佟亞楠，張建杰，侯永平，郝冬

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源工程中心，上海 201804；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 100070）

面向用戶自定義的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)軟件★

佟亞楠1，張建杰2，侯永平1，郝冬1

（1.同濟(jì)大學(xué) 新能源工程中心，上海 201804；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 100070）

介紹了一款基于C#開發(fā)，允許用戶根據(jù)實(shí)際需要自定義評(píng)價(jià)方案并對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)的軟件，詳細(xì)闡述了評(píng)價(jià)方案建立的理論基礎(chǔ)、軟件開發(fā)工具，并結(jié)合實(shí)例說明了軟件功能及其實(shí)現(xiàn)形式。結(jié)果表明用戶可以利用該軟件確定評(píng)價(jià)方案，并且將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能及各指標(biāo)性能以具體的分?jǐn)?shù)定量的表示，同時(shí)數(shù)據(jù)表格和圖片使評(píng)價(jià)結(jié)果簡(jiǎn)單明了。

C#；用戶自定義；燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)；性能評(píng)價(jià)

佟亞楠

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：汽車試驗(yàn)。

目前，能源與環(huán)境保護(hù)問題是全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。因主要排放物是水而被稱為綠色新型環(huán)保汽車的燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）是未來汽車的一大發(fā)展方向。作為燃料電池汽車的核心元件，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)（Fuel Cell Engine，F(xiàn)CE）性能的好壞直接影響到整個(gè)車輛的性能［1］。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能涉及方面很廣，性能指標(biāo)繁多。由于用戶的需求不同，他們關(guān)注的焦點(diǎn)也不盡相同。對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，需要根據(jù)用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，在試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，自主的建立評(píng)價(jià)體系，最終能夠?qū)σ慌_(tái)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定量分析，做出科學(xué)的、系統(tǒng)的、客觀的評(píng)價(jià)。

為此，我們基于C#.NET Framework4.0開發(fā)了一款軟件，用于自主的建立燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能評(píng)價(jià)方案及對(duì)其性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并可把復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單直觀的圖形和表格保存于文檔中。

1　軟件開發(fā)基礎(chǔ)

1.1理論基礎(chǔ)

由于FCE的性能涉及到很多指標(biāo)且它們之間具有一定的層次關(guān)系，因此，我們選取層次分析法來建立燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)體系。

層次分析法［2］-［3］（Analytic Hierarchy Process，AHP）是1971年美國(guó)匹茲堡大學(xué)數(shù)學(xué)教授T.L.Saaty首先提出來的。AHP是一種能綜合進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，其核心是把復(fù)雜的決策問題層次化。AHP把復(fù)雜問題分解成各個(gè)組成因素，又將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)。通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對(duì)重要性。然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對(duì)重要性的總的排序。

根據(jù)AHP的應(yīng)用方法，選取燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)，構(gòu)造各項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣、層次單排序、層次總排序以及各個(gè)指標(biāo)值的評(píng)分函數(shù)，構(gòu)成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能評(píng)價(jià)方案。

1.2開發(fā)工具

Visual Studio是微軟公司推出的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。Visual Studio 2010帶來了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP。它支持Microsoft Office Access、Microsoft SQL Server和Oracle數(shù)據(jù)庫［4］?？紤]到數(shù)據(jù)量不大以及軟件易用性的問題，本軟件選用的是Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫。

2　軟件功能實(shí)現(xiàn)

該軟件的功能主要包括：1）建立評(píng)價(jià)體系：在FCE試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，自定義燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)方案，計(jì)算其綜合性能及各指標(biāo)得分，并將評(píng)價(jià)結(jié)果保存；2）多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比：調(diào)用已存檔的發(fā)動(dòng)機(jī)的得分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能的比較；3）評(píng)價(jià)方案的查詢修改：對(duì)于已輸入的評(píng)價(jià)方案，可以隨時(shí)查詢其具體結(jié)構(gòu)及各參數(shù)情況，并作適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

該軟件通過評(píng)價(jià)體系建立、性能評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)方案修改、界面設(shè)置等模塊實(shí)現(xiàn)其完整的功能。圖1所示為軟件的主界面。在主界面的工具欄中，有六個(gè)部分，分別為“新建”、“編輯”、“評(píng)價(jià)”、“用戶”、“皮膚”以及“清屏”。

