基于AHP-獨立性權數法的列車旅客界面設計評價

何思俊，支錦亦

（西南交通大學建筑與設計學院，四川 成都 610031）

旅客列車的發展雖然以技術作為先決條件，但其內部設計越來越注重人性化需求[1].列車的旅客界面（passenger interface，PI）是近年來我國在高速列車研發中提出的新術語，包括車內座椅、行李架、燈具、無障礙衛生間等相關服務設施和側墻、端墻、頂板、走廊通道等與人產生交互的物理界面[2].隨著人們生活水平的提高，乘客對高鐵出行的需求不斷提升，列車的旅客界面設計成為提高用戶體驗的重要因素.在列車制造的關鍵節點對旅客界面設計進行評價，可以指導車內設計過程，及時反饋存在的問題，對建立環境友好的車內空間有重要意義.

根據列車處在方案設計、樣車試制、實車運營等不同階段，適用于車內旅客界面評價的方法也有所不同.在方案設計階段，可通過方案的效果圖或者三維數字模型進行初步驗證.效果圖一般用于評價車內視覺環境或粗略檢驗設計的合理性：文獻[3]對不同圖底和色調關系的車廂內飾方案效果圖開展視覺跟蹤實驗和滿意度評價，認為乘客關注區域與其面積大小無關，色調明快的設計方案美學設計評價更好；文獻[4]以高速列車二等座椅設計效果圖為樣本，通過感性工學方法建立了座椅分模線型、色彩及圖紋3 類設計元素與整體風格評價的量化關系.三維數字模型主要被用于對方案的人機性能進行校核；文獻[5]提出了一種無輔助抓握件的車內扶手布置方案，利用人因分析軟件JACK 對可用抓握點位數量進行了評估；文獻[6]通過三維模型評價了3+2和2+2 兩種車廂旋轉座椅布置方式在乘客舒適性和乘務員操作負荷上的優劣，2+2 布置方式不僅能增加定員，而且人機性能更好；文獻[7]介紹了西南交通大學人機環境系統設計研究所搭建的軌道交通列車的可視化人因綜合分析平臺，平臺可通過數字模型對人車界面進行仿真評估.而在樣車試制階段，由于整車造價高昂，一般只對關鍵設備進行評價；文獻[8]制作了兩個二等座椅方案模型，用模糊層次分析法評價了優劣并改進了設計；文獻[9]在倫敦大學學院搭建了一節實驗樣車，評估了座椅類別、前廳寬度、車門寬度等設計參數對乘客上下車效率的影響，但研究對象局限于地鐵列車.目前暫時還沒有高速列車在樣車階段開展旅客界面的評價工作.在正式運營階段，則可通過乘客的實際體驗進行評價；文獻[10]面對韓國引進TGV (train à grande vitesse) 平臺列車出現的旅客界面人機適配性問題，通過問卷調查數據構建了24 項指標的結構方程模型，認為座椅間距、座椅寬度和座椅傾角對舒適度有較大影響；文獻[11]通過因子分析提取了影響乘客整體滿意度的4 個因素21 項指標，對調查數據進行回歸分析，確定了因素的重要度排序.運營階段的評價研究以提升鐵路服務質量為目的，涉及的因素通常包含設計、餐飲、票價等易調整的方面，較難落實到旅客界面的更改.

通過分析旅客界面的現有評價發現：

1）不同的列車制造階段適用于不同的方法進行評價，出于成本、安全性和便捷性考慮，彼此并沒有明確的限制，如乘客可借助虛擬現實技術（VR）對車內虛擬環境進行主觀評價，但國內尚未形成相關文獻，目前的成果集中在列車虛擬維修與培訓[12].

2）用多途徑方法進行綜合評價可相互校驗，提高評價的準確性和可信度，如對關鍵設備開展實驗和主觀評價，常用的有人體壓力分布測量結合主觀舒適度量表[13]或表面肌電測試結合主觀疲勞量表等[14].而對旅客界面的整體質量評價采用調查方法相對有效，結合專家評分和乘客調查可在一定程度上避免專家決策的主觀隨意性.

3）在列車設計階段開展虛擬評價可避免重大設計缺陷的產生，但較難面向用戶廣泛收集意見，通過虛擬環境開展的靜態評價也不能完全反應實車體驗中的問題.

