層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良診斷中的應(yīng)用分析及改進

顏筱紅　劉存香

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學院， 南寧 530023)

?

層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良診斷中的應(yīng)用分析及改進

顏筱紅劉存香

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學院， 南寧 530023)

摘要：通過比較相關(guān)文獻在層次結(jié)構(gòu)模型、判斷基準、判斷矩陣類型、一致性檢驗方法及對不完全層次結(jié)構(gòu)模型的權(quán)重處理等方面的差異，進一步闡述層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中的應(yīng)用特點。同時，針對在故障因素的描述、處理故障診斷因素時的不確定性以及專家判斷的模糊性等方面存在的問題，把區(qū)間數(shù)層次分析法應(yīng)用于電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中，給出了基本的應(yīng)用步驟，為汽車故障診斷技術(shù)的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：層次分析法； 發(fā)動機； 怠速不良； 故障診斷

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的多屬性決策方法。自20世紀70年代初由美國運籌學家Saaty提出以來，由于其在處理復(fù)雜決策問題上的實用性和有效性而得到廣泛的應(yīng)用。它的基本方法是通過因素間的兩兩比較建立判斷矩陣, 然后根據(jù)判斷矩陣計算排序向量[1]。電控發(fā)動機怠速不良是汽車維修中遇到的頻率較高的故障現(xiàn)象。隨著我國國民經(jīng)濟的高速增長以及汽車、電子、計算機等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，電控發(fā)動機怠速不良等汽車故障檢測診斷技術(shù)得到了快速提升，并向智能化和信息化方向發(fā)展。韋皓等人分別將層次分析法應(yīng)用于電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中，得到了故障診斷的排序結(jié)果[2-3]。本次研究在分析其差異的基礎(chǔ)上，進一步闡述層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中的應(yīng)用特點，并介紹區(qū)間數(shù)層次分析法的應(yīng)用步驟，為汽車故障診斷提供參考依據(jù)。

1應(yīng)用實證分析

1.1構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型的差異

構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型是運用層次分析法進行綜合評價的關(guān)鍵。韋皓等人運用故障樹分析法，從電控發(fā)動機怠速不良故障的外在特征出發(fā)，建立了層次結(jié)構(gòu)模型，邏輯清晰地分析故障的內(nèi)因；而文獻[2]則由經(jīng)驗和知識豐富、判斷力強的汽車維修專家采用經(jīng)驗法分析電控發(fā)動機怠速不良故障因素，并系統(tǒng)歸類，構(gòu)建故障的遞階層次模型。2種方法所構(gòu)建的電控發(fā)動機怠速不良故障的遞階層次模型如圖1所示。圖中：

圖1　電控發(fā)動機怠速不良故障的遞階層次模型

目標層，包括電控發(fā)動機怠速不良故障診斷(M)；

準則層，包括怠速不穩(wěn)(A1)、怠速偏高(A2)、怠速偏低(A3)；

方案層，包括空氣濾清器堵塞(C1)、進氣管漏氣(C2)、節(jié)氣門拉線調(diào)整不當(C3)、燃油壓力過高或過低(C4)、噴油器滴漏或堵塞(C5)、燃油泵故障(C6)、燃油濾清器損壞(C7)、怠速執(zhí)行器故障(臟、卡、滯、壞)(C8)、水溫傳感器故障(C9)、空氣流量(或進氣歧管絕對壓力)傳感器故障(C10)、節(jié)氣門位置傳感器故障或其插頭接觸不良(C11)、ECU故障(C12) 、三元催化劑堵塞(C13) 、點火提前角失準(C14) 、氣缸壓力低 ( C15)。

1.2建立判斷矩陣的差異

在建立層次結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，需要汽車維修專家依據(jù)判斷基準，對故障因素進行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，以確定故障因素的重要程度。常用的判斷基準有1 — 9標度法[2]和0 — 1標度法[3-4]，并采用互反、互補2種不同類型的判斷矩陣表示故障因素的兩兩比較結(jié)果。

