基于層次分析法的商用車經濟性主要影響因素權重分析

劉偉，雷穎?，張衡，李冀（東風商用車技術中心，武漢，430056）

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基于層次分析法的商用車經濟性主要影響因素權重分析

劉偉，雷穎?，張衡，李冀
（東風商用車技術中心，武漢，430056）

摘 要：燃油經濟性是車輛使用特性中的重要指標之一。本文首先從特性正向開發的角度，利用層次分析法，確定燃油經濟性影響因素間的層次關系，建立判斷矩陣，對影響車輛燃油經濟性的主要因素權重進行分解。然后以某車型為研究對象，通過cruise軟件仿真加以驗證，結果表明：車輛燃油經濟性的主要因素權重分解合理，為燃油經濟性開發目標分解提供了理論和實踐依據，提升了整車經濟性開發的工作效率。

關鍵詞：經濟性；權重；層次分析法

劉 偉畢業于湖北汽車工業學院，大學本科學歷。現任東風商用車技術中心商品開發部主管工程師，從事整車特性分解和達成研究、整車總布置和動力性經濟性匹配。主要完成東風天錦平臺載貨類車型開發、D530項目協調管理和QCDF達成工作。

1 概述

隨著國家《重型商用車輛燃油消耗量限值》等法規標準的頒布實施，商用車用戶燃油支出占車輛使用費用的比例上升，導致用戶對車輛經濟性訴求的提高，促使各汽車生產企業需要就如何提升汽車經濟性降低燃油消耗進一步采取措施。

汽車等速百公里燃油消耗量為：

式中，C 為常數；F為行駛阻力，F=FT+FW；ηT為總傳動效率。

由上式可知，等速百公里燃油消耗量與等速行駛時的行駛阻力和發動機燃油消耗率成正比，與傳動效率成反比。車輛勻速行駛是主要行駛阻力包括滾動阻力和空氣阻力。下面就影響商用車經濟性主要影響因素加以綜述及分析，檢討各因素所占權重。

2　經濟性主要影響因素分析

2.1 發動機及系統

發動機是車輛正常運行的核心部件。燃油燃燒所產生總的化學能以及發動機機械和熱能的損耗所占比例，都對車輛的燃油消耗產生重大的影響，故發動機對車輛燃油經濟性的好壞起著決定性作用。另外發動機附件功的大小是影響車輛燃油經濟性的一個方面。

2.2 滾動阻力

滾動阻力是車輛行駛阻力之一，大約消耗發動機燃油燃燒發出功率的6%[1]。主要是由于輪胎結構的遲滯損失引起的，輪胎滾動阻力越小，燃油經濟性越好。輪胎滾動阻力主要受輪胎類型、輪胎胎壓、輪胎花紋等的影響。

2.3 空氣阻力

車輛在運行過程中所需的驅動力很大一部分是用來克服空氣阻力，空氣阻力是車輛運動時車身與空氣發生摩擦所產生的阻力。

式中，CD為空氣阻力系數，A 為迎風面積，ua為無風時汽車行駛車速。

由式可知，車輛的空氣阻力受車身面積、風阻系數和車速等的影響。為了提高車輛的燃油經濟性，需優化車身設計，降低空氣阻力。

2.4 傳動系統

商用車的傳動系統主要包括離合器、變速器、驅動橋等。傳動系效率越高，傳遞動力的過程中能量損失就越小，車輛的經濟性就越好。保證良好的潤滑，可減少傳動系運動部件之間的摩擦而增加傳動效率，降低燃油消耗量。

2.5 車輛自重

商用車等速百公里燃油消耗量與行駛時的行駛阻力成正比， 而行駛時行駛阻力可以表示為：

式中，G 為車輛自重，f 為滾動阻力系數，i為坡度，CD為空氣阻力系數，A為迎風面積，ua為無風時汽車行駛車速。

由式可以看出，車輛等速行駛時的坡度阻力和空氣阻力與車輛總質量有關。車輛總質量越大，車輛所受的坡道、滾動阻力越大，車輛運行時所需克服的阻力就越大，消耗的燃油也就越多。

當然，車輛GVW（汽車總質量）一定的情況下不影響整車經濟性，但更低的車輛自重會給用戶帶來更多的載貨量，降低單位載貨量的燃油消耗，提升運輸效率降低運輸成本。

2.6 駕駛能力

駕駛員是車輛的操縱者，車輛的起步、加速、選換擋以及速度控制等都與駕駛員的駕駛習慣和技術有決定性的關系，因此駕駛員的駕駛能力也是決定車輛燃油經濟性好壞的重要因素之一。研究表明：駕駛員的駕駛操作行為對汽車燃油消耗量的影響非常顯著，即使是職業駕駛員，不同的駕駛操作行為也會導致汽車燃油消耗量相差7%～25%[1]。

