陳嘉楊， 張洪彥， 王 敏

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

AHP-熵權(quán)法在綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)綜合評(píng)估中的應(yīng)用

陳嘉楊， 張洪彥， 王 敏

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

針對(duì)某裝甲車綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)的綜合評(píng)估問題，提出了一種基于AHP-熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)價(jià)方法.該方法首先利用AHP-熵權(quán)法進(jìn)行綜合傳動(dòng)裝置各關(guān)鍵部件參數(shù)權(quán)重的確定，然后利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)其關(guān)鍵部件健康狀態(tài)進(jìn)行一級(jí)評(píng)估，最后在此基礎(chǔ)上對(duì)綜合傳動(dòng)裝置的健康狀態(tài)進(jìn)行二級(jí)評(píng)估.試驗(yàn)表明，該方法可以有效地對(duì)裝甲車綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估.

綜合傳動(dòng)裝置；健康狀態(tài)評(píng)估；AHP-熵權(quán)法；模糊綜合評(píng)價(jià)

綜合傳動(dòng)裝置是裝甲車輛的核心動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在裝甲車輛的運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，其健康狀態(tài)會(huì)直接影響到裝甲車輛的運(yùn)行安全.因此，對(duì)裝甲車輛的綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估具有重要的意義[1-2].

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者將預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)應(yīng)用到了車輛的健康狀態(tài)評(píng)估中，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)到的信息，利用各種健康管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車輛的健康狀態(tài)評(píng)估[3].現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于健康評(píng)估的方法有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法、模糊理論、灰色評(píng)判法等[4-5].在對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)，需要對(duì)其各關(guān)鍵部件的影響因素進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)的劃分與指標(biāo)體系的建立，常用的指標(biāo)評(píng)估等級(jí)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)得到，例如層次分析法(Analytic Hierarchy process，AHP)[6].但是AHP更多的是依賴專家經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行等級(jí)的確定，具有很大的主觀性因素；而熵權(quán)法[7]完全依賴測(cè)試數(shù)據(jù)來進(jìn)行等級(jí)的確定，完全是由客觀因素來決定.因此兩種方法單獨(dú)進(jìn)行等級(jí)的確定會(huì)帶來評(píng)估的不準(zhǔn)確性.

為了消除AHP和熵權(quán)法的缺陷，本研究將這兩種方法相結(jié)合并利用模糊評(píng)估方法，提出基于AHP-熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)估模型，并將其應(yīng)用到某裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置的健康狀態(tài)評(píng)估中，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置狀態(tài)的健康評(píng)估.

1 AHP-熵權(quán)法

1.1 層次分析法(AHP)

層次分析法(AHP)[6]是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.H.Sauty針對(duì)多目標(biāo)決策問題提出一種解決方法.其基本原理是根據(jù)具有階梯性的目標(biāo)、子目標(biāo)(準(zhǔn)則層)、約束條件等對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，最后綜合出各方案的優(yōu)劣程度，是一種較好的權(quán)重確定方法.其具體步驟如下：

1) 確定目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素.

運(yùn)用AHP來決策問題時(shí)，首先確定待分析的目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素，構(gòu)造一個(gè)有層次的機(jī)構(gòu)模型.

2) 構(gòu)造判斷矩陣.

以A表示目標(biāo)，ui表示評(píng)價(jià)因素，ui∈U(i=1,2,…,n).uij表示ui對(duì)uj的相對(duì)重要性數(shù)值, 構(gòu)造判斷矩陣W.

(1)

3) 重要性排序.

根據(jù)判斷矩陣W，通過相應(yīng)計(jì)算方法，可求出判斷矩陣的最大特征根及其所對(duì)應(yīng)的特征向量.則所求特征向量即為各評(píng)價(jià)因素重要性排序，即權(quán)數(shù)分配.

4) 一致性檢驗(yàn).

一致性指的是判斷思維的一致性，就是專家在判斷指標(biāo)之間的重要性時(shí)，各判斷之間協(xié)調(diào)一致，不致出現(xiàn)互相矛盾的結(jié)果.為使構(gòu)造的判斷矩陣滿足大體一致的要求，需要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn).判斷矩陣一致性檢驗(yàn)公式如下：

CR=CI/RI.

(2)

式中：CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；RI為判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)；CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，由式(3)給出.

.

(3)

利用滿足一致性檢驗(yàn)要求的判斷矩陣計(jì)算各層指標(biāo)的權(quán)重，即：

(4)

1.2 熵權(quán)法

在信息論中，信息是系統(tǒng)有序程度的一個(gè)度量，熵是系統(tǒng)無序程度的一個(gè)度量，二者絕對(duì)值相等，方向相反.當(dāng)系統(tǒng)可能處于幾種不同狀態(tài)，每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率為Pi(i=1,2,…,m)時(shí)，該系統(tǒng)的熵定義為

(5)

設(shè)有m種個(gè)體預(yù)測(cè)方法，n個(gè)誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成被評(píng)估對(duì)象的原始指標(biāo)矩陣R=(rij)m×n，對(duì)于某個(gè)指標(biāo)rij有：

(6)

式中：j=1,2,…,n.

