陳蔡山林，王亞平，楊 洋，李新俊，何 龍

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京210094； 2.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京 102202)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

單兵系統(tǒng)工效學指標體系的建立及權(quán)重分配

陳蔡山林1，王亞平1，楊 洋1，李新俊2，何 龍2

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京210094； 2.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京 102202)

為了更好地開展單兵系統(tǒng)人機工效評價與設(shè)計研究，分別建立了單兵系統(tǒng)人機工效評價指標體系和人機工效設(shè)計指標體系。在建立指標體系的過程中，研究了指標體系的優(yōu)化和建立方法，通過分析傳統(tǒng)指標權(quán)重分配方法的不足后，提出了采用G1法分配指標權(quán)重方法。依據(jù)指標對士兵操作工效影響程度大小的原則，進行了專家調(diào)查，得到穩(wěn)定可靠的指標及其權(quán)重系數(shù)。該指標體系的建立為單兵系統(tǒng)的人機工效評價和設(shè)計具有重要的指導、參考作用。

單兵系統(tǒng)；指標體系；改進德爾菲法；G1法；專家咨詢

單兵系統(tǒng)是較為復雜、典型的“人(士兵)—機(單兵裝備)—環(huán)境(戰(zhàn)術(shù)任務(wù)與環(huán)境)”輕武器系統(tǒng)，由士兵手持、頭戴和身背來承載攜行，同時，結(jié)合典型戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，實現(xiàn)士兵—武器+瞄具、士兵—信息分系統(tǒng)、士兵—防護攜行分系統(tǒng)之間的人機交互，涉及裝備在士兵人體上的布局、負載分配、結(jié)構(gòu)匹配、可視性、可達性等人機工效因素，且這些因素相互交叉和復合。單兵系統(tǒng)的人機工效的好壞直接影響到單兵系統(tǒng)的實際作戰(zhàn)效能。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)對單兵系統(tǒng)的人機工效積累了不少技術(shù)數(shù)據(jù)，Krausman等[1]從裝備的兼容性出發(fā)，對Land Warrior單兵系統(tǒng)進行人機工效分析，并提出建議；楊洋等[2]從士兵佩戴的舒適性角度出發(fā)研究了影響頭盔舒適性的人機工效因素；Attwells[3]，Schiffman[4]等提出士兵平衡評價指標，采用試驗方法研究了負載對士兵的影響。Rosen等[5]從火力殺傷、機動性等5個方面對Nett Warrior單兵系統(tǒng)的人機工效進行研究，并提出改進建議。陳曉等[6]曾對我國現(xiàn)有的單兵系統(tǒng)進行研究，提出了與單兵工效學相關(guān)的標準、規(guī)范。單兵系統(tǒng)人機工效評估要素多，層次結(jié)構(gòu)復雜，評估活動規(guī)模大，僅從單一或部分要素對其進行評估不能獲得全面、合理的評估結(jié)果，因此，需要構(gòu)建具有邏輯層次結(jié)構(gòu)合理并能夠準確描述單兵系統(tǒng)人機工效基本特征的指標體系。

為了便于單兵系統(tǒng)人機工效的設(shè)計及綜合評估，本文分別建立了單兵系統(tǒng)人機工效綜合評估指標體系和單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計指標體系。單兵系統(tǒng)人機工效綜合評估指標體系主要用于單兵系統(tǒng)綜合評估，輔助整體決策；單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計指標體系主要用于單兵系統(tǒng)的工程設(shè)計，起到具體的指導、參考作用。在此基礎(chǔ)上，對如何確定指標體系中各項指標的權(quán)重系數(shù)進行研究，最后得到相應的指標權(quán)重系數(shù)。

1 指標體系的初步建立

在建立指標體系的過程中，采用自上而下的分解方式將指標體系分解成有序的階梯層次結(jié)構(gòu)。單兵系統(tǒng)人機工效綜合評估指標體系劃分為總目標、目標層和指標層。總體評估指標主要用于人機工效的評估與半實物仿真建模，該指標體系不具體到要素層。單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計指標結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、目標層、指標層、要素層。要素層作為直接影響指標層工效優(yōu)劣的底層指標，主要從部件的設(shè)計角度進行分解。針對不同用途，將評估指標體系和設(shè)計指標體系分開建立，提高了指標體系的針對性。

