基于Fuzzy-EM的應急通信車艙內環境設計評價研究

李 正，茍秉宸，楊延璞

（西北工業大學 工業設計研究所，西安 710072）

0 引言

應急通信車是為了保障特殊災害及危險情況下的通信要求而集成調度指揮、視頻采集、現場通信等任務于一體的特種車輛。由于其在美國9.11恐怖襲擊、2003年美加兩國大停電、日本阪神大地震中災民發送緊急求救信號[1]以及在人口過度密集地區可短時間解決通信擁擠問題，因此越來越受到重視。

應急通信車的設計以總體布置為核心[2],其特點在于車輛底盤大多屬于采購件，上裝為隔熱保溫箱體，主要用于儀器操作及設備安放。應急通信車艙內環境包括：艙內座椅；座椅罩套；控制柜，包括操作鍵盤、顯示屏等；構成車內空間的天花板、地毯；貯存設備的儲物箱；工具柜；艙內控制系統設施；艙內防火、滅火設施；車內的各種扶手、衣帽架、短梯、照明設施等。應急通信車內環境設計涉及多種學科，其設計方案的篩選需要科學合理的評價方法進行評價,以選擇合理的方案進行優化設計。

目前產品的工業設計評價遠比產品的技術質量評價復雜[3]，常用的產品評價方法有經驗性評價法、評分法、模糊評價法、層次分析法、熵權法、灰色理論評價法和神經網絡評價法等[4～6]。由于在綜合評價過程中評價集與評語集合帶有較強的模糊性，因此系統評價多用模糊理論（Fuzzy Theory）進行評價。但是評價過程權重的選取通常由專家經驗得出，帶有較強的主觀性。程啟月[7]提出了一種評測指標權重的熵權法（EM ：Entropy Method），此方法能夠克服主觀評測與客觀評測的不足，有助于確定具體的指標權重值。

本文以東莞市某特種車輛公司開發的應急通信車為研究背景，對車艙內飾設計方案使用Fuzzy-EM進行綜合評價。首先運用工業設計的理論知識[8]確定出評價指標體系，將評價指標進行量化處理，由EM法確定出評價指標權重值，然后應用Fuzzy理論進行綜合評價。最后運用Visual C++編制了應急通信車艙內環境評價系統軟件，對模糊算法進行簡化，驗證了該方法的科學性并提高了模糊評價的效率。

1 評價指標層次模型的構建

1.1 評價體系指標的建立原則

對應急通信車內環境設計評價時，須構建合理的評價指標體系，根據指標評價體系建立相應的綜合評價模型進行模糊綜合評價。構建評價指標體系的原則有：1）科學性。提煉出的指標能夠涵蓋影響應急通信車內環境其設計的一些核心因素，并且評價指標應該精簡，找出主要的影響因素，以保證選用的評價指標能夠科學、客觀的對評價目標進行描述。2）獨立性。選取的評價指標應該相互獨立，避免選用的各個評價指標內容之間存在相互包含的關系。

1.2 評價指標層次模型的構建

圖1 應急通信車艙內環境評價指標層次模型

評價指標是對設計對象的詳細描述，一般分為技術性評價指標、經濟性評價指標、社會性評價指標和審美性評價指標等[9]，根據設計對象的不同風格與特點，可以適當的選用一些反應設計特色與水平的方面作為評價標準[10]。參考目前的評價指標選用原則及工業產品設計評價標準[7～11]，研究評價指標體系采用三層樹狀結構，對評價指標進行逐層細化，制定出應急通信車艙內環境工業設計評價指標體系，如圖1所示。

評價指標既包括了應急通信車內環境設計的顯性因素如造型表現、色彩裝飾、燈光照明等，同時也考慮了隱性因素如人-機-環境的交互模式。評價指標如下。

1）整體造型：應急通信車內環境的整體造型直接影響操作人員的心理感受與工作效率。與整體造型相關的因素有：形式與功能相統一，造型優美；概念創新程度高；空間體量感均勻，過渡合理；比例協調。

2）人機操作：良好的人機交互模式不僅可以獲得較高的工作效率，而且可以提升空間作業的舒適性與安全性。應急通信車內飾設計的人機操作應考慮各種顯示屏、座椅、鍵盤、把手和衣帽架的位置等。

