基于Fuzzy AHP的煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計評價

陳敏娜，晉民杰，王快，謝濤

(太原科技大學(xué)，太原 030024）

基于Fuzzy AHP的煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計評價

陳敏娜，晉民杰，王快，謝濤

(太原科技大學(xué)，太原 030024）

針對煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計方案中的主觀性及隨意性，將Fuzzy AHP綜合評價方法引入到煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計中。在分解其評價指標(biāo)和確定評價指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，建立了煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計綜合評價模型。通過對某型號井下特種車輛設(shè)計方案進(jìn)行評價計算，驗證了該評價體系在煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計中的可行性和有效性。

Fuzzy AHP;煤礦機(jī)械;工業(yè)設(shè)計;評價

煤礦機(jī)械指專門用于煤礦開采的機(jī)械，分為露天煤礦機(jī)械和井下煤礦機(jī)械，具體有礦用卡車、礦用挖掘機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)、特種車等設(shè)備。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展、采煤工藝的進(jìn)步，設(shè)備制造技術(shù)的提高，煤礦機(jī)械對外觀造型、色彩涂裝、人機(jī)安全等工業(yè)設(shè)計范疇的內(nèi)容有了更高的要求［1-2］。工業(yè)設(shè)計是考慮材料、制造、人文、環(huán)境、企業(yè)形象等諸多因素的綜合學(xué)科，從而設(shè)計方案受到多種因素影響，且這些因素具有模糊性，因此如何科學(xué)，客觀地對煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計方案進(jìn)行評價，是需要進(jìn)行深入研究的問題。

目前，產(chǎn)品設(shè)計評價方法研究方面，吳通等提出了群決策方法在產(chǎn)品設(shè)計評價中的應(yīng)用［3］，李轉(zhuǎn)等提出了基于AHP-灰色聚類的飛機(jī)客艙內(nèi)環(huán)境工業(yè)設(shè)計評價［4］。Fuzzy AHP理論應(yīng)用方面，王偉偉等提出了基于Fuzzy AHP的飛機(jī)客艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計評價［5-6］，鄧麗等提出了基于Fuzzy AHP的司鉆控制房人機(jī)界面評價［7］，現(xiàn)階段煤礦機(jī)械設(shè)計主要采用經(jīng)驗性評價方法，而未引進(jìn)科學(xué)的綜合評價方法。

1 Fuzzy AHP綜合評價法原理

美國L.A.Zadeh教授提出隸屬函數(shù)(Membership Function)，并創(chuàng)立了“模糊集合”(Fuzzy Set)的概念，給出了模糊性現(xiàn)象的定量分析運(yùn)算方法。煤礦機(jī)械的工業(yè)設(shè)計評價指標(biāo)存在著大量不確定因素，采用模糊綜合評價法可以將該信息數(shù)量化［8］。給煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計做出一個綜合的評價。

美國Thomas L.Saaty教授提出了AHP(analytic hierarchy process)理論［9］。AHP的特點是:對復(fù)雜決策問題的影響因素進(jìn)行深入分析，為多目標(biāo)復(fù)雜決策問題提供數(shù)學(xué)化的決策方法。

產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計評估的關(guān)鍵是選擇合理的評價指標(biāo)體系，評估指標(biāo)主要分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。對于大多數(shù)工業(yè)設(shè)計評估對象來說，屬性特征大多采用定性描述。因此產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計評價過程中，在運(yùn)用層次分析法的基礎(chǔ)上，引入模糊理論，最終形成產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計的Fuzzy AHP綜合評價法。

在煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計的評價中，F(xiàn)uzzy AHP綜合評價法應(yīng)用的總體思路是:選定煤礦機(jī)械評價指標(biāo)，建立工業(yè)設(shè)計評價體系;按照標(biāo)度法，對每一層次的工業(yè)設(shè)計評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，建立評價的判斷矩陣;計算該矩陣的最大特征值及其相應(yīng)的特征向量(權(quán)重向量);利用模糊理論計算工業(yè)設(shè)計評價指標(biāo)的隸屬度矩陣，并最終得到評價結(jié)果。

