基于操作便捷性和安全性的可變功能應急產品應急效能評估

胡鵬驍 ,鄧益民* ,丁志勇 ,張 挺

（1.寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211 ;2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室,浙江 寧波 315211;3.浙江永貴電器股份有限公司,浙江 天臺 317200）

應急產品是應對突發事件、降低災害損失、挽救人民生命的重要工具.由于此類產品存在功能單一、閑置率高等問題,本課題組在前期研究中提出了“可變功能應急產品”的概念[1],其在日常狀態下就像一般產品那樣可以給使用者提供一個或多個“日常功能”,而當突發事件發生時,可以對環境作出快速響應,從“日常功能”轉變為“應急功能”,從而避免了普通應急產品絕大多數情況下處于閑置狀態的浪費問題.例如,檀大華等[2]設計的多功能自救座椅就屬于這樣一類產品,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,梯子可以在特定環境下用作逃生工具.需要指出的是,一般的可變功能產品實現功能切換的方法包括更換部分系統構件和調整構件的連接方式兩種情況;而作為應急產品,更換構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,可變功能應急產品通常都是通過調整構件的連接方式來實現“日常功能”和“應急功能”的快速切換,本文也正是針對這類產品開展應急效能的評估研究.

眾所周知,任何產品的設計都是一個“設計-評價-再設計”多次反復的過程.相較于一般產品,可變功能應急產品的設計評價尤為重要,這是由該類產品的自身特點和其使用環境的特殊性所決定的.在設計研究領域已有較多針對不同設計階段、不同設計對象的各種設計評價模型及相關方法,例如: 朱永梅等[3]建立了機械產品設計綜合評價模型;王海偉等[4]應用方案綜合評價值偏離度最小和最大信息熵原理,構建了產品設計方案評價的優化模型與求解方法;原思聰等[5]將灰關聯分析方法應用到機械設計綜合評價體系各模塊,實現了機械產品設計的綜合評價;張雪華等[6]采用改進的AHP、熵權法和模糊綜合評價方法,從工作能力、工作效率、協作能力、維護能力等4 個方面對抓取剪切救援屬具和破拆開孔救援屬具進行了應用效能的綜合評價研究.但目前還缺少針對可變功能應急產品這一特定對象的設計評估.為此,本文在構建可變功能應急產品的應急效能評估指標體系的基礎上,引入層次-熵權法確定評估指標的權重,應用保守型效用函數統一量綱,建立可變功能應急產品的應急效能評估模型,為可變功能應急產品的設計開發提供評判依據.

1 可變功能應急產品的應急效能評估指標體系

評估指標體系由表征評估對象各方面特性及其相互關系的多個指標構成.故在構建可變功能應急產品的應急效能評估指標體系時,應該全面地考慮影響產品應急效能的各種相關因素,并通過對各評估指標的認識與對比,確保評估指標體系的合理性與科學性[7].根據可變功能應急產品的自身特點和使用環境情況,本文采用操作時間、操作難度、使用安全性作為可變功能應急產品的應急效能評估指標.這是因為,應急產品最重要的屬性是“急”,因此需要產品從日常功能向應急功能切換時操作時間短,難度低;而且,要盡可能保證產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性,也有各自的側重點.

1.1 操作時間

當緊急情況發生時,使用者能在最快的時間內展開自救行為并脫離危險環境是尤為重要的.為此,可以通過采集一組志愿者從產品初始狀態到完成功能切換的操作時長,經數據處理獲得該指標相應的量化數值.考慮到應急產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,故應該選擇具有代表性的操作志愿者,并對多次操作的時間數值取平均值[8].

1.2 操作難度

考慮到可變功能應急產品實現功能切換主要通過調整構件連接方式來實現,因此,以調整構件連接方式的難度系數來衡量操作難度.難度系數包括組合類型和工具類型[9],取值為1～10,規定難度系數為

(1)組合類型

組合類型描述了功能切換時需要進行調整和拆裝的相關構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的關系.

表1 組合類型與難度系數的關系

(2)工具類型

工具類型描述了構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的關系.

表2 工具類型與難度系數的關系

設某一可變功能應急產品有m個與功能切換相關的構件,且記為S1,S2,…,Sm,將需要調整連接方式的構件之間的關系記為 ＜Si,Sj＞=1,反之記為0.各構件之間的關聯矩陣[10]見表3.在此基礎上,引入難度系數,見表4.規定總操作難度為

表3 構件之間的關聯矩陣表

表4 引入難度系數時構件之間的關聯矩陣表

1.3 使用安全性

設計者需要通過對產品整體結構特征的把握以及局部細節的處理,建立人-機-環境和諧關系,保證受災者不受到二次傷害.本研究參考文獻[11],從“直接安全”原理和“間接安全”原理對可變功能應急產品展開使用安全性的評估,并基于德爾菲法(Delphi Method)[12]構建使用安全性評估指標體系,見表5.

