基于层次分析法的清障救援车模块划分技术研究*

陈 兵 刘 昌 莫 威 张利杰

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

近10年以来，随着经济的发展以及社会的进步，加快了道路交通基础设施建设，也带动了汽车行业的发展，中国汽车产销量增长迅速，2016年的中国汽车产销量已经高达2 800万辆，同时，截止2016年，中国汽车保有量已经高达1.94亿辆。汽车产业的快速发展也导致道路车辆事故(或故障)救援、城市违章车辆处置以及自然灾害抢险救援等社会需求急速增长，对清障救援车的需求日益增大。然而，我国清障车行业起步较晚，在产品设计过程中缺乏成熟的产品顶层设计架构和系统性指导，主要依靠仿制国外的产品，自主研发能力差，设计思路及设计理念迟滞不前，导致产品质量较低、性能较差，严重阻碍了我国清障救援车行业的发展。

针对上述情况，国内科研机构对清障救援车开展了如新型材料、智能化等多领域的技术创新，但在设计制造理论上的突破相对较少。模块化设计方法是近年来在工业领域中应用较广的现代设计方法理论[1]，目的是将产品根据不同的要求划分为一系列的模块单元，并通过不同模块的组合满足不同客户需求，是解决产品品种、规格、生产周期等与成本之间矛盾的重要方法。模块化设计主要包括了模块划分和模块组合两方面的内容，模块划分是实现清障救援车模块化的基础，对清障救援车开展模块划分方法研究具有重要意义。

目前已有很多学者对不同的机械产品进行了多方面的模块划分方法技术研究[2]。刘宏洋[3]等人针对泵车产品，构建功能、结构映射分类树，划分出泵车的基本模块、必选模块和可选模块；高羡明[4]等人综合考虑了数控机床功能元间的功能、装配、空间等多个相关准则，构建功能元相关度矩阵，并采用谱系聚类法实现了数控机床的模块划分；郏维强[5]等人发展了一种模糊证据推理算法，量化表达了零件间综合关联关系，并引入粒子群算法对复杂机械产品的最优模块划分方案进行了求解；Suiran Yuo[6]等人考虑了产品与整个生命周期相关的属性，通过最大化模块内各零件间的交互关系，构建模块化对象的自适应聚类函数模型，并采用种群遗传算法(GGA)对模块进行了划分；Shana Smith[7]在影响模块划分的传统关联准则基础上加入了绿色设计准则的思想，并提出一种利用原子理论概念来解决绿色产品设计的模块规划方法。

从国内外文献调研中发现模块划分技术已从早期的根据功能结构关系划分模块发展为针对不同模块化对象，融合多学科思想的全生命周期多维属性决策，但目前我国对清障救援车辆多关联属性的模块划分技术的研究几乎为空白。

本文针对现有清障救援车系列产品设计理念陈旧且功能模块划分原则模糊的现状，基于模块化理论，运用层次分析法和模糊聚类方法，充分考虑影响清障救援车模块划分的关键因素，建立适应于清障救援车的多维模块划分准则，提出合理的清障救援车模块划分方法，并通过分析模块间耦合关系建立了优化模块划分结果的数学模型，实现了对模块划分结果的科学评估，最后用重型清障救援车模块划分案例验证了所提出方法正确性。

1 清障救援车的模块划分准则

清障救援车作为一种多功能、系列化的公路救援清障设备，可对在公路上发生故障、事故的车辆进行救援、清障工作。清障救援车作为典型复杂专用车辆的一种，对其从不同角度进行模块划分可以得到不同的模块划分结果，而合理的模块划分是实现模块化设计及制造的必要条件。为得到更为准确、独立性更强的模块划分方案，应依据清障救援车的功能、结构映射关系，全方面考虑清障救援车在其全生命周期中所面临的影响因素，包括功能、性能、几何结构、零件联接、材料关系、零部件装配、成本等设计要素，故将清障救援车的划分规则按照其在生命周期中不同时期的主要特点分为设计特征属性、装配特征属性和使用特征属性，具体可细分为如图1所示7个子相关特性。

