基于層次分析及模糊綜合評(píng)判的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估

李國(guó)錦

(裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

基于層次分析及模糊綜合評(píng)判的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估

李國(guó)錦

(裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

通過(guò)分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)本體及輔助系統(tǒng)性能的各狀態(tài)參數(shù)，建立了完整的、能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)合層次分析法及模糊綜合評(píng)判法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的科學(xué)評(píng)估，并以某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了計(jì)算分析.結(jié)果表明，該方法能對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)實(shí)施有效評(píng)估.

層次分析；模糊綜合評(píng)價(jià)；裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)；狀態(tài)評(píng)估；視情維修

我軍裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)均采用定時(shí)維修和事后維修的方式，存在維修不足或過(guò)度維修的情況，給車(chē)輛運(yùn)行帶來(lái)了巨大安全隱患以及不同程度的資源浪費(fèi).據(jù)了解，部分單位曾出現(xiàn)過(guò)未達(dá)到大修摩托小時(shí)的車(chē)輛在行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)連桿突然斷裂，使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢的情況，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)修理廠也經(jīng)常出現(xiàn)按時(shí)大修的發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好、部件完好如新的情況.所以,開(kāi)展視情維修，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)預(yù)測(cè)并排除故障，不僅能降低故障率、提高作戰(zhàn)能力，而且能節(jié)約維修費(fèi)用，降低成本.

通過(guò)檢測(cè)技術(shù)，采用合理的評(píng)估方法，掌握發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)是開(kāi)展視情維修的基礎(chǔ).為此，很多學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行了深入研究，主要有：Topsis法、熵值法、灰色決策法、加權(quán)平均法、層次分析法、模糊評(píng)判法、主成分分析法等[1].

在航空領(lǐng)域，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)評(píng)估及視情維修工作開(kāi)展比較早，各方面研究比較深入.郭保偉[2]從氣路狀態(tài)評(píng)估、振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估、滑油狀態(tài)評(píng)估3個(gè)方面建立全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)模糊層次分析法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估；王夢(mèng)琦[3]將評(píng)價(jià)參數(shù)分為工作參數(shù)及壽命損傷參數(shù)，選擇了能反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的14個(gè)參數(shù),采用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)判方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了評(píng)估.

喬偉[4]通過(guò)FMEA分析及模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)軍隊(duì)通用車(chē)輛柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)估.

文獻(xiàn)[5-8]選擇能反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)通過(guò)模糊距離度量、加權(quán)處理、核主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲車(chē)輛性能的評(píng)估，研究工作具有十分重要的意義.

上述文獻(xiàn)所選擇的評(píng)價(jià)參數(shù)雖然能反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但還不夠全面.以柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)為例，其性能的好壞直接影響到車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能，而對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估，上述文獻(xiàn)均未考慮.所以，中文針對(duì)裝甲車(chē)輛結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，建立了完整的、能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)合層次分析法及模糊綜合評(píng)判法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的科學(xué)評(píng)估，并以某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了計(jì)算分析.研究為裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的視情維修提供了基礎(chǔ).

1 裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估研究

裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)本體及其輔助系統(tǒng)組成.其中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體可以分為曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，輔助系統(tǒng)可以分為燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及起動(dòng)系統(tǒng).為了能更加全面地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于不解體檢測(cè)，選取了如表1所示的各級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù).

評(píng)價(jià)參數(shù)分為1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)和2級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù).其中，1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)為各分機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的狀態(tài).由于裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般都為齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，所以，傳動(dòng)系統(tǒng)性能狀態(tài)不作為評(píng)價(jià)參數(shù).同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)能很好的反映發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，將其列為1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù).通過(guò)對(duì)1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能狀態(tài).

