防破拆设备安全性与可拆解性的冲突量化研究

2024-01-06宋守许李作稳田永廷

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年12期

宋守许, 李作稳, 周丹, 田永廷

(合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥 230009)

生活中,保险柜、密码箱、自动柜员机(automated teller machine,ATM)等具有安全性要求的设备被广泛应用。这些设备在提供便利的同时,对安全性提出了更高要求。为满足安全性,防止不法分子蓄意恶性非法拆解,设备大都使用防破拆结构来提高安全性,但不可避免降低设备退役后的可拆解性,造成安全性和可拆解性的冲突。

在防破拆设计领域,安全性和可拆解性是重要的性能指标,用以衡量防破拆设备的拆解性能,两者侧重方向却有所不同。安全性为设备服役阶段抵抗不法分子非法拆解的能力;可拆解性表示在设备退役后的拆解过程中,其拆解效率、高值部件保护难易程度和拆解过程中的环保性。

在安全性领域,文献[1]针对防盗安全门使用的破坏工具及破坏方法进行阐述和分析;文献[2]利用碳-环氧树脂的新型复合材料提升了侧门框架提高汽车的安全性;文献[3]使用要害识别方法研究核电厂设施破坏保护相关问题;文献[4]针对电力通信光缆破坏提出一些技术性措施。

在可拆解性领域,文献[5]建立了一套以碳排放量值为评价标准的拆解评价体系;文献[6]建立易拆解可回收设计方案与发明原理或标准解法的映射关系;文献[7]通过分析产品的技术、经济和环境指标,利用综合指数来评价产品拆解的可行性和有效性;文献[8]同时考虑了拆解可达性、接触面、连接方式、连接数量和种类这5个变量因素选出最适合回收的废旧产品。

对防破拆设备的安全性和可拆解性进行综合考量,保证其服役期间安全性能,提高回收阶段的可拆解性,形成资源再利用闭环的有效途径。在冲突量化领域,文献[9]基于层次分析法对冲突因素进行量化处理,根据灰度理论提出一种冲突预测方法;文献[10]综合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)及多级模糊综合评价法,对冲突状态进行量化评价;文献[11]提出基于可拓和TRIZ理论的冲突分析与量化方法;文献[12]根据多对冲突的出现频率,提出一种基于TRIZ矩阵的快速解决多冲突的方法。

上述量化方法不能有效适用于量化安全性与可拆解性冲突,本文建立一套指标体系,既能有效评价安全性、量化机构的防破拆能力,又能量化可拆解性,进而在相同指标体系下提出冲突量化公式实现冲突量化。为设计提供方向指导,使设计师在设计之初参考量化结果,统筹考虑安全性与可拆解性的性能要求。

1 冲突指标分析

对于常见的防破拆结构,造成冲突的因素主要包括零部件之间的连接关系、材料、厚度以及可达性。常见的连接方式有螺栓、螺钉、键、销、铆接、过盈连接、胶接、焊接等。常见的材料有铸铁、铸钢、铝合金和结构钢等。根据各因素综合作用引起的拆解难度不同,拆解选择不同的拆解工具。为方便描述,本文将不法分子破坏性拆解称为非法拆解,回收商回收后在工厂车间进行的拆解称为回收拆解。非法拆解时,多会使用便于携带的电动工具,而在回收拆解时,则会优先选择拆解效率高的工具。不同的拆解工具面对同一防破拆结构时,拆解效率的不同会导致总体拆解时间不同。因此,本文使用拆解工具和拆解时间作为量化指标进行冲突量化。

1.1 拆解工具

参照文献[13],将常见的拆解工具分为手工工具、电动工具和割炬3个等级,拆解工具类别见表1所列。在进行安全性和可拆解性量化时,可根据拆解环境选取不同的拆解工具。

表1 拆解工具类别

为实现冲突数值量化,采用单位时间成本对工具等级进行数值量化。本文以合肥地区为例,以各工种市场平均价格进行数据计算处理。

在进行拆解实验时,以矩阵K1表示非法拆解选用工具的等级值,矩阵K2表示回收拆解选用工具的等级值,表达式为:

K1=[ki]1×n,i=1,2,…,n

(1)

K2=[ki]1×p,i=1,2,…,p

(2)

其中:i为工具选用的次序;ki为第i次更换的工具的等级值;n为非法拆解实验更换工具次数;p为回收拆解更换工具次数。

1.2 拆解时间

拆解时间为防破拆结构完成拆解所需时间,包括工作时间ta和辅助时间tb,工作时间指拆解工具净工作的时间,辅助时间包括更换工具损耗组件、调节工具状态、观察拆解状态和调整拆解位置等消耗的时间。

