邱變變 ，周驥平 ，鄭再象 ，沈 輝

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225125；2.揚(yáng)州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225125）

1 引言

產(chǎn)品生命周期理論提出：所有產(chǎn)品都會(huì)經(jīng)歷導(dǎo)入期，成長(zhǎng)期，成熟期和衰退期的市場(chǎng)生命過程，應(yīng)以生命的眼光看待市場(chǎng)中的產(chǎn)品[1]。農(nóng)機(jī)裝備作為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者作業(yè)需求的流通商品，在不同生命周期階段具有不同的特點(diǎn)并遵循特定發(fā)展規(guī)律。Fisher提出產(chǎn)品需求和特點(diǎn)并不是一成不變的，而是隨著產(chǎn)品走過其生命周期，產(chǎn)品需求會(huì)發(fā)生很大變化，且市場(chǎng)贏得要素和市場(chǎng)資格要素也會(huì)動(dòng)態(tài)變化[2]。人機(jī)工程設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)活動(dòng)作為提高系統(tǒng)工效，降低總體成本，提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，其發(fā)展進(jìn)化貫穿于產(chǎn)品生命周期各階段，并在不同階段表現(xiàn)出差異性和連貫性。

國內(nèi)外很多研究者針對(duì)特定階段的農(nóng)機(jī)裝備，從座椅評(píng)價(jià)優(yōu)選、噪聲分布特點(diǎn)及防護(hù)，控制器布局工效評(píng)價(jià)、駕駛室整體人機(jī)評(píng)價(jià)等方面展開了研究[3-7]，豐富了人機(jī)工程學(xué)研究的理論及實(shí)踐。雖然針對(duì)各階段特定農(nóng)機(jī)裝備展開的人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)研究，覆蓋了產(chǎn)品生命周期不同階段，但由于在研究初期沒有從發(fā)展進(jìn)化、生命的視角出發(fā)，相關(guān)研究階段獨(dú)立性較強(qiáng)，且未見對(duì)農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)特性在整個(gè)生命周期中發(fā)展進(jìn)化的特點(diǎn)及階段差異性展開分析和報(bào)道，因此不利于從產(chǎn)品開發(fā)的更早階段，系統(tǒng)、前瞻性的規(guī)劃人機(jī)策略。指標(biāo)體系的建立是多屬性綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，建立科學(xué)的指標(biāo)體系是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行較準(zhǔn)確排序或分類的基礎(chǔ)和前提[8]?，F(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取多基于研究者對(duì)農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)界面涉及對(duì)象及要素的分析和歸納，構(gòu)建過程個(gè)體主觀性較強(qiáng)[9-10]。指標(biāo)結(jié)構(gòu)關(guān)系處理方面，主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)通常被用來比對(duì)、驗(yàn)證客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性，探尋主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異的原因[11]，或僅在底層設(shè)置主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)兩部分評(píng)價(jià)結(jié)果線性加權(quán)獲得最終評(píng)價(jià)結(jié)果[9]。因此，從產(chǎn)品發(fā)展進(jìn)化角度構(gòu)建凸顯不同生命周期階段人機(jī)特性差異及進(jìn)化延續(xù)特點(diǎn)的人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)農(nóng)機(jī)裝備生命周期人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)研究有重要的理論及應(yīng)用價(jià)值。

2 構(gòu)建思路及原則

農(nóng)機(jī)裝備生命周期人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建主要包含指標(biāo)體系的初選、指標(biāo)體系的測(cè)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化幾方面。指標(biāo)體系初選階段，在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)展開分析和研究后，利用頭腦風(fēng)暴、小組討論等方法針對(duì)現(xiàn)有研究中主客觀指標(biāo)關(guān)系處理、指標(biāo)體系構(gòu)建方法及階段特征不明顯等方面存在的問題，從農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)設(shè)計(jì)要素、設(shè)計(jì)要素層次關(guān)系、用戶人機(jī)需求發(fā)展趨勢(shì)等出發(fā)構(gòu)建初始評(píng)價(jià)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)關(guān)系。初始指標(biāo)結(jié)構(gòu)是“指標(biāo)可能全集”，而非“充分必要的指標(biāo)集合”，因此在建立初始指標(biāo)結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)和指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選和優(yōu)化，以確保指標(biāo)項(xiàng)的充分必要性及指標(biāo)結(jié)構(gòu)的合理性。指標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要采用帶反饋的德爾菲專家咨詢法，在初始評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過多輪專家咨詢，利用專家豐富的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建不同生命周期階段評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)。

