王雅坤，任家駿，李愛峰，邊軒毅

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

1 引言

礦用挖掘機(jī)的操作員是比較容易被忽略的工作者［1］。操作員需要在惡劣的露天礦環(huán)境中完成長達(dá)8h的作業(yè)任務(wù)，作業(yè)需要與礦用挖掘機(jī)進(jìn)行密切的信息交互，主要通道和載體就是挖掘機(jī)駕駛室的操作界面，因此礦用挖掘機(jī)的操作界面的設(shè)計(jì)選擇和評(píng)價(jià)至關(guān)重要［2］。在此背景下，如何通過科學(xué)合理的有效決策評(píng)價(jià)方法來測試和選用礦用挖掘機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于提高操作員的作業(yè)安全、減少誤操作和提高礦用挖掘機(jī)的整機(jī)性能意義重大。

國外對(duì)于復(fù)雜的操作界面的科學(xué)合理決策評(píng)估研究較早，研究成果較為成熟，決策評(píng)估時(shí)還引入其他學(xué)科知識(shí)，如有些研究者對(duì)礦用挖掘機(jī)操作界面的評(píng)估分別采用了模糊數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、模擬退火法和遺傳算法［3］等；對(duì)飛機(jī)駕駛艙的人機(jī)界面決策評(píng)價(jià)分別采用了MCDM多準(zhǔn)則決策算法和卡片分類法［4］；有的研究者采用駕駛員認(rèn)知模擬器設(shè)計(jì)了人機(jī)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)［5］，對(duì)操作界面有效決策評(píng)估，并選出最優(yōu)方案。

國內(nèi)對(duì)于復(fù)雜的操作界面的決策評(píng)價(jià)研究雖然研究較晚，但是近年來越來越重視，在飛機(jī)駕駛艙的方案評(píng)價(jià)研究較多，對(duì)礦用挖掘機(jī)操作界面的方案決策研究較很少［6］。文獻(xiàn)［7］通過FUZZY AHP綜合評(píng)價(jià)法分別對(duì)飛機(jī)維護(hù)人機(jī)系統(tǒng)界面和石油鉆機(jī)控制房人機(jī)界面進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。為了解決AHP綜合評(píng)價(jià)法的片面性及不一致問題，文獻(xiàn)［8］對(duì)飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面的方案決策評(píng)價(jià)加入了GEM 法，采用了AHP-GEM 模糊評(píng)價(jià)方法。但是傳統(tǒng)GEM法和AHP法專家評(píng)價(jià)的主觀性問題仍未得到解決，且算法過程較復(fù)雜。結(jié)合JACK 人機(jī)工程學(xué)軟件對(duì)評(píng)價(jià)方案的虛擬仿真結(jié)果，并以GEM法為主要方法，改進(jìn)傳統(tǒng)算法，建立了GEMAHP法決策理論模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用挖掘機(jī)駕駛室的操作界面方案決策評(píng)價(jià)的客觀性、簡捷性和有效性。

2 GEM-AHP法決策理論模型

GEM 法［9］（Group Eigenvalue Method 群組決策特征根法）的實(shí)質(zhì)是求解最優(yōu)專家的GEM模型，處理問題簡單科學(xué)，但是存在考慮問題結(jié)構(gòu)不清晰、籠統(tǒng)的缺點(diǎn)。GEM-AHP 法［10］是GEM 法和AHP法（Analytic Hierarchy Process層次分析法）相結(jié)合的優(yōu)化算法，可以將復(fù)雜的操作界面問題層次化，定性與定量結(jié)合決策分析，增加了AHP 法評(píng)價(jià)分析的系統(tǒng)性。在構(gòu)建GEM-AHP 法決策理論模型時(shí)，改進(jìn)了算法步驟和計(jì)算的目標(biāo)，使得出的結(jié)果不是指標(biāo)的比較，而是一步到位的方案比較，簡化了計(jì)算過程。為了有效解決專家評(píng)分的主觀性，在決策理論模型傳統(tǒng)算法步驟中加入了JACK人機(jī)工程學(xué)分析軟件的虛擬仿真結(jié)果，進(jìn)行決策評(píng)價(jià)。GEM-AHP法決策理論模型，如圖1所示。