因此，針對在樣車試制階段的高速列車，宜引入滿意度調查的方法評價旅客界面設計的優劣，但為了突破傳統設計評價只針對座椅形面、設施布局等單一內容，或只重視調查的整體結果，對指標改進指示性不強等問題，本文從系統的角度出發，建立了高速列車旅客界面評價指標體系，研究利用專家意見和乘客調查數據相結合的方式構建主客觀賦權值的模糊評價模型，能在得到定量評價結果的同時進一步挖掘指標對整體滿意度的影響程度，為后期改進提供優先策略.

1 旅客界面評價指標

1.1 旅客界面設計滿意度調查

設計滿意度表征了乘客對設計質量的實際體驗與心理期望之比，一般針對最終設計的產品進行[15].以處于環線試驗階段的新研制雙層高速動車組列車為調查對象，調查問卷包含36 項觀測變量，問卷設計為5 級李克特量表，即“5～1 分”分別代表“非常滿意、滿意、一般、不滿意、極不滿意”.正式調查邀請廠區內被試者上車試乘，測試時列車周圍環境安全，處于全工作狀態，提供正常運營條件下所需的供電、供水、供氣（冷/暖氣），按照實際運用狀態設置照明等.被試者上車進入對應座位，按習慣放置隨身物品，正常就坐、熟悉并使用車內設備不小于 40 min，測試結束前30 min 發放滿意度調查問卷，測試結束時收回.

1.2 調查樣本特征及描述性分析

測試現場發放問卷93 份，收回有效問卷85 份.用SPSS 分析軟件驗證問卷數據的穩定性和一致性.信度系數Cronbach’sα的值為0.977，一般來說信度系數界于0.8～1.0，說明問卷的信度相當好.進一步對問卷調查結果進行數據整理，統計乘客的基本信息分布特征如表1 所示.

表1 乘客個體特征描述性統計Tab.1 Descriptive statistics of individual passenger characteristics

從乘員構成來看，女性乘客樣本占總樣本比例為47%，男性占53%，男女比例相對均衡.年齡最小21 歲，最大55 歲，26～45 歲之間的人占67.1%，整體呈正態分布.乘客中身高最小154 cm，最高185 cm，滿足中國人體第10 百分位至第90 百分位區間，能解釋小、中、大型身材乘客使用情況.樣本選座位置靠窗占38.8%，不靠窗占61.2%，符合二等車廂3+2 座椅布置特征.調查樣本分布較為合理，有一定代表性.

1.3 建立評價指標體系

通過對乘客乘車需求的調查、整理和分析，充分考慮評價指標體系的系統性和層次性，構造目標層A 至準則層B 再到指標層C 的三級評價層級，目標層包含5 項評價準則，準則層包含36 項詳細指標，如表2 所示.

表2 高速列車旅客界面設計評價指標體系Tab.2 Passenger interface design evaluation index system for high-speed train

1）設施尺度B1包含了7 項評價指標，是從人-旅客界面幾何適配角度提煉的影響滿意度的關鍵參數.

2）安全設計B2包含了6 項評價指標，是從列車內飾的被動安全出發對旅客界面設計的安全性進行評價.

3）功能使用B3包含了10 項評價指標，由乘客可主動使用的車內輔助功能設計組成，表征了乘車的便捷性.

4）空間環境B4包含了7 項評價指標，是從乘客可感知的車內物理參數進行評價，對人體舒適的滿意程度影響較大.

5）美學設計B5包含了6 項評價指標，從車內CMF 設計和整體氛圍營造評價旅客界面的美觀性.

2 集成AHP-獨立性權數法的評價模型

高速列車運載的乘客存在較大個體差異，不同乘客對旅客界面各項指標的需求程度不同，則指標間的重要程度應該不同.目前的指標賦權方法以德爾菲法、AHP 法（層次分析法）等根據人工主觀價值判斷來指定權數的方法為主，實施時對賦權者的專業水平要求較高，且專家經驗不同，較難反應出用戶的真實需求.因此，提出一種先用主觀AHP 法賦權，再通過客觀獨立性權系數法修正主觀權數，最后線性合成綜合權重對評價指標賦權的方法.其評價流程如圖1 所示.

圖1 列車旅客界面設計綜合評價流程Fig.1 Comprehensive evaluation process of passenger interface design of train

2.1 AHP 法計算主觀權重

AHP 法是Saaty[16]提出的一種將復雜問題分解為層次結構，進而分析評價的主觀賦權方法，它能利用較少的定量信息，把決策的思維過程數學化，從而為求解多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題.AHP 引入1～9 級標度法，采用指標間兩兩比較的方式將重要性通過判斷矩陣進行量化，并通過一致性檢驗來保證人為判斷的邏輯性.其標度含義如表3 所示.