1.1 设计特征属性

1.1.1 功能特征相关性Pfun

清障救援车的功能实现与各个零部件的作用直接相关，故将零部件对整体功能的作用称为零部件的功能特征。在清障救援车的模块划分中，功能特征的相关性是决定模块划分结果的关键因素，因此零部件功能相关性是设计特征准则中最重要的组成部分。功能特征的相关性体现在两个零部件在完成同一项功能时的协同程度，例如，车轮跟底盘传动系统在完成走行功能时是缺一不可的，所以被认为具有很强的功能相关性，对功能特征相关性的描述及其量化体系如表1所示。

1.1.2 结构特征相关性Pstr

结构是功能实现的载体，结构特征的相关性是衡量各零部件能否构成一个模块的重要因素之一。清障救援车结构主要是根据其功能决定的，同时，零部件的结构对产品功能的实现又有一定的影响。在模块划分时需要参照实际的结构设计图，如两个零部件空间位置接触或者靠近，那么其组合成为一个模块的几率就相对增大。对结构特征相关性的描述及量化体系如表1所示。

1.1.3 材料特征相关性Pmat

由于清障救援车的不同零部件发挥作用的方式不同，其加工材料也会有不同选择，不同的材料在相互作用过程中可能会发生化学变化，导致零部件应用属性相应改变。应尽量将相同或相容材料的零件划分在同一模块内，有利于进行资源回收和废弃材料的处置。对其材料的相关性表述如表1所示。

1.2 装配特征准则

1.2.1 可替换特征相关性Prep

清障救援车作为专用车辆产品，其零部件因其较高的标准化程度和通用性能，在装配过程中根据不同需求而具有一定程度的可替换性。受市场规模及投入产出等经济性指标影响，现有的清障救援车设计多选用专用二类底盘，继而在此基础上进行功能部件改装，其上装部件(专用作业功能模块)的选择(规格、性能)在装配过程中会根据不同的客户需求发生改变，而这种改变会直接影响零部件间相关的结构性能，例如，其悬架结构可以选择钢板式悬架、空气悬架等，替换不同的悬架后会对相关零部件及整车性能产生影响，故而通过定量方法对此特征相关性进行描述(见表1)。

表1 零部件准则量化关系表

关系类型0.8-0.90.4-0.60.1-0.30功能特征相关性关系描述两者共同完成主功能两者辅助完成相关主功能两者协同完成相关整体功能两者无功能相关性结构特征相关性关系描述两者是紧固关系,不可拆联接两者部件属半包围关系,需工具装配拆卸的固定联接两者点线面接触,可手工拆卸的活动联接两者无接触关系材料特征相关性关系描述两者材料完全相同或极相容两者相容性较好,受变化后材料的综合性能略微降低两者相容性一般,易发生化学变化但不影响材料属性材料极难相容或易发生化学腐蚀可替换特征相关性关系描述更换两者部件不会对结构产生影响更换两者部件会减弱部分结构能力更换两者部件会大幅减弱结构能力,影响零部件可靠性两者部件不可更换

1.2.2 连接关系相关性Pint

连接关系是清障救援车装配特征属性中的关键准则，对于零部件的规划配置具有重要影响。连接关系包括了部件i和j间的配合方式(间隙、过渡、过盈)、连接接口类型、连接接口数目等影响因素，综合其影响因素间的相互关系，利用零部件的联接交互系数(如表2)表征了连接关系的强度，其强弱关系也反映了结构单元内部联接关系对其装配、互换性能的影响。定义救援清障车的连接关系相关性特征值为[9]：

(1)

式中：JTh为零部件i和j间第h个接口的交互关系系数，由该连接接口的连接类型决定，IF(i,j)为零部件i和j间的连接接口数目。

1.3 使用特征准则

1.3.1 寿命相关性Plif

因为救援清障车在行驶和作业状态时受力情况及工作环境不尽相同，其零部件的使用寿命也会在不同的工况环境中发生改变，该准则的目的在于尽可能将使用寿命相近的零部件组合成一个模块，从而避免了因为使用寿命不一致而需要不断更换模块内的零部件而造成的工作量增加和资源浪费。鉴于不同零部件寿命的差异性，以两个零部件之间使用寿命的比值来定义救援清障车寿命相关性，如式(2)。

(2)

