基于AHP的駕駛習(xí)慣評(píng)估方法研究

謝慶年，李福貴，鄧飛宇，劉鳳來

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007 2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

良好的駕駛行為對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛壽命以及行車安全和禮儀具有重要的社會(huì)意義，因此需要一種客觀、公正、量化的評(píng)價(jià)方式來對(duì)駕駛?cè)说男袨榱?xí)慣進(jìn)行評(píng)估，幫助駕駛?cè)烁纳谱约翰涣嫉鸟{駛行為。以Android智能手機(jī)為橋梁連接車輛OBD(on board diagnostics)系統(tǒng)[1]，利用車載終端讀取有關(guān)車輛狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過AHP(analytic hierarchy process)建立評(píng)估模型并計(jì)算相對(duì)權(quán)重，對(duì)車輛行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成對(duì)駕駛員駕駛行為的量化評(píng)估。

1 車輛行駛數(shù)據(jù)的獲取方法

Android移動(dòng)端要想獲取車輛OBD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，就要與安裝在OBD接口上的ELM327藍(lán)牙適配器建立藍(lán)牙通道，Android客戶端 APP中會(huì)開啟兩個(gè)線程，分別負(fù)責(zé)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2-3]。APP發(fā)送程序內(nèi)部封裝好的規(guī)范指令至ELM327，ELM327在收到指令后會(huì)通過OBD接口與車輛OBD系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互，并將獲取到的車輛OBD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙返回給APP。其工作過程如圖1所示。

圖1 APP獲取車輛行駛數(shù)據(jù)工作過程

APP會(huì)將采集到的車輛狀態(tài)信息上傳至服務(wù)器并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，然后利用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫中的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成對(duì)用戶駕駛習(xí)慣的評(píng)估。

2 駕駛習(xí)慣評(píng)估模型建立

獲得車輛行駛數(shù)據(jù)后，使用AHP層次分析法，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，利用獲得的定量數(shù)據(jù)把決策過程數(shù)學(xué)化，計(jì)算每一項(xiàng)數(shù)據(jù)在評(píng)價(jià)過程中的權(quán)重。

2.1 AHP層次分析法

AHP層次分析法是一種多準(zhǔn)則決策方法，把復(fù)雜問題層次化、條理化，并最終獲得最底層元素對(duì)目標(biāo)層元素的定量描述。建立數(shù)學(xué)模型的具體步驟如下：

步驟1：AHP分析模型通常將問題劃分為3個(gè)層次，從高到低依次為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示[4-6]。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型圖

步驟2：構(gòu)造判斷矩陣，設(shè)有n個(gè)元素B={b1，b2,…，bn}對(duì)目標(biāo)A有影響，B中的元素進(jìn)行兩兩比較，uij為bi對(duì)bj的重要程度，之后將uij依次排列形成判斷矩陣A-B。

步驟3：層次單排序就是以判斷矩陣為基礎(chǔ)，計(jì)算出本層次中的某些元素相對(duì)于上一層某個(gè)元素的權(quán)重排序，計(jì)算過程為：

(1)計(jì)算判斷矩陣A-B每一行元素之間的總乘積Mi:

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(3)可計(jì)算得到特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T，即為本層次中某些元素相對(duì)于上一層次某個(gè)元素的相對(duì)權(quán)重排序。

(4)判斷矩陣A-B與特征向量W相乘后得到向量P=[P1,P2,…,Pn]T，再根據(jù)向量P計(jì)算A-B的最大特征根λmax，如式(4)所示。

(4)

在判斷矩陣A-B中，由于判斷矩陣A-B是正互反陣，正互反矩陣A具備完全一致性的充要條件[7]為矩陣A的最大特征根λmax=n，因此，需要根據(jù)該矩陣的最大特征根來檢驗(yàn)一致性。

步驟4：在層次單排序完成后，要根據(jù)其結(jié)果計(jì)算最底層元素相對(duì)于最高層元素的相對(duì)權(quán)重排序，這個(gè)計(jì)算過程就稱之為層次總排序。

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)圖2，設(shè)準(zhǔn)則層中元素B1,B2,…,Bm(m=1,2,…,n)相對(duì)于最終目標(biāo)A的權(quán)重排序?yàn)閎1,b2,…，bm；方案層中元素C1,C2,…,Cn(n=1,2,…,n)相對(duì)于準(zhǔn)側(cè)層中某一元素Bj(j=1,2,…,m)的權(quán)重排序?yàn)镃1j,C2j,…，Cnj，則方案層元素(C1,C2,…,Cn)相對(duì)于最終目標(biāo)A的層次總排序的方法如表1所示。

表1 層次總排序計(jì)算規(guī)則

層次總排序完成后，對(duì)其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。設(shè)方案層中元素C1,C2,…,Cn(n=1,2,…,n)對(duì)準(zhǔn)則層中元素Bj(j=1,2,…,m)的層次單排序一致性指標(biāo)為CIj，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為RIj，則層次總排序的一致性比率CR為：

(5)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，則層次總排序一致性通過檢驗(yàn)，否則要對(duì)一致性比率高的判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

2.2 評(píng)估模型的層次劃分

根據(jù)AHP層次結(jié)構(gòu)模型的建立方法，對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行劃分，得到如圖3所示的駕駛習(xí)慣評(píng)估問題的層次結(jié)構(gòu)模型。

圖3 駕駛習(xí)慣評(píng)估問題的層次結(jié)構(gòu)模型

基于方案層中的8個(gè)元素，對(duì)每個(gè)元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 方案層元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)對(duì)從事汽車行業(yè)的相關(guān)人員以及駕駛員的調(diào)訪，構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣。

