胡鵬驍 ,鄧益民* ,丁志勇 ,張 挺

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211 ;2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實驗室,浙江 寧波 315211;3.浙江永貴電器股份有限公司,浙江 天臺 317200）

應(yīng)急產(chǎn)品是應(yīng)對突發(fā)事件、降低災(zāi)害損失、挽救人民生命的重要工具.由于此類產(chǎn)品存在功能單一、閑置率高等問題,本課題組在前期研究中提出了“可變功能應(yīng)急產(chǎn)品”的概念[1],其在日常狀態(tài)下就像一般產(chǎn)品那樣可以給使用者提供一個或多個“日常功能”,而當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時,可以對環(huán)境作出快速響應(yīng),從“日常功能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皯?yīng)急功能”,從而避免了普通應(yīng)急產(chǎn)品絕大多數(shù)情況下處于閑置狀態(tài)的浪費(fèi)問題.例如,檀大華等[2]設(shè)計的多功能自救座椅就屬于這樣一類產(chǎn)品,該座椅可在椅子和梯子之間快速切換,其中椅子提供日常功能,梯子可以在特定環(huán)境下用作逃生工具.需要指出的是,一般的可變功能產(chǎn)品實現(xiàn)功能切換的方法包括更換部分系統(tǒng)構(gòu)件和調(diào)整構(gòu)件的連接方式兩種情況;而作為應(yīng)急產(chǎn)品,更換構(gòu)件這一方式并不適用,其難以滿足緊急情況對時間急迫性的要求.因此,可變功能應(yīng)急產(chǎn)品通常都是通過調(diào)整構(gòu)件的連接方式來實現(xiàn)“日常功能”和“應(yīng)急功能”的快速切換,本文也正是針對這類產(chǎn)品開展應(yīng)急效能的評估研究.

眾所周知,任何產(chǎn)品的設(shè)計都是一個“設(shè)計-評價-再設(shè)計”多次反復(fù)的過程.相較于一般產(chǎn)品,可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的設(shè)計評價尤為重要,這是由該類產(chǎn)品的自身特點(diǎn)和其使用環(huán)境的特殊性所決定的.在設(shè)計研究領(lǐng)域已有較多針對不同設(shè)計階段、不同設(shè)計對象的各種設(shè)計評價模型及相關(guān)方法,例如: 朱永梅等[3]建立了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計綜合評價模型;王海偉等[4]應(yīng)用方案綜合評價值偏離度最小和最大信息熵原理,構(gòu)建了產(chǎn)品設(shè)計方案評價的優(yōu)化模型與求解方法;原思聰?shù)萚5]將灰關(guān)聯(lián)分析方法應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計綜合評價體系各模塊,實現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的綜合評價;張雪華等[6]采用改進(jìn)的AHP、熵權(quán)法和模糊綜合評價方法,從工作能力、工作效率、協(xié)作能力、維護(hù)能力等4 個方面對抓取剪切救援屬具和破拆開孔救援屬具進(jìn)行了應(yīng)用效能的綜合評價研究.但目前還缺少針對可變功能應(yīng)急產(chǎn)品這一特定對象的設(shè)計評估.為此,本文在構(gòu)建可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,引入層次-熵權(quán)法確定評估指標(biāo)的權(quán)重,應(yīng)用保守型效用函數(shù)統(tǒng)一量綱,建立可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估模型,為可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供評判依據(jù).

1 可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo)體系

評估指標(biāo)體系由表征評估對象各方面特性及其相互關(guān)系的多個指標(biāo)構(gòu)成.故在構(gòu)建可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo)體系時,應(yīng)該全面地考慮影響產(chǎn)品應(yīng)急效能的各種相關(guān)因素,并通過對各評估指標(biāo)的認(rèn)識與對比,確保評估指標(biāo)體系的合理性與科學(xué)性[7].根據(jù)可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的自身特點(diǎn)和使用環(huán)境情況,本文采用操作時間、操作難度、使用安全性作為可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo).這是因為,應(yīng)急產(chǎn)品最重要的屬性是“急”,因此需要產(chǎn)品從日常功能向應(yīng)急功能切換時操作時間短,難度低;而且,要盡可能保證產(chǎn)品使用的安全性和可靠性,也要照顧到使用者的人身安全.其中,操作難度除了影響操作時間外,還涉及到對操作工具、人員技能等方面的要求,因此兩者之間既有一定的相關(guān)性,也有各自的側(cè)重點(diǎn).

1.1 操作時間

當(dāng)緊急情況發(fā)生時,使用者能在最快的時間內(nèi)展開自救行為并脫離危險環(huán)境是尤為重要的.為此,可以通過采集一組志愿者從產(chǎn)品初始狀態(tài)到完成功能切換的操作時長,經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得該指標(biāo)相應(yīng)的量化數(shù)值.考慮到應(yīng)急產(chǎn)品的使用對象包括了不同性別、不同年齡段、不同文化水平等情況,故應(yīng)該選擇具有代表性的操作志愿者,并對多次操作的時間數(shù)值取平均值[8].