表1　判斷矩陣對比表

1.3計算權(quán)重和一致性檢驗的差異

權(quán)重反映了故障因素的重要程度，是排序的量化依據(jù)。因此，在建立判斷矩陣的基礎(chǔ)上，需要計算相對權(quán)重和組合權(quán)重。又由于判斷矩陣的元素易受專家主觀因素如經(jīng)驗、知識等因素的影響，故為了保證判斷結(jié)果在總體上保持一致，還需對判斷矩陣進行一致性檢驗[5-6]。若一致性檢驗不通過，則需修正判斷矩陣。文獻[2]采用了傳統(tǒng)的層次分析法的計算方法，但忽略了不完全層次結(jié)構(gòu)對權(quán)重的影響。而文獻[3]則采用了互補判斷矩陣的一致性結(jié)論，不僅利用了其簡潔的排序公式計算權(quán)重，還避免了判斷矩陣的修正問題。此外，還針對問題屬于不完全層次結(jié)構(gòu)的情況，修正了權(quán)重，使權(quán)重更符合實際情況。

1.4排序結(jié)果的差異

文獻[2] 和文獻[3]經(jīng)過上述計算步驟，都給出了電控發(fā)動機怠速不良故障診斷因素排序。從排序情況分析，文獻[2] 和文獻[3]在排序前6位的故障因素，只有一位不相同，而后9位排序中基本都是相差一位。分析其主要原因是文獻[2]在排序中第4位采用了并列方式并忽略修正問題所致。因此，從總體上看：文獻[2] 和文獻[3]所得到的電控發(fā)動機怠速不良故障診斷因素排序基本是一致的。

表2　權(quán)重計算對比表

表3　故障診斷因素排序結(jié)果對比表

2應(yīng)用方法改進

在應(yīng)用層次分析法時，無論是文獻[2] 還是文獻[3]都用了一個確定的數(shù)表示故障因素的兩兩比較結(jié)果；但由于汽車故障信息的復(fù)雜性、不確定性以及專家認知思維的模糊性，相對于確定的數(shù)而言，用區(qū)間數(shù)來描述模糊的兩兩判斷較合理且更易被決策者所接受[7]。因此，把區(qū)間數(shù)層次分析法應(yīng)用到電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中，可使故障診斷更合理和符合實際情況。區(qū)間數(shù)層次分析法的具體步驟[8-12]如下：

第一步，建立電控發(fā)動機怠速不良故障診斷的層次結(jié)構(gòu)模型。此方法類似層次分析法。

第二步，構(gòu)造區(qū)間數(shù)判斷矩陣。從層次結(jié)構(gòu)模型的第二層開始，選擇合理的尺度法為判斷基準，由汽車維修專家對于從屬于(或影響及)上一層每個因素的同一層的各因素進行兩兩比較，給出以區(qū)間數(shù)表示的因素相對重要性度量結(jié)果，構(gòu)造區(qū)間數(shù)為互反判斷矩陣，直到最下層。

區(qū)間數(shù)互反判斷矩陣A=(aij)n×n，對任意i,j=1,2,…,n，有：

(2)aij=1aji=[1；

(3)aii=[1,1]=1。

由此，汽車維修專家只需做出區(qū)間數(shù)互反判斷矩陣中上三角元素值的判斷即可。

第三步，計算單一準則下的權(quán)重。區(qū)間數(shù)判斷矩陣權(quán)重的計算方法較多，如特征根法、 最小偏差法、對數(shù)最小二乘法、迭代法等等。在此介紹區(qū)間特征根法[13]：

(2)求區(qū)間權(quán)重因子：

(1)

開展判斷矩陣的一致性檢驗。當k>1或m<1時，該區(qū)間數(shù)判斷矩陣一致性較差，需要對其進行校正。

(3)確定區(qū)間數(shù)權(quán)重：X=[kx-,mx+]。

第四步，計算組合權(quán)重。根據(jù)各單層的權(quán)重，最底層故障因素i相對于目標層的權(quán)重為：

(2)

其中：xji為某方案層相對其上準則層j的權(quán)重;λj為準則層j相對于目標層的權(quán)重。

第五步，確定區(qū)間數(shù)權(quán)重的排序。為比較區(qū)間數(shù)的排序，介紹基于可能度的區(qū)間數(shù)排序法[13-16]。

首先，利用可能度計算公式，對區(qū)間數(shù)vi進行兩兩比較，并求出其相應(yīng)的可能度pij，從而建立的可能度矩陣P=(pij)n×n為模糊互補判斷矩陣。

可能度計算公式：

(3)

其中區(qū)間數(shù)a=[a-,a+],b=[b-,b+]，la=a+-a-，lb=b+-b-。

其次，利用模糊互補判斷矩陣權(quán)重公式

(4)

