农机装备生命周期人机设计评价指标体系研究

邱变变 ，周骥平 ，郑再象 ，沈 辉

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225125；2.扬州大学 农学院，江苏 扬州 225125）

1 引言

产品生命周期理论提出：所有产品都会经历导入期，成长期，成熟期和衰退期的市场生命过程，应以生命的眼光看待市场中的产品[1]。农机装备作为满足农业生产者作业需求的流通商品，在不同生命周期阶段具有不同的特点并遵循特定发展规律。Fisher提出产品需求和特点并不是一成不变的，而是随着产品走过其生命周期，产品需求会发生很大变化，且市场赢得要素和市场资格要素也会动态变化[2]。人机工程设计及评价活动作为提高系统工效，降低总体成本，提升企业市场竞争力的重要手段，其发展进化贯穿于产品生命周期各阶段，并在不同阶段表现出差异性和连贯性。

国内外很多研究者针对特定阶段的农机装备，从座椅评价优选、噪声分布特点及防护，控制器布局工效评价、驾驶室整体人机评价等方面展开了研究[3-7]，丰富了人机工程学研究的理论及实践。虽然针对各阶段特定农机装备展开的人机设计评价研究，覆盖了产品生命周期不同阶段，但由于在研究初期没有从发展进化、生命的视角出发，相关研究阶段独立性较强，且未见对农机装备人机特性在整个生命周期中发展进化的特点及阶段差异性展开分析和报道，因此不利于从产品开发的更早阶段，系统、前瞻性的规划人机策略。指标体系的建立是多属性综合评价的关键，建立科学的指标体系是对评价对象进行较准确排序或分类的基础和前提[8]。现有农机装备人机设计评价指标体系的选取多基于研究者对农机装备人机界面涉及对象及要素的分析和归纳，构建过程个体主观性较强[9-10]。指标结构关系处理方面，主观评价指标通常被用来比对、验证客观评价结果的科学性和合理性，探寻主客观评价结果出现差异的原因[11]，或仅在底层设置主客观评价指标，对两部分评价结果线性加权获得最终评价结果[9]。因此，从产品发展进化角度构建凸显不同生命周期阶段人机特性差异及进化延续特点的人机设计评价指标体系，对农机装备生命周期人机设计评价研究有重要的理论及应用价值。

2 构建思路及原则

农机装备生命周期人机设计评价指标体系的构建主要包含指标体系的初选、指标体系的测验及结构优化几方面。指标体系初选阶段，在对相关文献展开分析和研究后，利用头脑风暴、小组讨论等方法针对现有研究中主客观指标关系处理、指标体系构建方法及阶段特征不明显等方面存在的问题，从农机装备人机设计要素、设计要素层次关系、用户人机需求发展趋势等出发构建初始评价指标及结构关系。初始指标结构是“指标可能全集”，而非“充分必要的指标集合”，因此在建立初始指标结构后，需要对单项指标和指标体系结构进行筛选和优化，以确保指标项的充分必要性及指标结构的合理性。指标系统结构的优化，主要采用带反馈的德尔菲专家咨询法，在初始评价指标结构基础上通过多轮专家咨询，利用专家丰富的知识及经验构建不同生命周期阶段评价指标结构。

不同生命周期阶段人机评价具体指标由两部分组成，一是通过多方专家几轮咨询确定的强代表性指标，即本研究涉及的指标体系；另一部分则在具体评价时，由评价组成员根据该类型产品发展策略，人机设计要点及重点等具体要求进行增补。指标权重的分配则根据单一方案人机整体价值评估目标，对专家价值判断取向主观权重及专家可靠度权重进行合成。

研究过程中，初始指标结构的构建原则侧重于：目的性、系统性、全面性、层次性及持续性。由于未涉及具体评价元件的权重分配，在研究中为确保指标结构的代表性，对其仅按属性进行分类并以标号区分。最终评价指标结构的构建原则侧重于：目的性、阶段全面性、可比性、可行性、稳定性及与评价方法的协调性。