1.2 操作難度

考慮到可變功能應(yīng)急產(chǎn)品實現(xiàn)功能切換主要通過調(diào)整構(gòu)件連接方式來實現(xiàn),因此,以調(diào)整構(gòu)件連接方式的難度系數(shù)來衡量操作難度.難度系數(shù)包括組合類型和工具類型[9],取值為1～10,規(guī)定難度系數(shù)為

(1)組合類型

組合類型描述了功能切換時需要進(jìn)行調(diào)整和拆裝的相關(guān)構(gòu)件之間的裝配精確度要求,本文將組合類型分為3 個等級,分別為簡單連接、一般連接以及深度連接.構(gòu)件之間的裝配要求越高,操作的困難程度就越高.表1 為組合類型與難度系數(shù)的關(guān)系.

表1 組合類型與難度系數(shù)的關(guān)系

(2)工具類型

工具類型描述了構(gòu)件之間拆裝的便捷度,本文將工具類型分為了4 個等級,分別為徒手操作無需工具、簡單工具、專用工具、大型工具.使用的工具越復(fù)雜,操作的便捷程度越低,拆裝的效率也就越低.表2 為工具類型與難度系數(shù)的關(guān)系.

表2 工具類型與難度系數(shù)的關(guān)系

設(shè)某一可變功能應(yīng)急產(chǎn)品有m個與功能切換相關(guān)的構(gòu)件,且記為S1,S2,…,Sm,將需要調(diào)整連接方式的構(gòu)件之間的關(guān)系記為 ＜Si,Sj＞=1,反之記為0.各構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)矩陣[10]見表3.在此基礎(chǔ)上,引入難度系數(shù),見表4.規(guī)定總操作難度為

表3 構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)矩陣表

表4 引入難度系數(shù)時構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)矩陣表

1.3 使用安全性

設(shè)計者需要通過對產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)特征的把握以及局部細(xì)節(jié)的處理,建立人-機(jī)-環(huán)境和諧關(guān)系,保證受災(zāi)者不受到二次傷害.本研究參考文獻(xiàn)[11],從“直接安全”原理和“間接安全”原理對可變功能應(yīng)急產(chǎn)品展開使用安全性的評估,并基于德爾菲法(Delphi Method)[12]構(gòu)建使用安全性評估指標(biāo)體系,見表5.

表5 使用安全性評估指標(biāo)體系

1.3.1 “直接安全”原理

“直接安全”原理分為“保持安全”原理、“限制失效”原理和“冗余配置”原理.“保持安全”原理是指該類產(chǎn)品不僅要滿足日常環(huán)境下的使用要求,更重要的是能經(jīng)受住特殊環(huán)境下所有可能事件而不產(chǎn)生失效或干擾.比如針對火災(zāi)而設(shè)計的多功能自救座椅的材料必須是耐高溫的、不可燃燒的、輕量化的等等.“限制失效”原理是指允許該類產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生功能失效的情況,但是應(yīng)當(dāng)及時被察覺出來并仍保持有限的功能,不允許造成嚴(yán)重的后果.比如,某一彈性聯(lián)軸器的球狀橡膠元件的性能會隨著載荷循環(huán)次數(shù)增大而降低,并出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致彈性聯(lián)軸器的性能下降,但是不會引起脫離的后果.“冗余配置”原理是指在可能發(fā)生故障的構(gòu)件不會引起危險的前提下,與之并聯(lián)或串聯(lián)安置的其他系統(tǒng)構(gòu)件可以全部或者部分承擔(dān)其功能,那么多個重復(fù)的構(gòu)件就能提高安全性,比如多驅(qū)動裝置、平行供電導(dǎo)線等.

1.3.2 “間接安全”原理

“間接安全”原理分為“保護(hù)系統(tǒng)”和“保護(hù)設(shè)施”.“保護(hù)系統(tǒng)”可以將危險輸入量轉(zhuǎn)化成消除危險的輸出量,具有排除、限制和隔離的作用,比如溫度、濕度監(jiān)測裝置等.若沒有信號轉(zhuǎn)化功能,可以識別該類產(chǎn)品是否具備“保護(hù)機(jī)構(gòu)”.“保護(hù)機(jī)構(gòu)”是一種以自身的功能能力為基礎(chǔ),行使保護(hù)功能的技術(shù)結(jié)構(gòu),比如過載保護(hù)閥、汽車安全帶等.“保護(hù)設(shè)施”不具備保護(hù)反應(yīng)但是具有保護(hù)功能,主要是通過成形的材料以及合理的尺寸關(guān)系防止傷害等被動作用從而達(dá)到保護(hù)效果.比如風(fēng)扇網(wǎng)罩格柵的間距尺寸和網(wǎng)罩與扇葉的距離尺寸分別從寬度和長度保護(hù)風(fēng)扇使用者手指的安全.