1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)的評(píng)定由2級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)確定，以1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)排氣系統(tǒng)為例：對(duì)于含廢氣渦輪增壓及中冷器的柴油機(jī)，排氣溫度能直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中渦輪增壓器的狀態(tài)，是反映進(jìn)排氣系統(tǒng)狀態(tài)很重要的指標(biāo).進(jìn)氣壓力反映了進(jìn)氣線路的狀態(tài)，若空氣濾清器技術(shù)狀態(tài)出現(xiàn)變化將會(huì)影響進(jìn)氣壓力的大小.進(jìn)氣溫度能很好地反映中冷器的工作性能.上述參數(shù)可以通過(guò)傳感器測(cè)定的值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法、相對(duì)劣化度等方法進(jìn)行評(píng)估.將評(píng)估得到的2級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判即可得到相應(yīng)的1級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)值.

基于上述層次分析法及模糊綜合評(píng)判的方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程將在第2,3節(jié)中闡述.

表1 各級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)表

2 層次分析法及模糊綜合評(píng)判法

層次分析法是將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題分解為多個(gè)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法.模糊綜合評(píng)判法能對(duì)一個(gè)多屬性的事物，通過(guò)模糊量化方法，做出一個(gè)能合理地綜合這些屬性的總體評(píng)判方法.基于層次分析法和模糊綜合評(píng)判法能很好的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的定性模糊評(píng)判.

2.1 建立評(píng)價(jià)因素

評(píng)價(jià)因素是對(duì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)議的具體內(nèi)容，通常可以表示成集合的形式.

F=[F1,F2,…Fn]，

(1)

式中:n表示評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù).

可以根據(jù)評(píng)價(jià)因素的具體情況，如屬性、數(shù)量[9]等確定評(píng)價(jià)因素的級(jí)數(shù).若Fi(i=1,2…n)還有下一級(jí)評(píng)價(jià)因素，可以記為

Fi=[Fi-1,Fi-2,…Fi-m]，

(2)

式中:m表示2級(jí)評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù).

2.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集指對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，可以記為

V=[v1,v2,…,vl].

(3)

一般分為7級(jí)或5級(jí)，以5級(jí)為例可以表示為

V=[優(yōu), 良, 中, 差, 很差].

(4)

2.3 建立權(quán)重集

建立權(quán)重集是模糊綜合評(píng)判的重點(diǎn)，因?yàn)楦鱾€(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)總體評(píng)價(jià)結(jié)果的重要度各不相同，通過(guò)建立權(quán)重集能很好的區(qū)分各因素的重要度.

結(jié)合L.A.Satty提出的層次分析法，建立單層判斷矩陣：

(5)

aij為評(píng)價(jià)指標(biāo)i對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)j的相對(duì)重要度，取值范圍為1～9，具體取值可以參考表2，且aji=1/aij.

表2 重要性標(biāo)度含義表

求取判斷矩陣A的最大特征根λmax并代入式(6)中進(jìn)行一致性檢驗(yàn).

(6)

若CR≤0.1，則滿(mǎn)足一致性條件，當(dāng)不滿(mǎn)足條件時(shí),可適當(dāng)調(diào)整A中各項(xiàng)的取值.將滿(mǎn)足條件的最大特征根λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量E進(jìn)行歸一化處理即為權(quán)重集W.

2.4 構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)家打分，可以確定一個(gè)由評(píng)價(jià)因素至評(píng)價(jià)集的模糊關(guān)系矩陣Si，其中,Skj為Fik對(duì)vj的隸屬度[10-11].

(7)

Skj可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

式中：Nkj為屬于vj的評(píng)價(jià)次數(shù).

2.5 綜合評(píng)價(jià)

將權(quán)重集對(duì)評(píng)價(jià)向量進(jìn)行加權(quán)即可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)性能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量.

Se=W·S.

(9)

最后,將評(píng)價(jià)結(jié)果向量采用最大隸屬度法、中位數(shù)法、賦值求和法等進(jìn)行總體評(píng)分.

3 應(yīng)用實(shí)例

以某運(yùn)行105摩托小時(shí)無(wú)故障裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行打分評(píng)判.