3 指标体系的构建

3.1 初始指标体系的构建

研究中综合评价指标体系结构从顶层到底层，每层均设置主客观评价项；具体元件人机评价的底层指标，既有针对人机尺寸的客观指标，也有在操作、使用、认知过程中的主观指标。对于同类评价元件，则通过主观综合评价项评估彼此间的识别性、干扰性以及总体数量的合理性。初始指标系统结构层次图，如图1所示。

图1 农机装备生命周期人机设计评价初始指标结构层次Fig.1 The Hierarchy Structure of Initial Ergonomic Evaluation Indicator System

综合评价初始指标系统有显示装置、操作装置、驾驶室及座椅、环境、主观综合评价5个子系统，按从顶至底的顺序分为系统目标层、子系统层、评估要素类层，以及底层单项指标层。在具体评价元件项下，底层评价指标又分为：主观、客观及主观综合评价三类指标，其中脚踏板元件底层初始评价指标项及结构，如表1所示。

表1 脚踏板A3人机设计初始评价指标项及结构表Tab.1 The Initial Ergonomic Evaluation Indicators of Pedals

3.2 各阶段强代表指标项的筛选及指标结构的优化

3.2.1 德尔菲专家咨询准备工作

德尔菲法是依据系统的程序，采用匿名发表意见的方式，各专家间不得互相讨论，不发生横向联系，只能与调查人员联系沟通，通过多轮次调查专家对问卷所提问题的看法，反复征询、归纳、修改，最后汇总成专家基本一致的看法，作为预测的结果[12]。研究中，15名专家[13]是从21名预选专家中通过其对研究目标认可程度（71.4%）、相关知识、经验熟悉程度等筛选出来。5名高级工程师来自农机新产品开发及决策部门，3名高级工程师来自拖拉机生产制造部门，3名汽车产品开发高级工程师，4名人机工程及农机领域从事研究、教学工作教授及副教授。

3.2.2 专家咨询表的编制与问卷的发放

专家意见咨询表中，问卷说明主要介绍研究背景、目的及方法，填表说明，问卷寄回时间限制等信息。问卷主体以不同阶段各评价指标强代表性意见咨询表展开，专家需根据具体评价指标项的描述做出：具有强代表性，修改后具有强代表性以及不具有强代表性的态度表述。由于在第二轮咨询后，专家意见已趋于集中，因此未展开更多轮次的问卷咨询。两轮专家咨询通过信函邮寄方式共发放问卷15份，回收有效问卷15份，回收率100%。

3.2.3 专家咨询结果的分析和处理

对第一轮专家咨询数据参照Likert3分量表法在SPSS软件中进行数据的输入及分析，选取均值大于等于2.25，以及均值大于2，并且有3名以上专家认为修改后具有强代表性的指标及其分析数据，汇总成第二轮专家咨询问卷，采用信函方式再次发送给相关专家。第二轮咨询后，专家意见均值大于等于2.25且变异系数小于等于0.3的指标作为各阶段人机评价强代表性指标，其余未满足两轮筛选条件的指标则被剔除。根据以上筛选条件和方法，脚踏板元件各阶段人机评价强代表性指标，如表2所示。

3.3 单一方案价值评价的群组AHP指标权重构建

考虑到设计师和终端用户在产品需求和认知方面存在的差异，对各阶段底层指标赋权时，参与赋权的专家群体包括4名农机企业资深产品开发人员以及4名具有丰富农机驾驶经验，可以清晰、准确表达人机需求，成熟度较高的农机驾驶员。8名专家在改进的Satty1-9标度法基础上根据5/5-1/9比例标度对各阶段底层主客观指标重要性分别进行比较判断，获得同级评价指标两两比较判断矩阵。为了确保8名专家赋权意见的统一性，计算判断矩阵最大特征值对应特征向量，利用一致性比例判断矩阵的一致性。若8名专家意见符合一致性要求，计算专家平均权重向量；若未满足，重新抽取专家构建判断矩阵，在符合一致性要求后计算平均权重向量。为了在各专家权重基础上获得更接近理想值的指标权重，将专家给出的权重向量视为多维空间点，利用闵可夫斯基距离公式度量权重向量间距离，则可计算得到个体专家意见与“平均意见”的差异。该差异距离越小，代表专家意见越靠近平均意见，越应获得较大的权重值。利用专家可靠度权重对专家群组权重向量进行加权修正，则得到用于单一方案整体人机评估的指标权重集，具体，如表2所示。