由于非法拆解和回收拆解追求的拆解目标不同,拆解工具和拆解路径的选择也可能不同,造成2种拆解方式下的拆解时间不同。以T1表示非法拆解的拆解时间矩阵,以T2表示回收拆解的拆解时间矩阵。

在拆解过程中,拆解人员需不时观察拆解位置及深度,避免带来价值破坏和防止危险发生,同一产品拆解辅助时间也有可能呈现出较大差异性。拆解过程中为避免误差,进行多次拆解取平均值以保障精度,对误差等级的要求越高,进行拆解实验次数越多。

非法拆解的拆解时间矩阵T1为:

(3)

回收拆解的拆解时间矩阵T2为:

(4)

其中:j为第j次拆解实验;m为非法拆解实验次数;q为回收拆解试验次数。

2 冲突量化方法及流程

2.1 量化指标权重

不同的防破拆设备对性能要求不同,指标比重自然不同,在评价安全性与可拆解性冲突时需要对其进行权重分析。由于自身利益冲突,设计者、银行人员和回收商等人员又有各自性能侧重点。因此邀请各方专家进行综合讨论,对各指标进行权重分析。

在权重分析中,引入AHP对K1、T1、K2、T2权重进行判定,指标间打分判断标度定义见表2所列。

表2 判断标度定义

依次选择2个指标,用aij表示前一个指标i相对后一个指标j的重要程度,得到判断矩阵A,表达式为:

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

(5)

根据定义,判断矩阵元素aij满足下列性质:

(6)

运用几何平均法,求得各指标权重ωi为:

(7)

可得权重向量W,即

(8)

为检验专家权重打分的合理性,进行一致性检验,计算矩阵A的最大特征根λmax:

(9)

计算一致性指标ICI为:

ICI=(λmax-n)/(n-1)

(10)

随机一致性指标IRI见表3所列,其中n为矩阵阶数。

表3 随机一致性指标IRI的数值

当矩阵阶数n≥3,其一致性指标ICI与同阶随机一次性指标IRI的比值为一致性比率ICR;若ICR<0.1,则矩阵A符合一致程度范围,评分符合一致性规则,其特征向量即为权重向量。若检验无法通过,则需寻找定位不一致原因,并重新进行指标成对比较。

2.2 冲突量化方法

安全性的量化指标为K1和T1,K1为非法拆解工具等级,物理意义为单位时间内做的功或价格成本,T1为非法拆解时间,用K1T1量化表示防破拆结构的安全性S,表达式为:

(11)

由式(11)可知,非法拆解使用拆解工具等级越高,非法拆解时间越长,设备安全性越高。

同理,可用指标K2和T2量化防破拆结构的可拆解性,可拆解性的D的表达式为:

(12)

由式(12)可知,回收拆解所需工具等级越低,回收拆解时间越短,D值越低,即防破拆结构可拆解性越好。安全性与可拆解性采用同一指标体系量化分析,为两者之间冲突进行量化提供理论基础,且根据前文分析,S越大,安全性越好,而D越小,可拆解性越好。考虑各指标权重后,采用权重加权后的差值C,表示安全性与可拆解性的冲突大小,表达式为:

C=ωK1ωT1S-ωK2ωT2D=

(13)

由式(13)可知,C值越大冲突越小,C值越小则冲突越大。可选择提高安全性或者可拆解性改善冲突问题。通过前文冲突因素分析可知几个指标存在相关性,改变一个指标的同时,剩余指标也会随之改变。因此,对改变后结构重新进行冲突量化,对比冲突变化情况,若冲突减小,则为有效改进,可将之作为改进方向进行新品设计。

2.3 冲突量化流程

针对不同防破拆设备进行安全性与可拆解性冲突量化时,冲突量化流程如图1所示。

图1 冲突量化流程

由图1可知,整个流程主要由冲突结构定位、冲突因素分析、冲突指标数据获取和冲突量化计算等步骤组成。具体流程如下:

1) 冲突结构定位。查询产品手册、装配图或拆解实验获取模块/零件组成以及空间布局,分析设备安全性的具体要求,定位防破拆结构,实现冲突位置定位。

2) 对防破拆结构进行冲突因素分析。分析其形状尺寸和连接方式,解析结构实现防破拆的原理;确定防破拆结构的材料,对于需要采用切割等暴力拆解方式的,还需测量材料厚度;拆解工具的选择中可达性也是必须要考虑的一项,良好的可达性是实现拆解的必要条件。

3) 获取防破拆结构冲突指标数值。分别进行非法拆解实验和回收拆解实验,2种拆解实验中根据冲突因素分析结果选取各自的拆解工具,规划拆解路径。依照拆解路径进行拆解实验,获得拆解时间。

4) 完成防破拆结构的冲突量化。以拆解工具和拆解时间实现对安全性与可拆解性2种属性的数值量化;对各指标进行权重分析;以安全性公式、可拆解性公式和权重分析结果构建冲突量化公式。

