邱變變 ，周驥平 ，鄭再象 ，沈 輝

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225125；2.揚州大學 農(nóng)學院，江蘇 揚州 225125）

1 引言

產(chǎn)品生命周期理論提出：所有產(chǎn)品都會經(jīng)歷導入期，成長期，成熟期和衰退期的市場生命過程，應以生命的眼光看待市場中的產(chǎn)品[1]。農(nóng)機裝備作為滿足農(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并遵循特定發(fā)展規(guī)律。Fisher提出產(chǎn)品需求和特點并不是一成不變的，而是隨著產(chǎn)品走過其生命周期，產(chǎn)品需求會發(fā)生很大變化，且市場贏得要素和市場資格要素也會動態(tài)變化[2]。人機工程設計及評價活動作為提高系統(tǒng)工效，降低總體成本，提升企業(yè)市場競爭力的重要手段，其發(fā)展進化貫穿于產(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)外很多研究者針對特定階段的農(nóng)機裝備，從座椅評價優(yōu)選、噪聲分布特點及防護，控制器布局工效評價、駕駛室整體人機評價等方面展開了研究[3-7]，豐富了人機工程學研究的理論及實踐。雖然針對各階段特定農(nóng)機裝備展開的人機設計評價研究，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)展進化、生命的視角出發(fā)，相關(guān)研究階段獨立性較強，且未見對農(nóng)機裝備人機特性在整個生命周期中發(fā)展進化的特點及階段差異性展開分析和報道，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)劃人機策略。指標體系的建立是多屬性綜合評價的關(guān)鍵，建立科學的指標體系是對評價對象進行較準確排序或分類的基礎和前提[8]?，F(xiàn)有農(nóng)機裝備人機設計評價指標體系的選取多基于研究者對農(nóng)機裝備人機界面涉及對象及要素的分析和歸納，構(gòu)建過程個體主觀性較強[9-10]。指標結(jié)構(gòu)關(guān)系處理方面，主觀評價指標通常被用來比對、驗證客觀評價結(jié)果的科學性和合理性，探尋主客觀評價結(jié)果出現(xiàn)差異的原因[11]，或僅在底層設置主客觀評價指標，對兩部分評價結(jié)果線性加權(quán)獲得最終評價結(jié)果[9]。因此，從產(chǎn)品發(fā)展進化角度構(gòu)建凸顯不同生命周期階段人機特性差異及進化延續(xù)特點的人機設計評價指標體系，對農(nóng)機裝備生命周期人機設計評價研究有重要的理論及應用價值。

2 構(gòu)建思路及原則

農(nóng)機裝備生命周期人機設計評價指標體系的構(gòu)建主要包含指標體系的初選、指標體系的測驗及結(jié)構(gòu)優(yōu)化幾方面。指標體系初選階段，在對相關(guān)文獻展開分析和研究后，利用頭腦風暴、小組討論等方法針對現(xiàn)有研究中主客觀指標關(guān)系處理、指標體系構(gòu)建方法及階段特征不明顯等方面存在的問題，從農(nóng)機裝備人機設計要素、設計要素層次關(guān)系、用戶人機需求發(fā)展趨勢等出發(fā)構(gòu)建初始評價指標及結(jié)構(gòu)關(guān)系。初始指標結(jié)構(gòu)是“指標可能全集”，而非“充分必要的指標集合”，因此在建立初始指標結(jié)構(gòu)后，需要對單項指標和指標體系結(jié)構(gòu)進行篩選和優(yōu)化，以確保指標項的充分必要性及指標結(jié)構(gòu)的合理性。指標系統(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，在初始評價指標結(jié)構(gòu)基礎上通過多輪專家咨詢，利用專家豐富的知識及經(jīng)驗構(gòu)建不同生命周期階段評價指標結(jié)構(gòu)。

不同生命周期階段人機評價具體指標由兩部分組成，一是通過多方專家?guī)纵喿稍兇_定的強代表性指標，即本研究涉及的指標體系；另一部分則在具體評價時，由評價組成員根據(jù)該類型產(chǎn)品發(fā)展策略，人機設計要點及重點等具體要求進行增補。指標權(quán)重的分配則根據(jù)單一方案人機整體價值評估目標，對專家價值判斷取向主觀權(quán)重及專家可靠度權(quán)重進行合成。