式中：mi和mj分别为零部件i和j的使用寿命，min (mi,mj)为mi和mj之间的最小值，max (mi,mj)为mi和mj之间的最大值。

表2 零部件联接交互系数

联接类型交互系数联接类型交互系数注塑0.9间隙0.5焊接0.9松配合0.4螺栓0.8盖0.2螺钉0.7限位0.1扣0.6无0轻压入0.6

1.3.2 回收重用相关性Prec

救援清障车作为机动车的一种，必须满足国家相关标准，在使用年限到期或者因为其他事故、故障原因，有关部门会对其进行强制拆解报废。为减少资源浪费，其废旧零部件会通过不同的处理方式回收利用，或重新还原为物质状态进行再循环。为减轻回收负担，降低回收成本，将具有相似回收利用方式的零部件组成一个模块，有利于在救援清障车生命周期的末端对其采用相同的处理方式，例如，对不可再回收利用的模块予以直接报废处理，减少再拆卸的工作量。定义救援清障车的回收关系指数如表3所示。

表3 回收关系量化关系表

零部件可回收性描述两者都能够直接重用或可利用再制造两者材料回收可再循坏两者部分材料回收可再循环两者对环境影响极大需直接进行废弃处理回收关系指数0.90.60.30

同时，因为其重用性能还要考虑到其在装配过程中的联接方式，易于拆卸的零部件重用可能性较大，不易拆卸的零部件可能在拆卸过程中对零部件产生破坏影响其重用性能。因此综合上述零部件连接的交互系数和回收关系指数，定义救援清障车回收重用关系准则的相关性因子为：

(3)

式中，JT为零部件间的连接交互关系系数，ni和nj分别为零部件i和j的回收关系指数，min (ni,nj)为ni和nj之间的最小值，max(ni,nj)为ni和nj之间的最大值。

2 零部件综合关系的分析

为获得合理的模块划分方案，需要综合考虑上述准则影响关系，建立清障救援车任意两个零部件之间的相关度的数值模型，将所有零部件在不同准则层下的相关性关联值通过矩阵建立起来，形成反映各零件相关性的综合关系矩阵。

2.1 零部件相关性关联矩阵

如果零部件i和零部件j在功能、结构、材料、可靠性、接口、寿命和回收等方面存在交互关系，则称这两个零部件在这些准则层面是具有相关性的。通过分析这些影响零部件间相关性的关联因素，结合上节所述中对于各准则的量化规则，将各个准则层下零部件间的强弱关系用数值矩阵的方式表现出来，即零部件i和零部件j的功能关系矩阵Pfun、结构关系矩阵Pstr、材料关系矩阵Pmat等，依次建立7个如公式(4)中的n×n的关系矩阵。

(4)

式中：n为零部件个数；x为各个模块的划分准则。

2.2 综合相关性关联矩阵

由于零部件间的关联关系是基于多准则、多维度构成的，上述各个准则属性对救援清障车模块划分影响不同且相互间也存在一定的关联，因此需要在所涉及准则范围内分析各个准则的优先等级及交互关系，即通过为各准则分配权重来量化评估各准则的重要性。本文采用层次分析法结合专家定量评分方法分析了各准则的相对重要程度，计算得出各准则的权重值，并通过一致性检验验证了权重分配的合理性，图2即为某型清障救援车的权重分配示意图。

在模块划分过程中，判断任意两个零部件是否要划分到一个模块内，需要综合考虑道路救援车模块划分准则，以上述方法为各个准则分配权重，并以此为依据，将零部件间相关因子进行加权求和得到零部件间综合相关性值，综合相关性值大表现为两个零部件的关联度更为紧密，更应规划为同一模块。零部件i和j间的综合相关性关系值计算公式为：

(5)