不同生命周期階段人機(jī)評(píng)價(jià)具體指標(biāo)由兩部分組成，一是通過多方專家?guī)纵喿稍兇_定的強(qiáng)代表性指標(biāo)，即本研究涉及的指標(biāo)體系；另一部分則在具體評(píng)價(jià)時(shí)，由評(píng)價(jià)組成員根據(jù)該類型產(chǎn)品發(fā)展策略，人機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及重點(diǎn)等具體要求進(jìn)行增補(bǔ)。指標(biāo)權(quán)重的分配則根據(jù)單一方案人機(jī)整體價(jià)值評(píng)估目標(biāo)，對(duì)專家價(jià)值判斷取向主觀權(quán)重及專家可靠度權(quán)重進(jìn)行合成。

研究過程中，初始指標(biāo)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原則側(cè)重于：目的性、系統(tǒng)性、全面性、層次性及持續(xù)性。由于未涉及具體評(píng)價(jià)元件的權(quán)重分配，在研究中為確保指標(biāo)結(jié)構(gòu)的代表性，對(duì)其僅按屬性進(jìn)行分類并以標(biāo)號(hào)區(qū)分。最終評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原則側(cè)重于：目的性、階段全面性、可比性、可行性、穩(wěn)定性及與評(píng)價(jià)方法的協(xié)調(diào)性。

3 指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 初始指標(biāo)體系的構(gòu)建

研究中綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)從頂層到底層，每層均設(shè)置主客觀評(píng)價(jià)項(xiàng)；具體元件人機(jī)評(píng)價(jià)的底層指標(biāo)，既有針對(duì)人機(jī)尺寸的客觀指標(biāo)，也有在操作、使用、認(rèn)知過程中的主觀指標(biāo)。對(duì)于同類評(píng)價(jià)元件，則通過主觀綜合評(píng)價(jià)項(xiàng)評(píng)估彼此間的識(shí)別性、干擾性以及總體數(shù)量的合理性。初始指標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)裝備生命周期人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)初始指標(biāo)結(jié)構(gòu)層次Fig.1 The Hierarchy Structure of Initial Ergonomic Evaluation Indicator System

綜合評(píng)價(jià)初始指標(biāo)系統(tǒng)有顯示裝置、操作裝置、駕駛室及座椅、環(huán)境、主觀綜合評(píng)價(jià)5個(gè)子系統(tǒng)，按從頂至底的順序分為系統(tǒng)目標(biāo)層、子系統(tǒng)層、評(píng)估要素類層，以及底層單項(xiàng)指標(biāo)層。在具體評(píng)價(jià)元件項(xiàng)下，底層評(píng)價(jià)指標(biāo)又分為：主觀、客觀及主觀綜合評(píng)價(jià)三類指標(biāo)，其中腳踏板元件底層初始評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)及結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 腳踏板A3人機(jī)設(shè)計(jì)初始評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)及結(jié)構(gòu)表Tab.1 The Initial Ergonomic Evaluation Indicators of Pedals

3.2 各階段強(qiáng)代表指標(biāo)項(xiàng)的篩選及指標(biāo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.2.1 德爾菲專家咨詢準(zhǔn)備工作

德爾菲法是依據(jù)系統(tǒng)的程序，采用匿名發(fā)表意見的方式，各專家間不得互相討論，不發(fā)生橫向聯(lián)系，只能與調(diào)查人員聯(lián)系溝通，通過多輪次調(diào)查專家對(duì)問卷所提問題的看法，反復(fù)征詢、歸納、修改，最后匯總成專家基本一致的看法，作為預(yù)測(cè)的結(jié)果[12]。研究中，15名專家[13]是從21名預(yù)選專家中通過其對(duì)研究目標(biāo)認(rèn)可程度（71.4%）、相關(guān)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)熟悉程度等篩選出來。5名高級(jí)工程師來自農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)及決策部門，3名高級(jí)工程師來自拖拉機(jī)生產(chǎn)制造部門，3名汽車產(chǎn)品開發(fā)高級(jí)工程師，4名人機(jī)工程及農(nóng)機(jī)領(lǐng)域從事研究、教學(xué)工作教授及副教授。

