区间层次分析法在电控发动机故障诊断中的应用

颜筱红，刘存香

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)



区间层次分析法在电控发动机故障诊断中的应用

颜筱红，刘存香

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

为了改进层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断应用中的缺陷，文章引入区间层次分析法，两两比较故障因素，计算区间数权重，并利用基于可能度的区间判断矩阵排序法，给出了与参考文献完全相同的排序结果，较好地说明了区间层次分析法在电控发动机故障诊断中应用的可行性。

区间层次分析法；发动机；怠速不良；诊断；可能度

0 引言

电控发动机怠速不良是汽车维修中遇到的频率较高的故障现象。随着我国国民经济的高速增长以及汽车、电子、计算机等高新技术的迅速发展，汽车故障检测诊断技术得到了快速提升，并向智能化和信息化方向发展。文献[1]～[3]分别探讨了层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用，给出了故障诊断的排序。三者解决问题的方法不一，如分别用故障树法、经验归类法建立了不同的故障诊断模型；依据不同基准建立了互反或互补判断矩阵并计算权重等，但它们都用确定的数值来度量故障因素的相对重要程度。然而，由于

汽车构造的复杂性、故障发生的随机性以及决策者认识的模糊性，决策者在对故障因素进行两两比较时，有时难以给出确定的数值。使用区间数可能更合适，也更符合人们的思维习惯。因此，本文探讨区间层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用，给出故障诊断排序的一种方法，以期为汽车故障诊断系统的研发及提高故障诊断效率提供参考依据。

1 区间层次分析法

区间层次分析法是一种定性分析与定量计算相结合的多属性决策方法。它改进了传统的层次分析法，用区间数代替确定的数来表示指标的两两判断，以更好地解决决策信息的随机性、复杂性以及决策者认识的不确定性、模糊性。由于区间层次分析法在处理复杂决策问题上具有实用性和有效性，目前，它在高速送料机可靠性综合分配、模糊信息安全风险评估、单轨桥梁状态评估等机械、管理、工程领域得到了广泛的应用。区间层次分析法的具体步骤类似于层次分析法。

2 电控发动机怠速不良的故障诊断模型

构造科学、可行的层次结构模型是运用区间层次分析法进行决策的首要步骤，也是关键步骤。这里，应系统分析决策问题，层层分解影响决策问题的各要素，并使同一层次的各要素尽量独立。最上层称之为目标层，最下层称为方案层或对象层，中间层次称为准则层或指标层。层次结构模型一般如图1所示：

图1 决策问题的层次结构图

目前，对电控发动机怠速不良故障诊断模型的研究不多，文献[1]～[3]围绕发动机怠速不良故障诊断这一目标，给出了两个基于不同指标层的电控发动机怠速不良的故障诊断模型。

模型一是文献[1]以发动机怠速不良的故障诊断为目标，通过分析故障的外在特征为怠速偏高、偏低和不稳，以此，建立指标层。又由于指标层各要素的内因是发动机进气、供油、点火、电路和机械故障等方面的某一因素或综合因素造成各气缸的功率难以平衡，以致引起电控发动机的怠速不良，因此，通过故障树分析，归类出从属于指标层的各故障因素。具体的层次结构图如图2所示。

图2 电控发动机怠速不良故障层次结构模型图

M—怠速不良 A1—怠速不稳 A2—怠速偏高 A3—怠速偏低 C1—空气滤清器堵塞 C2—进气管漏气 C3—节气门拉线调整不当 C4—燃油压力过高或过低 C5—喷油器滴漏或堵塞 C6—燃油泵故障 C7—燃油滤清器损坏 C8—怠速执行器故障(脏、卡、滞、坏) C9—水温传感器故障 C10—空气流量(或进气歧管绝对压力)传感器故障 C11—节气门位置传感器故障或其插头接触不良 C12—ECU故障 C13—三元催化剂堵塞 C14—点火提前角失准 C15—气缸压力低

