益沖突,設計者、銀行人員和回收商等人員又有各自性能側重點。因此邀請各方專家進行綜合討論,對各指標進行權重分析。

在權重分析中,引入AHP對K1、T1、K2、T2權重進行判定,指標間打分判斷標度定義見表2所列。

表2 判斷標度定義

依次選擇2個指標,用aij表示前一個指標i相對后一個指標j的重要程度,得到判斷矩陣A,表達式為:

A=[aij],i,j=1,2,3,4

(5)

根據定義,判斷矩陣元素aij滿足下列性質:

(6)

運用幾何平均法,求得各指標權重ωi為:

(7)

可得權重向量W,即

(8)

為檢驗專家權重打分的合理性,進行一致性檢驗,計算矩陣A的最大特征根λmax:

(9)

計算一致性指標ICI為:

ICI=(λmax-n)/(n-1)

(10)

隨機一致性指標IRI見表3所列,其中n為矩陣階數。

表3 隨機一致性指標IRI的數值

當矩陣階數n≥3,其一致性指標ICI與同階隨機一次性指標IRI的比值為一致性比率ICR;若ICR<0.1,則矩陣A符合一致程度范圍,評分符合一致性規(guī)則,其特征向量即為權重向量。若檢驗無法通過,則需尋找定位不一致原因,并重新進行指標成對比較。

2.2 沖突量化方法

安全性的量化指標為K1和T1,K1為非法拆解工具等級,物理意義為單位時間內做的功或價格成本,T1為非法拆解時間,用K1T1量化表示防破拆結構的安全性S,表達式為:

(11)

由式(11)可知,非法拆解使用拆解工具等級越高,非法拆解時間越長,設備安全性越高。

同理,可用指標K2和T2量化防破拆結構的可拆解性,可拆解性的D的表達式為:

(12)

由式(12)可知,回收拆解所需工具等級越低,回收拆解時間越短,D值越低,即防破拆結構可拆解性越好。安全性與可拆解性采用同一指標體系量化分析,為兩者之間沖突進行量化提供理論基礎,且根據前文分析,S越大,安全性越好,而D越小,可拆解性越好?？紤]各指標權重后,采用權重加權后的差值C,表示安全性與可拆解性的沖突大小,表達式為:

C=ωK1ωT1S-ωK2ωT2D=

(13)

由式(13)可知,C值越大沖突越小,C值越小則沖突越大。可選擇提高安全性或者可拆解性改善沖突問題。通過前文沖突因素分析可知幾個指標存在相關性,改變一個指標的同時,剩余指標也會隨之改變。因此,對改變后結構重新進行沖突量化,對比沖突變化情況,若沖突減小,則為有效改進,可將之作為改進方向進行新品設計。

2.3 沖突量化流程

針對不同防破拆設備進行安全性與可拆解性沖突量化時,沖突量化流程如圖1所示。

圖1 沖突量化流程

由圖1可知,整個流程主要由沖突結構定位、沖突因素分析、沖突指標數據獲取和沖突量化計算等步驟組成。具體流程如下:

1) 沖突結構定位。查詢產品手冊、裝配圖或拆解實驗獲取模塊/零件組成以及空間布局,分析設備安全性的具體要求,定位防破拆結構,實現(xiàn)沖突位置定位。

2) 對防破拆結構進行沖突因素分析。分析其形狀尺寸和連接方式,解析結構實現(xiàn)防破拆的原理;確定防破拆結構的材料,對于需要采用切割等暴力拆解方式的,還需測量材料厚度;拆解工具的選擇中可達性也是必須要考慮的一項,良好的可達性是實現(xiàn)拆解的必要條件。

3) 獲取防破拆結構沖突指標數值。分別進行非法拆解實驗和回收拆解實驗,2種拆解實驗中根據沖突因素分析結果選取各自的拆解工具,規(guī)劃拆解路徑。依照拆解路徑進行拆解實驗,獲得拆解時間。

4) 完成防破拆結構的沖突量化。以拆解工具和拆解時間實現(xiàn)對安全性與可拆解性2種屬性的數值量化;對各指標進行權重分析;以安全性公式、可拆解性公式和權重分析結果構建沖突量化公式。

3 實例分析

3.1 ATM沖突分析

ATM廣泛應用于銀行,外觀如圖2所示。由于內部存放大量錢財,為保障其安全性,進行了防破拆設計,為典型的防破拆設備。ATM三維模型爆炸圖如圖3所示。

圖2 ATM外觀

圖3 ATM爆炸圖

ATM防破拆結構如圖4所示。根據拆解實驗結果,定位其安全性與可拆解性沖突位置為保險柜門與ATM下部機殼組成的防破拆結構,其設計目的是為了保障鈔箱的安全。分析防破拆結構內部結構布局、連接關系、材料構成以及可達性等方面信息,如圖4b所示,保險柜門和下部機殼以2個鉸連接進行連接,保險柜門采用電子鎖或者機械鍵盤鎖,任一方式在無密碼情況下,開鎖概率為0.01,只能破壞性拆解。對其進行破壞性拆解分析,2個鉸連接只能在開鎖狀態(tài)下,為保險柜門起到提供轉軸的作用。在保險柜門閉合上鎖狀態(tài)下破壞鉸鏈接,鉸鏈接側保險柜門后方扣條被防護卡條卡住如圖4a所示。密碼鎖上鎖狀態(tài)下,伸出的鎖舌被鎖舌前卡板和鎖舌后卡板卡住如圖4c所示。因此,無論是非法拆解還是回收拆解,均需通過切割ATM下部機殼進行拆解。