3.2.2 專家咨詢表的編制與問卷的發(fā)放

專家意見咨詢表中，問卷說明主要介紹研究背景、目的及方法，填表說明，問卷寄回時(shí)間限制等信息。問卷主體以不同階段各評(píng)價(jià)指標(biāo)強(qiáng)代表性意見咨詢表展開，專家需根據(jù)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)的描述做出：具有強(qiáng)代表性，修改后具有強(qiáng)代表性以及不具有強(qiáng)代表性的態(tài)度表述。由于在第二輪咨詢后，專家意見已趨于集中，因此未展開更多輪次的問卷咨詢。兩輪專家咨詢通過信函郵寄方式共發(fā)放問卷15份，回收有效問卷15份，回收率100%。

3.2.3 專家咨詢結(jié)果的分析和處理

對(duì)第一輪專家咨詢數(shù)據(jù)參照Likert3分量表法在SPSS軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入及分析，選取均值大于等于2.25，以及均值大于2，并且有3名以上專家認(rèn)為修改后具有強(qiáng)代表性的指標(biāo)及其分析數(shù)據(jù)，匯總成第二輪專家咨詢問卷，采用信函方式再次發(fā)送給相關(guān)專家。第二輪咨詢后，專家意見均值大于等于2.25且變異系數(shù)小于等于0.3的指標(biāo)作為各階段人機(jī)評(píng)價(jià)強(qiáng)代表性指標(biāo)，其余未滿足兩輪篩選條件的指標(biāo)則被剔除。根據(jù)以上篩選條件和方法，腳踏板元件各階段人機(jī)評(píng)價(jià)強(qiáng)代表性指標(biāo)，如表2所示。

3.3 單一方案價(jià)值評(píng)價(jià)的群組AHP指標(biāo)權(quán)重構(gòu)建

考慮到設(shè)計(jì)師和終端用戶在產(chǎn)品需求和認(rèn)知方面存在的差異，對(duì)各階段底層指標(biāo)賦權(quán)時(shí)，參與賦權(quán)的專家群體包括4名農(nóng)機(jī)企業(yè)資深產(chǎn)品開發(fā)人員以及4名具有豐富農(nóng)機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)，可以清晰、準(zhǔn)確表達(dá)人機(jī)需求，成熟度較高的農(nóng)機(jī)駕駛員。8名專家在改進(jìn)的Satty1-9標(biāo)度法基礎(chǔ)上根據(jù)5/5-1/9比例標(biāo)度對(duì)各階段底層主客觀指標(biāo)重要性分別進(jìn)行比較判斷，獲得同級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較判斷矩陣。為了確保8名專家賦權(quán)意見的統(tǒng)一性，計(jì)算判斷矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)特征向量，利用一致性比例判斷矩陣的一致性。若8名專家意見符合一致性要求，計(jì)算專家平均權(quán)重向量；若未滿足，重新抽取專家構(gòu)建判斷矩陣，在符合一致性要求后計(jì)算平均權(quán)重向量。為了在各專家權(quán)重基礎(chǔ)上獲得更接近理想值的指標(biāo)權(quán)重，將專家給出的權(quán)重向量視為多維空間點(diǎn)，利用閔可夫斯基距離公式度量權(quán)重向量間距離，則可計(jì)算得到個(gè)體專家意見與“平均意見”的差異。該差異距離越小，代表專家意見越靠近平均意見，越應(yīng)獲得較大的權(quán)重值。利用專家可靠度權(quán)重對(duì)專家群組權(quán)重向量進(jìn)行加權(quán)修正，則得到用于單一方案整體人機(jī)評(píng)估的指標(biāo)權(quán)重集，具體，如表2所示。

表2 腳踏板不同階段人機(jī)評(píng)價(jià)強(qiáng)代表性指標(biāo)及指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)Tab.2 The Highly Recommended Indicators and Weights of Pedals in Different Lifecycle Stages

3.4 指標(biāo)同度量化處理

根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)評(píng)價(jià)中定量指標(biāo)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)范圍，對(duì)定量指標(biāo)數(shù)據(jù)采用基于廣義線性功效系數(shù)的同度量化處理方法。主觀定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的同度量化處理，采用基于專家群組“優(yōu)、良、中、差、不及格”概略估計(jì)的直接評(píng)分量化法，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參照客觀指標(biāo)量化的百分制，以利于綜合評(píng)價(jià)加權(quán)統(tǒng)計(jì)。