圖1 GEM-AHP法決策理論模型Fig.1 GEM-AHP Decision Theory Model

求解步驟為：

（1）設(shè)計(jì)待評(píng)價(jià)方案

在原有礦用挖掘機(jī)操作界面基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則和人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)知識(shí)，重新設(shè)計(jì)待評(píng)價(jià)方案。

（2）構(gòu)建決策指標(biāo)

依據(jù)礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)工程學(xué)理論和人機(jī)界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并根據(jù)AHP法分層原理，構(gòu)建礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面決策指標(biāo)，如表1所示。

（3）人機(jī)工程學(xué)軟件評(píng)價(jià)

借助JACK 人機(jī)工程學(xué)分析軟件對(duì)待評(píng)價(jià)方案進(jìn)行必要的虛擬仿真。

（4）構(gòu)建方案決策評(píng)分矩陣。

依據(jù)操作界面決策指標(biāo)表，如表1所示。邀請(qǐng)n個(gè)專家，根據(jù)李克特量表法和JACK虛擬仿真結(jié)果，分別對(duì)各方案的m個(gè)待評(píng)價(jià)指標(biāo)層的指標(biāo)評(píng)分，分別計(jì)算各方案中的各指標(biāo)的所有專家的算數(shù)平均值，構(gòu)建方案決策評(píng)分矩陣P：

表1 操作界面決策指標(biāo)表Tab.1 Decision Index Table for the Operation Interface

式中：pij的i—該目標(biāo)方案下所有專家對(duì)m個(gè)待評(píng)價(jià)指標(biāo)的算數(shù)平均值，共有x個(gè)；j—目標(biāo)層操作界面方案個(gè)數(shù)，共有y個(gè)。

（5）尋找相對(duì)最優(yōu)方案。

假設(shè)存在最優(yōu)方案，令某一方案與其余方案的評(píng)分向量比較，其夾角之和最小的方案即最優(yōu)方案。

計(jì)算E，E為方案決策評(píng)分矩陣P轉(zhuǎn)置后和它本身的乘積，如式（2）所示，E的最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量為所求的相對(duì)最優(yōu)方案，如式（3）所示：

式中：ρmax—E的最大特征根；

F—ρmax對(duì)應(yīng)的正特征向量；

Py—所有專家對(duì)m個(gè)待評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分的算數(shù)平均根的向量集合。

（6）獲得最優(yōu)方案

對(duì)F歸一化處理后得到α，排序，數(shù)值較大的方案即為求解的待評(píng)價(jià)方案中的最優(yōu)方案。

3 挖掘機(jī)操作界面方案決策評(píng)價(jià)

礦用挖掘機(jī)駕駛室操作系統(tǒng)主要由座椅和座椅旁邊的操作界面組成，操作界面又由三個(gè)面板和上面的52個(gè)元件組成。三個(gè)面板分別是座椅左面板、右面板和左側(cè)控制臺(tái)面板，元件有操作桿、指示燈、按壓開關(guān)、旋轉(zhuǎn)按壓開關(guān)、蝴蝶式開關(guān)、電源開關(guān)、儀表和觸摸顯示屏。礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面，面板和元件種類較多且繁雜，是一種較為復(fù)雜的人機(jī)界面。針對(duì)太原重工集團(tuán)的某型號(hào)礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面的設(shè)計(jì)，在原操作界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則和車輛人機(jī)工程學(xué)，重新設(shè)計(jì)了A1、A2、A3，共3個(gè)待評(píng)價(jià)操作界面方案，待評(píng)價(jià)方案，如圖2所示。

圖2 待評(píng)價(jià)方案Fig.2 Plan to be Evaluated

對(duì)待評(píng)價(jià)的方案進(jìn)行Jack 人機(jī)工程學(xué)軟件虛擬仿真，選用Reach Zones、Comfort Assessment 和Visual Field 工具對(duì)3 個(gè)待評(píng)價(jià)方案虛擬仿真分析，分析結(jié)果，如圖3所示。舒適度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，如表2、表3所示。待評(píng)價(jià)方案所測值在舒適度區(qū)間內(nèi)表示操作員這一關(guān)節(jié)較舒適，若所測值不在舒適度區(qū)間內(nèi)表示操作員這一關(guān)節(jié)不太舒適。