2.1自定義評(píng)價(jià)體系

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)涉及到的指標(biāo)，根據(jù)AHP的思想，確定指標(biāo)的層次關(guān)系。利用該軟件自主建立燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)體系樹狀結(jié)構(gòu)，確定評(píng)價(jià)系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分函數(shù)。

2.1.1新建發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)簽信息

運(yùn)用該軟件對(duì)特定的某臺(tái)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先需要建立該發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)簽信息，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)、生產(chǎn)廠家等參數(shù)。其中，“發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)”為必填項(xiàng)，其余可根據(jù)實(shí)際情況選擇輸入或留下空白，以具體的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，如圖2所示。點(diǎn)擊“保存”按鈕，該發(fā)動(dòng)機(jī)的信息即保存到數(shù)據(jù)庫中，可以供以后調(diào)用查看。

2.1.2新建評(píng)價(jià)方案

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試項(xiàng)目主要包括：穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試、起動(dòng)性能測(cè)試、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試、安全性能測(cè)試以及散熱量測(cè)試。其中，穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試主要考核在不同工況條件下FCE的功率輸出能力及效率、噪聲等指標(biāo)的表現(xiàn)情況，可以用發(fā)動(dòng)在各工況平穩(wěn)運(yùn)行條件下取得的電流、功率、效率、氫氣利用率等指標(biāo)值表示；起動(dòng)性能測(cè)試主要包括了怠速起動(dòng)時(shí)間、額定功率起動(dòng)時(shí)間和怠速穩(wěn)定性測(cè)試；動(dòng)態(tài)性能測(cè)試主要包括了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試以及動(dòng)態(tài)循環(huán)加載性能測(cè)試，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可以考察發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，動(dòng)態(tài)循環(huán)加載可以模擬FCE實(shí)際運(yùn)行工況，檢驗(yàn)各性能指標(biāo)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)有無問題；安全性能測(cè)試主要包含了發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性測(cè)試和絕緣性測(cè)試，檢測(cè)FCE中氫氣的泄露情況，測(cè)試燃料電池堆正負(fù)極輸出端相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)箱的絕緣電阻。

我們選取FCE測(cè)試試驗(yàn)中測(cè)得的一些關(guān)鍵性指標(biāo)作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的依據(jù)，首先確定FCE的四個(gè)基本性能—穩(wěn)態(tài)性能、起動(dòng)性能、動(dòng)態(tài)性能和安全性能，每一個(gè)基本性能都包含幾個(gè)分性能指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)相關(guān)性，構(gòu)成評(píng)價(jià)方案的結(jié)構(gòu)，圖3顯示的是一套具有4層及20個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（Comprehension Performance Evaluation Tool，CPET-4-20）［5］的體系。

在該軟件中，為了方便保存及之后調(diào)用，我們把評(píng)價(jià)方案的第一層定義為評(píng)價(jià)方案的結(jié)構(gòu)名稱。通過輸入評(píng)價(jià)方案名稱，點(diǎn)擊“確定”即可構(gòu)建評(píng)價(jià)方案的第一層。在建立評(píng)價(jià)方案第二層時(shí)，首先在添加節(jié)點(diǎn)模塊輸入節(jié)點(diǎn)名稱，以安全性能為例，然后在左側(cè)的方案樹狀結(jié)構(gòu)圖中（圖4）選擇其上一層次的節(jié)點(diǎn)，在此即為評(píng)價(jià)方案的名稱，以此為標(biāo)準(zhǔn)，安全性能作為評(píng)價(jià)方案第一層的子節(jié)點(diǎn)，可通過點(diǎn)擊“添加為子節(jié)點(diǎn)”按鈕來實(shí)現(xiàn)。也可以選擇與安全性能屬于同一層次的指標(biāo)為依據(jù)，此時(shí)，通過點(diǎn)擊“添加為兄弟節(jié)點(diǎn)”即可。評(píng)價(jià)方案的第三、四層的建立以同樣的方式完成，即可構(gòu)建出如圖3中所示的樹狀結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)AHP方法，權(quán)重的確定首先要得到各層次的判斷矩陣。在建立遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)后，上下層元素間的隸屬度關(guān)系就被確定了，就可以在各層元素中進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣。層次分析法主要是人們對(duì)每一層次中各個(gè)元素相對(duì)重要性給出的判斷，這些判斷通過引入合適的標(biāo)度（常用的為1-9比例標(biāo)度）用數(shù)值表示出來，寫成判斷矩陣。計(jì)算判斷矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量得到各層指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重值。第二層相對(duì)于第一層的判斷矩陣為：