3　影響因素權重分析

影響經濟性的因素眾多，各種因素之間關系錯綜復雜，那么確定出主要影響因素的權重對于商用車經濟性的正向開發具有重要意義。

3.1 層次分析法

在本文中，采用層次分析法[5]來對經濟性主要影響因素的權重來進行確定。

層次分析法是一種系統分析方法，它適用于將結構錯綜復雜、模糊不清的相互關系轉化為定量分析。其特點是在對復雜決策問題的本質、影響因素以及內在關系進行深入分析之后，構建一個層次結構模型，然后利用較少的定量信息，把決策的思維過程數學化，從而為求解多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供一種簡便方法。在進行經濟性指標權重的設定中，可以通過選定典型的干系人專家，采用層次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)對其進行主觀評價。評價過程主要包括如下兩個步驟。

3.1.1 評價人選擇

采用項目管理中干系人分析法選擇3-5個專家參與指標權重的評價。干系人指積極參與項目或其利益可能受項目實施或完成的積極或消極影響的個人或組織[4]。在商用車整車經濟性的設計過程中，干系人通常包括整車開發人員、系統開發人員、試驗人員。在確定評價人員時，可以在這3個領域中選擇。

3.1.2 權重計算

通常層次分析法把所要研究的問題分解為不同的組成因素，然后根據總目標要求，按照各個因素之間的相互關聯影響以及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層有序遞階的層次結構圖。然后兩兩比較每一層次中各因素相對于上一層目標的相對重要程度，構造出兩兩比較的判斷矩陣。層次分析法包括如下步驟：

1) 根據具體指標之間重要性的相對程度，設定判定矩陣標度，包括標度范圍和極差，見表1。

2) 分析系統中各因素之間關系，建立層次結構模型。

表1　判斷矩陣標度及其意義

請專家針對每個層級中的指標進行打分，構建出判斷矩陣A，并進行一致性檢驗。判斷矩陣的一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI之比稱為隨機一致性比率，記作CR，即CR = CI/RI規定當CR<0.1時，認為判斷矩陣具有令人滿意的一致性；否則，就需要調整判斷矩陣，使其滿足CR<0.1。一致性檢驗的步驟如下：

① 矩陣的元素按列歸一化計算：

② 將按列歸一化后的元素按行相加計算：

③ 同理將按行相加計算得到的列元素歸一化，計算權重系數：

④ 計算矩陣的最大特征值 λmax；

⑤ 計算一致性指標：

從表2中查找隨機一致性指標RI[6]，計算相對一致性指標CR = CI/RI。

表2　平均一致性隨機RI表

對每位專家的打分進行加權平均，形成最終的目標權重。

3.2 主要影響因素權重分解

3.2.1 因素分級

根據影響車輛經濟性6大主要因素和子因素進行分級，見表3。

3.2.2 因素權重分解

根據從事經濟性開發和試驗干系人分析結果，在整車開發人員中選擇了兩位專家，試驗人員中選擇了一位專家進行因素權重的層次分析。

其中一位專家的的判斷矩陣及按前述方法計算的權重如表4~表12所示。并計算一致性比率CR，進行一致性檢驗。

表3　車輛經濟性主要影響因素分級

表4　一級要因判斷矩陣及權重

表5　發動機及系統因素判斷矩陣及權重

表6　空氣阻力因素判斷矩陣及權重

表7　傳動系統判斷矩陣及權重

表8　駕駛能力判斷矩陣及權重

表9　發動機總成判斷矩陣及權重

表10　發動機系統及附件判斷矩陣及權重

表11　車輪總成判斷矩陣及權重

表12　駕駛室風阻系數判斷矩陣及權重

同理計算其他專家單一因素下各指標的相對權重，并進行一致性檢驗。然后對同一指標下的三位工程師的評分取算術平均作為單個指標的權重，得到表13：

表13　經濟性主要影響因素權重表

4　驗證及應用

由于試驗誤差在3%左右，第三級部分要因缺少相應試驗條件和數據，故下面主要以第一、二要因方面進行仿真驗證。

在2.5節中說明GVW一定的情況下，車輛自重對經濟性沒有影響，這里不再進行驗證，因此調整一級要因權重，結果見表14：

表14　調整一級要因判斷矩陣及權重

某車型在開發之初設定經濟性目標在基礎車型水平上提升6%。將一二級要因權重整合后，確定主要因素分解指標見下表15：

表15　某車型經濟性指標分解

4.1 動機總成影響

以200g/kw·h比油耗線為基準優化2.3%，即將200 g/k w·h比油耗線擴大至2 0 4g/kw·h范圍，見圖1。在cruise中仿真得到表16，可見油耗可優化2.21%。

