颜筱红　刘存香

(广西交通职业技术学院， 南宁 530023)



层次分析法在电控发动机怠速不良诊断中的应用分析及改进

颜筱红刘存香

(广西交通职业技术学院， 南宁 530023)

摘要：通过比较相关文献在层次结构模型、判断基准、判断矩阵类型、一致性检验方法及对不完全层次结构模型的权重处理等方面的差异，进一步阐述层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用特点。同时，针对在故障因素的描述、处理故障诊断因素时的不确定性以及专家判断的模糊性等方面存在的问题，把区间数层次分析法应用于电控发动机怠速不良故障诊断中，给出了基本的应用步骤，为汽车故障诊断技术的研究提供借鉴。

关键词：层次分析法； 发动机； 怠速不良； 故障诊断

层次分析法是一种定性与定量相结合的多属性决策方法。自20世纪70年代初由美国运筹学家Saaty提出以来，由于其在处理复杂决策问题上的实用性和有效性而得到广泛的应用。它的基本方法是通过因素间的两两比较建立判断矩阵, 然后根据判断矩阵计算排序向量[1]。电控发动机怠速不良是汽车维修中遇到的频率较高的故障现象。随着我国国民经济的高速增长以及汽车、电子、计算机等高新技术的迅速发展，电控发动机怠速不良等汽车故障检测诊断技术得到了快速提升，并向智能化和信息化方向发展。韦皓等人分别将层次分析法应用于电控发动机怠速不良故障诊断中，得到了故障诊断的排序结果[2-3]。本次研究在分析其差异的基础上，进一步阐述层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用特点，并介绍区间数层次分析法的应用步骤，为汽车故障诊断提供参考依据。

1应用实证分析

1.1构建层次结构模型的差异

构建层次结构模型是运用层次分析法进行综合评价的关键。韦皓等人运用故障树分析法，从电控发动机怠速不良故障的外在特征出发，建立了层次结构模型，逻辑清晰地分析故障的内因；而文献[2]则由经验和知识丰富、判断力强的汽车维修专家采用经验法分析电控发动机怠速不良故障因素，并系统归类，构建故障的递阶层次模型。2种方法所构建的电控发动机怠速不良故障的递阶层次模型如图1所示。图中：

图1　电控发动机怠速不良故障的递阶层次模型

目标层，包括电控发动机怠速不良故障诊断(M)；

准则层，包括怠速不稳(A1)、怠速偏高(A2)、怠速偏低(A3)；

方案层，包括空气滤清器堵塞(C1)、进气管漏气(C2)、节气门拉线调整不当(C3)、燃油压力过高或过低(C4)、喷油器滴漏或堵塞(C5)、燃油泵故障(C6)、燃油滤清器损坏(C7)、怠速执行器故障(脏、卡、滞、坏)(C8)、水温传感器故障(C9)、空气流量(或进气歧管绝对压力)传感器故障(C10)、节气门位置传感器故障或其插头接触不良(C11)、ECU故障(C12) 、三元催化剂堵塞(C13) 、点火提前角失准(C14) 、气缸压力低 ( C15)。

1.2建立判断矩阵的差异

在建立层次结构模型的基础上，需要汽车维修专家依据判断基准，对故障因素进行两两比较，构建判断矩阵，以确定故障因素的重要程度。常用的判断基准有1 — 9标度法[2]和0 — 1标度法[3-4]，并采用互反、互补2种不同类型的判断矩阵表示故障因素的两两比较结果。

表1　判断矩阵对比表

1.3计算权重和一致性检验的差异

权重反映了故障因素的重要程度，是排序的量化依据。因此，在建立判断矩阵的基础上，需要计算相对权重和组合权重。又由于判断矩阵的元素易受专家主观因素如经验、知识等因素的影响，故为了保证判断结果在总体上保持一致，还需对判断矩阵进行一致性检验[5-6]。若一致性检验不通过，则需修正判断矩阵。文献[2]采用了传统的层次分析法的计算方法，但忽略了不完全层次结构对权重的影响。而文献[3]则采用了互补判断矩阵的一致性结论，不仅利用了其简洁的排序公式计算权重，还避免了判断矩阵的修正问题。此外，还针对问题属于不完全层次结构的情况，修正了权重，使权重更符合实际情况。

1.4排序结果的差异

文献[2] 和文献[3]经过上述计算步骤，都给出了电控发动机怠速不良故障诊断因素排序。从排序情况分析，文献[2] 和文献[3]在排序前6位的故障因素，只有一位不相同，而后9位排序中基本都是相差一位。分析其主要原因是文献[2]在排序中第4位采用了并列方式并忽略修正问题所致。因此，从总体上看：文献[2] 和文献[3]所得到的电控发动机怠速不良故障诊断因素排序基本是一致的。