構(gòu)造準(zhǔn)則層元素相對(duì)于最終目標(biāo)“駕駛習(xí)慣評(píng)估”的判斷矩陣A-[B1,B2,B3]。

(6)

構(gòu)造方案層元素急加速、急剎車、加速踏板位置變化、疲勞駕駛時(shí)間相對(duì)于準(zhǔn)則“行車穩(wěn)定”的判斷矩陣B1-[C1,C2,C3,C7]。

(7)

構(gòu)造方案層元素急加速、急剎車、平均油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、冷卻液溫度控制相對(duì)于準(zhǔn)則“經(jīng)濟(jì)節(jié)能”的判斷矩陣B2-[C1,C2,C4,C5,C6]。

B2-[C1,C2,C4,C5,C6]=

(8)

構(gòu)造方案層元素急加速、急剎車、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、冷卻液溫度控制、故障駕駛相對(duì)于準(zhǔn)則“車輛健康”的判斷矩陣B3-[C1,C2,C5,C6,C8]。

B3-[C1,C2,C5,C6,C8]=

(9)

2.4 層次單排序與層次總排序及一致性驗(yàn)證

(1)對(duì)判斷矩陣A-[B1,B2,B3]進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其一致性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：W=[0.277 7,0.239 7,0.482 6]T,λmax=3.021 7,CI=0.010 9,RI=0.58,CR=0.018 7<0.10。

(2)對(duì)判斷矩陣B1-[C1,C2,C3,C7]進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其一致性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：W=[0.321 8,0.321 8,0.224 4,0.132 0]T,λmax=4.003 9,CI=0.001 3,RI=0.90,CR=0.015<0.10。

(3)對(duì)判斷矩陣B2-[C1,C2,C4,C5,C6]進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其一致性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：W=[0.148 8,0.174 9,0.363 1]T,λmax=5.092 8,CI=0.023 2,RI=1.12,CR=0.020 7<0.10。

(4)對(duì)判斷矩陣B3-[C1,C2,C5,C6,C8]進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其一致性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：W=[0.169 4,0.184 1,0.143 8,0.124 6，0.378 1]T,λmax=5.057 6,CI=0.014 4,RI=1.12,CR=0.013 9<0.10。

綜上所述，各個(gè)層次均滿足CR<0.10,因此認(rèn)為層次單排序滿足一致，判斷矩陣有效。

層次總排序計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 層次總排序

對(duì)層次總排序進(jìn)行一致性驗(yàn)證：

0.012 2<0.10

即層次總排序的一致性驗(yàn)證通過。

2.5 評(píng)估模型定量化分析

首先根據(jù)表2所示的方案層元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)方案層中的每一個(gè)元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)采用百分制，優(yōu)、良、差分別代表100分、60分和0分。然后根據(jù)層次單排序的結(jié)果，分別對(duì)“行車穩(wěn)定”、“經(jīng)濟(jì)節(jié)能”和“車輛健康”3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表4～表6所示。

表4 行車穩(wěn)定維度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表5 經(jīng)濟(jì)節(jié)能維度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表6 車輛健康維度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)3個(gè)維度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可以得到每個(gè)維度的量化評(píng)分結(jié)果，并以此來評(píng)估駕駛員在“行車穩(wěn)定”、“經(jīng)濟(jì)節(jié)能”和“車輛健康”3個(gè)維度上的操控能力[8-9]。之后根據(jù)層次總排序的結(jié)果設(shè)計(jì)出方案層元素相對(duì)于最終目標(biāo)“駕駛習(xí)慣評(píng)估”的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

表7 駕駛習(xí)慣評(píng)估的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.6 駕駛習(xí)慣評(píng)估實(shí)現(xiàn)效果

在Android客戶端的個(gè)人信息管理界面中點(diǎn)擊“駕駛習(xí)慣評(píng)估”按鈕便可進(jìn)入駕駛習(xí)慣評(píng)估界面，選擇時(shí)間后點(diǎn)擊“確定”按鈕，Android客戶端向遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)用戶選擇的時(shí)間來調(diào)用編寫好的駕駛習(xí)慣評(píng)估模塊對(duì)該時(shí)間段內(nèi)用戶的駕駛習(xí)慣作出量化評(píng)估，并將評(píng)估報(bào)告響應(yīng)給Android客戶端進(jìn)行顯示[10]。實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示，Android客戶端會(huì)根據(jù)響應(yīng)結(jié)果將駕駛員駕駛習(xí)慣的總評(píng)分、3個(gè)維度和8個(gè)元素各自的量化評(píng)分以及評(píng)估等級(jí)以文本的形式反饋給駕駛員。

圖4 駕駛習(xí)慣評(píng)估實(shí)現(xiàn)效果

3 結(jié)論

筆者詳細(xì)介紹了基于AHP的駕駛員駕駛習(xí)慣評(píng)估功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。首先介紹了獲取車輛行駛數(shù)據(jù)的方法，然后對(duì)利用AHP層次分析法建立分析模型的過程進(jìn)行詳細(xì)的解析。最后，利用服務(wù)器對(duì)實(shí)時(shí)上傳的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)AHP評(píng)估模型計(jì)算各層次元素的相對(duì)權(quán)重，完成對(duì)駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的量化評(píng)估。筆者研究的駕駛行為習(xí)慣評(píng)估模型可以有效地對(duì)駕駛?cè)笋{駛行為進(jìn)行評(píng)估，并幫助駕駛?cè)烁纳岂{駛習(xí)慣。