表3 1～9 級標度含義Tab.3 Scale meaning of level 1-9

對指標層和準則層中的指標進行逐層判斷.先構建評價指標集U={u1，u2，···，un}確立各指標相對上一層級的權重，由專家打分構建指標間兩兩判斷矩陣G為

式中：uij為標度值，i,j=1,2,···,n，且uij＞0,uij=1/uji,uii=1；n為判斷矩陣階數.

采用矩陣特征向量的近似求法計算G的特征向量，進行歸一化處理即可得到U中各指標權重WS=（WS,1，WS,2，···，WS,n）.再對判斷矩陣的一致性進行驗證，根據式（2）、（3）計算判斷矩陣最大特征根 λmax，并引入隨機一致性指標RI求解G的一致性指標CI和一致性比例CR.

當CR＜ 0.1 時，認為矩陣G的不一致程度在允許范圍內，否則需對矩陣再做調整.

2.2 獨立性權數法計算客觀權重

獨立性權數法是采用多元回歸分析法計算指標間的復相關系數來定權的方法，其結果不依賴于人的主觀判斷，能客觀反映指標間的相互關系.其原理為：在評價體系中，若某一項指標與其余指標的相關程度較大（復相關系數越大），則說明該指標與其余指標重復信息越多，越容易被其他指標所替代，因此其權重應該越小.用獨立性權系數法確定指標權重，首先根據調查問卷建立n個指標的m個乘客的評分矩陣X，如式（4）.

式中：xih為第i個指標上第h個被試者的評分值，h=1，2，···，m.

通過線性回歸分析依次求得單個指標與其他指標間的復相關系數，計為ρi.求倒復相關系數并歸一化處理即為獨立性權系數，如式（5）.

則指標客觀權重向量為WO=（wO,1，wO,2，···，wO,n）.

2.3 計算綜合權重

綜合權重為主客觀權重的線性合成，如式（6）.

式中：α、β為主客觀權值在綜合權重中的比例系數；β=1 -α.

由式（6）可知：只需計算α即可確定對主客觀權重分配的權衡結果.建立一個主客觀權重誤差平方和最小的優化函數求解，如式（7）.

可得當α=0.5 時，有最小解.

2.4 模糊綜合評價

使用模糊綜合評價方法求解旅客界面最終評價結果，需對準則層和目標層逐層計算.設置指標的評語集V={v1，v2，···，v f，···，vk}，其中vf為k級評價標準中的第f級評語.對指標層建立模糊子集進行評價，得到該指標在評語集V中的的隸屬度rif，并歸一化處理，進而建立各指標隸屬度的模糊關系矩陣R=(rif)n×k.最后由已知權重向量W=(W1,W2,···,Wn)和模糊矩陣R合成得到準則層的評價結果向量F=WR=(R1,R2,···,Rn).

根據準則層的評價結果建立評判矩陣，加權準則層綜合權重得到目標層的模糊評價矩陣，如式（8）.

最后按照最大隸屬度原則，選擇評價結果.

3 評價數據處理

3.1 求解指標主觀權重

邀請軌道交通工業設計領域3 名專家按照1～9 級標度法對各層級評價指標進行判斷打分，由于篇幅有限以準則層5 項指標為例，根據式（1）構建判斷矩陣為

根據判斷矩陣特征向量的近似求法可得準則層相對目標層主觀權重為

根據一致性檢驗式（2）、（3）得到判斷矩陣一致性比率=0.000 2 ＜ 0.1，證明有非常好的一致性.同理可求得指標層相對準則層權重，如表4 所示.

表4 列車旅客界面評價指標權重Tab.4 Weights of passenger interface evaluation index

AHP 賦權的精確性完全取決于專家的經驗水平和判斷時的認真度.因此引入較為客觀的獨立性權數法避免專家賦權造成的主觀偏差.

3.2 求解指標客觀權重

通過調查問卷的原始評分數據求解指標層的客觀權重，準則層的評分為每位乘客對該準則下指標滿意度評分的平均分.將數據錄入SPSS，對指標進行線性回歸分析，自變量為同一個評價目標下的其余指標.同樣以準則層5 個指標為例，通過線性回歸分析求解復相關系數如表5 所示.

將復相關系數代入式（5）可得準則層客觀權重WO,A=(0.198 8,0.197 9,0.193 6,0.191 4,0.218 4).