模型二是文献[2]以发动机怠速不良的故障诊断为目标，考虑到电控发动机的结构复杂，其产生故障的缘由不仅相互交织和影响，且涉及的因素多，因此，为了准确和高效地诊断出故障的原因，从故障的发生、危害以及检测三者出发，以故障发生率、故障危害程度以及故障检测难易度为指标，建立指标层。同时，分析故障产生的规律和特征，以考虑确定性故障知识为重点以及电子控制系统这一故障诊断难点。由此，通过故障树分析对象层的故障排查因素，建立层次结构图如图3所示。

图3 电控发动机怠速不良的故障诊断层次结构图

以上两个故障诊断模型，各有特点。本文将以文献[2]给出的模型二为例，说明区间数层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的后续步骤，并将结果与文献[2]观点进行比较，以说明方法的可行性。

2 电控发动机怠速不良的故障诊断矩阵

由于在故障诊断模型中，各层次的故障因素所起的作用和影响程度不一样，因此，为了量化和比较它们的重要程度，需要建立一定的判断基准。常用的方法有1～9标度法、0～1标度法等等，这里，我们不妨以1～9标度法为判断基准(见表1)。

表1 1～9标度法表

由此，我们通过专家小组比较故障诊断模型中的指标层对目标层、对象层对指标层的各因素的相对影响程度。同时，考虑到汽车发动机构造的复杂性、故障产生的不确定性以及专家认识的习惯性和模糊性，采用区间数来度量比较的结果，使故障因素的比较判断更客观、合理，并构造出各层次的区间数的互反判断矩阵。

这里，注意到区间数的互反判断矩阵A=(aij)n×n有定义：

所以，专家们只需判断出区间数互反判断矩阵中的上三角元素值即可。

因此，可建立如表2～5所示的区间数互反判断矩阵。

表2 判断矩阵M-Mi表

表3 判断矩阵M1-A表

表4 判断矩阵M2-A表

表5 判断矩阵M3-A表

3 电控发动机怠速不良故障诊断的指标权重

指标的权重是指标重要程度的量化表示，是指标重要程度排序的依据。目前，区间数判断矩阵权重的计算有不同方法，如特征根法，对数最小二乘法，最小偏差法、迭代法等，综合相关文献，本文介绍区间数特征向量法[4]。

3.1 对判断矩阵做一致性检验

由于判断矩阵的元素是专家对故障因素两两比较的结果，因此，其信度和效度较容易受到专家的主观性影响。所以，在区间层次分析法中，需要对判断矩阵做一致性检验。我们利用区间权重因子公式：

(1)

计算得到各判断矩阵的权重因子为：

判断矩阵M-Mi：k=0.932 3<1，m=1.046 4>1；

判断矩阵M1-A：k=0.820 3<1，m=1.130 2>1；

判断矩阵M2-A：k=0.838 5<1，m=1.037 8>1；

判断矩阵M3-A：k=0.838 7<1，m=1.091 4>1。

因k<1或m>1，所以，利用文献[12]的结论知，上述区间数判断矩阵一致性较好。否则，需要对判断矩阵进行校正。

3.2 计算单层次的区间数权重

那么，按照上述步骤，得到指标层对目标层的区间数权向量为：

ωM=([0.602 2，0.681 8]，[0.242 5，0.268 6]，[0.087 5，0.096 1])T

对象层对指标层的区间数权向量为：

ωm1=([0.226 8，0.299 9]，[0.053 2，0.067 6]，[0.09，0.128 6]，[0.106 5，0.157 3]，[0.043 8，0.049 1]，[0.044 4，0.056 5]，[0.054 3，0.087]，[0.201 3，0.286])T