首先,基于裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估研究結(jié)果能夠清楚地總結(jié)出層次分析關(guān)系，如圖1和圖2所示，為根據(jù)狀態(tài)評(píng)估研究得到的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)以及進(jìn)排氣系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的層次分析結(jié)構(gòu)圖.

圖1 裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的層次分析結(jié)構(gòu)圖

圖2 進(jìn)排氣系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的層次分析結(jié)構(gòu)圖

3.1 建立分級(jí)評(píng)價(jià)集

依據(jù)層次分析的結(jié)果，裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的評(píng)價(jià)因素可分為兩級(jí).

第1級(jí)：

F=[F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8].

(10)

第2級(jí)以進(jìn)排氣系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估為例，其評(píng)價(jià)因素為：

F4=[F4-1,F4-2,F4-3].

(11)

3.2 建立評(píng)價(jià)集

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)情況，裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)建立5

級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集：

V=[優(yōu)， 良， 中， 差， 很差].

并將其和5級(jí)評(píng)語(yǔ)體系C=[5， 4， 3， 2， 1]對(duì)應(yīng)，便于專(zhuān)家打分及最后總體評(píng)分.

3.3 建立判斷矩陣

以進(jìn)排氣系統(tǒng)為例，其判斷矩陣為：

(12)

采用方根簡(jiǎn)化算法[9]計(jì)算得到其最大特征根λmax為3.003 7，特征向量E2=[0.174 7,0.328 8,0.928 1]，歸一化處理后得到權(quán)重集W2=[0.122 0,0.229 7,0.648 3]，一致性檢驗(yàn)CR=0.003 2，滿(mǎn)足一致性條件.

3.4 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

以測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)4位專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)判打分，得到4組數(shù)據(jù)，如表3所示.

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果值

以進(jìn)排氣系統(tǒng)為例：由式(7)及(8)可以得到其單因素評(píng)判矩陣為：

(13)

3.5 綜合評(píng)判

根據(jù)式(9)分別計(jì)算1級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果以及總評(píng)結(jié)果.以排氣系統(tǒng)為例，其評(píng)價(jià)結(jié)果向量為

Se4=W4·S4=[0 0.368 4 0.631 6 0 0].

(14)

同樣可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)總評(píng)結(jié)果向量為

Se=W·S=
[0.352 4 0.473 2 0.128 6 0.045 8 0].

(15)

采用賦值求和法進(jìn)行總評(píng)，其結(jié)果為：

總評(píng)=C·SeT=4.132 2.

(16)

評(píng)價(jià)結(jié)果為良，與實(shí)際情況相符.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，建立了完整的、能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的評(píng)價(jià)參數(shù)，由此總結(jié)了裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的層次分析結(jié)構(gòu)圖.通過(guò)建立評(píng)價(jià)因素、評(píng)價(jià)集、權(quán)重集、模糊評(píng)價(jià)矩陣以及綜合評(píng)價(jià)等過(guò)程，綜合了層次分析法及模糊綜合評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的評(píng)估.通過(guò)實(shí)例分析，該方法科學(xué)、可行，為裝甲車(chē)輛的視情維修提供了基礎(chǔ).

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StateAssessmentofArmoredVehicleEnginebasedonAnalyticHierarchyProcessandFuzzySyntheticEvaluation

LI Guo-Jin

(Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China)

By analyzing the state parameters of affecting the performance in an engine and its auxiliary systems, a set of complete parameter tables is established for comprehensive evaluation of the engine status in an armored vehicle. Combined with the analytic hierarchy process and the fuzzy synthetic evaluation method, a scientific evaluation is realized for the conditions of the vehicle engine. Taking an engine test data as an example, the calculation and analysis are carried out. The result indicates that the method can effectively evaluate the state of the armored vehicle engine.

analytic hierarchy process；fuzzy synthetic evaluation；armored vehicle engine；state assessment；condition based maintenance.

1009-4687(2017)04-0040-05

2017-06-11

李國(guó)錦(1981-)，男，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程.

TK407

A