王剛，朱瑞杰，錢超，鄧延，郭濤

（1.215200 江蘇省 蘇州市 清華大學蘇州汽車研究院（吳江）；2.2152000 江蘇省 蘇州市 華業(yè)檢測技術服務有限公司）

0 引言

能力驗證是按照預先制定的準則，利用實驗室間比對，對參加者能力進行評價的活動[1-3]。能力驗證既可以綜合考核參加者實驗室的硬件能力、管理水平及檢測技術水平，也是實驗室內部質量控制的重要補充手段[4]，同時還是認可機構和管理機構評價實驗室能力的重要技術手段之一。

輕型車排放實驗室領域能力驗證活動相對較少，為提高排放測試能力組織了能力驗證。本次能力驗證活動一共有20 家實驗室參加，試驗方法采用GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（Ⅰ型試驗），總共獲取180條檢測數據。數據分析過程中，首先采用柯克倫（Cochran）檢驗和格拉布斯（Grubbs）檢驗對實驗室內和試驗室間的離群值進行識別，充分考慮離群值的影響后，以3 次測量結果的平均值作為參加者最終結果進行分析，對參加者結果的正態(tài)分布情況進行驗證。然后，將參加者結果的平均值x-和標準差S 分別作為指定值xpt、能力評定標準差σpt，采用國際通用的“Z 比分數”法對獲得的各檢測實驗室檢測數據進行能力評價[3]。

1 能力驗證測試方案

本次能力驗證計劃為順序計劃，將一個能力驗證樣品依次傳遞給參加者實驗室。檢測項目和要求為：（1）檢測項目：常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗（Ⅰ型試驗）；（2）檢測要求：參加者實驗室采用GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》規(guī)定的Ⅰ型試驗方法，重復進行3 次檢測；（3）檢測參數：CO、THC、NMHC、NOX、N2O、PM、PN、CO2、油耗。

2 數據統(tǒng)計分析方法的選擇

能力驗證結果統(tǒng)計分析常用的2 種方法是經典統(tǒng)計方法和穩(wěn)健統(tǒng)計方法[2]。能力驗證的統(tǒng)計方法需考慮數據特性（定量、定性、解釋等）、統(tǒng)計假設和誤差性質，以及參加者結果數量。同時統(tǒng)計設計應考慮參加者結果的評價方式。

ISO 13528 標準附錄D 對參加實驗室不同數量的統(tǒng)計分析進行了表述[5]。當參加者數據中有離群值時，宜優(yōu)先采用穩(wěn)健統(tǒng)計，但對于數據較少的情況通常并不推薦使用，當參加者較少（如少于18家）的能力驗證計劃，宜優(yōu)先使用經典統(tǒng)計方法[1]。相比于穩(wěn)健統(tǒng)計，經典統(tǒng)計方法中樣本均值和標準差是總體均值和標準差最小無偏估計量，因此具有最高的統(tǒng)計效率[1]。本次能力驗證參加者數量只有20 家，略大于18 家，考慮到經典統(tǒng)計的優(yōu)點，故本文數據統(tǒng)計方法采用經典統(tǒng)計方法。

但基于正態(tài)分布的經典統(tǒng)計方法對離群值敏感，數據總體中即使只有一個離群值，也可能導致經典統(tǒng)計失效，因此采用經典統(tǒng)計方法前通常需對離群值進行識別，同時對數據的正態(tài)分布特性也需要進行驗證[2]。

3 數據統(tǒng)計分析

本次能力驗證計劃以參加者結果的公議值來確定指定值和能力評定標準差。采用經典統(tǒng)計分析方法，即對參加者結果進行離群值檢驗先排除離群值的影響，然后計算均值和標準偏差S 分別作為指定值xpt和能力評定標準差σpt，同時需要對指定值的不確定度進行評定。各統(tǒng)計量的意義及相關計算方法參見GB/T 28043-2019《利用實驗室間比對進行能力驗證的統(tǒng)計方法》[6]。

3.1 離群值識別

GB/T 6379.2-2006《測量方法與結果的準確度（正確度與精密度）第2 部分：確定標準測量方法重復性與再現性的基本方法》給出了2 種類型的離群值的識別方法，即柯克倫（Cochran）檢驗和格拉布斯（Grubbs）檢驗[7]?？驴藗悪z驗是對實驗室內變異的檢驗，應該首先應用，若因此采取了任何行動，就有必要再次對剩下的數據進行檢驗；格拉布斯檢驗主要是對實驗室間變異的檢驗，但當n>2且柯克倫檢驗懷疑一個實驗室內較高的變異是來自某個測試結果時，格拉布斯檢驗也可用來對該單元的數據進行檢驗。

