基于AHP/FCA/TRIZ的植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

趙樹行，戚彬，王莉，李衍豪，祝賀，高睿童

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255049)

為適應(yīng)植保農(nóng)業(yè)智能化的需求，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為植保無(wú)人機(jī)重要組成部分的遙控器，人機(jī)問(wèn)題日益突出, 長(zhǎng)時(shí)間操作植保無(wú)人機(jī)遙控器給操作者帶來(lái)腕管綜合征、頸椎病等疾病的困擾，產(chǎn)生的累積性傷害也將會(huì)降低植保作業(yè)效率。植保無(wú)人機(jī)遙控器是控制植保無(wú)人機(jī)作業(yè)信息反饋的重要工具,目前植保無(wú)人機(jī)遙控器的設(shè)計(jì)研發(fā)側(cè)重于功能的實(shí)現(xiàn)，缺少對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效的專門研究。

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊綜合評(píng)價(jià)法(fuzzy comprehensive appraisal，F(xiàn)CA)作為主觀評(píng)價(jià)的方法，在很多領(lǐng)域被普遍使用，可以根據(jù)研究目標(biāo)的不同，選擇相應(yīng)的使用評(píng)價(jià)方法。陸瀚等[1]使用模糊理論對(duì)公務(wù)機(jī)客艙座椅進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為座椅的改進(jìn)提供了參考，并且通過(guò)用戶測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證了模糊理論評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性；徐偉等[2]利用層次分析法對(duì)汽車座椅進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，找到改善座椅舒適度的方向；付自由等[3]通過(guò)改進(jìn)的模糊層次分析法對(duì)綠色包裝進(jìn)行評(píng)價(jià)。

TRIZ理論作為一種解決問(wèn)題的工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化。王成軍等[4]為提高火災(zāi)救援效率，通過(guò)TRIZ理論實(shí)現(xiàn)對(duì)拋掛裝置的優(yōu)化，提高了裝置的安全性；郜紅合等[5]使用TRIZ理論解決了公共扶手的安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種無(wú)接觸的扶手。TRIZ與很多理論有互補(bǔ)的效果，蘇建寧等[6]將AHP、QFD與TRIZ理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)玫瑰花蕾采摘機(jī)的設(shè)計(jì)，使采摘效率有了很大的提升;張芳蘭等[7]對(duì)人機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，證明了TRIZ理論與HOQ(質(zhì)量屋)結(jié)合的可行性。本文基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 人機(jī)工效評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

構(gòu)建的植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效評(píng)價(jià)模型如圖1所示。

圖1 人機(jī)工效評(píng)價(jià)模型Fig.1 Ergonomics evaluation model

1.1 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文將植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效作為總目標(biāo)，即目標(biāo)層為人機(jī)工效，從3個(gè)子方面對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效進(jìn)行評(píng)價(jià)，即將功能實(shí)現(xiàn)、舒適性、外觀作為該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)則層。準(zhǔn)則層又細(xì)分為9個(gè)指標(biāo)層，見(jiàn)表1。

表1 植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Ergonomics evaluation index system for plant protection drone remote control

1.2 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)權(quán)重

權(quán)重反映了各個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的重要程度，權(quán)重的確定將會(huì)影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，本文使用AHP確定該評(píng)價(jià)體系的權(quán)重[8]。

1)構(gòu)建判斷矩陣

對(duì)準(zhǔn)則層以及準(zhǔn)則層下各個(gè)要素進(jìn)行兩兩對(duì)比，即對(duì)同一層的要素i(i=1，2，3，…，n)和要素j(j=1，2，3，…，n)進(jìn)行兩兩比較，將對(duì)比結(jié)果構(gòu)建成4個(gè)矩陣(X、X1、X2、X3)，即

(1)

(2)

式中：xij為xi比xj的重要性標(biāo)度 ，xji為xj比xi的重要性標(biāo)度，并且xji與xij互為倒數(shù)。

矩陣構(gòu)建完成后，專家分別根據(jù)九級(jí)標(biāo)度表[9]對(duì)各個(gè)矩陣進(jìn)行重要程度評(píng)分，賦予矩陣所需數(shù)據(jù)。

2)求矩陣特征向量[10]

(a)將判斷矩陣的每一列進(jìn)行歸一化，即

(3)

(b)將歸一化后判斷矩陣按行求和，即

(4)

(c)將求和后的量進(jìn)行處理，可得權(quán)重向量，即

(5)

w=[w1，w2，…，wn]T;

(6)

(d)求最大特征根，即

(7)

3)一致性檢驗(yàn)

引入 CI(Consistent index)來(lái)判斷一致性，即

(8)

