許翔,劉瑞林,董素榮,周廣猛,劉剛

(軍事交通學(xué)院,天津300161)

輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)研究

許翔,劉瑞林,董素榮,周廣猛,劉剛

(軍事交通學(xué)院,天津300161)

目的研究輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性及其評價(jià)方法。方法通過分析輪式車輛環(huán)境適應(yīng)性的基本內(nèi)涵,結(jié)合車輛高原使用情況調(diào)研、高原實(shí)地試驗(yàn)以及理論分析,構(gòu)建輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系,應(yīng)用層次分析法(AHP)和模糊數(shù)學(xué)理論建立輪式車輛多性能指標(biāo)的綜合評價(jià)模型。結(jié)果輪式車輛的動力性、可靠性、起動性和熱平衡等性能受高原環(huán)境影響最大,大部分輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性等級為“一般”或“較差”。結(jié)論輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性定量綜合評價(jià)結(jié)果可以作為高原地區(qū)車輛論證、設(shè)計(jì)、選型或改進(jìn)的參考依據(jù)。

輪式車輛;高原環(huán)境適應(yīng)性;層次分析法;模糊綜合評價(jià)

KEY WORDS:wheeled vehicles;plateau environmental adaptability;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evaluation

我國是輪式車輛使用環(huán)境最嚴(yán)酷的國家之一,擁有世界上海拔最高、自然環(huán)境最惡劣的高原地區(qū)。輪式車輛作為機(jī)動作戰(zhàn)與后勤保障的通用平臺,是軍事裝備的重要組成部分。輪式車輛在高原地區(qū)使用時(shí),由于受到各種高原環(huán)境條件的作用,導(dǎo)致車輛的材料劣化,總成及零部件壽命縮短,機(jī)動性、可靠性、維修性和安全性等均有不同程度下降,嚴(yán)重影響車輛的作戰(zhàn)效能[1]。

環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)是裝備環(huán)境工程工作的重要內(nèi)容[2]。高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)為高原地區(qū)輪式車輛的選型和改進(jìn),以及高原型輪式車輛的論證、設(shè)計(jì)和評估等提供科學(xué)依據(jù)。針對輪式車輛環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)研究缺乏的問題,文中依據(jù)輪式車輛高原使用情況調(diào)研及高原實(shí)地試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合高原環(huán)境對輪式車輛性能影響機(jī)理分析,在深入研究輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性及其評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系。應(yīng)用層次分析法(AHP)和模糊數(shù)學(xué)理論建立了輪式車輛多性能指標(biāo)的綜合評價(jià)模型,對5種典型輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了綜合評價(jià),為綜合評價(jià)輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性提供了一種科學(xué)實(shí)用的定量評價(jià)方法。

1 研究方法

1.1 基本內(nèi)涵

依據(jù)GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》中對裝備環(huán)境適應(yīng)性的定義,輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性可以描述為車輛在其儲存、運(yùn)輸、使用和維修等過程中,在可能遇到的各種高原環(huán)境條件的作用下能實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能、性能和(或)不被破壞的能力,是車輛的重要質(zhì)量特性之一[3—4]。高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評價(jià)是考核及評估輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性的主要方法和手段。

高原地區(qū)海拔高(氣壓低)、溫差大、紫外線強(qiáng)、風(fēng)沙塵大、道路條件差等,對輪式車輛的各項(xiàng)性能有明顯影響。例如,動力性下降、油耗量增加、起動困難、發(fā)動機(jī)易“開鍋”、制動性和通過性變差、可靠性和耐久性降低、故障率升高、維修保障困難等。

1.2 試驗(yàn)

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是考核、驗(yàn)證與研究輪式車輛環(huán)境適應(yīng)性的重要手段。通過高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)輪式車輛設(shè)計(jì)中存在的缺陷,并采取必要的糾正或防護(hù)措施,提高輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)能力。輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)一般包括高原實(shí)地試驗(yàn)和高原環(huán)境模擬試驗(yàn)[5]。