求解判斷矩陣A的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，再將特征向量歸一化，得到：λmax=4，x=［0.3509 0.1091 0.1891 0.3509］。 圖5、6分別為在軟件中構(gòu)建四個(gè)基本性能的判斷矩陣和其相對(duì)于第一層的權(quán)重。

建立每個(gè)指標(biāo)的評(píng)分函數(shù)，將試驗(yàn)得到的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的得分值。這里，評(píng)價(jià)函數(shù)的選取參考了模糊理論中隸屬度函數(shù)的概念，選用smf（S-shaped built-in membership function）函數(shù)作為評(píng)分函數(shù)。以CPET-4-20評(píng)價(jià)方案中的指標(biāo)—電堆怠速效率為例，在評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)樹狀圖中選擇需要建立評(píng)分函數(shù)的指標(biāo)，圖7為輸入指標(biāo)的評(píng)分函數(shù)，點(diǎn)擊“添加”即可保存。

至此，一套完整的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)體系即建立完成。

2.2性能評(píng)價(jià)

選擇燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)方案，導(dǎo)入.xls格式的輸入文件，計(jì)算得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的得分以及綜合性能得分，并且生成得分的柱狀圖；同時(shí)將綜合性能評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.xls或者.doc文件。

調(diào)用已存檔的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的得分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)之間綜合性能優(yōu)劣的對(duì)比。比較的結(jié)果以柱狀圖的形式顯示。

2.2.1單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)

在軟件的“評(píng)價(jià)”模塊，選擇在前文中建立的4層次20評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方案。打開評(píng)價(jià)方案后，導(dǎo)入所需評(píng)價(jià)的發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)文件，該輸入文件是.xls格式，包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后的界面，軟件左側(cè)界面顯示了評(píng)價(jià)方案的結(jié)構(gòu)樹狀圖，右側(cè)則顯示導(dǎo)入數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)簽信息，如圖8所示：

點(diǎn)擊“分析”按鈕，即可根據(jù)評(píng)價(jià)方案各個(gè)指標(biāo)的評(píng)分函數(shù)以及相對(duì)權(quán)重對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而得到評(píng)價(jià)結(jié)果。FCE綜合性能得分由各指標(biāo)的得分值與其總排序權(quán)值的乘積相加得到。第一、二層的評(píng)價(jià)結(jié)果以柱狀圖的形式表示，圖9為第一層得分圖。第三、四層結(jié)果則通過顯示評(píng)分函數(shù)曲線以及指標(biāo)得分表示，如圖10所示。

點(diǎn)擊“分析”按鈕后，按鈕的內(nèi)容變?yōu)椤氨４妗薄７治鐾瓿珊?，點(diǎn)擊“保存”按鈕，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將結(jié)果保存為.xls或點(diǎn)擊“導(dǎo)出Word”按鈕，分析結(jié)果則保存為.doc格式并自動(dòng)關(guān)閉。

2.2.2多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

在“評(píng)價(jià)”模塊中還有一個(gè)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比的功能。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能涉及很多方面，在同一個(gè)評(píng)價(jià)方案下對(duì)不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比，可以幫助用戶更好地了解多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)劣。

打開“評(píng)價(jià)”模塊，點(diǎn)擊“對(duì)比”選項(xiàng)，選擇在4層次20評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方案下進(jìn)行比較。打開評(píng)價(jià)方案后，界面上會(huì)顯示已經(jīng)得出評(píng)價(jià)結(jié)果的各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出文件的名稱，選擇需要對(duì)比的發(fā)動(dòng)機(jī)（最多可選擇8個(gè)），選擇后的發(fā)動(dòng)機(jī)則會(huì)在右側(cè)顯示，如圖11所示：