式中：CAi,j为任意两个零部件之间的综合相关性值；wi为各准则的权重系数因子。

相对于传统的运输车辆，清障救援车辆具有较为复杂的作业功能且构成零部件较多，各部件间的功能关系明显，致使实际生产中的功能模块总成与通过模块划分理论所划分的模块有一定区别，因而通过准则划分的模块应保留救援清障车原有的功能特性，不应将具有不同功能的零部件划分到同一模块中。但因为准则关系较为复杂，在准则关系的作用下可能对系统的划分过程产生干扰，使得在功能上本没有关系的零部件被划分到同一模块中，这会对清障救援车的模块划分准确度产生影响，例如，驾驶室模块和发动机模块虽然有结构上关联和信息流的联系，但并不能成为同一系统模块，对其在材料、寿命等准则上的相关性讨论是没有意义的。为了促使清障救援车辆模块划分技术实现，使其更具有可行性，排除无意义模块的划分，在上式(5)中引入一个修正因子Q，通过该因子对模块划分的结果进行修正，即：

(6)

式中：Q为修正因子，当两个零部件归属于同一功能，同一结构关系中时Q=1，当两个零部件可能归属同一功能，同一结构时，Q=0.5，否则Q=0。

最终，综合各准则层下的相关性矩阵并进行加权求和计算，形成综合关系阵CA，其计算公式如下所示。

(7)

其中：n为产品零件数，CAij的值越大表示两个零部件间的相关性越强。

3 模块聚类与评价方法

完成零部件间综合关联矩阵的构建之后，需要根据特定的方法将各个分散的零部件聚成模块，完成模块划分。模块聚类的本质就是把具有相似性质的零部件区分于其他零部件，并加以分类。在模块化划分技术的研究中，可使用的聚类方法有很多种，鉴于清障救援车的零部件众多，凭借上节所述方法所获得的零部件相关因子CAi,j也具有主观模糊性，聚类形成的模块数也不易确定，因此选择模糊动态聚类的方法来实现清障救援车的模块划分。

3.1 模糊聚类分析方法

模糊聚类是利用模糊数学的方法，将各个零部件之间的模糊相关性定量分析构造模糊矩阵，从而客观且准确地进行聚类。实现模糊聚类的主要步骤：

(1)构建综合关系矩阵CA。

(2)建立模糊相似矩阵。模糊相似矩阵R是衡量样本间相似程度的一种模糊度量方法，可表示为R=(rij)n×n，其中相似性系数rij表示零部件i和零部件j的相似程度。求rij的方法有很多，本文采用主流的绝对值减数法：

(8)

其中，适当选取C(0≤C≤1)值，使得rij在[0,1]中具有更好的分散性。本文计算实例选取C=0.6。

(3)建立模糊等价矩阵。根据上述所得的模糊矩阵R，只是一个模糊相似矩阵，不一定具有传递性，即R不一定是模糊等价矩阵。为了更好地进行聚类分析，还需要采用二次方法求R的传递闭包t(R)，将R改造成模糊等价矩阵R*。

(9)

因此，选择合适的λ，求出截矩阵Rλ，比较rij数值，即可获得模糊聚类的聚类结果。

3.2 模型聚类结果评价

模块划分的质量主要取决于其内部零件的聚合度和各个模块间的耦合度的强弱。模块划分完成后，为了评估不同阈值λ下所获得的模块划分方案是否合理，本文将模块内部零部件聚合度和各模块间的耦合度的比值DP作为评判模块划分合理性的标准[11]。

模块Mi内部零部件聚合度计算公式如式(10)所示，模块M1和M2之间的耦合程度可由公式(11)算得。

(10)

(11)

(12)

4 实例验证

清障救援车组成的各结构零部件较多且关联性复杂，具有复杂机械结构特性，其零部件的拆解粒度大小对模块划分计算过程影响较大，粒度过大会使计算过程复杂干扰划分结果，粒度过小会使模块划分失去意义。充分考虑清障救援车辆产品作为一种较为成熟的系列化产品，在多年的生产实践中已经形成了一套成熟的模块化体系。例如，发动机作为车辆的核心部件，其由大量零部件构成，若对该部件进行过度细化，将会大大增加模块划分的工作量，且对工程实际没有意义，所以对于此类型零部件，可将其作为整体模块来研究。同样形式的部件结构还包括了车辆传动系总成、制动系总成、驾驶室总成等。

以某型重型清障救援车为算例，其主要结构如图3所示，通过分析其零部件间的功能流、信息流、能量流，明确其结构与功能的对应关系，如图4所示，归纳出主要的零部件如表4所示。

