基于层次分析及模糊综合评判的装甲车辆发动机状态评估

李国锦

(装甲兵工程学院，北京100072)

基于层次分析及模糊综合评判的装甲车辆发动机状态评估

李国锦

(装甲兵工程学院，北京100072)

通过分析影响发动机本体及辅助系统性能的各状态参数，建立了完整的、能全面反映发动机状态的评价参数，结合层次分析法及模糊综合评判法，实现了对装甲车辆发动机状态的科学评估，并以某型发动机试验数据为例进行了计算分析.结果表明，该方法能对装甲车辆发动机状态实施有效评估.

层次分析；模糊综合评价；装甲车辆发动机；状态评估；视情维修

我军装甲车辆发动机均采用定时维修和事后维修的方式，存在维修不足或过度维修的情况，给车辆运行带来了巨大安全隐患以及不同程度的资源浪费.据了解，部分单位曾出现过未达到大修摩托小时的车辆在行驶过程中发动机连杆突然断裂，使整个发动机报废的情况，同时在发动机修理厂也经常出现按时大修的发动机性能良好、部件完好如新的情况.所以,开展视情维修，根据发动机的运行状态及时预测并排除故障，不仅能降低故障率、提高作战能力，而且能节约维修费用，降低成本.

通过检测技术，采用合理的评估方法，掌握发动机工作状态是开展视情维修的基础.为此，很多学者对发动机工作状态评估方法进行了深入研究，主要有：Topsis法、熵值法、灰色决策法、加权平均法、层次分析法、模糊评判法、主成分分析法等[1].

在航空领域，针对航空发动机的状态评估及视情维修工作开展比较早，各方面研究比较深入.郭保伟[2]从气路状态评估、振动状态评估、滑油状态评估3个方面建立全面的评价指标，通过模糊层次分析法对发动机状态进行了评估；王梦琦[3]将评价参数分为工作参数及寿命损伤参数，选择了能反映发动机性能的14个参数,采用改进的模糊综合评判方法对航空发动机性能进行了评估.

乔伟[4]通过FMEA分析及模糊综合评价方法，对军队通用车辆柴油机燃油供给系统进行了性能评估.

文献[5-8]选择能反映发动机性能的重要参数通过模糊距离度量、加权处理、核主成分分析、神经网络等方法实现了对装甲车辆性能的评估，研究工作具有十分重要的意义.

上述文献所选择的评价参数虽然能反映发动机性能，但还不够全面.以柴油机起动系统为例，其性能的好坏直接影响到车辆的机动性能，而对起动系统的状态评估，上述文献均未考虑.所以，中文针对装甲车辆结构及性能特点，建立了完整的、能全面反映发动机状态的评价参数，结合层次分析法及模糊综合评判法，实现了对装甲车辆发动机状态的科学评估，并以某型发动机试验数据为例进行了计算分析.研究为装甲车辆发动机的视情维修提供了基础.

1 装甲车辆发动机状态评估研究

装甲车辆发动机由发动机本体及其辅助系统组成.其中，发动机本体可以分为曲柄连杆机构、配气机构以及传动机构，辅助系统可以分为燃油供给系统、进排气系统、冷却系统、润滑系统以及起动系统.为了能更加全面地反映发动机的运行状态，便于不解体检测，选取了如表1所示的各级评价参数.

评价参数分为1级评价参数和2级评价参数.其中，1级评价参数为各分机构和系统的状态.由于装甲车辆发动机传动机构一般都为齿轮传动，结构简单、可靠性高，所以，传动系统性能状态不作为评价参数.同时，发动机振动状态能很好的反映发动机的运行状态，将其列为1级评价参数.通过对1级评价参数进行模糊综合评判可以得到发动机整体的性能状态.

1级评价参数的评定由2级评价参数确定，以1级评价参数进排气系统为例：对于含废气涡轮增压及中冷器的柴油机，排气温度能直接反映发动机排气系统中涡轮增压器的状态，是反映进排气系统状态很重要的指标.进气压力反映了进气线路的状态，若空气滤清器技术状态出现变化将会影响进气压力的大小.进气温度能很好地反映中冷器的工作性能.上述参数可以通过传感器测定的值与标准值进行对比，通过专家经验法、相对劣化度等方法进行评估.将评估得到的2级评价参数进行模糊综合评判即可得到相应的1级评价参数值.

基于上述层次分析法及模糊综合评判的方法，能实现对发动机状态的综合评价，具体实现过程将在第2,3节中阐述.

表1 各级评价参数表

2 层次分析法及模糊综合评判法

层次分析法是将一个复杂的多目标决策问题分解为多个指标，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法.模糊综合评判法能对一个多属性的事物，通过模糊量化方法，做出一个能合理地综合这些属性的总体评判方法.基于层次分析法和模糊综合评判法能很好的对发动机这样一个复杂系统的定性模糊评判.

2.1 建立评价因素

评价因素是对评价项目评议的具体内容，通常可以表示成集合的形式.

F=[F1,F2,…Fn]，

(1)

式中:n表示评价因素的个数.

可以根据评价因素的具体情况，如属性、数量[9]等确定评价因素的级数.若Fi(i=1,2…n)还有下一级评价因素，可以记为

Fi=[Fi-1,Fi-2,…Fi-m]，

(2)

式中:m表示2级评价因素的个数.