研究過程中，初始指標結(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。由于未涉及具體評價元件的權(quán)重分配，在研究中為確保指標結(jié)構(gòu)的代表性，對其僅按屬性進行分類并以標號區(qū)分。最終評價指標結(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)定性及與評價方法的協(xié)調(diào)性。

3 指標體系的構(gòu)建

3.1 初始指標體系的構(gòu)建

研究中綜合評價指標體系結(jié)構(gòu)從頂層到底層，每層均設置主客觀評價項；具體元件人機評價的底層指標，既有針對人機尺寸的客觀指標，也有在操作、使用、認知過程中的主觀指標。對于同類評價元件，則通過主觀綜合評價項評估彼此間的識別性、干擾性以及總體數(shù)量的合理性。初始指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，如圖1所示。

圖1 農(nóng)機裝備生命周期人機設計評價初始指標結(jié)構(gòu)層次Fig.1 The Hierarchy Structure of Initial Ergonomic Evaluation Indicator System

綜合評價初始指標系統(tǒng)有顯示裝置、操作裝置、駕駛室及座椅、環(huán)境、主觀綜合評價5個子系統(tǒng)，按從頂至底的順序分為系統(tǒng)目標層、子系統(tǒng)層、評估要素類層，以及底層單項指標層。在具體評價元件項下，底層評價指標又分為：主觀、客觀及主觀綜合評價三類指標，其中腳踏板元件底層初始評價指標項及結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 腳踏板A3人機設計初始評價指標項及結(jié)構(gòu)表Tab.1 The Initial Ergonomic Evaluation Indicators of Pedals

3.2 各階段強代表指標項的篩選及指標結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.2.1 德爾菲專家咨詢準備工作

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)查專家對問卷所提問題的看法，反復征詢、歸納、修改，最后匯總成專家基本一致的看法，作為預測的結(jié)果[12]。研究中，15名專家[13]是從21名預選專家中通過其對研究目標認可程度（71.4%）、相關(guān)知識、經(jīng)驗熟悉程度等篩選出來。5名高級工程師來自農(nóng)機新產(chǎn)品開發(fā)及決策部門，3名高級工程師來自拖拉機生產(chǎn)制造部門，3名汽車產(chǎn)品開發(fā)高級工程師，4名人機工程及農(nóng)機領(lǐng)域從事研究、教學工作教授及副教授。

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，問卷寄回時間限制等信息。問卷主體以不同階段各評價指標強代表性意見咨詢表展開，專家需根據(jù)具體評價指標項的描述做出：具有強代表性，修改后具有強代表性以及不具有強代表性的態(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

對第一輪專家咨詢數(shù)據(jù)參照Likert3分量表法在SPSS軟件中進行數(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名以上專家認為修改后具有強代表性的指標及其分析數(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的指標作為各階段人機評價強代表性指標，其余未滿足兩輪篩選條件的指標則被剔除。根據(jù)以上篩選條件和方法，腳踏板元件各階段人機評價強代表性指標，如表2所示。

3.3 單一方案價值評價的群組AHP指標權(quán)重構(gòu)建

考慮到設計師和終端用戶在產(chǎn)品需求和認知方面存在的差異，對各階段底層指標賦權(quán)時，參與賦權(quán)的專家群體包括4名農(nóng)機企業(yè)資深產(chǎn)品開發(fā)人員以及4名具有豐富農(nóng)機駕駛經(jīng)驗，可以清晰、準確表達人機需求，成熟度較高的農(nóng)機駕駛員。8名專家在改進的Satty1-9標度法基礎上根據(jù)5/5-1/9比例標度對各階段底層主客觀指標重要性分別進行比較判斷，獲得同級評價指標兩兩比較判斷矩陣。為了確保8名專家賦權(quán)意見的統(tǒng)一性，計算判斷矩陣最大特征值對應特征向量，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算平均權(quán)重向量。為了在各專家權(quán)重基礎上獲得更接近理想值的指標權(quán)重，將專家給出的權(quán)重向量視為多維空間點，利用閔可夫斯基距離公式度量權(quán)重向量間距離，則可計算得到個體專家意見與“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，越應獲得較大的權(quán)重值。利用專家可靠度權(quán)重對專家群組權(quán)重向量進行加權(quán)修正，則得到用于單一方案整體人機評估的指標權(quán)重集，具體，如表2所示。

表2 腳踏板不同階段人機評價強代表性指標及指標對應權(quán)Tab.2 The Highly Recommended Indicators and Weights of Pedals in Different Lifecycle Stages