2 應(yīng)急效能評估的指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)[13]將目標(biāo)分解為若干層次的多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束),通過對定性指標(biāo)模糊量化的方法計算出層次單排序和總排序,實現(xiàn)多指標(biāo)、多方案問題的優(yōu)化決策.但是由于很多數(shù)據(jù)是由相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覒{經(jīng)驗給出的,故主觀成分大,難以令人信服.熵權(quán)法[14]的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重.某個指標(biāo)的信息熵越小,則該指標(biāo)的變異程度越大,在綜合評價中起到的作用越大.為避免主觀因素對評估結(jié)果的影響,本研究在確定可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo)的權(quán)重中,將層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合,保證評估方法的合理性和科學(xué)性.

2.1 AHP 法指標(biāo)權(quán)重的確定

采用AHP 法確定可變功能應(yīng)急產(chǎn)品各層次應(yīng)急效能評估指標(biāo)的權(quán)重.首先,通過指標(biāo)因素的兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣,該矩陣不僅可以有效地處理定性和定量的數(shù)據(jù),而且可以評估劃分等級的一致性.基于判斷矩陣標(biāo)度及其含義(表6)構(gòu)建以下判斷矩陣(A):

表6 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

其次,將所構(gòu)造的判斷矩陣的每一列元素做歸一化處理,并將歸一化的判斷矩陣按行相加再次歸一化得到判斷矩陣的層次單排序結(jié)果.

由上可得特征向量W=(w1,w2,…,wn)T,即 為權(quán)重數(shù)值,接著計算判斷矩陣的最大特征值λmax.

式中,[AW]i表示向量AW的第i個分量.最后,對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗,得到各指標(biāo)的權(quán)重.

式中: CI 為一致性指標(biāo);n為判斷矩陣的階數(shù);CR為一致性比率;RI 為隨機(jī)一致性指標(biāo),具體數(shù)值見表7.若CR＜0.1,說明判斷矩陣符合一致性檢驗.

表7 RI 的值

2.2 熵權(quán)法指標(biāo)系數(shù)修正

利用熵權(quán)法計算各指標(biāo)的信息熵、熵權(quán)以及最終權(quán)重,對上述各個指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正,減小數(shù)據(jù)主觀性對評估的影響.權(quán)重修正計算過程如下:

(1)利用公式(5)對判斷矩陣作歸一化處理,得到歸一化的矩陣(A).

(2)計算各個指標(biāo)的信息熵以及熵權(quán).

式中:Ej為信息熵;βj為熵權(quán).

(3)計算各個指標(biāo)的最終權(quán)重.

式中,r代表各個指標(biāo).

3 可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估模型

根據(jù)上文提出的可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估指標(biāo)體系以及各指標(biāo)的一般數(shù)學(xué)描述方法,可以建立可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估模型.但是不同指標(biāo)的單位以及性質(zhì)各不相同,難以將不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)自下而上聚合.本研究參考文獻(xiàn)[15],使用保守型效用函數(shù)統(tǒng)一量綱,達(dá)到效用聚合的目的.應(yīng)急效能評估模型如下:

式中,fr(x)表示第r個指標(biāo)的效用函數(shù),其分為3種類型.

(1)效益型指標(biāo)效用函數(shù):

(2)成本型指標(biāo)效用函數(shù):

(3)固定型指標(biāo)效用函數(shù):

Cr是一個常系數(shù),取為1;X為參考數(shù)據(jù);h為容差值.效益型指標(biāo)是指越大越好的指標(biāo),成本型指標(biāo)是指越小越好的指標(biāo),固定型指標(biāo)是指越接近某個值越好的指標(biāo).

4 實例分析

以圖1 所示的兩種多功能自救座椅為例,說明評估的過程,驗證本文方法的可行性.

圖1 兩款多功能自救座椅

第一款多功能自救座椅以后腿、椅背框、座板框和前腿依次相互鉸接構(gòu)成,整體構(gòu)架由不銹鋼制造而成.在座椅的狀態(tài)下,前腳和后腳通過卡扣鎖緊,卡扣安在椅背框和后腿鉸接處下方的孔內(nèi),靠背板和座板分別磁吸在椅背框和座板框上.第二款多功能自救座椅以后腿和座板框鉸接以及前腿和后腿銷連接構(gòu)成,整體構(gòu)架由鋁合金制造而成.在座椅的狀態(tài)下,座板框作用在前腿的橫桿上,球頭銷由于重力作用在后腿的凹槽中,靠背板和座板分別磁吸在椅背框和座板框上.