選取典型車型(指揮車、運(yùn)輸車、加油車和搶修車),分別在天津、格爾木、拉薩以及青藏公路沿線進(jìn)行了高原實(shí)地試驗(yàn),研究分析了高原環(huán)境對輪式車輛的動力性、起動性、熱平衡性、經(jīng)濟(jì)性、制動性、可靠性、維修性能等的影響,為輪式車輛高原適應(yīng)性評價(jià)提供了試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,海拔高度每升高1 km,車輛起步加速性能下降4%～12.9%,最大牽引力下降3.3%～8.7%,多工況燃料消耗量增加2.7% ～5.8%。在海拔4.5 km爬長坡工況下,車輛各總成普遍存在過熱現(xiàn)象,部分車輛發(fā)動機(jī)無法達(dá)到熱平衡狀態(tài),并出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象。車輛制動距離隨海拔升高增大,制動器溫升明顯。指揮車10 000 km可靠性行駛試驗(yàn)和維修性試驗(yàn)表明,平均故障間隔里程為1400 km,當(dāng)量故障率為1.08次/1000 km;高原地區(qū)車輛平均修復(fù)時(shí)間較平原增大3.8倍,每千公里修復(fù)性維修工時(shí)增加2.3倍。

1.3 評價(jià)

輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià),是根據(jù)車輛高原環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)要求,按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法或評價(jià)方法,對各項(xiàng)環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)要求達(dá)到的程度進(jìn)行評價(jià)。環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)的實(shí)質(zhì)是采用多組樣本數(shù)據(jù)構(gòu)成的向量對評價(jià)區(qū)域內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性做出客觀、定量的評判,是實(shí)現(xiàn)車輛環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)重要而有效的監(jiān)督和控制手段,貫穿于車輛論證、研制、生產(chǎn)和使用的全過程[6]。環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)一般包括確定評價(jià)對象、評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)準(zhǔn)則、評價(jià)方法、評價(jià)結(jié)果分析等內(nèi)容。評價(jià)過程如圖1所示。

圖1 評價(jià)流程Fig.1 Flowchart of AHP evaluation

2 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

2.1 原則

建立科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)的依據(jù)和核心。輪式車輛的性能參數(shù)較多,參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜,某些性能指標(biāo)之間相互影響、相互制約,并且高原環(huán)境從多方面影響車輛的綜合性能。為了系統(tǒng)、準(zhǔn)確地評價(jià)車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性,評價(jià)指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循以下原則:首先,應(yīng)突出高原地區(qū)對輪式車輛的特殊使用要求,即高海拔適應(yīng)性、高寒適應(yīng)性、越野機(jī)動性、制動安全性、使用可靠性及維修保障性等;其次,評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)體現(xiàn)代表性、可信性、實(shí)用性和獨(dú)立性原則[7]。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的選取

輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性水平通過整車的性能參數(shù)、各總成及系統(tǒng)工作參數(shù)等反映出來。文中依據(jù)對高原的調(diào)研和輪式車輛高原實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合高原環(huán)境對車輛性能影響機(jī)理的分析,選取便于量化考核、且對車輛高原使用影響較大的性能及相應(yīng)指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)。

1)動力性能:取平均車速和加速性能指標(biāo)評價(jià)。

2)起動性能:取最低起動溫度及相應(yīng)海拔高度,以及最低起動溫度下的起動時(shí)間和暖機(jī)時(shí)間評價(jià)。

3)熱平衡性能:選取發(fā)動機(jī)額定工況下冷卻液和排氣溫度評價(jià)。

4)經(jīng)濟(jì)性能:選取等速行駛百公里燃油消耗量評價(jià)。

5)通過性能:選取地形通過性能和地面通過性能評價(jià)。

6)安全性能:選取車輛制動性能及駕駛室的人-機(jī)-環(huán)工程適應(yīng)性能評價(jià)。

7)可靠性能:選取車輛的平均故障間隔時(shí)間和平均故障間隔里程評價(jià)。

8)維修性能:選取平均修復(fù)時(shí)間和維修費(fèi)用評價(jià)。

9)保障性能:選取保障資源配備(隨車保障工具和設(shè)備、技術(shù)資料配備情況)、技術(shù)人員完成保障任務(wù)的能力評價(jià)。

2.3 評價(jià)指標(biāo)體系

輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性能評價(jià)是典型的多目標(biāo)、多變量、綜合性評價(jià)問題,為了科學(xué)、系統(tǒng)、客觀地對輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性水平進(jìn)行綜合評價(jià),必須建立一個(gè)能夠反映高原環(huán)境從多方面影響輪式車輛性能的多層次、科學(xué)實(shí)用的評價(jià)體系。利用層次分析法建立了輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系,如圖2所示。

