裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

龐賓賓， 廖自力， 錢萬友， 閆之峰

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊， 北京 100042)

裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

龐賓賓1,2， 廖自力1， 錢萬友2， 閆之峰1

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊， 北京 100042)

為實現(xiàn)對裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能的科學(xué)評價，根據(jù)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，并結(jié)合電傳動系統(tǒng)的特殊性，運用系統(tǒng)分析法初步構(gòu)建了裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系，并對指標(biāo)體系進(jìn)行了優(yōu)化。

裝甲車輛; 電傳動系統(tǒng)；評價指標(biāo)體系；系統(tǒng)分析法

裝甲車輛電傳動系統(tǒng)作為一種涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科的軍用車輛動力系統(tǒng)，是實現(xiàn)全電陸戰(zhàn)平臺的前提，其綜合性能評價至關(guān)重要。然而，當(dāng)前仍沒有形成行之有效的綜合性能評價指標(biāo)體系，且缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)規(guī)范，導(dǎo)致各單位在開展相關(guān)研究時各自為戰(zhàn)、自成體系。因此，開展裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系研究，為裝甲車輛電傳動系統(tǒng)論證、研制和定型等工作提供有力支撐，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

2004年北約主辦的全電戰(zhàn)斗車輛會議，從車輛生命周期成本(Life Cycle Cost，LCC)的角度闡述了全電戰(zhàn)斗車輛預(yù)研階段的評估過程，但該指標(biāo)體系只是在傳統(tǒng)車輛性能指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上增加了靜默行駛等指標(biāo)，不能反映電傳動系統(tǒng)的綜合性能[1]。2012年我國某車輛研究所提出了一套電傳動裝甲車輛的試驗論證指標(biāo)體系，該體系同樣也是按照傳統(tǒng)機(jī)械傳動車輛的試驗定型方法篩選了部分車輛性能指標(biāo)，不能滿足電傳動系統(tǒng)綜合性能評價的要求。因此，筆者根據(jù)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，并結(jié)合電傳動系統(tǒng)的特殊性，研究并構(gòu)建了裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建過程

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建過程分析

對處于裝備預(yù)研階段的電傳動系統(tǒng)，不能只得出評價的最終結(jié)果，還要通過評價掌握系統(tǒng)組成模塊的具體性能，進(jìn)而掌握哪些指標(biāo)需要加強(qiáng)和改善，從而有針對性地提高系統(tǒng)的綜合性能。對于電傳動系統(tǒng)，不僅要實現(xiàn)總體性能評價，還要實現(xiàn)牽引電機(jī)系統(tǒng)、儲能裝置、發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組等分系統(tǒng)的性能評價，甚至要評價每個模塊的具體指標(biāo)性能，從而掌握單個指標(biāo)的綜合水平，指出下一步改進(jìn)方向。所以電傳動系統(tǒng)評價目標(biāo)可分為3個方面，如圖1所示。

圖1 電傳動系統(tǒng)的評價目標(biāo)構(gòu)成

在明確了評價目標(biāo)后，需要根據(jù)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則和方法來確定電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系[2-4]。根據(jù)其評價目標(biāo)，采用系統(tǒng)分析法和解釋結(jié)構(gòu)模型法(Interpretative Structural Modelling Method,ISM)[5-6]，初步構(gòu)建指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，采用Delphi法對構(gòu)建的指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化和約簡，構(gòu)建的基本過程如圖2所示。

1.2 指標(biāo)體系第一層指標(biāo)的確定

要確定樹形結(jié)構(gòu)的電傳動系統(tǒng)指標(biāo)體系，首先就要確定其第一層指標(biāo)。采用系統(tǒng)分析法[2]對電傳動系統(tǒng)上級、下級和自身的性能進(jìn)行分析，從3個方面來構(gòu)建電傳動系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)體系，其第一層指標(biāo)確定如圖3所示。

圖2 指標(biāo)體系構(gòu)建的基本過程

圖3 電傳動系統(tǒng)第一層指標(biāo)確定

2 第一層指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)分解

根據(jù)第一層指標(biāo)特點，分別運用解釋結(jié)構(gòu)模型法、系統(tǒng)分析法和縱向分解法構(gòu)建其指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對其各指標(biāo)量化評價的目的。

