刘伟，雷颖㛃，张衡，李冀（东风商用车技术中心，武汉，430056）



基于层次分析法的商用车经济性主要影响因素权重分析

刘伟，雷颖㛃，张衡，李冀
（东风商用车技术中心，武汉，430056）

摘 要：燃油经济性是车辆使用特性中的重要指标之一。本文首先从特性正向开发的角度，利用层次分析法，确定燃油经济性影响因素间的层次关系，建立判断矩阵，对影响车辆燃油经济性的主要因素权重进行分解。然后以某车型为研究对象，通过cruise软件仿真加以验证，结果表明：车辆燃油经济性的主要因素权重分解合理，为燃油经济性开发目标分解提供了理论和实践依据，提升了整车经济性开发的工作效率。

关键词：经济性；权重；层次分析法

刘 伟毕业于湖北汽车工业学院，大学本科学历。现任东风商用车技术中心商品开发部主管工程师，从事整车特性分解和达成研究、整车总布置和动力性经济性匹配。主要完成东风天锦平台载货类车型开发、D530项目协调管理和QCDF达成工作。

1 概述

随着国家《重型商用车辆燃油消耗量限值》等法规标准的颁布实施，商用车用户燃油支出占车辆使用费用的比例上升，导致用户对车辆经济性诉求的提高，促使各汽车生产企业需要就如何提升汽车经济性降低燃油消耗进一步采取措施。

汽车等速百公里燃油消耗量为：

式中，C 为常数；F为行驶阻力，F=FT+FW；ηT为总传动效率。

由上式可知，等速百公里燃油消耗量与等速行驶时的行驶阻力和发动机燃油消耗率成正比，与传动效率成反比。车辆匀速行驶是主要行驶阻力包括滚动阻力和空气阻力。下面就影响商用车经济性主要影响因素加以综述及分析，检讨各因素所占权重。

2　经济性主要影响因素分析

2.1 发动机及系统

发动机是车辆正常运行的核心部件。燃油燃烧所产生总的化学能以及发动机机械和热能的损耗所占比例，都对车辆的燃油消耗产生重大的影响，故发动机对车辆燃油经济性的好坏起着决定性作用。另外发动机附件功的大小是影响车辆燃油经济性的一个方面。

2.2 滚动阻力

滚动阻力是车辆行驶阻力之一，大约消耗发动机燃油燃烧发出功率的6%[1]。主要是由于轮胎结构的迟滞损失引起的，轮胎滚动阻力越小，燃油经济性越好。轮胎滚动阻力主要受轮胎类型、轮胎胎压、轮胎花纹等的影响。

2.3 空气阻力

车辆在运行过程中所需的驱动力很大一部分是用来克服空气阻力，空气阻力是车辆运动时车身与空气发生摩擦所产生的阻力。

式中，CD为空气阻力系数，A 为迎风面积，ua为无风时汽车行驶车速。

由式可知，车辆的空气阻力受车身面积、风阻系数和车速等的影响。为了提高车辆的燃油经济性，需优化车身设计，降低空气阻力。

2.4 传动系统

商用车的传动系统主要包括离合器、变速器、驱动桥等。传动系效率越高，传递动力的过程中能量损失就越小，车辆的经济性就越好。保证良好的润滑，可减少传动系运动部件之间的摩擦而增加传动效率，降低燃油消耗量。

2.5 车辆自重

商用车等速百公里燃油消耗量与行驶时的行驶阻力成正比， 而行驶时行驶阻力可以表示为：

式中，G 为车辆自重，f 为滚动阻力系数，i为坡度，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为无风时汽车行驶车速。

由式可以看出，车辆等速行驶时的坡度阻力和空气阻力与车辆总质量有关。车辆总质量越大，车辆所受的坡道、滚动阻力越大，车辆运行时所需克服的阻力就越大，消耗的燃油也就越多。