2.2 建立评价集

评价集指对各个评价因素的评价结果所组成的集合，可以记为

V=[v1,v2,…,vl].

(3)

一般分为7级或5级，以5级为例可以表示为

V=[优, 良, 中, 差, 很差].

(4)

2.3 建立权重集

建立权重集是模糊综合评判的重点，因为各个评价因素对总体评价结果的重要度各不相同，通过建立权重集能很好的区分各因素的重要度.

结合L.A.Satty提出的层次分析法，建立单层判断矩阵：

(5)

aij为评价指标i对评价指标j的相对重要度，取值范围为1～9，具体取值可以参考表2，且aji=1/aij.

表2 重要性标度含义表

求取判断矩阵A的最大特征根λmax并代入式(6)中进行一致性检验.

(6)

若CR≤0.1，则满足一致性条件，当不满足条件时,可适当调整A中各项的取值.将满足条件的最大特征根λmax所对应的特征向量E进行归一化处理即为权重集W.

2.4 构建模糊评价矩阵

根据实验测得的各评价参数数据通过专家打分，可以确定一个由评价因素至评价集的模糊关系矩阵Si，其中,Skj为Fik对vj的隶属度[10-11].

(7)

Skj可通过下式进行计算：

(8)

式中：Nkj为属于vj的评价次数.

2.5 综合评价

将权重集对评价向量进行加权即可获得发动机性能综合评价结果向量.

Se=W·S.

(9)

最后,将评价结果向量采用最大隶属度法、中位数法、赋值求和法等进行总体评分.

3 应用实例

以某运行105摩托小时无故障装甲车辆发动机实际试验数据为基础进行打分评判.

首先,基于装甲车辆发动机状态评估研究结果能够清楚地总结出层次分析关系，如图1和图2所示，为根据状态评估研究得到的装甲车辆发动机以及进排气系统状态评估的层次分析结构图.

图1 装甲车辆发动机状态评估的层次分析结构图

图2 进排气系统状态评估的层次分析结构图

3.1 建立分级评价集

依据层次分析的结果，装甲车辆发动机状态评估的评价因素可分为两级.

第1级：

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

(10)

第2级以进排气系统状态评估为例，其评价因素为：

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

(11)

3.2 建立评价集

根据发动机状态情况，装甲车辆发动机建立5

级评价标准集：

V=[优， 良， 中， 差， 很差].

并将其和5级评语体系C=[5， 4， 3， 2， 1]对应，便于专家打分及最后总体评分.

3.3 建立判断矩阵

以进排气系统为例，其判断矩阵为：

(12)

采用方根简化算法[9]计算得到其最大特征根λmax为3.003 7，特征向量E2=[0.174 7,0.328 8,0.928 1]，归一化处理后得到权重集W2=[0.122 0,0.229 7,0.648 3]，一致性检验CR=0.003 2，满足一致性条件.

3.4 建立模糊评价矩阵

以测试数据为基础，通过4位专家进行评判打分，得到4组数据，如表3所示.

表3 评价结果值

以进排气系统为例：由式(7)及(8)可以得到其单因素评判矩阵为：

(13)

3.5 综合评判

根据式(9)分别计算1级指标评价结果以及总评结果.以排气系统为例，其评价结果向量为

Se4=W4·S4=[0 0.368 4 0.631 6 0 0].

(14)

同样可以得到发动机总评结果向量为

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

(15)

采用赋值求和法进行总评，其结果为：

总评=C·SeT=4.132 2.

(16)

评价结果为良，与实际情况相符.

4 结 论

通过对装甲车辆发动机的结构和性能进行分析，建立了完整的、能全面反映发动机状态的评价参数，由此总结了装甲车辆发动机状态评估的层次分析结构图.通过建立评价因素、评价集、权重集、模糊评价矩阵以及综合评价等过程，综合了层次分析法及模糊综合评价方法，实现了对装甲车辆发动机状态的评估.通过实例分析，该方法科学、可行，为装甲车辆的视情维修提供了基础.

[1] 于文武. 发动机综合状态评估与在翼使用时间预测[D].天津：中国民航大学，2008.

[2] 郭保伟,李书明.基于模糊层次分析法的民航发动机状态评估[J].装备制造技术，2012，12(12),160-162.

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[4] 乔 伟. 军用车辆柴油机可靠性分析[D].西安:西安交通大学，2013.

[5] 刘建敏,乔新勇,安 钢,等.基于多参数评估柴油机技术状况的模糊方法研究[J].内燃机工程,2004,12(6):66-69.

[6] 刘艳斌,刘建敏,乔新勇.基于加权处理的发动机技术状况评估方法研究[J].车用发动机,2005(6):63-66.

[7] 孙宜权,张英堂,李志宁,等.基于核主成分分析的柴油机技术状态评估[J].车用发动机,2012(2):89-92.

[8] 曹艳华,陈春良,齐蕴光,等.基于PCA-BP神经网络的装甲车辆柴油机状态评估[J].计算机测量与控制,2012,20(7):1892-1894.

[9] 朱世辉,杨 春,李树勇,等.结合层次分析法的模糊综合评价模型及其应用[J].实验科学与技术，2006，6(3):42-44.

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[11] 金菊良,魏一鸣,丁 晶.基于改进层次分析法的模糊综合评价模型[J].水利学报，2004，3(3)：65-70.

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

李国锦(1981-)，男，学士，研究方向为机械工程.

TK407

A