基于Fuzzy-EM的應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)研究

李 正，茍秉宸，楊延璞

（西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，西安 710072）

0 引言

應(yīng)急通信車是為了保障特殊災(zāi)害及危險(xiǎn)情況下的通信要求而集成調(diào)度指揮、視頻采集、現(xiàn)場(chǎng)通信等任務(wù)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(zāi)民發(fā)送緊急求救信號(hào)[1]以及在人口過度密集地區(qū)可短時(shí)間解決通信擁擠問題，因此越來越受到重視。

應(yīng)急通信車的設(shè)計(jì)以總體布置為核心[2],其特點(diǎn)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(shè)備安放。應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境包括：艙內(nèi)座椅；座椅罩套；控制柜，包括操作鍵盤、顯示屏等；構(gòu)成車內(nèi)空間的天花板、地毯；貯存設(shè)備的儲(chǔ)物箱；工具柜；艙內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)施；艙內(nèi)防火、滅火設(shè)施；車內(nèi)的各種扶手、衣帽架、短梯、照明設(shè)施等。應(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)涉及多種學(xué)科，其設(shè)計(jì)方案的篩選需要科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià),以選擇合理的方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)遠(yuǎn)比產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量評(píng)價(jià)復(fù)雜[3]，常用的產(chǎn)品評(píng)價(jià)方法有經(jīng)驗(yàn)性評(píng)價(jià)法、評(píng)分法、模糊評(píng)價(jià)法、層次分析法、熵權(quán)法、灰色理論評(píng)價(jià)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等[4～6]。由于在綜合評(píng)價(jià)過程中評(píng)價(jià)集與評(píng)語集合帶有較強(qiáng)的模糊性，因此系統(tǒng)評(píng)價(jià)多用模糊理論（Fuzzy Theory）進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是評(píng)價(jià)過程權(quán)重的選取通常由專家經(jīng)驗(yàn)得出，帶有較強(qiáng)的主觀性。程啟月[7]提出了一種評(píng)測(cè)指標(biāo)權(quán)重的熵權(quán)法（EM ：Entropy Method），此方法能夠克服主觀評(píng)測(cè)與客觀評(píng)測(cè)的不足，有助于確定具體的指標(biāo)權(quán)重值。

本文以東莞市某特種車輛公司開發(fā)的應(yīng)急通信車為研究背景，對(duì)車艙內(nèi)飾設(shè)計(jì)方案使用Fuzzy-EM進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。首先運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)[8]確定出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，由EM法確定出評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，然后應(yīng)用Fuzzy理論進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。最后運(yùn)用Visual C++編制了應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，對(duì)模糊算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，驗(yàn)證了該方法的科學(xué)性并提高了模糊評(píng)價(jià)的效率。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次模型的構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的建立原則

對(duì)應(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，須構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系建立相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原則有：1）科學(xué)性。提煉出的指標(biāo)能夠涵蓋影響應(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)境其設(shè)計(jì)的一些核心因素，并且評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該精簡(jiǎn)，找出主要的影響因素，以保證選用的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠科學(xué)、客觀的對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行描述。2）獨(dú)立性。選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該相互獨(dú)立，避免選用的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容之間存在相互包含的關(guān)系。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次模型的構(gòu)建

圖1 應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)層次模型

評(píng)價(jià)指標(biāo)是對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的詳細(xì)描述，一般分為技術(shù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)、社會(huì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)和審美性評(píng)價(jià)指標(biāo)等[9]，根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的不同風(fēng)格與特點(diǎn)，可以適當(dāng)?shù)倪x用一些反應(yīng)設(shè)計(jì)特色與水平的方面作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。參考目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)選用原則及工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7～11]，研究評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用三層樹狀結(jié)構(gòu)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行逐層細(xì)化，制定出應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境工業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

評(píng)價(jià)指標(biāo)既包括了應(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的顯性因素如造型表現(xiàn)、色彩裝飾、燈光照明等，同時(shí)也考慮了隱性因素如人-機(jī)-環(huán)境的交互模式。評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

1）整體造型：應(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)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(guān)的因素有：形式與功能相統(tǒng)一，造型優(yōu)美；概念創(chuàng)新程度高；空間體量感均勻，過渡合理；比例協(xié)調(diào)。

2）人機(jī)操作：良好的人機(jī)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(yè)的舒適性與安全性。應(yīng)急通信車內(nèi)飾設(shè)計(jì)的人機(jī)操作應(yīng)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(yīng)急通信車內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)中的色彩應(yīng)與功能分區(qū)相適應(yīng)，色彩對(duì)比度應(yīng)協(xié)調(diào)，同時(shí)應(yīng)與形態(tài)的劃分一致并能很好地體現(xiàn)出品質(zhì)感。

4）內(nèi)部照明：內(nèi)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(yè)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(shè)計(jì)安裝的可靠性。

6）其他因素：作為商品的應(yīng)急通信車，其經(jīng)濟(jì)性、零部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用是否合理，很大程度上影響著設(shè)計(jì)方案是否能夠量產(chǎn)。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 使用EM確定出各指標(biāo)權(quán)重值