表16　發動機比油耗線優化后經濟性提升效果

圖1　比油耗優化建議

4.2 發動機附件功影響

以采用電控風扇為例，降低功率消耗對油耗的貢獻見表17，可見功耗降低10%可提升經濟性0.55%。

表17　附件功對經濟性貢獻效果

4.3 滾動阻力影響

只調整輪胎的滾動阻力系數進行仿真，分別優化10%，20%，30%對油耗貢獻見圖2，可見滾動阻力系數優化約6.5%，80km/h等速油耗可提升1.2%。

圖2　滾動阻力對經濟性影響趨勢

4.4 空氣阻力影響

只調整整車空氣阻力系數進行仿真，優化0.5%，1.5%，3%對油耗貢獻見圖3，可見空氣阻力系數優化約1.78%，80km/h等速油耗可提升0.5%。

圖3　空氣阻力對經濟性影響趨勢

4.5 傳動系統影響

以某車型常用檔位，常用車速下，在cruise軟件中不改變傳動系統匹配條件下調整傳動系統效率仿真得到表18的數據，可見效率每提升1%，可獲得約0.8%的油耗改善。

表18　傳動效率提升對經濟性影響效果

4.6 駕駛能力影響

前面第2.6節中已經指出相關研究表明同的駕駛操作行為會導致汽車燃油消耗量相差7%～25%，這里通過層次分析法的打分將其權重確定為16.3%，為平均水平。表19是某車型對發動機部分負荷特性進行優化對用戶駕駛習慣干預后統計得到的節油效果。

表19　某車型干預駕駛習慣后的節油效果

經過以上仿真分析和驗算，證明按主要因素權重對該車型的經濟性提升指標的分解是合理并可行的。

基于國內現有技術水平，針對以上經濟性影響因素，可采用表20中列舉技術進行商用車經濟性的改善和提升。

表20　針對經濟性影響因素的改善和提升技術列舉

5　結論

車輛經濟性是整車特性開發中較為重要的特性之一，從特性正向開發角度，在接收到用戶對車輛經濟性（油耗）訴求的輸入后，如何有效的科學的進行經濟性開發目標的轉化和分解，是正向開發流程中較為重要的一個環節。本文針對商用車整車動經濟性主要影響因素，采用管理學、統計學的相關理論進行了較為系統性的研究，確定了各要因的權重指標，可為達成經濟性目標指出有效的工作方向，改善整車經濟性開發的工作效率。

由于試驗精度目前不能對全部影響因素進行權重的確定和驗證，同時相關提升經濟性技術的應用開發除了滿足特性的需求外，還需要考慮技術的實施難度和對整車成本的影響，所以后續需要就各因素的提升技術難易度和成本進行綜合研究，以尋找更加高效、更加有成本競爭力的綜合性權重分解。

參考文獻：

[1]孟興凱、張志芳、曾誠、陽冬波，影響貨運車輛燃料經濟性因素分析，交通節能與環保,2013(5):79-81.

[2]（德）米奇克、瓦倫托維茲(著)，陳萌三、余強(譯)，汽車動力學(第四版)，北京：清華大學出版社，2009.

[3]余志生，汽車理論(第5版)[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4](美)項目管理協會 ，項目管理知識體系指南(PMBOK指南)第四版 ，北京 ：電子工業出版社，2009 :23-24.

[5]劉新憲、朱道立，選擇與判斷—AHP(層次分析法)決策[M]，上海：上海科學普及出版社，1990:44-55.

[6]刑如飛、管欣、田承偉、宗長富、劉立國，汽車操縱穩定性主觀評價指標權重確定方法[J]，吉林大學學報，2009(3):33-37.

中圖分類號：U462.3+4

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2016）02-0029-08

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.005

收稿日期：2015-11-16

Weight Analyse Of Comercial Vehicle Economy Factors Based on AHP

LIU Wei, LEI Ying-jie, ZHANG Heng, LI Ji
( Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center, Wuhan 430056, China )

Abstract:Fuel economy is one of the important indexes in the use characteristics for the vehicle. In this paper, firstly the hierarchy relation between influence factors for fuel economy was determined by the analytic hierarchy process from the angle of the positive characteristic development, and the judgment matrix was built, and the main factors weight for the vehicle’s fuel economy was decomposed. And the simulation software cruise was used to verify the influence factors weight for certain kind of vehicle. The results showed that the main factors weight decomposition for vehicle’s fuel economy was reasonable, which provided the theoretical & practical basis for the development target decomposition of fuel economy, and the work efficiency of the vehicle fuel economy was promoted.

Key Words:Fuel economy; Factor weight; AHP