同理可得指標層對準則層中各指標的客觀權重如表5 所示.用獨立性權數法計算的指標權重完全從乘客滿意度評分中挖掘了真實信息，能客觀反映乘客對各指標的需求程度.

3.3 求解指標綜合權重

求得主客觀權重后根據式（6）進行線性合成，則可計算出各指標的綜合權重值如表5 所示.綜合權重有限利用了專家意見，挖掘了乘客的實際體驗數據，指示了指標間的內在邏輯關系.

表5 準則層復相關系數Tab.5 Criterion layer correlation coefficient

3.4 模糊綜合評價

設置評語集V={非常滿意，滿意，一般，不滿意，極不滿意}，為了驗證模型的有效性，增加了比較方案.在85 名被試乘客中，選取最近有既有動車組（復興號）乘坐經歷的乘客25 名，記錄其在樣車中的調查問卷編號，再請其根據既有列車的乘坐體驗打分.統計各指標在評語集下的選擇頻次，并歸一化處理.如新造樣車中座椅布局方式一項有8 人選擇“非常滿意”，12 人選擇“滿意”，5 人選擇“一般”，0 人選擇不滿意和極不滿意.則有對應評價矩陣C1=(0.32，0.48，0.2，0，0).

建立新造樣車的準則層模糊評判矩陣，并加權綜合權重進行計算，可得到各指標對準則層評判結果為

根據式（8）可求得新造樣車旅客界面整體（目標層）評價結果為

同理，通過被試對既有列車的滿意度調查數據，可求得評價結果為

3.5 結果分析

根據最大隸屬度原則選擇評價結果，新造樣車滿意的隸屬度最高，為0.397 7，旅客界面設計整體評價應為滿意；既有列車非常滿意的隸屬度最高，為0.442 2，整體評價為非常滿意.這說明試制的樣車還無法完全達到乘客期望，改進的優先級為：設施尺度 ＞ 功能操作 ＞ 空間環境 ＞ 安全設計 ＞ 美學設計.

對設施尺度的評價結果進行分析，新造樣車的評語為滿意，既有列車為非常滿意，對結果影響最大的指標為座椅人機曲面和前后座椅間距.安全設計相關指標中新造樣車的評價結果為滿意，既有列車為非常滿意，對設施尖角和行李架高度兩項權重最大的指標進行復檢，發現新造樣車的行李架高度偏低（1 690 mm），只比男性第50 百分位身高（1 678 mm）略高，即有半數男性出入靠窗座位時會碰頭，如圖2所示.功能使用相關指標中新造樣車的評價結果為非常滿意，既有列車為滿意，新造樣車汲取現有車型使用中的不足，改進了電源充電口位置及座椅頭枕可調范圍等參數，在滿足乘客使用需求上有更好的體驗.空間環境相關指標中，空氣質量、照明和噪聲是影響乘客滿意度的主要因素，其他指標由于可感知性不強，權重差異不大.美學設計相關指標評價中新造樣車優于既有列車，乘客對空間色彩的感知強于造型因素，合理的色彩搭配有助于緩解視覺疲勞，營造優雅的內飾氛圍.

圖2 行李架高度指標設計問題Fig.2 Design problem of luggage rack height index

根據評價分析，對新造樣車進行優化，改進了座椅曲面參數，尤其是頸部支撐更明顯，適當增加了座椅前后間距，重新設計了行李架.既有列車的褐色座椅蒙面時代感不強，耐污性不好，新方案中使用了更為明快和年輕化的藍色，效果如圖3 所示.

圖3 改進的設計方案效果圖Fig.3 Rendering of the improved design scheme

4 結 論

1）闡釋了高速列車旅客界面評價的階段、適用方法和評價目的，總結了設計評價研究的趨勢和特點.

2）在新型雙層高速列車動車組的新造樣車中，開展了旅客界面設計滿意度調查，篩選并建立了較為全面的評價指標體系，能夠從設施尺度、安全設計、功能操作、空間環境和美學設計角度反映乘客滿意度的影響因素.

3）提出在AHP 法賦權的基礎上，結合獨立性權數法從主客觀層面綜合求解指標權重的方法，該方法既保留了專家的專業意見，又充分挖掘了乘客對旅客界面的客觀需求，能較好地體現賦權的公平性.

4）利用求解的權重對新造樣車和既有列車的旅客界面進行了對比評價分析，評價結果符合實際情況.借助指標權值分析了旅客界面中對滿意度影響較大的設計因素，并提出了針對性改進意見.