3）色彩搭配：應急通信車內環境設計中的色彩應與功能分區相適應，色彩對比度應協調，同時應與形態的劃分一致并能很好地體現出品質感。

4）內部照明：內部燈光的亮度是否合適、光線是否柔和、光影效果與空間是否搭配很大程度上影響作業的舒適性。

5）可靠性能：既包括通信部分可靠性也包括各車載性能以及各部件設計安裝的可靠性。

6）其他因素：作為商品的應急通信車，其經濟性、零部件的標準化程度及結構設計及材料選用是否合理，很大程度上影響著設計方案是否能夠量產。

2 模糊綜合評價模型的構建

2.1 使用EM確定出各指標權重值

EM源于是統計物理和熱力學,后來經申農（shannon）引入到信息論中去，現已在社會經濟領域，工程科技領域廣泛使用，評價信息量越大，不確定性就越小。EM的具體操作步驟如下：

設n個評價指標m個方案的決策矩陣為：

其中， xij為第i 個設計方案的第j個指標數值。

計算出第j項指標下的熵值：

計算j項指標的差異化系數：

2.2 使用Fuzzy理論進行綜合評價

2.2.1 評價指標的量化

使用模糊理論對產品設計方案進行綜合評價，須對評價指標進行量化處理，因此首先確定出基于同一評價環境的單因素評價標準，根據評價目的建立評價集V、評語集及評價值區間，如表1所示。依據評語及評價值對評價因子進行打分，確定出量化指標。

表1 評價等級表

2.2.2 模糊評價

根據評價集V與評語集對應急通信車艙內環境設計方案的各指標進行評分，通過統計數據得出評價模糊隸屬度Ri，最終確定出模糊評價矩陣R=(R1, R2,…, RP)T，然后依據結構熵權法所確定的權重值及模糊關系矩陣進行綜合評價。

2.3 評價向量的處理

經過綜合評價得到的評價向量為Z=(Z1,Z2,…,ZP)。為了確定綜合評價的評判結果，取參照評分值為：S={S1,S2,…,SP}，并以Zj作為權數對評分值向量S加權平均，得出綜合評價值：

其中，i為第i個設計方案。并根據加權平均所得到的評價值S(i)確定評價區間，得到最終的評判結果。

3 系統驗證

根據以上算法，采用Visual C++編制應急通信車艙內環境評價系統軟件，其結構如圖2所示。

圖2 應急通信車艙內環境評價系統結構圖

評價系統軟件按照文中Fuzzy-EM的評價過程建立了應急通信車艙內環境評價指標集和評語等級V，并且系統管理員可以修改和補充評價等級及其評價指標,建立模糊評價系統數據庫，依據文中闡述的熵權法確定出權重值，管理員預先輸入評價權重值存儲在評價系統中,Fuzzy-EM計算模塊按照文中闡述的模糊理論編制數據處理程序。

由陜西省汽車工程學會與工業設計協會多位成員、西工大工業設計系老師、某特種汽車公司工程技術人員、銷售人員和使用人員共計15人組成專家評審團隊，由評審專家登陸專家系統界面，依據各評價指標進行評分，全部完成后選擇提交將信息存儲在評價數據庫中。待所有評審專家評價完成之后，系統管理員選擇“執行評價”，評價系統便會按照Fuzzy-EM計算模塊的程序運行得出評價目標的綜合得分及所處的評價等級。應急通信車艙內環境設計評價系統軟件登錄界面如圖3所示。

圖3 應急通信車艙內環境設計評價系統登陸界面

以應急通信車艙內環境一款設計方案為例，由評審專家團隊進入各自的評審系統進行評價。如圖4所示，界面顯示的為編號01的評審專家系統評分結果。由管理員系統對設計方案實施“執行評價”，得出最終評價評審得出該設計方案評價得分為8.24分，等級為良好。如圖5所示。

圖4 編號為01的評審專家評價界面

圖5 評價結果界面

4 結論

1）將模糊理論與熵值法相結合應用于應急通信車艙內環境設計評價中，并從工業設計的角度出發比較全面的考慮了眾多設計方案中諸多模糊因素的影響。

2）提出了使用“參照評分值”處理綜合評價向量，得到的評價結果為一個數值，結果簡單明了，易于觀察。

3）通過Visual C++編制了評價軟件，實現了大量的繁瑣運算的自動化處理。

4）該方法思路清晰，具有較強的科學性，避免了模糊綜合評價中的主觀隨意性，同時具有較強的普適性與推廣性。

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