表5 使用安全性評估指標體系

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”原理是指該類產品不僅要滿足日常環境下的使用要求,更重要的是能經受住特殊環境下所有可能事件而不產生失效或干擾.比如針對火災而設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品在使用過程中發生功能失效的情況,但是應當及時被察覺出來并仍保持有限的功能,不允許造成嚴重的后果.比如,某一彈性聯軸器的球狀橡膠元件的性能會隨著載荷循環次數增大而降低,并出現裂紋而導致彈性聯軸器的性能下降,但是不會引起脫離的后果.“冗余配置”原理是指在可能發生故障的構件不會引起危險的前提下,與之并聯或串聯安置的其他系統構件可以全部或者部分承擔其功能,那么多個重復的構件就能提高安全性,比如多驅動裝置、平行供電導線等.

1.3.2 “間接安全”原理

“間接安全”原理分為“保護系統”和“保護設施”.“保護系統”可以將危險輸入量轉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、濕度監測裝置等.若沒有信號轉化功能,可以識別該類產品是否具備“保護機構”.“保護機構”是一種以自身的功能能力為基礎,行使保護功能的技術結構,比如過載保護閥、汽車安全帶等.“保護設施”不具備保護反應但是具有保護功能,主要是通過成形的材料以及合理的尺寸關系防止傷害等被動作用從而達到保護效果.比如風扇網罩格柵的間距尺寸和網罩與扇葉的距離尺寸分別從寬度和長度保護風扇使用者手指的安全.

2 應急效能評估的指標權重

層次分析法(AHP)[13]將目標分解為若干層次的多指標(或準則、約束),通過對定性指標模糊量化的方法計算出層次單排序和總排序,實現多指標、多方案問題的優化決策.但是由于很多數據是由相關領域專家憑經驗給出的,故主觀成分大,難以令人信服.熵權法[14]的基本思路是根據指標變異性的大小來確定客觀權重.某個指標的信息熵越小,則該指標的變異程度越大,在綜合評價中起到的作用越大.為避免主觀因素對評估結果的影響,本研究在確定可變功能應急產品的應急效能評估指標的權重中,將層次分析法和熵權法相結合,保證評估方法的合理性和科學性.

2.1 AHP 法指標權重的確定

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

表6 判斷矩陣標度及其含義

其次,將所構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果.

由上可得特征向量W=(w1,w2,…,wn)T,即 為權重數值,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,對判斷矩陣進行一致性檢驗,得到各指標的權重.

式中: CI 為一致性指標;n為判斷矩陣的階數;CR為一致性比率;RI 為隨機一致性指標,具體數值見表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 熵權法指標系數修正

利用熵權法計算各指標的信息熵、熵權以及最終權重,對上述各個指標權重進行修正,減小數據主觀性對評估的影響.權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)計算各個指標的信息熵以及熵權.

式中:Ej為信息熵;βj為熵權.

(3)計算各個指標的最終權重.

式中,r代表各個指標.

3 可變功能應急產品的應急效能評估模型

根據上文提出的可變功能應急產品的應急效能評估指標體系以及各指標的一般數學描述方法,可以建立可變功能應急產品的應急效能評估模型.但是不同指標的單位以及性質各不相同,難以將不同指標的數據自下而上聚合.本研究參考文獻[15],使用保守型效用函數統一量綱,達到效用聚合的目的.應急效能評估模型如下:

式中,fr(x)表示第r個指標的效用函數,其分為3種類型.

(1)效益型指標效用函數:

(2)成本型指標效用函數:

(3)固定型指標效用函數:

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

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成,整體構架由不銹鋼制造而成.在座椅的狀態下,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,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成,整體構架由鋁合金制造而成.在座椅的狀態下,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的卡扣旋轉取出,通過鉸鏈的轉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,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示意

4.1 指標數值計算

(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構件,并利用表1～2 進行評估,接著運用公式(1)、(3),得到引入難度系數時多功能自救座椅結構之間的關聯矩陣表,見表8～9.

表8 引入難度系數時座椅一構件之間的關聯矩陣表

表9 引入難度系數時座椅二構件之間的關聯矩陣表

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

(3)使用安全性.針對直接安全和間接安全2個準則層的5 個指標層指標進行專家打分,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 權重計算

(1)邀請專家對3 個指標兩兩評價并打分,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)計算得到各指標的熵權分別為β1=0.430,β2=0.245,β3=0.325;由式(14)計算得到各指標的最終權重分別為

4.3 應急效能綜合值計算

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

第二步,計算應急效能綜合值.由式(15)可得多功能自救椅的應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急效能高于第一款.

5 結論

針對可變功能應急產品的自身特點和使用環境,構建了具有針對性的應急效能評估指標體系,包括操作時間、操作難度、使用安全性3 個方面,并將各項指標進行量化處理.結合主客觀賦權方法的優缺點,引入層次-熵權法確定評估指標的權重.通過保守型效用函數統一量綱,最終建立了應急效能評估模型.通過對兩款多功能自救椅的應急效能評估案例應用,展示了所提出的評估模型的使用過程及其可行性.未來將進一步考慮從應急功能切換回日常功能時的相應性能要求,并進一步完善本文的性能評估指標體系,從而使得可變功能應急產品的應急效能評估更為全面,為此類產品的設計開發提供更好的技術支持.