輪式車輛高原環境適應性評價研究

許翔,劉瑞林,董素榮,周廣猛,劉剛

(軍事交通學院,天津300161)

輪式車輛高原環境適應性評價研究

許翔,劉瑞林,董素榮,周廣猛,劉剛

(軍事交通學院,天津300161)

目的研究輪式車輛的高原環境適應性及其評價方法。方法通過分析輪式車輛環境適應性的基本內涵,結合車輛高原使用情況調研、高原實地試驗以及理論分析,構建輪式車輛高原環境適應性評價指標體系,應用層次分析法(AHP)和模糊數學理論建立輪式車輛多性能指標的綜合評價模型。結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境影響最大,大部分輪式車輛的高原環境適應性等級為“一般”或“較差”。結論輪式車輛的高原環境適應性定量綜合評價結果可以作為高原地區車輛論證、設計、選型或改進的參考依據。

輪式車輛;高原環境適應性;層次分析法;模糊綜合評價

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

我國是輪式車輛使用環境最嚴酷的國家之一,擁有世界上海拔最高、自然環境最惡劣的高原地區。輪式車輛作為機動作戰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使用時,由于受到各種高原環境條件的作用,導致車輛的材料劣化,總成及零部件壽命縮短,機動性、可靠性、維修性和安全性等均有不同程度下降,嚴重影響車輛的作戰效能[1]。

環境適應性評價是裝備環境工程工作的重要內容[2]。高原環境適應性評價為高原地區輪式車輛的選型和改進,以及高原型輪式車輛的論證、設計和評估等提供科學依據。針對輪式車輛環境適應性評價研究缺乏的問題,文中依據輪式車輛高原使用情況調研及高原實地試驗數據,結合高原環境對輪式車輛性能影響機理分析,在深入研究輪式車輛高原環境適應性及其評價指標的基礎上,構建了輪式車輛高原環境適應性評價指標體系。應用層次分析法(AHP)和模糊數學理論建立了輪式車輛多性能指標的綜合評價模型,對5種典型輪式車輛的高原環境適應性進行了綜合評價,為綜合評價輪式車輛高原環境適應性提供了一種科學實用的定量評價方法。

1 研究方法

1.1 基本內涵

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

高原地區海拔高(氣壓低)、溫差大、紫外線強、風沙塵大、道路條件差等,對輪式車輛的各項性能有明顯影響。例如,動力性下降、油耗量增加、起動困難、發動機易“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

環境適應性試驗是考核、驗證與研究輪式車輛環境適應性的重要手段。通過高原環境適應性試驗,可以發現輪式車輛設計中存在的缺陷,并采取必要的糾正或防護措施,提高輪式車輛的高原環境適應能力。輪式車輛高原環境適應性試驗一般包括高原實地試驗和高原環境模擬試驗[5]。

選取典型車型(指揮車、運輸車、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行了高原實地試驗,研究分析了高原環境對輪式車輛的動力性、起動性、熱平衡性、經濟性、制動性、可靠性、維修性能等的影響,為輪式車輛高原適應性評價提供了試驗依據。試驗結果表明,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象,部分車輛發動機無法達到熱平衡狀態,并出現“開鍋”現象。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可靠性行駛試驗和維修性試驗表明,平均故障間隔里程為1400 km,當量故障率為1.08次/1000 km;高原地區車輛平均修復時間較平原增大3.8倍,每千公里修復性維修工時增加2.3倍。

1.3 評價

輪式車輛高原環境適應性評價,是根據車輛高原環境適應性指標要求,按照有關標準規定的方法或評價方法,對各項環境適應性指標要求達到的程度進行評價。環境適應性評價的實質是采用多組樣本數據構成的向量對評價區域內環境適應性做出客觀、定量的評判,是實現車輛環境適應性目標重要而有效的監督和控制手段,貫穿于車輛論證、研制、生產和使用的全過程[6]。環境適應性評價一般包括確定評價對象、評價指標、評價準則、評價方法、評價結果分析等內容。評價過程如圖1所示。

圖1 評價流程Fig.1 Flowchart of AHP evaluation

2 評價指標體系的建立

2.1 原則

建立科學合理的評價指標體系是進行車輛高原環境適應性評價的依據和核心。輪式車輛的性能參數較多,參數之間關系復雜,某些性能指標之間相互影響、相互制約,并且高原環境從多方面影響車輛的綜合性能。為了系統、準確地評價車輛的高原環境適應性,評價指標體系的建立應遵循以下原則:首先,應突出高原地區對輪式車輛的特殊使用要求,即高海拔適應性、高寒適應性、越野機動性、制動安全性、使用可靠性及維修保障性等;其次,評價指標體系應體現代表性、可信性、實用性和獨立性原則[7]。

2.2 評價指標的選取

輪式車輛高原環境適應性水平通過整車的性能參數、各總成及系統工作參數等反映出來。文中依據對高原的調研和輪式車輛高原實地試驗結果,結合高原環境對車輛性能影響機理的分析,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指標作為評價指標。