3 实例分析

3.1 ATM冲突分析

ATM广泛应用于银行,外观如图2所示。由于内部存放大量钱财,为保障其安全性,进行了防破拆设计,为典型的防破拆设备。ATM三维模型爆炸图如图3所示。

图2 ATM外观

图3 ATM爆炸图

ATM防破拆结构如图4所示。根据拆解实验结果,定位其安全性与可拆解性冲突位置为保险柜门与ATM下部机壳组成的防破拆结构,其设计目的是为了保障钞箱的安全。分析防破拆结构内部结构布局、连接关系、材料构成以及可达性等方面信息,如图4b所示,保险柜门和下部机壳以2个铰连接进行连接,保险柜门采用电子锁或者机械键盘锁,任一方式在无密码情况下,开锁概率为0.01,只能破坏性拆解。对其进行破坏性拆解分析,2个铰连接只能在开锁状态下,为保险柜门起到提供转轴的作用。在保险柜门闭合上锁状态下破坏铰链接,铰链接侧保险柜门后方扣条被防护卡条卡住如图4a所示。密码锁上锁状态下,伸出的锁舌被锁舌前卡板和锁舌后卡板卡住如图4c所示。因此,无论是非法拆解还是回收拆解,均需通过切割ATM下部机壳进行拆解。

图4 ATM防破拆结构

通过分析,满足拆解需求的切割方案有2种,其示意图如图5所示。方案1选在ATM下部机壳的保险柜门开合处,按照如图5a所示切割路径进行切割,切割位置应越过锁舌后卡板,纵向切割高度应超过所有卡舌,确保整个插销结构能够整体切下,破坏插销结构,进而打开保险柜门。方案2切割路径如图5b所示,选在保险柜门铰链侧的ATM下部机壳处,与方案1左右对称,切割位置应越过防护卡条,不同于方案1切割路径高度,此时应超过整个保险柜门高度,才能保证保险柜门沿卡舌运动方向抽出。对比2种切割路径,切割路径下的切割材料材质及厚度相同,但方案2切割路径长度略大于方案1,且铰链侧排布线缆,切割过程有点燃塑料件或电线的风险,容易引发火灾。因此,综合考虑切割方案选择方案1。

图5 切割方案示意图

3.2 ATM量化分析

现对2种ATM外壳结构进行冲突量化分析,A结构如图4所示,中间为水泥层,两侧各为碳素钢板的复合结构,B结构通体为碳素钢板。经咨询ATM设计工作人员,2种结构生产成本基本相当,根据灌冲水泥混凝土的装置不同,成本上下轻微浮动。对2种结构分别进行非法拆解实验和回收拆解实验。

模拟A结构非法拆解进行实验,选用角磨机和电动冲击锤为拆解工具,后续拆解实验进行类似处理,不再赘述。拆解主要步骤是角磨机切割外层碳素钢板,然后电动冲击锤击碎水泥夹层,最后角磨机切割内层碳素钢板。拆解时间实验数据见表4所列。

表4 A结构非法拆解时间实验数据单位:min

根据实验数据,利用式(11)计算可得,A结构的安全性S=167.2。

模拟A结构回收拆解进行实验,选用火焰乙炔切割和电动冲击锤作为为拆解工具。拆解主要步骤是火焰乙炔切割外层碳素钢板,然后电动冲击锤击碎水泥夹层,最后火焰乙炔切割内层碳素钢板。拆解时间实验数据见表5所列。

根据实验数据,利用式(12)计算可得,A结构可拆解性D=89.0。

利用AHP对ATM进行权重分析,邀请1名设计者、3名银行人员、2名回收者,共6名专家进行博弈讨论,判断结果见表6所列。

表6 ATM冲突指标判断矩阵

将判断矩阵依次代入式(6)～式(10),由表2可得参数权重矩阵为:

(14)

验证一致性比率ICR=0.015 6<0.1,符合一致性规则。由式(13)可得A结构安全性与可拆解性冲突量化数值C=13.3。对于B结构,选用角磨机作为拆解工具沿切割路径进行非法拆解实验,选用火焰乙炔作为拆解工具沿切割路径进行回收拆解实验。拆解实验数据见表7所列。

表7 B结构2种拆解实验数据单位:min

根据实验结果,B结构安全性S=150.5,可拆解性D=119.2。由式(13)可得B结构安全性与可拆解性冲突量化数值C=11.0。通过对比A、B这2种结构,可以看出A结构的安全性略优于B结构,A结构的可拆解性明显优于B结构,在冲突方面,A结构冲突性更小。且根据保险柜国家标准[13],A与B均满足且远超安全性要求。将此分析结果反馈设计前端,可将A结构作为新品研发方向之一,优化结构参数,改善冲突问题。