為了避免隨機(jī)誤差，判斷一致性時(shí)要加入一致性指標(biāo)RI[11](見(jiàn)表2)，通過(guò)比較CI與RI的比值判斷一致性，且

表2 RI 標(biāo)準(zhǔn)值Tab.2 RI standard value

(9)

若CR<0.1，說(shuō)明矩陣的一致性好，檢驗(yàn)通過(guò)。

1.3 構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣

使用專家評(píng)分法確定隸屬函數(shù)。將植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效等級(jí)劃分為好、較好、一般、較差4個(gè)等級(jí)，對(duì)每個(gè)等級(jí)進(jìn)行賦分得評(píng)價(jià)等級(jí)：Z=(8，6，4，2)(見(jiàn)表3)。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)層中的某個(gè)因素被賦該分的次數(shù)，如果打分的人數(shù)為M, 則隸屬度Rij為

表3 人機(jī)工效評(píng)價(jià)等級(jí)及其含義Tab.3 Ergonomics evaluation grade and meaning

(10)

根據(jù)專家對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的打分結(jié)果構(gòu)建矩陣，可得到3個(gè)3×3的評(píng)價(jià)矩陣(R1、R2、R3)。

(11)

1.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

有界和、 有界積模糊算子可以更好地體現(xiàn)權(quán)重，因此將權(quán)重因子與評(píng)價(jià)矩陣合成，即

B=w○R，

(12)

歸一化后得到

B=(b1,b2,b3,b4) 。

(13)

通過(guò)Z=b1×8+b2×6+b3×4+b4×2可以計(jì)算出植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效的量化評(píng)價(jià)結(jié)果，從而判定遙控器的人機(jī)工效等級(jí)。

2 評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用

本文選用植保無(wú)人機(jī)遙控器作為人機(jī)評(píng)價(jià)與優(yōu)化的案例，邀請(qǐng)10位人機(jī)工效方面的專家和30位飛手，利用構(gòu)建的植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效模型(如圖2所示)對(duì)設(shè)計(jì)中的植保無(wú)人機(jī)遙控器進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)，對(duì)遙控器的人機(jī)工效進(jìn)行量化分析，以便發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的要素。

圖2 植保無(wú)人機(jī)遙控器最初方案Fig.2 The initial plan of remote control for plant protection drones

2.1 人機(jī)工效影響因素的權(quán)重

根據(jù)式(1)、式(2)分別對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效評(píng)價(jià)體系中的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各要素間進(jìn)行兩兩對(duì)比，得到對(duì)應(yīng)的判斷矩陣：

由式(3)—式(7)可得到最大特征值λmax=3.038 5，則準(zhǔn)則層權(quán)重為

w=[w1，w2，w3]T=

[0.637 0，0.258 3，0.104 7]T。

本矩陣為三階矩陣，因此RI的值選擇0.58，根據(jù)式(9)可知，CR=0.037 0<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

同理可得植保無(wú)人機(jī)遙控器評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)層的權(quán)重，見(jiàn)表4。

表4 植保無(wú)人機(jī)遙控器評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Index weights of plant protection drone remote control evaluation system

2.2 構(gòu)建隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)上文所設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，邀請(qǐng)10位人機(jī)方面專家和30位飛手對(duì)影響植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效的每個(gè)因素進(jìn)行評(píng)分(專家評(píng)分一次代表兩人次)，對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行匯總，由式(11)構(gòu)建隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)矩陣。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(12)將植保無(wú)人機(jī)遙控器人機(jī)工效評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重因子與隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行合成，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出產(chǎn)品評(píng)分，確定人機(jī)工效等級(jí)。

w1○R1=(b11,b12,b13,b14)=

(0.215 970,0.179 068,0.322 946,0.281 886)，

w2○R2=(b21,b22,b23,b24)=

(0.352 474,0.284 922,0.177 190,0.185 314)，

w3○R3=(b31,b32,b33,b34)=

(0.241 854,0.174 206,0.305 130,0.278 810)，

(0.254 312,0.205 901,0.283 451,0.256 619)。

可得出該產(chǎn)品被約25.43%的專家評(píng)為8分，約20.59%的專家評(píng)為6分，約28.35%的專家評(píng)為4分，約25.66%的專家評(píng)為2分。

計(jì)算可得該產(chǎn)品最終評(píng)分為Z=4.92，評(píng)分介于4和6之間，更接近4分，故該產(chǎn)品最終人機(jī)工效評(píng)價(jià)等級(jí)為一般。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)化

植保無(wú)人機(jī)遙控器最終人機(jī)工效等級(jí)是指標(biāo)層權(quán)重和指標(biāo)層人機(jī)工效評(píng)分共同作用的結(jié)果，綜合指標(biāo)層權(quán)重系數(shù)和指標(biāo)層人機(jī)得分可確定需要優(yōu)化的指標(biāo)，使用TRIZ理論對(duì)待優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，最終將優(yōu)化模型帶入評(píng)價(jià)體系可得出優(yōu)化后的人機(jī)工效等級(jí)，優(yōu)化模型如圖3所示。