圖2 輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 The evaluation system of plateau environmental adaptability for wheeled vehicles

3 評價(jià)模型

3.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

由于各一級評價(jià)指標(biāo)對輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性的影響程度不同,以及各一級指標(biāo)對應(yīng)二級指標(biāo)的相對重要性也不盡相同,故需要確定評價(jià)指標(biāo)間的權(quán)重值。文中采用專家打分法和層次分析法(AHP)來確定評價(jià)體系中各級指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)相對重要度評分標(biāo)準(zhǔn)(見表1),針對各級評價(jià)指標(biāo)U1,U2,…,Ui和U11,U12,…,Uij,進(jìn)行兩兩比較,并賦予相應(yīng)的重要性值(由專家咨詢值確定),以此為基礎(chǔ)構(gòu)造判斷矩陣A。

表1 評價(jià)指標(biāo)相對重要度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The evaluation criterion of index weight

式中:aij表示第i個(gè)指標(biāo)相對于第j個(gè)指標(biāo)的相對重要度,aii=1,aij=1/aji(i,j=1,2,…,n)。

對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

式中:λmax為判斷矩陣R的最大特征根;CI為偏差一致性指標(biāo);RI為判斷一致性指標(biāo);CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR＜0.1時(shí),表明判斷矩陣A具有滿意的一致性,滿足車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)要求,否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。采用乘積根法計(jì)算各級指標(biāo)權(quán)重值,得到權(quán)重值向量W=(W1,W2,…,Wn)T。最終得到的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表2。

3.2 模糊綜合評價(jià)

模糊綜合評價(jià)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換原理,通過構(gòu)造等級模糊子集,將被評價(jià)對象的模糊指標(biāo)定量化,基于模糊運(yùn)算隸屬度大小評價(jià)輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性。模糊綜合評價(jià)可以歸納為如下幾個(gè)步驟:

表2 輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)權(quán)重表Table 2 The index weight of plateau environmental adaptability for wheeled vehicles

1)確定評價(jià)因素集:U=(U1,U2,…,Um),根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系得到因素集,即U=(U11,U12,U21,U22,…,U91,U92)。

2)確定評價(jià)評語集:V=(V1,V2,…,Vn),將輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)分為“很好、較好、一般、較差、很差”等5個(gè)等級,采用基準(zhǔn)模式向量V=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1),分別代表高原環(huán)境對輪式車輛性能指標(biāo)的影響程度為很輕、較輕、一般、較重、嚴(yán)重等5個(gè)等級[8]。定義在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、環(huán)境溫度為25℃)試驗(yàn)所得的各項(xiàng)性能指標(biāo)均值作為輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)等級的“好”值。參照相關(guān)輪式車輛環(huán)境技術(shù)要求考核試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),依次確定各級評價(jià)指標(biāo)的技術(shù)等級。例如,定義動力性指標(biāo)下降幅度≤5%為“很好”,下降10%為“較好”,下降15%為“一般”,下降20%為“較差”,下降幅度≥25%為“很差”。

3)確定各因素集的權(quán)重向量:W=(W1,W2,…,Wm)T,已由前面的層次分析法得到。

4)確定各評價(jià)項(xiàng)目的模糊綜合評判矩陣:R= (γij)m×n。根據(jù)評價(jià)等級υi確定每一個(gè)評價(jià)方案相對于評價(jià)指標(biāo)的隸屬度,從而得到從因素集U到評語集V的模糊關(guān)系矩陣R。

式中:n為評價(jià)方案;m為評價(jià)指標(biāo);γij為方案j對應(yīng)于評價(jià)指標(biāo)i的隸屬度,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

5)評價(jià)結(jié)果及分析:根據(jù)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W和模糊綜合評判矩陣R,通過模糊方程B=W·R,計(jì)算得到車輛高原環(huán)境適應(yīng)性的模糊綜合評價(jià)結(jié)果。按照最大隸屬度原則,確定評價(jià)對象的最優(yōu)排序。

4 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證建立的輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系及相應(yīng)的評價(jià)模型,針對在同一高原地區(qū)使用的5種典型車輛,運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法對其高原環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價(jià)。