EM源于是統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué),后來經(jīng)申農(nóng)（shannon）引入到信息論中去，現(xiàn)已在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，工程科技領(lǐng)域廣泛使用，評(píng)價(jià)信息量越大，不確定性就越小。EM的具體操作步驟如下：

設(shè)n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)方案的決策矩陣為：

其中， xij為第i 個(gè)設(shè)計(jì)方案的第j個(gè)指標(biāo)數(shù)值。

計(jì)算出第j項(xiàng)指標(biāo)下的熵值：

計(jì)算j項(xiàng)指標(biāo)的差異化系數(shù)：

2.2 使用Fuzzy理論進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

使用模糊理論對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，須對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，因此首先確定出基于同一評(píng)價(jià)環(huán)境的單因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)評(píng)價(jià)目的建立評(píng)價(jià)集V、評(píng)語集及評(píng)價(jià)值區(qū)間，如表1所示。依據(jù)評(píng)語及評(píng)價(jià)值對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分，確定出量化指標(biāo)。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)表

2.2.2 模糊評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)集V與評(píng)語集對(duì)應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)方案的各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出評(píng)價(jià)模糊隸屬度Ri，最終確定出模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(R1, R2,…, RP)T，然后依據(jù)結(jié)構(gòu)熵權(quán)法所確定的權(quán)重值及模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 評(píng)價(jià)向量的處理

經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)得到的評(píng)價(jià)向量為Z=(Z1,Z2,…,ZP)。為了確定綜合評(píng)價(jià)的評(píng)判結(jié)果，取參照評(píng)分值為：S={S1,S2,…,SP}，并以Zj作為權(quán)數(shù)對(duì)評(píng)分值向量S加權(quán)平均，得出綜合評(píng)價(jià)值：

其中，i為第i個(gè)設(shè)計(jì)方案。并根據(jù)加權(quán)平均所得到的評(píng)價(jià)值S(i)確定評(píng)價(jià)區(qū)間，得到最終的評(píng)判結(jié)果。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)以上算法，采用Visual C++編制應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件按照文中Fuzzy-EM的評(píng)價(jià)過程建立了應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)集和評(píng)語等級(jí)V，并且系統(tǒng)管理員可以修改和補(bǔ)充評(píng)價(jià)等級(jí)及其評(píng)價(jià)指標(biāo),建立模糊評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，依據(jù)文中闡述的熵權(quán)法確定出權(quán)重值，管理員預(yù)先輸入評(píng)價(jià)權(quán)重值存儲(chǔ)在評(píng)價(jià)系統(tǒng)中,Fuzzy-EM計(jì)算模塊按照文中闡述的模糊理論編制數(shù)據(jù)處理程序。

由陜西省汽車工程學(xué)會(huì)與工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)多位成員、西工大工業(yè)設(shè)計(jì)系老師、某特種汽車公司工程技術(shù)人員、銷售人員和使用人員共計(jì)15人組成專家評(píng)審團(tuán)隊(duì)，由評(píng)審專家登陸專家系統(tǒng)界面，依據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，全部完成后選擇提交將信息存儲(chǔ)在評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫中。待所有評(píng)審專家評(píng)價(jià)完成之后，系統(tǒng)管理員選擇“執(zhí)行評(píng)價(jià)”，評(píng)價(jià)系統(tǒng)便會(huì)按照Fuzzy-EM計(jì)算模塊的程序運(yùn)行得出評(píng)價(jià)目標(biāo)的綜合得分及所處的評(píng)價(jià)等級(jí)。應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件登錄界面如圖3所示。

圖3 應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)登陸界面

以應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境一款設(shè)計(jì)方案為例，由評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)入各自的評(píng)審系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖4所示，界面顯示的為編號(hào)01的評(píng)審專家系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果。由管理員系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)方案實(shí)施“執(zhí)行評(píng)價(jià)”，得出最終評(píng)價(jià)評(píng)審得出該設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)得分為8.24分，等級(jí)為良好。如圖5所示。

圖4 編號(hào)為01的評(píng)審專家評(píng)價(jià)界面

圖5 評(píng)價(jià)結(jié)果界面

4 結(jié)論

1）將模糊理論與熵值法相結(jié)合應(yīng)用于應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中，并從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)比較全面的考慮了眾多設(shè)計(jì)方案中諸多模糊因素的影響。

2）提出了使用“參照評(píng)分值”處理綜合評(píng)價(jià)向量，得到的評(píng)價(jià)結(jié)果為一個(gè)數(shù)值，結(jié)果簡(jiǎn)單明了，易于觀察。

3）通過Visual C++編制了評(píng)價(jià)軟件，實(shí)現(xiàn)了大量的繁瑣運(yùn)算的自動(dòng)化處理。

4）該方法思路清晰，具有較強(qiáng)的科學(xué)性，避免了模糊綜合評(píng)價(jià)中的主觀隨意性，同時(shí)具有較強(qiáng)的普適性與推廣性。

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