則有第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)ωj定義為

(7)

由以上各式可知某個(gè)誤差指標(biāo)的信息熵越小，表明其指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息量越大，在綜合評(píng)估中所起的作用越大，則該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)越大；反之，某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，在綜合評(píng)估中所起的作用越小，則該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)越小.

1.3AHP-熵權(quán)法

(8)

2 AHP-熵權(quán)法在綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)綜合評(píng)估中的應(yīng)用

根據(jù)專家維修經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合綜合傳動(dòng)裝置的實(shí)際工作狀態(tài)和健康特征信息情況的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，將裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置的健康狀態(tài)劃分為“健康”、“亞健康”、 “故障”、“嚴(yán)重故障”4個(gè)等級(jí).

構(gòu)建裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)綜合評(píng)估指標(biāo)體系，要保證所構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系能夠合理、準(zhǔn)確地反映綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài).選取綜合傳動(dòng)裝置中的液力變矩器和液壓操縱系統(tǒng)為對(duì)象，構(gòu)建的健康狀態(tài)綜合評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示.

圖1 液力變矩器和液壓操縱系統(tǒng)的健康狀態(tài)綜合評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)綜合傳動(dòng)裝置臺(tái)架試驗(yàn)中所采集到的三組評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.由于能反映綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)的各指標(biāo)的標(biāo)度類型和量綱都不相同，為便于各指標(biāo)進(jìn)行比較，所以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到的結(jié)果如表1所示.

表1 綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)評(píng)估指歸一化處理的結(jié)果

2.2 確定權(quán)重

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，取θ=0.3時(shí)可以很好地將主客觀權(quán)重進(jìn)行組合，并極大地削弱主客觀賦權(quán)法確定權(quán)重中的不利因素的影響.利用AHP-熵權(quán)法，由式(8)計(jì)算得到上述兩個(gè)關(guān)鍵部件指標(biāo)的權(quán)重分別為：

ω1=[0.3723 0.2671 0.2057 0.1549]，

ω2=[0.2246 0.4185 0.3045 0.0524].

2.3 關(guān)鍵部件健康評(píng)估

然后選用加權(quán)平均型模型，利用模糊綜合評(píng)判法，可求得綜合傳動(dòng)裝置兩個(gè)關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，結(jié)果如表2所示.

表2 各關(guān)鍵部件健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)評(píng)估

由表2可知，兩個(gè)關(guān)鍵部件都處在健康狀態(tài)下，然后以兩個(gè)關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果作為綜合傳動(dòng)裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用AHP-熵權(quán)法計(jì)算得到綜合傳動(dòng)裝置的權(quán)重為

ω=[0.2841 0.7159].

最后再利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)綜合傳動(dòng)裝置進(jìn)行二級(jí)健康評(píng)估，得到的結(jié)果如表3所示.

表3 綜合傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可知，該傳動(dòng)裝置處于健康狀態(tài).通過上述的分析，所創(chuàng)建的健康評(píng)估模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，所得到的結(jié)果具有良好的準(zhǔn)確性和客觀性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè).

3 結(jié)束語

針對(duì)某裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置的健康評(píng)估問題，提出了基于AHP-熵權(quán)法的模糊綜合健康評(píng)估模型方法.采用AHP-熵權(quán)法有效解決了專家打分方法的主觀不確定性，使得評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重更具有意義，提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性.試驗(yàn)研究表明，采用AHP-熵權(quán)法進(jìn)行計(jì)算所得到的綜合傳動(dòng)裝置健康與亞健康所占比重之和大于80%，與預(yù)期結(jié)果相符，表明該方法可以準(zhǔn)確地對(duì)裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估.

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Application of the AHP-Entropy Method on Health StatusAssessment of the Integrated Transmission Device

CHEN Jia-yang, ZHANG Hong-yan, WANG Min

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Aiming at the comprehensive evaluation problems of the integrated transmission device’s health condition of the certain model of armored vehicles, a fuzzy comprehensive evaluation method based on AHP-Entropy weight is proposed. Firstly, AHP-Entropy weight method is used to determine the parameter weight of each key component of integrated transmission devices; then, fuzzy comprehensive evaluation method is applied to make the first-level assessment of the health condition of the key components; finally, the second-level assessment of the health condition of the integrated transmission device is made. The experimental results prove that the proposed method can make comprehensive assessment of the health condition of the integrated transmission device effectively.

integrated transmission device; health status assessment; AHP-Entropy method; fuzzy comprehensive evaluation

1009-4687(2017)01-0038-04

2016-07-01.

陳嘉楊(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鲃?dòng)專用測(cè)試技術(shù).

TJ81+0.32；TJ81+0.6

A