表2 舒適度（1）評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.2 Comfort（1）Evaluation Data

表3 舒適度（2）評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.3 Comfort（2）Evaluation data

圖3 待評(píng)價(jià)方案的JACK仿真結(jié)果Fig.3 JACK Simulation Results of the Plan to be Evaluated

對(duì)待評(píng)價(jià)方案進(jìn)行GEM-AHP法決策理論求解：

邀請(qǐng)10個(gè)專家評(píng)分，其中有4個(gè)礦用挖掘機(jī)操作員，3個(gè)工程機(jī)械高工，3 個(gè)人機(jī)工程學(xué)研究者，依據(jù)3 個(gè)待評(píng)價(jià)方案的JACK虛擬仿真結(jié)果和李克特量表法，對(duì)表1指標(biāo)層指標(biāo)分別評(píng)分，評(píng)分等級(jí)為1-5，共5個(gè)等級(jí)。分別計(jì)算3個(gè)方案中9個(gè)指標(biāo)的10個(gè)專家的算數(shù)平均值，如表4所示。

表4 操作界面決策指標(biāo)量值表Tab.4 Operation Interface Decision Index Value Table

根據(jù)表2，構(gòu)建方案決策評(píng)分矩陣P，由式（2）計(jì)算可得：

由式（3）計(jì)算可得：

對(duì)F歸一化處理后得到：

最終獲得礦用挖掘機(jī)操作界面設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣排序?yàn)椋捍u(píng)價(jià)方案A1<待評(píng)價(jià)方案A2<待評(píng)價(jià)方案A3，即待評(píng)價(jià)方案A3為3個(gè)待評(píng)價(jià)方案中的最優(yōu)方案。

4 決策評(píng)價(jià)檢驗(yàn)

為驗(yàn)證上述GEM-AHP法決策模型對(duì)礦用挖掘機(jī)操作界面方案的排序結(jié)果的正確性，設(shè)定了6項(xiàng)敏感性分析試驗(yàn)。

依次設(shè)定某個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為0.13、0.12、0.11、0.104、0.10、0.096、0.045和0.04，且保證權(quán)重和為1，分別乘以表4中對(duì)應(yīng)的決策指標(biāo)量值，求和并排序，如表5所示。得出待評(píng)價(jià)方案的決策排序情況均為A1

表5 決策評(píng)價(jià)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Decision Evaluation Test Results

5 結(jié)論

（1）GEM-AHP法決策模型結(jié)合了GEM法和AHP法的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)AHP法評(píng)價(jià)判斷矩陣的不一致性問題和GEM法結(jié)構(gòu)不明確、不清晰的問題，并參考JACK人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，規(guī)避了GEM法的專家評(píng)價(jià)決策的主觀性問題，根據(jù)實(shí)際情況，改進(jìn)了算法步驟，簡化了計(jì)算過程，并選用某型號(hào)礦用挖掘機(jī)操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)、應(yīng)用和分析，驗(yàn)證了該方法對(duì)于礦用挖掘機(jī)操作界面的決策評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）首次采用GEM-AHP法決策理論模型對(duì)某型號(hào)礦用挖掘機(jī)操作界面進(jìn)行決策評(píng)價(jià)和分析，驗(yàn)證了該方法可以對(duì)礦用挖掘機(jī)操作界面有效評(píng)估，提高了操作員作業(yè)的安全性，降低了操作員誤操作的頻率，提高了礦用挖掘機(jī)的整機(jī)性能，并通過設(shè)定6項(xiàng)敏感性分析試驗(yàn)檢驗(yàn)得出該模型可信度較高，并有效節(jié)約了企業(yè)對(duì)方案決策和評(píng)估的時(shí)間和成本，為企業(yè)對(duì)復(fù)雜操作界面的設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理評(píng)估和選用提供了一種新的思路。