圖4 ATM防破拆結構

通過分析,滿足拆解需求的切割方案有2種,其示意圖如圖5所示。方案1選在ATM下部機殼的保險柜門開合處,按照如圖5a所示切割路徑進行切割,切割位置應越過鎖舌后卡板,縱向切割高度應超過所有卡舌,確保整個插銷結構能夠整體切下,破壞插銷結構,進而打開保險柜門。方案2切割路徑如圖5b所示,選在保險柜門鉸鏈側的ATM下部機殼處,與方案1左右對稱,切割位置應越過防護卡條,不同于方案1切割路徑高度,此時應超過整個保險柜門高度,才能保證保險柜門沿卡舌運動方向抽出。對比2種切割路徑,切割路徑下的切割材料材質及厚度相同,但方案2切割路徑長度略大于方案1,且鉸鏈側排布線纜,切割過程有點燃塑料件或電線的風險,容易引發(fā)火災。因此,綜合考慮切割方案選擇方案1。

圖5 切割方案示意圖

3.2 ATM量化分析

現(xiàn)對2種ATM外殼結構進行沖突量化分析,A結構如圖4所示,中間為水泥層,兩側各為碳素鋼板的復合結構,B結構通體為碳素鋼板。經咨詢ATM設計工作人員,2種結構生產成本基本相當,根據灌沖水泥混凝土的裝置不同,成本上下輕微浮動。對2種結構分別進行非法拆解實驗和回收拆解實驗。

模擬A結構非法拆解進行實驗,選用角磨機和電動沖擊錘為拆解工具,后續(xù)拆解實驗進行類似處理,不再贅述。拆解主要步驟是角磨機切割外層碳素鋼板,然后電動沖擊錘擊碎水泥夾層,最后角磨機切割內層碳素鋼板。拆解時間實驗數據見表4所列。

表4 A結構非法拆解時間實驗數據 單位:min

根據實驗數據,利用式(11)計算可得,A結構的安全性S=167.2。

模擬A結構回收拆解進行實驗,選用火焰乙炔切割和電動沖擊錘作為為拆解工具。拆解主要步驟是火焰乙炔切割外層碳素鋼板,然后電動沖擊錘擊碎水泥夾層,最后火焰乙炔切割內層碳素鋼板。拆解時間實驗數據見表5所列。

根據實驗數據,利用式(12)計算可得,A結構可拆解性D=89.0。

利用AHP對ATM進行權重分析,邀請1名設計者、3名銀行人員、2名回收者,共6名專家進行博弈討論,判斷結果見表6所列。

表6 ATM沖突指標判斷矩陣

將判斷矩陣依次代入式(6)～式(10),由表2可得參數權重矩陣為:

(14)

驗證一致性比率ICR=0.015 6<0.1,符合一致性規(guī)則。由式(13)可得A結構安全性與可拆解性沖突量化數值C=13.3。對于B結構,選用角磨機作為拆解工具沿切割路徑進行非法拆解實驗,選用火焰乙炔作為拆解工具沿切割路徑進行回收拆解實驗。拆解實驗數據見表7所列。

表7 B結構2種拆解實驗數據 單位:min

根據實驗結果,B結構安全性S=150.5,可拆解性D=119.2。 由式(13)可得B結構安全性與可拆解性沖突量化數值C=11.0。 通過對比A、B這2種結構,可以看出A結構的安全性略優(yōu)于B結構,A結構的可拆解性明顯優(yōu)于B結構,在沖突方面,A結構沖突性更小。 且根據保險柜國家標準[13],A與B均滿足且遠超安全性要求。 將此分析結果反饋設計前端,可將A結構作為新品研發(fā)方向之一,優(yōu)化結構參數,改善沖突問題。

4 結 論

1) 本文針對防破拆設備的安全性與可拆解性沖突量化問題,經過多因素沖突影響分析,選用拆解工具和拆解時間作為沖突量化指標,并對拆解工具進行分類整理。

2) 根據不同拆解環(huán)境下的拆解工具和拆解時間,分別提出安全性與可拆解性的表達式;利用層次分析法,完成對沖突指標的權重分析,并結合安全性與可拆解性邏輯關系提出沖突量化公式,實現(xiàn)安全性與可拆解性的沖突量化處理。

3) 針對2種ATM防破拆結構,分別進行拆解實驗。 利用本文提出的沖突量化方法處理實驗數據,完成2種結構的安全性、可拆解性和兩者沖突的量化處理。 結果表明,水泥夾層的防破拆設計沖突較小,為ATM新品設計提供了方向。