通過征求相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，參考相關(guān)資料[7-11]，依據(jù)指標體系建立的簡明性和全面性原則，初步確定出比較全面人機工效評價指標體系和設(shè)計指標體系。篇幅有限，本文主要以單兵系統(tǒng)人機工效評價指標體系為示例進行說明，表1為初步建立的評價指標體系框架。

表2為單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計指標體系的分解框架，為了具體指導人機工效設(shè)計，將單兵系統(tǒng)的人機工效分為3個分系統(tǒng)。目標層為具體部件的人機工效，指標層按照影響士兵操作的具體因素進行宏觀分解，要素層針對人機工效指標層，從部件的設(shè)計角度進行分解，所分解的指標盡可能詳細具體,可以具體指導單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計。指標層、要素層指標過多，本文不具體展開。

表1 單兵系統(tǒng)人機工效綜合評估指標體系框架

表2 單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計指標體系框架

2 指標體系的優(yōu)化

初步建立的指標體系，追求指標體系的全面性，企圖使指標體系包含所有的因素。由于指標過多，導致評價者判斷上的錯覺和混亂，同時也削弱了其他指標的權(quán)重，造成評價結(jié)果失真，因此需要對指標體系進行合理優(yōu)化[12]，指標優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 指標體系優(yōu)化流程

2.1 確定專家咨詢?nèi)藛T

要獲取專家對初步建立指標的意見，首先應該確定相應的專家。應該選擇具有一定的專業(yè)知識和豐富實踐經(jīng)驗而又愿意參加的專家。專家人數(shù)的選擇決定了指標體系優(yōu)化的合理性，研究發(fā)現(xiàn)專家人數(shù)越多，評估信息程度豐富，但由于各種原因評估結(jié)果分歧的可能性也就增加，很難達到專家的統(tǒng)一意見。通常對于人機工效評估問題，4或5人能發(fā)現(xiàn)80%～85%的問題，當群組人數(shù)為5～11人時，最易得到相對正確的評估結(jié)果[13]。

本研究考慮到結(jié)果的準確性和專家意見的收斂難易程度，聘請了10位具有高級職稱并在單兵系統(tǒng)研究領(lǐng)域較有影響的專家作為專家咨詢?nèi)藛T。

2.2 指標存在必要性分析

針對評價指標體系來說，保留相對重要指標，對不重要的指標予以篩除，可在保證評價指標體系基本作用的前提下進一步簡化體系結(jié)構(gòu)，便于對系統(tǒng)進行分析。設(shè)指標集U={u1,u2,…,um}，L名專家對指標i存在必要性評判的結(jié)果可以表示為

(1)

2.3 咨詢結(jié)果有效性分析

在對指標的優(yōu)化過程中，需要對咨詢結(jié)果的有效性進行分析。當專家組對同一評價指標評價得出的差異較小時，表明該評價指標體系能夠真實地反映評價對象的本質(zhì)。采用專家意見一致性程度表征咨詢結(jié)果的有效性，該參數(shù)反映專家意見差異程度，針對某個指標，該值越小，表明專家群的意見越一致。

對于指標存在必要性分析，咨詢有效性可表示為

(2)

3 指標權(quán)重分配

對于指標權(quán)重分配，一般采用AHP法，但是考慮到AHP法工作量大(僅建立判斷矩陣就要進行n(n-1)/2次的指標兩兩對比)，同時在實際應用中所建立的判斷矩陣的一致性較難通過[14]。為了減輕專家工作量，提高咨詢效率，本文提出基于德爾菲爾法的反饋群組權(quán)數(shù)分配方法。具體專家權(quán)重分配采用G1法[15]，該方法克服了AHP法的缺陷。群組評權(quán)通過增加獨立樣本量，提高權(quán)數(shù)意見的廣泛性和多樣性，能夠比較有效地協(xié)調(diào)評估主體單一化的矛盾，由群組形成統(tǒng)一權(quán)數(shù)分配方案有利于人的主觀權(quán)重客觀化。具體流程如圖2所示。