当然，车辆GVW（汽车总质量）一定的情况下不影响整车经济性，但更低的车辆自重会给用户带来更多的载货量，降低单位载货量的燃油消耗，提升运输效率降低运输成本。

2.6 驾驶能力

驾驶员是车辆的操纵者，车辆的起步、加速、选换挡以及速度控制等都与驾驶员的驾驶习惯和技术有决定性的关系，因此驾驶员的驾驶能力也是决定车辆燃油经济性好坏的重要因素之一。研究表明：驾驶员的驾驶操作行为对汽车燃油消耗量的影响非常显著，即使是职业驾驶员，不同的驾驶操作行为也会导致汽车燃油消耗量相差7%～25%[1]。

3　影响因素权重分析

影响经济性的因素众多，各种因素之间关系错综复杂，那么确定出主要影响因素的权重对于商用车经济性的正向开发具有重要意义。

3.1 层次分析法

在本文中，采用层次分析法[5]来对经济性主要影响因素的权重来进行确定。

层次分析法是一种系统分析方法，它适用于将结构错综复杂、模糊不清的相互关系转化为定量分析。其特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素以及内在关系进行深入分析之后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，从而为求解多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供一种简便方法。在进行经济性指标权重的设定中，可以通过选定典型的干系人专家，采用层次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)对其进行主观评价。评价过程主要包括如下两个步骤。

3.1.1 评价人选择

采用项目管理中干系人分析法选择3-5个专家参与指标权重的评价。干系人指积极参与项目或其利益可能受项目实施或完成的积极或消极影响的个人或组织[4]。在商用车整车经济性的设计过程中，干系人通常包括整车开发人员、系统开发人员、试验人员。在确定评价人员时，可以在这3个领域中选择。

3.1.2 权重计算

通常层次分析法把所要研究的问题分解为不同的组成因素，然后根据总目标要求，按照各个因素之间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层有序递阶的层次结构图。然后两两比较每一层次中各因素相对于上一层目标的相对重要程度，构造出两两比较的判断矩阵。层次分析法包括如下步骤：

1) 根据具体指标之间重要性的相对程度，设定判定矩阵标度，包括标度范围和极差，见表1。

2) 分析系统中各因素之间关系，建立层次结构模型。

表1　判断矩阵标度及其意义

请专家针对每个层级中的指标进行打分，构建出判断矩阵A，并进行一致性检验。判断矩阵的一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率，记作CR，即CR = CI/RI规定当CR<0.1时，认为判断矩阵具有令人满意的一致性；否则，就需要调整判断矩阵，使其满足CR<0.1。一致性检验的步骤如下：

① 矩阵的元素按列归一化计算：

② 将按列归一化后的元素按行相加计算：

③ 同理将按行相加计算得到的列元素归一化，计算权重系数：

④ 计算矩阵的最大特征值 λmax；

⑤ 计算一致性指标：

从表2中查找随机一致性指标RI[6]，计算相对一致性指标CR = CI/RI。

表2　平均一致性随机RI表

对每位专家的打分进行加权平均，形成最终的目标权重。

3.2 主要影响因素权重分解

3.2.1 因素分级

根据影响车辆经济性6大主要因素和子因素进行分级，见表3。

3.2.2 因素权重分解

根据从事经济性开发和试验干系人分析结果，在整车开发人员中选择了两位专家，试验人员中选择了一位专家进行因素权重的层次分析。

其中一位专家的的判断矩阵及按前述方法计算的权重如表4~表12所示。并计算一致性比率CR，进行一致性检验。

表3　车辆经济性主要影响因素分级

表4　一级要因判断矩阵及权重

表5　发动机及系统因素判断矩阵及权重

表6　空气阻力因素判断矩阵及权重

表7　传动系统判断矩阵及权重

表8　驾驶能力判断矩阵及权重

表9　发动机总成判断矩阵及权重

表10　发动机系统及附件判断矩阵及权重

表11　车轮总成判断矩阵及权重

表12　驾驶室风阻系数判断矩阵及权重

同理计算其他专家单一因素下各指标的相对权重，并进行一致性检验。然后对同一指标下的三位工程师的评分取算术平均作为单个指标的权重，得到表13：

表13　经济性主要影响因素权重表

4　验证及应用

由于试验误差在3%左右，第三级部分要因缺少相应试验条件和数据，故下面主要以第一、二要因方面进行仿真验证。

在2.5节中说明GVW一定的情况下，车辆自重对经济性没有影响，这里不再进行验证，因此调整一级要因权重，结果见表14：

表14　调整一级要因判断矩阵及权重

某车型在开发之初设定经济性目标在基础车型水平上提升6%。将一二级要因权重整合后，确定主要因素分解指标见下表15：

表15　某车型经济性指标分解

4.1 动机总成影响

以200g/kw·h比油耗线为基准优化2.3%，即将200 g/k w·h比油耗线扩大至2 0 4g/kw·h范围，见图1。在cruise中仿真得到表16，可见油耗可优化2.21%。