得到權(quán)重的數(shù)字排序向量W=(ω1,ω2,…,ωn)。由此，根據(jù)ωi值的大小得到各故障因素的排序。

3結(jié)語

通過比較相關(guān)文獻，進一步說明了層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中的應(yīng)用特點，分析了在故障診斷模型、判斷基準、權(quán)重計算方面的差異。此外，把區(qū)間數(shù)層次分析法應(yīng)用于電控發(fā)動機怠速不良的故障診斷中，并給出了應(yīng)用的基本步驟，為汽車故障診斷技術(shù)研究提供參考。

參考文獻

[1] 姜起源,謝金星,葉?。當?shù)學模型[M]．北京：高等教育出版社，2003：224-244．

[2] 韋皓,彭朝暉,劉存香．層次分析法在電控發(fā)動機怠速不良故障診斷中的應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2011,40(3)：83-87．

[3] 顏筱紅．電控發(fā)動機怠速不良故障診斷的模糊層次分析法[J].西南民族大學學報(自然科學版)，2011,37(2):203-207．

[4] 林鈞昌,徐澤水.模糊AHP中一種新的標度法[J].運籌與管理,1998,7(2):37-40.

[5] 姚敏,張森.模糊一致矩陣在科學中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程,1997,15(2):54-57.

[6] 呂躍進.基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法的排序[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學,2002,16(2):79-85．

[7] 吳育華,諸為,李新全,等.區(qū)間層次分析法：IAHP[J].天津大學學報,1995,28(5):700-705．

[8] 朱慶鵬,孫宇,陳浩,等.基于區(qū)間層次分析法的高速送料機可靠性綜合分配方法[J].鍛壓技術(shù),2015,40(4):131-136．

[9] 韋振中,韋蘭用.一致性區(qū)間數(shù)判斷矩陣及其性質(zhì)[J].廣西工學院學報,2000,11(4):17-20．

[10] 張彩然,朱爾玉,程京甫.不確定型AHP在單軌橋梁狀態(tài)評估中的應(yīng)用[J].北京交通大學學報，2010,34(6):16-20．

[11] 劉姍姍,宋振明．基于區(qū)間數(shù)理論的考場電磁環(huán)境評價[J]．西南民族大學學報(自然科學版)，2014,40(2):240-243.

[12] 魏毅強,劉進生,王緒柱.不確定型AHP中判斷矩陣的一致性概念及權(quán)重[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1994,14(4):16-22．

[13] 徐玖平,吳巍.多屬性決策的理論與方法[M].北京:清華大學出版社,2007:279-286．

[14] 朱建軍,陳立光,劉思峰.用于原紙規(guī)格精簡決策的三端點區(qū)間數(shù)層次分析法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2007,27(10):148-153．

[15] 唐向明,姜倫.電控發(fā)動機怠速不良故障分析[J].汽車維護與修理,2009,15(7):41-43．

[16] 吳新鋒.電控汽車故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].黑龍江交通科技,2009,32(8):147-149．

Application and Improvement of Analytic Hierarchy Process to Poor Idling Speed Fault Diagnosis of Electrically Controlled Engine

YANXiaohongLIUCunxiang

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications, Nanning 530023, China)

Abstract:By comparing the differences in hierarchical structure model, judgment benchmark, types of judgment matrix, testing method for consistency and weight processing of incomplete hierarchical structure model, the paper further illustrates the application characteristics of analytic hierarchy process in the fault diagnosis of poor idling speed on electronically controlled engine. Meanwhile, based on the description of fault factors and the problems existing in the uncertainty of dealing with fault diagnosis factors and in the fuzziness of experts′ judging, the interval numbers analytic hierarchy process is introduced into the fault diagnosis of poor idling speed for electronically controlled engine. And this paper also gives the basic application steps, providing reference for the research of automotive fault diagnosis technology.

Key words:analytic hierarchy process; engine; poor idling speed; fault diagnosis

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0095-04

中圖分類號：U464

作者簡介：顏筱紅(1965 — )女，廣西橫縣人，教授，研究方向為預(yù)測與決策學。

基金項目：廣西高?？蒲姓n題“基于模糊多屬性決策方法的汽車電控發(fā)動機怠速不良故障診斷研究”(201204LX603)；2010年廣西交通職業(yè)技術(shù)學院重點課題“合作文化視域下高職院校數(shù)學建模教學團隊建設(shè)的探索”(JZY2010A2)

收稿日期：2015-09-25