3.4 指標同度量化處理

根據(jù)農(nóng)機裝備人機評價中定量指標數(shù)據(jù)分布特點及相關(guān)國家標準對應范圍，對定量指標數(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。主觀定性評價指標的同度量化處理，采用基于專家群組“優(yōu)、良、中、差、不及格”概略估計的直接評分量化法，評分標準參照客觀指標量化的百分制，以利于綜合評價加權(quán)統(tǒng)計。

3.5 綜合評價合成模型

研究中，人機設計評價指標體系采用了從底層向上，主客觀相互獨立、分層加權(quán)的結(jié)構(gòu)，各底層指標間不具有相關(guān)性，底層指標同度量化處理對極值指標采用了歸零處理方法，因此綜合評價采用了加法合成模型。在單一方案整體評價中，底層主客觀指標加法合成得到具體元件人機設計適切水平分值（百分制）。對未達到合格要求的元件，根據(jù)評估指標項的約束條件展開溯源分析，找到影響人機適切水平對應參數(shù)，進行優(yōu)化改良；各個元件評估分值通過逐級加權(quán)合成獲得最終該設計方案整體人機適切水平。

4 生命周期人機設計評價指標體系應用

以國內(nèi)某款成長期輪式拖拉機設計方案為例，利用構(gòu)建的指標體系對其駕駛室進行人機評價應用，并對控制裝置“腳踏板”具體評價過程進行說明及分析。該拖拉機設有離合踏板、左右制動踏板、油門踏板三類腳踏板，其中離合踏板設置在方向盤左側(cè)，左右制動踏板及油門設置在方向盤右側(cè)，油門踏板布置在離方向盤較遠的位置。根據(jù)評價指標數(shù)據(jù)同度量化處理方法對踏板中心點位置，踏板基本尺寸、與水平面夾角，操縱力大小等數(shù)據(jù)進行同度量化處理，獲得指標對應評價值。主觀評價指標則由終端用戶在虛擬現(xiàn)實環(huán)境根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部渲染圖直接評分，并與客觀評價指標進行加權(quán)綜合，得到該踏板主客觀綜合評價結(jié)果及踏板元件人機綜合評價結(jié)果。該方案腳踏板各元件評價數(shù)據(jù)、同度量化處理結(jié)果及綜合評價結(jié)果，如表3所示。

表3 被評拖拉機腳踏板評價數(shù)據(jù)、對應分值及綜合評價結(jié)Tab.3 The Evaluation Data，Scores and Results of Selected Tractor Pedals

在對該設計方案進行人機優(yōu)化時，可對處于較低水平的評價指標展開分析，從具體約束條件及其對綜合評價貢獻程度出發(fā)，在確保較優(yōu)評價結(jié)果基礎上提升踏板類元件操縱的合理性、安全性、高效性及舒適性。

被評拖拉機離合踏板、左制動踏板、右制動踏板及油門踏板主客觀指標及綜合評價結(jié)果比較，如圖2所示。通過分析各踏板主客觀及綜合評價結(jié)果間關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)綜合評價結(jié)果介于客觀及主觀評價結(jié)果之間，客觀或主觀評價結(jié)果的高低不能簡單的等同于最終綜合評價結(jié)果。研究中，為了獲得整個設計方案人機評價綜合結(jié)果，只需對四類踏板元件賦權(quán)并加權(quán)綜合，得到各類元件、各子系統(tǒng)及整個設計方案的人機評價結(jié)果。在分析評價結(jié)果及其約束條件、實現(xiàn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)等因素后，即可獲得具體可實施的人機優(yōu)化方向及改進意見。

圖2 被評方案各踏板評價結(jié)果圖Fig.2 The Evaluation Results of Each Pedal

5 結(jié)論

上述應用評價研究表明，利用前述方法構(gòu)建的農(nóng)機裝備生命周期三階段人機設計評價指標體系，能在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段對設計方案的人機特性展開有效評價，并能根據(jù)具體評價結(jié)果及具體約束條件、評價元件間交互關(guān)系等給人機優(yōu)化設計提供方向和建議，為農(nóng)機裝備人機綜合評價的有效展開提供理論基礎和保障。本研究雖構(gòu)建了農(nóng)機裝備生命周期人機設計評價指標體系，但未深入探討農(nóng)機裝備人機特性發(fā)展進化的驅(qū)動力及規(guī)律，因此也沒能從理論層面給復雜產(chǎn)品人機進化設計提供理論指導，這將是筆者進一步研究的方向。