每個參加者實驗室提交3 次測試數據，因此針對數據離群值檢驗分2 個部分進行，首先對每個實驗室內的測試數據進行離群值識別，檢查合格后的檢測結果計算平均值作為參加者實驗室最終結果（以下簡稱“參加者結果”），然后再對參加者結果進行離群值識別。

3.1.1 實驗室內檢測數據柯克倫（Cochran）檢驗

采用柯克倫（Cochran）檢驗法對各實驗室內測量數據進行離群值識別，計算柯克倫檢驗統(tǒng)計量C：

檢驗判定規(guī)則如下：

（1）如果檢驗統(tǒng)計量≤5%臨界值，則接受被檢驗項目為正確值；

（2）如果檢驗統(tǒng)計量>5%臨界值，但≤1%臨界值，則稱被檢驗的項目稱為歧離值；

（3）如果檢驗統(tǒng)計量>1%臨界值，則被檢驗項目稱為統(tǒng)計離群值。

檢驗結果如表1 所示。檢驗結果表明，參數N2O、PM 測量結果的柯克倫檢驗統(tǒng)計量C>1%臨界值，相應的對應14、15 號實驗室，說明14、15 號實驗室參數N2O、PM 重復性檢測結果的方差較大，懷疑這些實驗室N2O、PM 檢測結果較高的變異來自于某一個檢測結果。

表1 實驗室內檢測數據柯克倫（Cochran）檢驗結果Tab.1 Cochran test results of laboratory test data

3.1.2 各實驗室內離群值格拉布斯（Grubbs）檢驗

利用格拉布斯（Grubbs）檢驗方法，對柯克倫（Cochran）檢驗懷疑數據進行檢驗。將實驗室結果由小到大排列，計算格布斯檢驗統(tǒng)計量：

式中：G1——最小觀測值格拉布斯檢驗統(tǒng)計量；Gp——最大觀測值格拉布斯檢驗統(tǒng)計量；p——提交結果的參加者實驗室數量；S——參加者實驗室最終測試結果的標準偏差。

檢驗判定規(guī)則與柯克倫檢驗法相同。檢驗結果如表2 所示。經檢驗，未發(fā)現離群值，相應檢測結果不進行剔除，仍參與后續(xù)統(tǒng)計分析。

表2 懷疑數據格拉布斯（Grubbs）檢驗結果Tab.2 Grubbs test results of suspected data

3.1.3 參加者結果格拉布斯（Grubbs）檢驗

各參加者實驗室內檢測數據的離群值識別后，計算平均值作為參加者實驗室最終結果，再對參加者試驗室的最終結果進行離群值檢驗，采用格拉布斯（Grubbs）檢驗法。查表得p=20 時，臨界值 G1=3.001，參加者實驗室最終結果未發(fā)現離群值。

表3 參加者結果格拉布斯（Grubbs）檢驗結果Tab.3 Results of participants Grubbs test results

3.2 試驗數據正態(tài)分布情況

采用經典統(tǒng)計分析方法，離群值檢驗的柯克倫檢驗法和格拉布斯檢驗法均假設數據呈正態(tài)分布。最常用的能力驗證統(tǒng)計分析假設是，來自合格參加者的測量結果服從近似正態(tài)分布，或至少為單峰且服從對稱分布(必要時經過轉換之后)。根據GB/T 28043-2019 規(guī)定，對數據的統(tǒng)計分析技術應與統(tǒng)計假設相一致，應證明統(tǒng)計假設的有效性。通過繪制參加者結果的直方圖和正態(tài)分布曲線來觀察其數據分布情況，各實驗室最終結果正態(tài)分布情況如圖1-圖9 所示。

圖1 CO 正態(tài)分布圖Fig.1 CO normal distribution diagram

圖2 THC 正態(tài)分布圖Fig.2 THC normal distribution diagram

圖3 NMHC 正態(tài)分布圖Fig.3 NMHC normal distribution diagram

圖4 NOX 正態(tài)分布圖Fig.4 NOX normal distribution diagram

圖5 N2O 正態(tài)分布圖Fig.5 N2O normal distribution diagram

圖6 PM 正態(tài)分布圖Fig.6 PM normal distribution diagram

圖7 PN 正態(tài)分布圖Fig.7 PN normal distribution diagram

圖8 CO2 正態(tài)分布圖Fig.8 CO2 normal distribution diagram

圖9 油耗正態(tài)分布圖Fig.9 Normal distribution of fuel consumption

3.3 指定值和能力評定標準差

指定值的選擇與計算是能力驗證計劃成功的關鍵，實施機構需采用適當的指定值確定方法。定量計劃確定指定值的方法通常有配方法、有證參考值、獨家定值、專家公議值和參加者公議值。通常指定值的不確定度不應超過0.3σpt。