對(duì)比結(jié)果均以柱狀圖的形式表示，比較各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)指標(biāo)得分及綜合性能得分。以4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)層“電堆怠速效率”比較結(jié)果為例，點(diǎn)擊左側(cè)樹狀圖節(jié)點(diǎn)，顯示結(jié)果如圖12所示：

2.3評(píng)價(jià)方案查詢修改

評(píng)價(jià)方案包括多個(gè)層次。該模塊可查詢各個(gè)層次所包含的其下一層的各指標(biāo)的權(quán)重；可查詢每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)函數(shù)，包括函數(shù)表達(dá)式以及函數(shù)曲線。同時(shí)，可對(duì)原有方案進(jìn)行局部修改，增強(qiáng)軟件的易用度。

在軟件主界面的“編輯”模塊，選擇“已有評(píng)價(jià)方案”，界面左側(cè)則會(huì)顯示已有評(píng)價(jià)方案的結(jié)構(gòu)樹狀圖，在右側(cè)可以通過選擇“增減節(jié)點(diǎn)”和“修改評(píng)分矩陣及方法”按鈕對(duì)評(píng)價(jià)方案的結(jié)構(gòu)以及各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重和評(píng)分函數(shù)進(jìn)行修改。圖13對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率包含的指標(biāo)之間的判斷矩陣以及權(quán)重進(jìn)行修改，可以直接在表格上輸入替換的值，點(diǎn)擊“確定更新”按鈕即可。

3　結(jié)論

本軟件的創(chuàng)新之處在于可以允許用戶根據(jù)不同的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方案自主的定義燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)體系，使評(píng)價(jià)范圍不受某個(gè)固定評(píng)價(jià)方案體系的限制。同時(shí)，本軟件將使用過的評(píng)價(jià)方案自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)庫中，可減少后續(xù)不必要的工作量?？傊撥浖蠓岣吡送ㄟ^試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的效率，而且評(píng)價(jià)方法可靠，評(píng)價(jià)結(jié)果清晰直觀，是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中的一個(gè)高效得力的工具。

［1］Ryan O’Hayre 等，《燃料電池基礎(chǔ)》［M］.王曉紅，黃宏等譯，北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］Bai Hanbin， Wang Nuanchen， Research on the Selection of Scale in AHP， 20103rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering（ICACTE 2010）［C］，2010：108-111.

［3］張炳江等，《層次分析法及其應(yīng)用案例》［M］.北京：北京工業(yè)出版社，2014.

［4］Scott Dormant，《Visual C#2010入門經(jīng)典》［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］王博文，基于AHP的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)方法的研究［D］.同濟(jì)大學(xué)，2010，3.

［6］YongpingHou， Bowen Wang， Zhihua Yang. A Method for Evaluating the Efficiency of PEM Fuel Cell Engine， Applied Energy［J］， 2011，（88）：1181-1186.

［7］張志強(qiáng)等，基于AHP評(píng)價(jià)方法的發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，（5）：625-628.

專家推薦

羅馬吉：

論文介紹了一款自行開發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)軟件，該軟件可根據(jù)用戶需要自定義評(píng)價(jià)方案。論文研究對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試評(píng)價(jià)及其開發(fā)具有借鑒意義。

Customizable Method-Oriented Fuel Cell Engine Comprehensive Performance Evaluation Software

TONG Ya-nan1， ZHANG Jian-jie2， HOU Yong-ping1， HAO Dong1
（1.Clean Energy Automotive Engineering Center， Tongji University， Shanghai 201804， China； 2. China Automotive and Technolgoy Research Center， Tianjin）

A user-defined software based on C# which allows the users to define a project for evaluating the comprehensive performance of fuel cell engine is introduced in this paper， inculding its theoretical foundation， programming tool and features with realized form. The results show that this software can help the users to decide the evaluation scheme for the fuel cell engine and represent the comprehensive and index performance in quantitative form using the scores. And tables and histograms make the evaluation results simple and straightforward.

C#； user-defined； fuel cell engine； performance evaluation

U467.2+1

A

1005-2550（2015）04-0050-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.011

2015-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（51275357）