3.5 綜合評(píng)價(jià)合成模型

研究中，人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用了從底層向上，主客觀相互獨(dú)立、分層加權(quán)的結(jié)構(gòu)，各底層指標(biāo)間不具有相關(guān)性，底層指標(biāo)同度量化處理對(duì)極值指標(biāo)采用了歸零處理方法，因此綜合評(píng)價(jià)采用了加法合成模型。在單一方案整體評(píng)價(jià)中，底層主客觀指標(biāo)加法合成得到具體元件人機(jī)設(shè)計(jì)適切水平分值（百分制）。對(duì)未達(dá)到合格要求的元件，根據(jù)評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)的約束條件展開溯源分析，找到影響人機(jī)適切水平對(duì)應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化改良；各個(gè)元件評(píng)估分值通過逐級(jí)加權(quán)合成獲得最終該設(shè)計(jì)方案整體人機(jī)適切水平。

4 生命周期人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用

以國內(nèi)某款成長(zhǎng)期輪式拖拉機(jī)設(shè)計(jì)方案為例，利用構(gòu)建的指標(biāo)體系對(duì)其駕駛室進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)應(yīng)用，并對(duì)控制裝置“腳踏板”具體評(píng)價(jià)過程進(jìn)行說明及分析。該拖拉機(jī)設(shè)有離合踏板、左右制動(dòng)踏板、油門踏板三類腳踏板，其中離合踏板設(shè)置在方向盤左側(cè)，左右制動(dòng)踏板及油門設(shè)置在方向盤右側(cè)，油門踏板布置在離方向盤較遠(yuǎn)的位置。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)同度量化處理方法對(duì)踏板中心點(diǎn)位置，踏板基本尺寸、與水平面夾角，操縱力大小等數(shù)據(jù)進(jìn)行同度量化處理，獲得指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值。主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)則由終端用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部渲染圖直接評(píng)分，并與客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合，得到該踏板主客觀綜合評(píng)價(jià)結(jié)果及踏板元件人機(jī)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。該方案腳踏板各元件評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、同度量化處理結(jié)果及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，如表3所示。

表3 被評(píng)拖拉機(jī)腳踏板評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)分值及綜合評(píng)價(jià)結(jié)Tab.3 The Evaluation Data，Scores and Results of Selected Tractor Pedals

在對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人機(jī)優(yōu)化時(shí)，可對(duì)處于較低水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)展開分析，從具體約束條件及其對(duì)綜合評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)程度出發(fā)，在確保較優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上提升踏板類元件操縱的合理性、安全性、高效性及舒適性。

被評(píng)拖拉機(jī)離合踏板、左制動(dòng)踏板、右制動(dòng)踏板及油門踏板主客觀指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果比較，如圖2所示。通過分析各踏板主客觀及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果間關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果介于客觀及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果之間，客觀或主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的高低不能簡(jiǎn)單的等同于最終綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。研究中，為了獲得整個(gè)設(shè)計(jì)方案人機(jī)評(píng)價(jià)綜合結(jié)果，只需對(duì)四類踏板元件賦權(quán)并加權(quán)綜合，得到各類元件、各子系統(tǒng)及整個(gè)設(shè)計(jì)方案的人機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果。在分析評(píng)價(jià)結(jié)果及其約束條件、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)等因素后，即可獲得具體可實(shí)施的人機(jī)優(yōu)化方向及改進(jìn)意見。

圖2 被評(píng)方案各踏板評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig.2 The Evaluation Results of Each Pedal

5 結(jié)論

上述應(yīng)用評(píng)價(jià)研究表明，利用前述方法構(gòu)建的農(nóng)機(jī)裝備生命周期三階段人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段對(duì)設(shè)計(jì)方案的人機(jī)特性展開有效評(píng)價(jià)，并能根據(jù)具體評(píng)價(jià)結(jié)果及具體約束條件、評(píng)價(jià)元件間交互關(guān)系等給人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向和建議，為農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)綜合評(píng)價(jià)的有效展開提供理論基礎(chǔ)和保障。本研究雖構(gòu)建了農(nóng)機(jī)裝備生命周期人機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但未深入探討農(nóng)機(jī)裝備人機(jī)特性發(fā)展進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力及規(guī)律，因此也沒能從理論層面給復(fù)雜產(chǎn)品人機(jī)進(jìn)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，這將是筆者進(jìn)一步研究的方向。