本次能力驗證計劃采用參加者公議值確定指定值，利用經典統(tǒng)計分析方法，將經離群值檢驗合格的參加者結果的平均值作為指定值xpt，參加者結果的標準差S 作為能力評定標準差σpt。各參數的指定值和能力評定標準差如表4 所示。

表4 指定值和能力評定標準差Tab.4 Specified values and standard deviation of ability assessment

3.4 指定值的不確定度評定

指定值的標準不確定度依賴于指定值的定值方法。當由參加者的公議值確定指定值，使用經典統(tǒng)計分析方法，指定值xpt是參加者結果的平均值時，則指定值的不確定度按式（3）估計：

式中：p——提交結果的參加者實驗室數量；S ——參加者實驗室結果標準偏差。

本次能力驗證計劃中各參數的指定值及不確定度如表5 所示。

根據GB/T 28043，當指定值的不確定度遠大于能力驗證中使用的能力評定標準差時，指定值不確定度對能力驗證結果的影響不可忽略。當指定值的不確定度滿足以下準則時，指定值的不確定度可忽略。

由式（3）以及表5 可知，當實驗室結果數量p ≥12 時，u（xp）t<0.3σpt準則滿足，本次能力驗證計劃各檢測參數指定值的不確定度均滿足該準則的要求。

表5 各參數的指定值及不確定度結果Tab.5 Specified value and uncertainty result of each parameter

4 能力評價

4.1 能力統(tǒng)計量及評價準則

由3.4 可知，指定值不確定度均滿足u（xp）t<0.3σpt準則，因此指定值的不確定度可忽略，可不包含在能力驗證結果中。能力統(tǒng)計量由z 比分數表示：

式中：x——參加者結果；xpt——指定值；σpt——能力評定標準差。

能力評定準則：

|z|≤2：表明“滿意”，無需采取進一步措施；

2<|z|<3：表明“有問題”，產生警戒信號；

|z|≥3：表明“不滿意”，產生行動信號。

本次實驗室能力驗證活動統(tǒng)計數據見表6。

表6 實驗室能力統(tǒng)計量z 值Tab.6 The z value of laboratory capacity statistics

4.2 z 比分值分布

實驗室間的系統(tǒng)誤差通過實驗室間Z 比分值體現，Z 值越接近于0，表明參加驗證的實驗室與總體結果越接近，系統(tǒng)誤差越小；反之，Z越大，表明其測定值離群，系統(tǒng)誤差大。為了直觀看到此次能力驗證的評價結果，采用Z 比分數直方圖來評價能力驗證統(tǒng)計結果，如圖10-圖18 所示。

圖10 CO Z 值柱狀分布圖Fig.10 Z value histogram distribution chart of CO

圖11 THC Z 值柱狀分布圖Fig.11 Z value histogram distribution chart of THC

圖12 NMHC z 值柱狀分布圖Fig.12 z value histogram distribution chart of NMHC

圖13 NOx z 值柱狀分布圖Fig.13 z value histogram distribution chart of NOx

圖14 N2O z 值柱狀分布圖Fig.14 z value histogram distribution chart of N2O

圖15 CO2 z 值柱狀分布圖Fig.15 z value histogram distribution chart of CO2

圖16 PM z 值柱狀分布圖Fig.16 z value histogram distribution chart of PM

圖17 PN z 值柱狀分布圖Fig.17 z value histogram distribution chart of PN

圖18 油耗 z 值柱狀分布圖Fig.18 Columnar distribution of z value of fuel consumption

4.3 能力評價結果

本次能力驗證計劃共計20 個實驗室報名參加，參加者實驗室均反饋了檢測結果，共180 個檢測結果，參加者實驗室能力評價結果匯總見表7。

表7 實驗室能力統(tǒng)計量z 值Tab.7 z value of laboratory capacity statistics

5 結論

本次能力驗證活動一共有20 家實驗室參加，以國Ⅵ輕型車Ⅰ型試驗作為本次的試驗方法，總共獲取180 條檢測數據。

（1）實驗室能力評價結果顯示，全部滿意結果（|z|≤2）有14 家，占比70%，無不滿意結果（|z|≥3）但包含有問題結果（2<|z|<3）有6 家，占比30%。同時，從具體污染的Z 值柱狀分布圖可以看出，同一個實驗室對不同的污染物測量能力具有一定的差別；

（2）輕型車排放污染物測量受實驗環(huán)境、測試系統(tǒng)、駕駛人員、樣品狀態(tài)等諸多因素的影響，應當引起實驗室重視。實驗室按照標準方法要求嚴格控制試驗各個環(huán)節(jié)，是減小影響的有效方法；

（3）在數據的分析過程中，要注意對離群值的識別及數據正態(tài)分布進行驗證，結合能力驗證的需求選擇合適數據統(tǒng)計方法和能力評價準則。