表2　权重计算对比表

表3　故障诊断因素排序结果对比表

2应用方法改进

在应用层次分析法时，无论是文献[2] 还是文献[3]都用了一个确定的数表示故障因素的两两比较结果；但由于汽车故障信息的复杂性、不确定性以及专家认知思维的模糊性，相对于确定的数而言，用区间数来描述模糊的两两判断较合理且更易被决策者所接受[7]。因此，把区间数层次分析法应用到电控发动机怠速不良故障诊断中，可使故障诊断更合理和符合实际情况。区间数层次分析法的具体步骤[8-12]如下：

第一步，建立电控发动机怠速不良故障诊断的层次结构模型。此方法类似层次分析法。

第二步，构造区间数判断矩阵。从层次结构模型的第二层开始，选择合理的尺度法为判断基准，由汽车维修专家对于从属于(或影响及)上一层每个因素的同一层的各因素进行两两比较，给出以区间数表示的因素相对重要性度量结果，构造区间数为互反判断矩阵，直到最下层。

区间数互反判断矩阵A=(aij)n×n，对任意i,j=1,2,…,n，有：

(2)aij=1aji=[1；

(3)aii=[1,1]=1。

由此，汽车维修专家只需做出区间数互反判断矩阵中上三角元素值的判断即可。

第三步，计算单一准则下的权重。区间数判断矩阵权重的计算方法较多，如特征根法、 最小偏差法、对数最小二乘法、迭代法等等。在此介绍区间特征根法[13]：

(2)求区间权重因子：

(1)

开展判断矩阵的一致性检验。当k>1或m<1时，该区间数判断矩阵一致性较差，需要对其进行校正。

(3)确定区间数权重：X=[kx-,mx+]。

第四步，计算组合权重。根据各单层的权重，最底层故障因素i相对于目标层的权重为：

(2)

其中：xji为某方案层相对其上准则层j的权重;λj为准则层j相对于目标层的权重。

第五步，确定区间数权重的排序。为比较区间数的排序，介绍基于可能度的区间数排序法[13-16]。

首先，利用可能度计算公式，对区间数vi进行两两比较，并求出其相应的可能度pij，从而建立的可能度矩阵P=(pij)n×n为模糊互补判断矩阵。

可能度计算公式：

(3)

其中区间数a=[a-,a+],b=[b-,b+]，la=a+-a-，lb=b+-b-。

其次，利用模糊互补判断矩阵权重公式

(4)

得到权重的数字排序向量W=(ω1,ω2,…,ωn)。由此，根据ωi值的大小得到各故障因素的排序。

3结语

通过比较相关文献，进一步说明了层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用特点，分析了在故障诊断模型、判断基准、权重计算方面的差异。此外，把区间数层次分析法应用于电控发动机怠速不良的故障诊断中，并给出了应用的基本步骤，为汽车故障诊断技术研究提供参考。

参考文献

[1] 姜起源,谢金星,叶俊．数学模型[M]．北京：高等教育出版社，2003：224-244．

[2] 韦皓,彭朝晖,刘存香．层次分析法在电控发动机怠速不良故障诊断中的应用[J].小型内燃机与摩托车,2011,40(3)：83-87．

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Application and Improvement of Analytic Hierarchy Process to Poor Idling Speed Fault Diagnosis of Electrically Controlled Engine

YANXiaohongLIUCunxiang

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications, Nanning 530023, China)

Abstract:By comparing the differences in hierarchical structure model, judgment benchmark, types of judgment matrix, testing method for consistency and weight processing of incomplete hierarchical structure model, the paper further illustrates the application characteristics of analytic hierarchy process in the fault diagnosis of poor idling speed on electronically controlled engine. Meanwhile, based on the description of fault factors and the problems existing in the uncertainty of dealing with fault diagnosis factors and in the fuzziness of experts′ judging, the interval numbers analytic hierarchy process is introduced into the fault diagnosis of poor idling speed for electronically controlled engine. And this paper also gives the basic application steps, providing reference for the research of automotive fault diagnosis technology.

Key words:analytic hierarchy process; engine; poor idling speed; fault diagnosis

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0095-04

中图分类号：U464

作者简介：颜筱红(1965 — )女，广西横县人，教授，研究方向为预测与决策学。

基金项目：广西高校科研课题“基于模糊多属性决策方法的汽车电控发动机怠速不良故障诊断研究”(201204LX603)；2010年广西交通职业技术学院重点课题“合作文化视域下高职院校数学建模教学团队建设的探索”(JZY2010A2)

收稿日期：2015-09-25