2.1 電傳動系統(tǒng)車輛總體性能指標(biāo)體系構(gòu)建

系統(tǒng)分析法通常用于分系統(tǒng)指標(biāo)及與系統(tǒng)指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)體系的確定。對于電傳動系統(tǒng)車輛總體性能指標(biāo)體系，需要從多個分系統(tǒng)中選擇少量與評價目標(biāo)相關(guān)的指標(biāo)，若仍采用系統(tǒng)分析法，就顯得無法入手。解釋結(jié)構(gòu)模型法恰好可以滿足此類指標(biāo)體系的構(gòu)建要求，其步驟如下。

1) 初步確定電傳動系統(tǒng)車輛總體性能指標(biāo)。表1為車輛的總體性能指標(biāo)及編號。

表1 車輛總體性能指標(biāo)及編號

2) 確定指標(biāo)間相關(guān)性。構(gòu)建指標(biāo)相關(guān)性列表，車輛總體性能指標(biāo)相關(guān)性如圖4所示。圖4中:Qi→Qj表示Qi與Qj相關(guān)，但Qj與Qi不相關(guān)；Qi←Qj表示Qj與Qi相關(guān)，但Qi與Qj不相關(guān)。

圖4 車輛總體性能指標(biāo)相關(guān)性

3) 建立鄰接矩陣A。根據(jù)圖4中的相關(guān)性數(shù)據(jù)，構(gòu)建鄰接矩陣A。

4) 求解可達(dá)矩陣R。根據(jù)可達(dá)矩陣的求解算法，R=(rij)n×n≡(A+I)2，可得可達(dá)矩陣R為

5) 確定每個指標(biāo)的層次等級。對同層指標(biāo)進(jìn)行劃分，即按照式(1)確定與單個指標(biāo)Qi相關(guān)的指標(biāo)集合M(Qi)和N(Qi)分別為

(1)

結(jié)合可達(dá)矩陣R中的數(shù)據(jù)，可計算出可達(dá)指標(biāo)M(Qi)和N(Qi)的值，進(jìn)而得到車輛總體性能的指標(biāo)體系,如圖5所示。

圖5 電傳動系統(tǒng)車輛總體性能指標(biāo)體系

2.2 電傳動系統(tǒng)總體性能指標(biāo)體系構(gòu)建

由于電傳動系統(tǒng)總體性能的所有指標(biāo)都與電傳動系統(tǒng)評價有關(guān)，因此可運用系統(tǒng)分析法來確定其指標(biāo)體系。其分析步驟如下：1)分析系統(tǒng)基本性能，即對系統(tǒng)的功率密度、扭矩密度、傳動效率等指標(biāo)進(jìn)行分析;2)對系統(tǒng)可靠性和維修便捷性等方面進(jìn)行評價;3)對高壓用電安全性能進(jìn)行評價；4)由于電纜線的柔性連接，會影響車輛的結(jié)構(gòu)性能和電磁兼容性能，因此還應(yīng)對該方面內(nèi)容進(jìn)行評價。

根據(jù)以上系統(tǒng)分析，按照以上幾個方面提出相應(yīng)的具有代表性的指標(biāo)，初步確定了電傳動系統(tǒng)總體性能的指標(biāo)體系，如圖6所示。

2.3 電傳動系統(tǒng)部件性能指標(biāo)體系構(gòu)建

縱向分解法是系統(tǒng)分析法的特殊情況，主要是按照系統(tǒng)的直接構(gòu)成進(jìn)行分解和劃分，然后再分別確定各模塊的指標(biāo)體系[2]。對電傳動系統(tǒng)部件性能的分析，主要是確定構(gòu)成該系統(tǒng)的部件，然后尋找評價這些部件性能的指標(biāo)，從而構(gòu)成整個系統(tǒng)的指標(biāo)體系。

圖6 電傳動系統(tǒng)總體性能指標(biāo)體系

按照電傳動系統(tǒng)動力傳遞特性分析部件性能指標(biāo)。首先，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的部件功能是提供穩(wěn)定的電功率供整車使用，主要考慮功率、燃油消耗率、使用壽命、成本方面以及控制方面的性能；其次，功率變換裝置(如DC-DC、整流器等電子器件)要根據(jù)電子器件的工作特性確定其評價的指標(biāo)；然后，對于牽引電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)等動力部件，主要考慮其動力性能，如扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等指標(biāo)；再次，對于儲能裝置(如蓄電池組)，主要考慮其工作環(huán)境、功率、體積、質(zhì)量、壽命等指標(biāo)；另外，還要考慮機(jī)械傳動部件指標(biāo)，如傳動效率、體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等指標(biāo)；最后，由于以上部件大都需要冷卻，因此還要分析冷卻系統(tǒng)的效率、功率、體積、能力等指標(biāo)。