2 煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計指標(biāo)的選擇

在煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計評價中，評價指標(biāo)對工業(yè)設(shè)計評價的科學(xué)性與準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用。產(chǎn)品設(shè)計的評價有多個評價指標(biāo)，主要包括:形態(tài)設(shè)計、功能設(shè)計、色彩設(shè)計、材質(zhì)設(shè)計、裝飾設(shè)計、體驗設(shè)計、人機(jī)設(shè)計等。而煤礦機(jī)械的評價指標(biāo)，則通過工業(yè)設(shè)計參與煤礦機(jī)械設(shè)計及工業(yè)設(shè)計對煤礦機(jī)械設(shè)計的相對重要性兩方面來確定。在煤礦機(jī)械設(shè)計的生命周期中，工業(yè)設(shè)計參與外觀形態(tài)設(shè)計、涂裝設(shè)計、駕駛室設(shè)計及操作維護(hù)的指示標(biāo)牌設(shè)計。這四項內(nèi)容是工業(yè)設(shè)計參與煤礦機(jī)械設(shè)計最深入，和提升煤礦機(jī)械附加值最有效的途徑。因此，工業(yè)設(shè)計評價指標(biāo)可按此分解，具體分解評價指標(biāo)如圖1所示:

圖1 煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index of industrial design on coal mine machinery

2.1 煤礦機(jī)械形態(tài)設(shè)計

形態(tài)設(shè)計是產(chǎn)品功能性、創(chuàng)新性、美觀性的載體，是工業(yè)設(shè)計的核心。煤礦機(jī)械的形態(tài)設(shè)計在煤礦機(jī)械的工業(yè)設(shè)計中至關(guān)重要。從起初的概念設(shè)計，至最終的效果展示設(shè)計，工業(yè)設(shè)計人員自始至終都在參于形態(tài)設(shè)計的迭代改良。產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計，實際上是設(shè)計師綜合分析推理各種約束，以求最優(yōu)解的過程。不同的產(chǎn)品，所受設(shè)計約束類型及約束權(quán)重不同。煤礦機(jī)械的形態(tài)設(shè)計約束主要有:功能約束、制造工藝約束、風(fēng)格統(tǒng)一約束三方面。不同的設(shè)計師，對約束間的權(quán)重理解不同，對約束的分析解決能力不同，導(dǎo)致煤礦機(jī)械最終方案的差異性。通過分析比對，煤礦機(jī)械形態(tài)設(shè)計評價指標(biāo)分解成五個關(guān)鍵指標(biāo):創(chuàng)新性指標(biāo)、功能性指標(biāo)、美觀性指標(biāo)、風(fēng)格統(tǒng)一性指標(biāo)、制造性指標(biāo)。

形態(tài)創(chuàng)新性指標(biāo)，指煤礦機(jī)械設(shè)計方案的形態(tài)設(shè)計與現(xiàn)有國內(nèi)外產(chǎn)品相比較，形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異化程度。具體包括，產(chǎn)品的總體造型方案差異度，及產(chǎn)品部件、組件差異度。差異部件體量越大、數(shù)量越多、差異程度越大，則表示創(chuàng)新性高，反之，則表示創(chuàng)新性一般。如一臺掘進(jìn)機(jī)設(shè)計的形態(tài)中，體量大的機(jī)身、炮頭、輸送鏈等與國內(nèi)外現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)與眾不同，且差異性大，則說明該設(shè)計創(chuàng)新性高。

形態(tài)功能性指標(biāo)，指產(chǎn)品的形態(tài)滿足產(chǎn)品功能性需求的程度。產(chǎn)品的最基本屬性是使用價值，即為功能性。每個煤礦機(jī)械都有自己的功能性，且煤礦機(jī)械中的每個部件都具有自己的功能。但不同整機(jī)中、部件中、組件中的功能權(quán)重則不同，有的統(tǒng)一性指外觀部件形態(tài)設(shè)計在美觀的同時，能夠滿足煤礦機(jī)械件的功能需求程度，包括防護(hù)功能、易維護(hù)功能等。滿足的功能越全面，越方便，則表示功能性指標(biāo)越高。