圖2 群組權(quán)重分析流程

3.1 G1法實施步驟

該方法的思想是先對各評價指標按某種評價準則進行定性排序，然后進行定量賦值，并對評斷結(jié)果進行數(shù)學處理，最終得到各個評價指標的權(quán)重系數(shù)。記評價指標集為{μ1,μ2,…,μn}，具體采用3個步驟：

1) 確定序關(guān)系。若評價指標μi相對于某評價準則的重要性程度大于μj時，記為μi>μj。評價指標μ1,μ2,…,μm相對于某種評價準則具有關(guān)系式

(3)

2) 給出μk和μk-1的重要性程度之比

(4)

γk的賦值可參考表3。

表3 γk的賦值

(5)

(6)

3.2 綜合權(quán)重獲得

采用G1法獲取每位專家對指標集的權(quán)重值，然后將不同專家對指標i的權(quán)重進行聚合，獲得綜合權(quán)重。采用加權(quán)算術(shù)法計算指標i的綜合權(quán)重為

(7)

其中為ωli專家l采用G1法獲得的指標i權(quán)重值。

3.3 專家意見分歧分析

采用統(tǒng)計學方法對不同專家判斷出的權(quán)重差異進行分析，差異越小說明專家意見一致。對于指標i的權(quán)重，L個專家得出的權(quán)重結(jié)果Wi={ωi1,ωi2,…,ωiL}，專家群對指標i的權(quán)重分配意見一致性Vi可以表示為

(8)

4 咨詢會議及其結(jié)果分析

4.1 會議流程

會議開始，首先利用15 min簡單介紹初步建立的指標體系和指標體系優(yōu)化方法及其權(quán)重系數(shù)確定方法。專家需要在接下來的1 h完成指標存在必要性咨詢,經(jīng)過指標必要性咨詢后，然后進入指標權(quán)重系數(shù)確定環(huán)節(jié)。

為了能夠快速地反饋專家意見，充分利用專家時間，在咨詢會議前，協(xié)調(diào)小組采用C#編制了相應的計算程序，調(diào)用了相應的電子表格，保證從專家咨詢結(jié)果錄入到電子表格到計算出統(tǒng)計結(jié)果的時間在1 h以內(nèi)。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計階段，安排專家休息，盡量降低專家的疲勞和對指標評價的抵觸心理。

4.2 指標體系的確定

通過對兩輪專家咨詢結(jié)果進行統(tǒng)計分析，綜合評價指標的統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 指標統(tǒng)計參數(shù)的對比情況

表4中指標存在必要度是判斷指標是否有必要存在，按照定義其值小于3，認為該指標非必要。咨詢結(jié)果有效度表示專家組對指標的意見的可接受度，通常認為其值小于0.5可以接受[16]。當兩輪的咨詢統(tǒng)計結(jié)果相差不小于1/3，認為咨詢結(jié)果可靠，具有穩(wěn)定性[13]。通過對21個指標進行兩輪咨詢，篩選出19必須存在的指標。

從表4可以看出，第2輪咨詢得出的統(tǒng)計結(jié)果中，所有指標的專家意見離散度和有效度都比第1輪的小，表明第2輪咨詢中專家判斷結(jié)果更加一致，對指標的認識更加深刻。

通過兩輪專家意見咨詢，不僅篩選出對士兵操作工效影響程度大的指標，而且從各指標的專家評價意見，可以得到各指標對士兵操作工效影響程度的大小。如在綜合評價指標體系中，對人機工效影響程度等級為極大、很大、大、一般和不大的指標個數(shù)分別為8、9、2、2、0。其分布情況如圖3所示，可以為單兵人機工效設(shè)計和評價提供重要參考依據(jù)。

4.3 指標體系權(quán)重系統(tǒng)的確定

通過采用德爾菲爾法反饋群組權(quán)數(shù)分配方法對聘請的10位專家進行調(diào)查，得出各指標的序關(guān)系和相鄰指標之間的重要程度之比。鑒于文章篇幅有限，僅以綜合評價指標中目標層1中的指標為示例，進行結(jié)果分析。10位專家得出指標集的序關(guān)系和相鄰指標之間的重要程度如表5所示。采用式(7)將專家的意見匯總，得出指標的權(quán)重如表6所示。