根據(jù)以上分析，通過查閱相關(guān)部件性能的國軍標(biāo)文件，運用綜合法和分析法，確定電傳動系統(tǒng)部件性能指標(biāo)體系，如表2所示。

表2 電傳動系統(tǒng)部件性能指標(biāo)體系

通過對第一層指標(biāo)的分解，初步構(gòu)建了電傳動系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系，但該指標(biāo)體系比較粗糙，可能存在指標(biāo)交叉、重復(fù)、與目標(biāo)相關(guān)性差等缺點，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 電傳動系統(tǒng)指標(biāo)體系優(yōu)化

常用的指標(biāo)體系完善方法主要分為指標(biāo)體系的測驗和約簡。

3.1 指標(biāo)體系測驗

指標(biāo)體系模型的初步測驗主要是指對模型中指標(biāo)的特性進(jìn)行檢驗和完善，同時優(yōu)化指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)層次[7]。指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)是否需要進(jìn)一步優(yōu)化，主要看其是否滿足以下要求：

1) 所要評價的目標(biāo)系統(tǒng)的分解要完備，即要達(dá)到不需再分解就可以清楚描述評價目標(biāo)；

2) 所分解的指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)盡量不存在混亂、交叉和重復(fù)的問題；

3) 同層指標(biāo)元素相互獨立，不存在冗余。

通過分析發(fā)現(xiàn)：利用系統(tǒng)分析法構(gòu)建的指標(biāo)體系往往不存在結(jié)構(gòu)層次的劃分問題；而利用解釋結(jié)構(gòu)模型法構(gòu)建的指標(biāo)體系則存在不合理的指標(biāo)結(jié)構(gòu)。但認(rèn)為車輛總體性能指標(biāo)體系中的“燃油性能”和“采購成本”指標(biāo)，分別與電傳動系統(tǒng)部件性能指標(biāo)體系中發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組“燃油消耗率”及各部件“成本”指標(biāo)重復(fù)，所以應(yīng)該刪除“燃油性能”和“采購成本”2項指標(biāo)。

3.2 指標(biāo)體系的優(yōu)化

通過對指標(biāo)體系的測驗，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并發(fā)現(xiàn)一些相對比較明顯的錯誤。但對于一套復(fù)雜的指標(biāo)體系，僅僅進(jìn)行簡單的測驗顯然無法達(dá)到優(yōu)化指標(biāo)體系的目的，還應(yīng)進(jìn)一步對指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從而增加指標(biāo)體系的可靠性和通用性，常用的優(yōu)化指標(biāo)體系的方法為Delphi法。優(yōu)化結(jié)果表明：“平均速度”、“最大爬坡度”、“最大轉(zhuǎn)速”、“混合度”、“越壕溝寬度”、“過垂直墻高度”指標(biāo)應(yīng)刪除，該指標(biāo)與電傳動系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性較差。

至此，通過對初步構(gòu)建的指標(biāo)體系的優(yōu)化，裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價的指標(biāo)體系已建立。

4 結(jié)論

作為新生事物，裝甲車輛電傳動系統(tǒng)綜合性能評價目前還沒有較完整的評價指標(biāo)體系。本文采用系統(tǒng)分析法構(gòu)造了指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)，確立了車輛總體性能、電傳動系統(tǒng)總體性能和部件性能3個層次相結(jié)合的電傳動系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)體系的總體結(jié)構(gòu)。分別運用解釋結(jié)構(gòu)模型法、系統(tǒng)分析法和縱向分解法構(gòu)建以上3個層次的具體指標(biāo)體系，并對指標(biāo)體系進(jìn)行了測驗、約簡和優(yōu)化，建立了完善的電傳動系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系，為裝甲車輛電傳動系統(tǒng)的綜合性能評價奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Evaluation Index System Construction of Armored Vehicles’ Electric Drive System Comprehensive Properties

PANG Bin-bin1,2, LIAO Zi-li1, QIAN Wan-you2, YAN Zhi-feng1

(1.Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 2. Troop No.66410 of PLA, Beijing 100042, China)

In order to achieve scientific evaluation on the electric drive system comprehensive properties of armored vehicles, the evaluation index system is established by using systematical analysis method in accordance with the construction principle of index system and combining particularity of electric drive system, and the index system is optimized.

armored vehicles; electric drive system; evaluation index system; systematical analysis method

1672-1497(2015)04-0057-05

2014-11-18

軍隊科研計劃項目

龐賓賓(1983-)，男，博士研究生。

TJ81+0.323

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.012