一体化教学场所建设不能忽视教室和实训场地各自的氛围 一边是课桌椅和讲台，一边是设备，这样的一体化教室破坏了教室和实训场地各自的不同氛围。教室有教室文化，有学习氛围，学生在教室里一般穿着校服。实训场地应该注入企业文化，企业有严格的规章制度、操作规范和安全保护意识与措施。学生在实训场地对设备进行认知或者操作，要有安全意识，要做好安全保护。以对汽车发动机的认知和拆装为例，最基本的安全防护措施要戴手套、穿工装。可见，教室和实训场地具有各自鲜明的氛围。把设备放入教室，在学生思想里淡化了企业的严肃性和对安全事故的防范意识。

ωm2=([0.154 7，0.185]，[0.039，0.059 6]，[0.069 8，0.090 4]，[0.112 2，0.145 7]，[0.047 7，0.051 8]，[0.171 4，0.213 3]，[0.064 1，0.075 3]，[0.179 6，0.216 6])T

ωm3=([0.051 4，0.073]，[0.142，0.197 9]，[0.202 5，0.261 3]，[0.197 5，0.256 2]，[0.103 9，0.123 6]，[0.049 9，0.059 9]，[0.096 5，0.12]，[0.253 7，0.034 7])T

3.3 计算组合区间数权重

区间数组合权重是最低层对目标层的权重。所以，可利用对象层对指标层的权重xji和指标层对目标层的权重λj，通过公式计算可得。

(2)

因此，对象层对目标层的组合区间数权向量为：

ωM-A=([0.178 6，0.261 2]，[0.053 9，0.081 1]，[0.088 8，0.135 8]，[0.108 6，0.171]，[0.047，0.059 3]，[0.072 2，0.101 6]，[0.056 7，0.091 1]，[0.167 8，0.277 6])T

4 电控发动机怠速不良故障诊断的排序

由于组合权重ωM-A为区间数，无法直接确定其排序。因此，这里介绍基于可能度的区间数比较方法[12]。首先，利用可能度计算公式：

pij(vi>vj)=

(3)

其次，考虑到P=(pij)n×n是模糊互补判断矩阵，则可利用其排序公式：

(4)

得到对象层对目标层的数字排序向量为：

W=(0.178 3，0.087 8，0.134 9，0.147 7，0.065 8，0.110 9，0.095 9，0.178 5)T

因此，分析W中各元素值的大小，得到电控发动机怠速不良故障诊断的排序为：

检查燃油压力(A8)、检查节气门控制组件(A1)、检查空气滤清器是否堵塞(A4)、检查进气管是否漏气(A3)、检查空气流量传感器故障(A6)、检查水温传感器故障(A7)、检查各缸火花塞(A2)、检查各缸喷油器(A5)，排序结果与文献[2]完全相同。

5 结语

为了改进层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断应用中的缺陷，本文引入区间数层次分析法，给出了与文献[2]完全相同的排序结果，较好地说明了该方法的可行性，且用区间数描述故障因素的两两比较判断，使得故障诊断决策的过程合理、客观，更符合人的思维习惯。同时，计算方法的公式化更利于故障诊断专家系统的程序化。

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Interval Analytic Hierarchy Process Application to Fault Diagnosis of Electronic-controlled Engine

YAN Xiao-hong，LIU Cun-xiang

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

In order to improve defect of analytic hierarchy process application to idling bad fault diagno-sis of electronic-controlled engine，this article introduced interval analytic hierarchy process and com-pared faults in pairs，calculated interval number weight，and also used judgment matrix method based on possibility degree interval judgment to give ranking results which is the same as that of the bibliography，which was a good explanation of feasibility of interval analytic hierarchy process application to electronic-controlled engine fault diagnosis.

Interval analytic hierarchy process；Engine；Idling bad；Diagnosis；Possibility degree

颜筱红(1965—)，教授，研究生，研究方向：预测与决策；

刘存香(1981—)，教授，博士研究生，研究方向：汽车机电一体化技术。

广西壮族自治区高校科研课题(编号：2012 04LX603)

U462.12

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.022

1673-4874(2015)11-0099-05

2015-09-05