圖3 不同影響程度等級指標個數(shù)分布情況

專家代號序關(guān)系重要程度之比r2r3r4r5r6指標權(quán)重值w11w12w13w14w15w16L1U15>U13>U14>U11>U12>U161.21.01.41.01.20.230.190.190.140.140.11L2U11>U14>U12>U13>U15>U161.41.41.01.01.00.270.190.140.140.140.14L3U11>U14>U15>U13>U12>U161.21.21.01.01.00.220.180.150.150.150.15L4U11>U14>U15>U13>U12>U161.21.41.01.01.20.240.200.140.140.140.14L5U11>U14>U13>U12>U15>U161.01.21.01.01.20.190.190.160.160.160.13L6U14>U12>U13>U15>U11>U161.41.01.01.21.40.240.170.170.170.140.10L7U11>U14>U15>U13>U12>U161.41.21.01.21.20.260.190.160.160.130.11L8U11>U14>U15>U12>U16>U131.21.41.21.41.40.280.240.170.140.100.07L9U13>U11>U15>U14>U12>U161.41.41.01.41.00.290.210.150.150.110.11L10U11>U14>U15>U12>U13>U161.61.61.21.01.00.330.210.130.110.110.11

表6 指標綜合權(quán)重值

5 結(jié)束語

本文針對我國單兵系統(tǒng)人機工效設(shè)計和人機工效綜合評價工作中存在的實際問題，分別建立了單兵系統(tǒng)人機工效評價指標體系和人機工效設(shè)計指標體系。所提出的指標體系的建立方法及權(quán)重分配方法，經(jīng)過實踐驗證，能夠充分發(fā)揮專家的智慧、知識和經(jīng)驗，有效地降低專家的工作量，具有一定的科學性和可操作性。本文的研究結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計部門和軍方的評價工作提供一定的指導作用，也可為其他領(lǐng)域的相關(guān)研究工作提供參考。

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(責任編輯 周江川)

Building of Ergonomics Index System and Weight Coefficient of the Soldier System

CHEN Cai-shan-lin1, WANG Ya-ping1, YANG Yang1, LI Xin-jun2, HE Long2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industries, Beijing 102202, China)

In order to effectively carry out the soldier system ergonomic evaluation and design, ergonomic evaluation index system and design index system were established respectively. The method of the optimization of index system was studied in the course of establishing the index system. Then the G1method was used to assign weights through the analysis of the shortcomings of traditional index weight distribution methods. The optimizations of index system and index weight allocation method were studied based on the preliminary establishment of index system for individual system ergonomics. Ten professors/senior engineers, professors/senior engineers, familiar with the soldier system, are recruited for indicator surveys. The experts consulting obtain the reliable index system and weight coefficient, based on the principle of the influence of an index on ergonomic. The establishment of the index system has significant guidance and reference effect to ergonomic evaluation design of the soldier system.

soldier system；index system；modified Delphi method；G1method；expert consulting

2016-10-29；

2016-11-15 基金項目：國防基礎(chǔ)科研項目(A1020133013)

陳蔡山林(1990—)，男，碩士研究生，主要從事單兵系統(tǒng)人機工效研究。

王亞平(1975—)，女，博士，副研究員，主要從事單兵系統(tǒng)人機工效，涉及人槍相互作用機理與分析，人機工效仿真分析方法與試驗評價方法，人機工效評價體系等研究。

10.11809/scbgxb2017.03.012

陳蔡山林，王亞平，楊洋，等.單兵系統(tǒng)工效學指標體系的建立及權(quán)重分配[J].兵器裝備工程學報，2017(3):51-56.

format:CHEN Cai-shan-lin, WANG Ya-ping, YANG Yang, et al.Building of Ergonomics Index System and Weight Coefficient of the Soldier System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):51-56.

TB18

A

2096-2304(2017)03-0051-06