風(fēng)格統(tǒng)一性指標(biāo)，指同一企業(yè)的產(chǎn)品之間及同一產(chǎn)品的各代之間，設(shè)計風(fēng)格的統(tǒng)一程度。為了提高企業(yè)中產(chǎn)品的識別性，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，對產(chǎn)品中的外觀部件的形態(tài)進(jìn)行風(fēng)格統(tǒng)一。煤礦機(jī)械形態(tài)設(shè)計中，所有外觀部件都可以稱之為風(fēng)格特征部件，但對人視覺沖擊力大的部件，稱之為主要特征部件。比如在井下特種車中，進(jìn)氣柵欄、駕駛室頂、車身防撞條是形態(tài)設(shè)計中的視覺重心組件，因此這些部件即為風(fēng)格特征部件。在煤礦機(jī)械的形態(tài)設(shè)計評價中，特征部件的風(fēng)格統(tǒng)一性是主要評價指標(biāo)。被評價產(chǎn)品的特征部件與產(chǎn)品識別性風(fēng)格相似度越高，則表示產(chǎn)品風(fēng)格統(tǒng)一性越高。

制造性指標(biāo)，指產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計部件的加工難易程度。產(chǎn)品的設(shè)計方案最終是通過加工制造成實物來實現(xiàn)其價值。形態(tài)設(shè)計的各部件加工難易程度不同，有的部件為標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接購買;有的部件通過切割、折彎、焊接可以實現(xiàn);有的部件通過模具制造實現(xiàn);有的部件只能通過3D打印實現(xiàn)。在煤礦機(jī)械的形態(tài)設(shè)計的評價中，制造性是最重要的評價指標(biāo)之一。制造的難度越高，則表示制造性越差。

2.2 煤礦機(jī)械涂裝設(shè)計

產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計包括形態(tài)設(shè)計與色彩設(shè)計。色彩設(shè)計主要體現(xiàn)在涂裝設(shè)計方面。首先，涂裝是體現(xiàn)煤礦機(jī)械美觀性最直接和有效的方式，是工業(yè)設(shè)計最重要的設(shè)計內(nèi)容之一。其內(nèi)容主要包括色彩類型和色彩形式。其次，同一企業(yè)的煤礦機(jī)械也需要風(fēng)格統(tǒng)一，涂裝設(shè)計則是重要的實現(xiàn)途徑之一。統(tǒng)一的產(chǎn)品主色及輔色，統(tǒng)一的色彩形式保證了產(chǎn)品的統(tǒng)一風(fēng)格。最后，涂裝設(shè)計也是提高煤礦機(jī)械企業(yè)產(chǎn)品識別性的重要途徑。因此煤礦機(jī)械涂裝設(shè)計評價指標(biāo)分解為美觀性、風(fēng)格統(tǒng)一性、識別性。

2.3 煤礦機(jī)械駕駛室設(shè)計

人機(jī)工程設(shè)計是工業(yè)設(shè)計除外觀造型設(shè)計之外最重要的設(shè)計內(nèi)容。在煤礦機(jī)械設(shè)計里，人機(jī)工程設(shè)計主要體現(xiàn)在駕駛室的設(shè)計中，駕駛室是煤礦機(jī)械與人接觸、交流最頻繁的組件。駕駛室人機(jī)設(shè)計方法，在人機(jī)工程學(xué)圖書及論文有大量闡述，此處不再一一贅述。在煤礦機(jī)械駕駛室設(shè)計中，主要通過分析駕駛員的可達(dá)域及舒適域，來判斷操作者的舒適性。而通過對駕駛員不同位置、不同角度視域的分析，確定駕駛員的視野狀態(tài)，最終為結(jié)構(gòu)工程提供改良設(shè)計依據(jù)。最后，駕駛室的內(nèi)飾是駕駛員視域中的重要部件，為滿足駕駛員的審美需求，必須提高內(nèi)飾的美觀性。因此煤礦機(jī)械駕駛室的設(shè)計評價指標(biāo)可分解為操作舒適性指標(biāo)、駕駛室視域指標(biāo)、內(nèi)飾美觀性指標(biāo)三個方面。