1)動力性能:取平均車速和加速性能指標評價。

2)起動性能:取最低起動溫度及相應海拔高度,以及最低起動溫度下的起動時間和暖機時間評價。

3)熱平衡性能:選取發動機額定工況下冷卻液和排氣溫度評價。

4)經濟性能:選取等速行駛百公里燃油消耗量評價。

5)通過性能:選取地形通過性能和地面通過性能評價。

6)安全性能:選取車輛制動性能及駕駛室的人-機-環工程適應性能評價。

7)可靠性能:選取車輛的平均故障間隔時間和平均故障間隔里程評價。

8)維修性能:選取平均修復時間和維修費用評價。

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

2.3 評價指標體系

輪式車輛高原環境適應性能評價是典型的多目標、多變量、綜合性評價問題,為了科學、系統、客觀地對輪式車輛高原環境適應性水平進行綜合評價,必須建立一個能夠反映高原環境從多方面影響輪式車輛性能的多層次、科學實用的評價體系。利用層次分析法建立了輪式車輛高原環境適應性評價指標體系,如圖2所示。

圖2 輪式車輛高原環境適應性評價指標體系Fig.2 The evaluation system of plateau environmental adaptability for wheeled vehicles

3 評價模型

3.1 評價指標權重的確定

由于各一級評價指標對輪式車輛高原環境適應性的影響程度不同,以及各一級指標對應二級指標的相對重要性也不盡相同,故需要確定評價指標間的權重值。文中采用專家打分法和層次分析法(AHP)來確定評價體系中各級指標的權重。根據評價指標相對重要度評分標準(見表1),針對各級評價指標U1,U2,…,Ui和U11,U12,…,Uij,進行兩兩比較,并賦予相應的重要性值(由專家咨詢值確定),以此為基礎構造判斷矩陣A。

表1 評價指標相對重要度評價標準Table 1 The evaluation criterion of index weight

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

對判斷矩陣進行一致性檢驗:

式中:λmax為判斷矩陣R的最大特征根;CI為偏差一致性指標;RI為判斷一致性指標;CR為隨機一致性指標。

當CR＜0.1時,表明判斷矩陣A具有滿意的一致性,滿足車輛高原環境適應性評價要求,否則應對判斷矩陣作適當修正。采用乘積根法計算各級指標權重值,得到權重值向量W=(W1,W2,…,Wn)T。最終得到的評價指標權重見表2。

3.2 模糊綜合評價

模糊綜合評價應用模糊數學中的模糊變換原理,通過構造等級模糊子集,將被評價對象的模糊指標定量化,基于模糊運算隸屬度大小評價輪式車輛的高原環境適應性。模糊綜合評價可以歸納為如下幾個步驟:

表2 輪式車輛高原環境適應性評價權重表Table 2 The index weight of plateau environmental adaptability for wheeled vehicles

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

2)確定評價評語集:V=(V1,V2,…,Vn),將輪式車輛的高原環境適應性評價指標分為“很好、較好、一般、較差、很差”等5個等級,采用基準模式向量V=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1),分別代表高原環境對輪式車輛性能指標的影響程度為很輕、較輕、一般、較重、嚴重等5個等級[8]。定義在標準環境條件下(1個標準大氣壓、環境溫度為25℃)試驗所得的各項性能指標均值作為輪式車輛高原環境適應性技術等級的“好”值。參照相關輪式車輛環境技術要求考核試驗標準,依次確定各級評價指標的技術等級。例如,定義動力性指標下降幅度≤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)確定各評價項目的模糊綜合評判矩陣:R= (γij)m×n。根據評價等級υi確定每一個評價方案相對于評價指標的隸屬度,從而得到從因素集U到評語集V的模糊關系矩陣R。

式中:n為評價方案;m為評價指標;γij為方案j對應于評價指標i的隸屬度,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

5)評價結果及分析:根據評價指標權重向量W和模糊綜合評判矩陣R,通過模糊方程B=W·R,計算得到車輛高原環境適應性的模糊綜合評價結果。按照最大隸屬度原則,確定評價對象的最優排序。

4 應用實例

為驗證建立的輪式車輛高原環境適應性評價指標體系及相應的評價模型,針對在同一高原地區使用的5種典型車輛,運用模糊綜合評價法對其高原環境適應性進行綜合評價。

通過調研和統計分析、高原環境試驗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指標的隸屬度值統計,見表3。根據前面已獲得的評價指標權重,通過模糊運算,得出了5種輪式車輛高原環境適應性綜合評價結果。

表3 幾種典型輪式車輛高原環境適應性評價結果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境適應性由高到低的排序為:E型＞D型＞C型＞B型＞A型。按照評價值落在評語集“0.9,0.7,0.5, 0.3,0.1”所在區間的不同進行反推,E型車輛的評價值最高,且介于0.7(較好)與0.9(很好)之間,可以將其高原環境適應性定性為“較好”,其他評價結果的定性評價以此類推。

5 結論

1)低氣壓和低溫是影響輪式車輛高原環境適應性最重要的環境因素,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境影響最大。目前,高原使用的大部分輪式車輛的環境適應性等級為“一般”或“較差”。

2)輪式車輛高原環境適應性評價是一項復雜的系統工程,高原環境從多方面影響車輛的性能,評價目標及指標較多且相互影響?？茖W、系統、客觀地對輪式車輛高原環境適應性進行綜合評價,需要綜合運用環境適應性機理分析、高原試驗等手段。

3)通過應用層次分析法和模糊數學等基本理論知識,把輪式車輛在高原環境下的適應性評價問題,通過數學方法,將一個主觀性的問題表征為一個客觀的數學問題,從而實現對車輛客觀統一的高原適應性評價。對于高原地區輪式車輛的論證、選型、評價等工作的開展提供了一定的理論依據。

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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,主要研究方向為動力機械高原環境適應性試驗與評價。

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,主要研究方向為動力機械環境適應性。