圖3 植保無(wú)人機(jī)遙控器優(yōu)化模型Fig.3 Optimization model of remote control for plant protection drone

對(duì)各因素權(quán)重比較(如圖4所示)可知，操作桿所占的比重最大，結(jié)合指標(biāo)層人機(jī)工效得分(如圖5所示)可知，對(duì)操作桿的改良可最快速提升植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效綜合評(píng)分。TRIZ對(duì)產(chǎn)品所存在的物理矛盾和技術(shù)矛盾有對(duì)應(yīng)的40個(gè)原理，能為指標(biāo)層相關(guān)要素的優(yōu)化提供方向，可使用TRIZ解決待優(yōu)化要素中的矛盾沖突對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化[7]，最后使用模糊層次法對(duì)優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。

圖4 指標(biāo)層綜合權(quán)重Fig.4 Comprehensive weight of index layer

圖5 指標(biāo)層人機(jī)工效評(píng)分Fig.5 Man-machine ergonomics score at the index level

TRIZ解決問(wèn)題的流程如圖6所示，通過(guò)將待解決的具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為TRIZ中典型問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)其中矛盾，并找到對(duì)應(yīng)的原理，根據(jù)所提供的典型問(wèn)題解決方案找到具體問(wèn)題的解決方案[12]。

圖6 TRIZ 解決問(wèn)題的基本流程Fig.6 The basic problem-solving process of TRIZ

3.1 操作桿設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ，當(dāng)一個(gè)技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致另一個(gè)技術(shù)參數(shù)的惡化，就形成了矛盾，可以建立沖突矩陣找到合適原理解決。在操作桿系統(tǒng)中，操作桿的準(zhǔn)確性與手指的舒適性為具體矛盾沖突，可將其轉(zhuǎn)化為TRIZ中的典型沖突，參考39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，操作桿的準(zhǔn)確性對(duì)應(yīng)27號(hào)通用參數(shù)“可靠性”，手指的舒適性對(duì)應(yīng)31號(hào)通用參數(shù)“物體產(chǎn)生的有害因素”，根據(jù)矛盾矩陣推薦的原理可找到具體解決方案(見(jiàn)表5)。

表5 矛盾矩陣Tab.5 Contradiction matrix

選擇40號(hào)原理，使用復(fù)合材料，操作桿上端與兩側(cè)改用硅膠涂層，主體為金屬桿(如圖7所示)，幾乎不改變操作桿硬度。手指中心接觸硅膠，邊緣接觸金屬，能保證無(wú)人機(jī)控制準(zhǔn)確穩(wěn)定情況下減少對(duì)手指的作用力。

圖7 操作桿設(shè)計(jì)Fig.7 Joystick design

3.2 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器的操作桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將金屬與硅膠拼接，硅膠表面做顆粒狀突起，在保持手指舒適的同時(shí)還能起到防滑的作用；硅膠的顏色為黑色，可以消除對(duì)顏色這一指標(biāo)評(píng)分的影響，最終產(chǎn)品效果圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后植保無(wú)人機(jī)遙控器方案Fig.8 Optimized remote control solution for plant protection drones

使用建立好的人機(jī)工效評(píng)價(jià)體系重新對(duì)優(yōu)化后的植保無(wú)人機(jī)遙控器進(jìn)行評(píng)價(jià)，操作桿專家評(píng)分由4.76提升到6.56，總?cè)藱C(jī)工效評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)由4.92提升到5.68，人機(jī)工效等級(jí)接近較好。

本文僅針對(duì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，效果理想，證明了該方法對(duì)提升產(chǎn)品人機(jī)工效的可行性。在產(chǎn)品的優(yōu)化階段可參考此流程，根據(jù)對(duì)最終人機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果影響程度從高到低進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

為提升植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效，基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)植保無(wú)人機(jī)遙控器進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)價(jià)，并通過(guò)TRIZ對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

1)對(duì)操作桿的優(yōu)化使植保無(wú)人機(jī)遙控器的人機(jī)工效分?jǐn)?shù)由4.92提升到5.68，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)功效等級(jí)的提升，證明了TRIZ的有效性及在多方法研究中的互補(bǔ)作用。

2)使用層次分析法確定權(quán)重，一定程度上弱化了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

3)建立的植保無(wú)人機(jī)遙控器評(píng)價(jià)及優(yōu)化體系，可為植保無(wú)人機(jī)遙控器決策階段提供參考，找到不足并進(jìn)行優(yōu)化。