表2 脚踏板不同阶段人机评价强代表性指标及指标对应权Tab.2 The Highly Recommended Indicators and Weights of Pedals in Different Lifecycle Stages

3.4 指标同度量化处理

根据农机装备人机评价中定量指标数据分布特点及相关国家标准对应范围，对定量指标数据采用基于广义线性功效系数的同度量化处理方法。主观定性评价指标的同度量化处理，采用基于专家群组“优、良、中、差、不及格”概略估计的直接评分量化法，评分标准参照客观指标量化的百分制，以利于综合评价加权统计。

3.5 综合评价合成模型

研究中，人机设计评价指标体系采用了从底层向上，主客观相互独立、分层加权的结构，各底层指标间不具有相关性，底层指标同度量化处理对极值指标采用了归零处理方法，因此综合评价采用了加法合成模型。在单一方案整体评价中，底层主客观指标加法合成得到具体元件人机设计适切水平分值（百分制）。对未达到合格要求的元件，根据评估指标项的约束条件展开溯源分析，找到影响人机适切水平对应参数，进行优化改良；各个元件评估分值通过逐级加权合成获得最终该设计方案整体人机适切水平。

4 生命周期人机设计评价指标体系应用

以国内某款成长期轮式拖拉机设计方案为例，利用构建的指标体系对其驾驶室进行人机评价应用，并对控制装置“脚踏板”具体评价过程进行说明及分析。该拖拉机设有离合踏板、左右制动踏板、油门踏板三类脚踏板，其中离合踏板设置在方向盘左侧，左右制动踏板及油门设置在方向盘右侧，油门踏板布置在离方向盘较远的位置。根据评价指标数据同度量化处理方法对踏板中心点位置，踏板基本尺寸、与水平面夹角，操纵力大小等数据进行同度量化处理，获得指标对应评价值。主观评价指标则由终端用户在虚拟现实环境根据产品内部渲染图直接评分，并与客观评价指标进行加权综合，得到该踏板主客观综合评价结果及踏板元件人机综合评价结果。该方案脚踏板各元件评价数据、同度量化处理结果及综合评价结果，如表3所示。

表3 被评拖拉机脚踏板评价数据、对应分值及综合评价结Tab.3 The Evaluation Data，Scores and Results of Selected Tractor Pedals

在对该设计方案进行人机优化时，可对处于较低水平的评价指标展开分析，从具体约束条件及其对综合评价贡献程度出发，在确保较优评价结果基础上提升踏板类元件操纵的合理性、安全性、高效性及舒适性。

被评拖拉机离合踏板、左制动踏板、右制动踏板及油门踏板主客观指标及综合评价结果比较，如图2所示。通过分析各踏板主客观及综合评价结果间关系，可以发现综合评价结果介于客观及主观评价结果之间，客观或主观评价结果的高低不能简单的等同于最终综合评价结果。研究中，为了获得整个设计方案人机评价综合结果，只需对四类踏板元件赋权并加权综合，得到各类元件、各子系统及整个设计方案的人机评价结果。在分析评价结果及其约束条件、实现技术、结构等因素后，即可获得具体可实施的人机优化方向及改进意见。

图2 被评方案各踏板评价结果图Fig.2 The Evaluation Results of Each Pedal

5 结论

上述应用评价研究表明，利用前述方法构建的农机装备生命周期三阶段人机设计评价指标体系，能在产品开发的早期阶段对设计方案的人机特性展开有效评价，并能根据具体评价结果及具体约束条件、评价元件间交互关系等给人机优化设计提供方向和建议，为农机装备人机综合评价的有效展开提供理论基础和保障。本研究虽构建了农机装备生命周期人机设计评价指标体系，但未深入探讨农机装备人机特性发展进化的驱动力及规律，因此也没能从理论层面给复杂产品人机进化设计提供理论指导，这将是笔者进一步研究的方向。