圖2 為座椅展開為梯子的狀態(tài)示意.第一款座椅展開為梯子時,分別將靠背板和座板取下,打開前腳和后腳之間的卡扣,將安在椅背框和后腿鉸接處下方孔內(nèi)的卡扣旋轉(zhuǎn)取出,通過鉸鏈的轉(zhuǎn)動將座椅展開為梯子,并將卡扣安在椅背框和后腿鉸接處上方的孔內(nèi),椅背框與座板框之間的自由度由上方兩套筒固定,套筒由于重力抵在橫桿上,而座板框和前腿之間的自由度由下方兩套筒固定,兩套筒由橫桿上的插銷進(jìn)行固定.第二款座椅展開為梯子時,分別將靠背板和座板取下,通過座板框與后腿的鉸鏈轉(zhuǎn)動并抬起前腿順著凹槽滑動到底部,將座椅展開為梯子.

圖2 座椅展開為梯子的狀態(tài)示意

4.1 指標(biāo)數(shù)值計算

(1)操作時間.挑選50 位志愿者,年齡在12～60歲,身體狀況均為健康,測試其操作所使用的時間,取平均值分別為12.4 s 和8.7 s.

(2)操作難度.提取多功能自救座椅功能切換中所涉及的相關(guān)構(gòu)件,并利用表1～2 進(jìn)行評估,接著運(yùn)用公式(1)、(3),得到引入難度系數(shù)時多功能自救座椅結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)矩陣表,見表8～9.

表8 引入難度系數(shù)時座椅一構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)矩陣表

表9 引入難度系數(shù)時座椅二構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)矩陣表

由表8～9 并運(yùn)用公式(2)得到多功能自救座椅的難度系數(shù)分別為3.50 和2.17.

(3)使用安全性.針對直接安全和間接安全2個準(zhǔn)則層的5 個指標(biāo)層指標(biāo)進(jìn)行專家打分,表10為2 種多功能自救座椅使用安全性的評估匯總.

表10 多功能自救座椅使用安全性評估匯總

4.2 權(quán)重計算

(1)邀請專家對3 個指標(biāo)兩兩評價并打分,從而得到判斷矩陣(其中操作時間比操作難度稍重要一些,故記為2;使用安全性比操作難度明顯重要一些,故記為4)

(2)由公式(5)～(7)得到判斷矩陣A的特征向量W=[0.240 0.137 0.623]T.

(3)由公式(8)計算得到λmax=3.019,通過公式(9)～(10)得到CR=0.016 ＜ 0.1,說明判斷矩陣符合一致性檢驗,判斷合理.

(4)判斷矩陣A歸一化處理后得到矩陣

(5)由式(12)計算得到各指標(biāo)的信息熵分別為E1=0.772,E2=0.870,E3=0.828;由式(13)計算得到各指標(biāo)的熵權(quán)分別為β1=0.430,β2=0.245,β3=0.325;由式(14)計算得到各指標(biāo)的最終權(quán)重分別為

4.3 應(yīng)急效能綜合值計算

第一步,建立基本指標(biāo)的效用函數(shù)并計算效用值.由4.1 節(jié)可知時間分別為12.4 s和8.7 s,難度系數(shù)分別為3.50 和2.17,使用安全性分別為84.37分和77.87 分.本文采用參考數(shù)據(jù)為: 6 s,1.5,90 分.由式(16)～(17)可得各指標(biāo)的效用分別為

第二步,計算應(yīng)急效能綜合值.由式(15)可得多功能自救椅的應(yīng)急效能綜合值分別為Pa=0.691和b0.779P=.故第二款多功能自救椅的綜合應(yīng)急效能高于第一款.

5 結(jié)論

針對可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的自身特點(diǎn)和使用環(huán)境,構(gòu)建了具有針對性的應(yīng)急效能評估指標(biāo)體系,包括操作時間、操作難度、使用安全性3 個方面,并將各項指標(biāo)進(jìn)行量化處理.結(jié)合主客觀賦權(quán)方法的優(yōu)缺點(diǎn),引入層次-熵權(quán)法確定評估指標(biāo)的權(quán)重.通過保守型效用函數(shù)統(tǒng)一量綱,最終建立了應(yīng)急效能評估模型.通過對兩款多功能自救椅的應(yīng)急效能評估案例應(yīng)用,展示了所提出的評估模型的使用過程及其可行性.未來將進(jìn)一步考慮從應(yīng)急功能切換回日常功能時的相應(yīng)性能要求,并進(jìn)一步完善本文的性能評估指標(biāo)體系,從而使得可變功能應(yīng)急產(chǎn)品的應(yīng)急效能評估更為全面,為此類產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供更好的技術(shù)支持.