通過調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析、高原環(huán)境試驗(yàn)及專家綜合衡量打分的方式,得出了5種輪式車輛二級評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值統(tǒng)計(jì),見表3。根據(jù)前面已獲得的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重,通過模糊運(yùn)算,得出了5種輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)結(jié)果。

表3 幾種典型輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)結(jié)果Table 3 The plateau environmental adaptability evaluation of some typical wheeled vehicles

按照最大隸屬度原則,5種輪式車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性由高到低的排序?yàn)?E型＞D型＞C型＞B型＞A型。按照評價(jià)值落在評語集“0.9,0.7,0.5, 0.3,0.1”所在區(qū)間的不同進(jìn)行反推,E型車輛的評價(jià)值最高,且介于0.7(較好)與0.9(很好)之間,可以將其高原環(huán)境適應(yīng)性定性為“較好”,其他評價(jià)結(jié)果的定性評價(jià)以此類推。

5 結(jié)論

1)低氣壓和低溫是影響輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性最重要的環(huán)境因素,輪式車輛的動力性、可靠性、起動性和熱平衡等性能受高原環(huán)境影響最大。目前,高原使用的大部分輪式車輛的環(huán)境適應(yīng)性等級為“一般”或“較差”。

2)輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,高原環(huán)境從多方面影響車輛的性能,評價(jià)目標(biāo)及指標(biāo)較多且相互影響。科學(xué)、系統(tǒng)、客觀地對輪式車輛高原環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價(jià),需要綜合運(yùn)用環(huán)境適應(yīng)性機(jī)理分析、高原試驗(yàn)等手段。

3)通過應(yīng)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)等基本理論知識,把輪式車輛在高原環(huán)境下的適應(yīng)性評價(jià)問題,通過數(shù)學(xué)方法,將一個(gè)主觀性的問題表征為一個(gè)客觀的數(shù)學(xué)問題,從而實(shí)現(xiàn)對車輛客觀統(tǒng)一的高原適應(yīng)性評價(jià)。對于高原地區(qū)輪式車輛的論證、選型、評價(jià)等工作的開展提供了一定的理論依據(jù)。

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[5] 許翔,劉瑞林,董素榮,等.車輛高原環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(6):63—66. XU Xiang,LIU Rui-lin,DONG Su-rong,et al.On Development of Vehicle Simulated Plateau Environmental Test Technology[J].Equipment Environmental Engineering, 2012,9(6):63—66.

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Fuzzy Comprehensive Evaluation on Plateau Environmental Adaptability of Wheeled Vehicles

XU Xiang,LIU Rui-lin,DONG Su-rong,ZHOU Guang-meng,LIU Gang
(Military Transportation University,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo study the plateau environmental adaptability and evaluation method of wheeled vehicles.MethodsThe primary connotation of vehicle environmental adaptability was elaborated.Combined with the plateau investigation,test data and theoretical analysis,the evaluation index system of plateau environmental adaptability for wheeled vehicles was set up.A fuzzy synthetic evaluation model for the plateau environmental adaptability of vehicles was established by using hierarchical analysis and fuzzy evaluation theory.ResultsThe power performance,reliability,start ability and thermal balance of wheeled vehicles were the major performance indexes obviously affected by the plateau environment.The results indicated that the plateau environmental adaptability was ranked"ordinary"or"poor".ConclusionThe correct evaluation result of plateau environmental adaptability could provide the basis for demonstration,design,selection or improvement of wheeled vehicles on plateau.

LIU Rui-lin(1963—),Male,Professor,Research focus:dymamic mechanical enviroment adoptability.

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.016

TJ812;X820.3

:A

1672-9242(2014)04-0082-06

2014-04-16;

2014-04-30

Received:2014-04-16;Revised:2014-04-30

許翔(1978—),男,甘肅榆中人,博士,講師,主要研究方向?yàn)閯恿C(jī)械高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評價(jià)。

Biography:XU Xiang(1978—),Male,form Yuzhong,Ganshu,Ph.D.,Lecturer,Research focus:the plateau environment suitability test and evaluation of mechanical power.

劉瑞林(1963—),男,教授,主要研究方向?yàn)閯恿C(jī)械環(huán)境適應(yīng)性。