表4 某重型清障车零部件列表

零部件号零部件名称编号零部件号零部件名称编号1驾驶室总成A122后托架总成C92发动机总成A223滑架C103传动机构总成A324支腿总成C114主车架(主梁)A425变幅臂支撑座C125车轮总成A526变幅臂支撑销C136(前、后)悬架A627变幅缸销C147转向机构总成A728竖臂转动主销C158制动机构总成A829竖臂变幅缸销C169蓄电池B130吊臂伸缩缸销C1710油箱B231折臂缸销C1811尿素箱B332折臂转轴销C1912轮胎架B433支腿缸销C2013副车架总成(副梁)B534摆臂销C2114变幅臂总成C135吊臂伸缩油缸C2215竖臂总成C236变幅臂变幅油缸C2316吊臂伸缩臂总成C337竖臂变幅油缸C2417折臂总成C438折臂油缸C2518伸缩臂I总成C539托臂伸缩油缸C2619伸缩臂II总成C640支腿油缸C2720摆臂总成C741钣金I、IID121前托架总成C842警灯支架D2

根据上述模块划分准则，按各准则的重要程度分配设计属性、装配属性、使用属性等划分准则条件的权重值，见表5。

表5 准则权重值

功能结构材料可替换性接口寿命回收wfwswmwrpwiwlwre0.40.20.10.050.10.10.05

根据前节中所述综合相关矩阵计算方法，分别对重型清障车零部件列表中的所有零部件进行相关性分析，通过加权求和计算得到任意两个零部件间的综合关联值，并对计算得的数据进行规格化处理，得到其综合关联矩阵CA，如图5所示。

针对上表形成的综合关联矩阵，通过编写数值模拟计算程序，计算其求解其模糊相关矩阵，传递闭包t(CA)，取不同的阈值λ(λ=0.7，0.75，0.80，0.85)获得其截矩阵。根据获得的截矩阵中1、0值关联关系确定模块划分方案，其中λ=0.80时，截矩阵如图6所示。具体得到的模块划分结果如表6所示。

由上图可知，当λ=0.8时，重型清障救援车可以分成底盘结构模块、车架附件模块、辅助模块、支腿总成模块、起吊总成模块、托举总成模块、变幅臂总成模块、主梁模块、副梁模块、发动机模块和驾驶室模块等。

表6 不同阈值模块划分方案

模块划分数量阈值λ模块组成60.7{A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,B1,B2,B3,B4,B5};{C1};{C2};{C3};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C26};{C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18,C19,C20,C21,C22,C23,C24,C25,D1,D2}90.75{A1,A2,A3,A5,A6,A7,A8,B1,B2,B3,B4};{A4};{B5};{C1};{C2};{C3,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C20,C21,C22,C23,C24,C27};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C26};{C18,C19,C25};{D1,D2}110.8{A1,A2,A3,A5,A6,A7,A8};{A4};{B1,B2,B3,B4};{B5};{C1};{C2};{C3,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C22,C23,C24};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C21,C26};{C11,C20,C27};{C18,C19,C25};{D1,D2}190.85{A1};{A2,A3};{A4};{A5,A6};{A7,A8};{B1,B2,B3,B4};{B5};{C1};{C2};{C3};{C4,C5,C6};{C9,C10,C21,C7,C8};{C11,C20,C27};{C12,C13,C14,C23};{C15,C16,C21};{C17,C22};{C18,C19,C25};{C26};{D1,D2}

4 结语

综上所述，本文主要研究结论如下：

(1)基于模块化理论对清障救援车辆模块划分的方法进行了研究，充分分析了清障救援车零部件在功能、结构、材料、接口等方面的相互关系，制定了面向清障救援车全生命周期的多维划分准则，得到了零部件间的关系矩阵，并以此构建了零部件综合相关性矩阵模型。

(2)利用模糊聚类分析方法建立了基于层次分析法的综合关联聚类模型，通过MATLAB编写数值模拟计算程序求解出在不同阈值λ下的模块划分结果。

(3)基于模块独立性要求，以模块内高聚合度和模块间低耦合度为目标建立了优化模块划分结果的数学模型，得到了与实际较为吻合的模块划分结果，为获得合理、准确的清障救援车模块单元提供了依据。

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