表16　发动机比油耗线优化后经济性提升效果

图1　比油耗优化建议

4.2 发动机附件功影响

以采用电控风扇为例，降低功率消耗对油耗的贡献见表17，可见功耗降低10%可提升经济性0.55%。

表17　附件功对经济性贡献效果

4.3 滚动阻力影响

只调整轮胎的滚动阻力系数进行仿真，分别优化10%，20%，30%对油耗贡献见图2，可见滚动阻力系数优化约6.5%，80km/h等速油耗可提升1.2%。

图2　滚动阻力对经济性影响趋势

4.4 空气阻力影响

只调整整车空气阻力系数进行仿真，优化0.5%，1.5%，3%对油耗贡献见图3，可见空气阻力系数优化约1.78%，80km/h等速油耗可提升0.5%。

图3　空气阻力对经济性影响趋势

4.5 传动系统影响

以某车型常用档位，常用车速下，在cruise软件中不改变传动系统匹配条件下调整传动系统效率仿真得到表18的数据，可见效率每提升1%，可获得约0.8%的油耗改善。

表18　传动效率提升对经济性影响效果

4.6 驾驶能力影响

前面第2.6节中已经指出相关研究表明同的驾驶操作行为会导致汽车燃油消耗量相差7%～25%，这里通过层次分析法的打分将其权重确定为16.3%，为平均水平。表19是某车型对发动机部分负荷特性进行优化对用户驾驶习惯干预后统计得到的节油效果。

表19　某车型干预驾驶习惯后的节油效果

经过以上仿真分析和验算，证明按主要因素权重对该车型的经济性提升指标的分解是合理并可行的。

基于国内现有技术水平，针对以上经济性影响因素，可采用表20中列举技术进行商用车经济性的改善和提升。

表20　针对经济性影响因素的改善和提升技术列举

5　结论

车辆经济性是整车特性开发中较为重要的特性之一，从特性正向开发角度，在接收到用户对车辆经济性（油耗）诉求的输入后，如何有效的科学的进行经济性开发目标的转化和分解，是正向开发流程中较为重要的一个环节。本文针对商用车整车动经济性主要影响因素，采用管理学、统计学的相关理论进行了较为系统性的研究，确定了各要因的权重指标，可为达成经济性目标指出有效的工作方向，改善整车经济性开发的工作效率。

由于试验精度目前不能对全部影响因素进行权重的确定和验证，同时相关提升经济性技术的应用开发除了满足特性的需求外，还需要考虑技术的实施难度和对整车成本的影响，所以后续需要就各因素的提升技术难易度和成本进行综合研究，以寻找更加高效、更加有成本竞争力的综合性权重分解。

参考文献：

[1]孟兴凯、张志芳、曾诚、阳冬波，影响货运车辆燃料经济性因素分析，交通节能与环保,2013(5):79-81.

[2]（德）米奇克、瓦伦托维兹(著)，陈萌三、余强(译)，汽车动力学(第四版)，北京：清华大学出版社，2009.

[3]余志生，汽车理论(第5版)[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4](美)项目管理协会 ，项目管理知识体系指南(PMBOK指南)第四版 ，北京 ：电子工业出版社，2009 :23-24.

[5]刘新宪、朱道立，选择与判断—AHP(层次分析法)决策[M]，上海：上海科学普及出版社，1990:44-55.

[6]刑如飞、管欣、田承伟、宗长富、刘立国，汽车操纵稳定性主观评价指标权重确定方法[J]，吉林大学学报，2009(3):33-37.

中图分类号：U462.3+4

文献标识码：A

文章编号：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