2.4 煤礦機(jī)械標(biāo)牌設(shè)計

標(biāo)牌是煤礦機(jī)械操作、維護(hù)、提示、說明、警告的指示系統(tǒng)，同樣也是工業(yè)設(shè)計的重要內(nèi)容。首先，標(biāo)牌鉚接在設(shè)計外圍及駕駛室內(nèi)部，是駕駛員與維護(hù)人員最易看到的，因此就需要滿足人們的審美需求。從形式設(shè)計到布置設(shè)計，都需要工業(yè)設(shè)計人員對其斟酌研究。其次，標(biāo)牌的功能是提示、說明及警告。不合理的警告不僅可能引起設(shè)備故障，還有可能威脅到操作人員的人身安全。因此，標(biāo)牌指示內(nèi)容必清晰明了，最好使用形象的圖形或者符號來表示。標(biāo)牌的易識別性在設(shè)計過程至關(guān)重要。最后，為了滿足布置、加工制造的便捷性，標(biāo)牌的尺寸、版式、色彩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計也有重要意義。因此標(biāo)牌的設(shè)計評價指標(biāo)同樣分解為美觀性指標(biāo)、易識別性指標(biāo)、統(tǒng)一性指標(biāo)三個方面。

3 井下特種車Fuzzy AHP評價應(yīng)用

3.1 AHP確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

在應(yīng)用AHP法構(gòu)建的評價體系中(如圖1所示)，準(zhǔn)則層有4個評價指標(biāo)，指標(biāo)層有14個評價因素。根據(jù)標(biāo)度理論，構(gòu)造兩兩對比判斷矩陣(正互反陣)。

其中aij為因素i相對因素j的重要性，aii=ajj= 1，aij=1/aji.

取矩陣A的最大特征值為λmax，設(shè)特征向量(權(quán)向量)為:ω=(ω1，ω2，…，ωn)T，則有:Aω= λmaxω.應(yīng)用MATLAB計算出最大特征λmax與特征向量ω.

3.2 判斷矩陣的一致性檢驗

計算一致性指標(biāo)CR，并進(jìn)行一致性檢驗:

計算一致性指標(biāo):

其中，通過表1查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI.當(dāng)一致性比率CR＜0.1時，認(rèn)為通過一致性檢驗，最后對特征向量進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重ω'.

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab.1 The random consistency index RI

3.3 Fuzzy AHP綜合評價

(1)對于Fuzzy綜合評價方法來說，必須建立標(biāo)準(zhǔn)的評語集，設(shè)井下特種車輛設(shè)計因素構(gòu)成集合為:U={u1，u2，…，un}，定評語集為:V={v1，v2，…，vn}，如表2所示。

(2)通過專家打分，根據(jù)隸屬度函數(shù)可計算出評價因素的隸屬度矩陣，記為:R=(ri1，ri2，ri3，ri4，ri5);

表2 評語分值表Tab.2 Evaluation score table

Ri=(ri1，ri2，…，rik)T，其中k為ui含有的下一層指標(biāo)的個數(shù)。

(3)結(jié)合權(quán)重向量ω和隸屬度矩陣R，即可得出對井下特種車輛最終評價結(jié)果B={b1，b2，…，bm}.

4 實例應(yīng)用

將Fuzzy AHP評價方法應(yīng)用于某企業(yè)井下特種車輛的工業(yè)設(shè)計方案中，通過對該設(shè)計方案進(jìn)行權(quán)重計算和工業(yè)設(shè)計綜合評價，來驗證此設(shè)計評價方法的實際意義。具體如下:

圖2和圖3分別為該井下特種車輛外觀造型工業(yè)設(shè)計方案與人機(jī)布局設(shè)計方案。

圖2 某型號井下特種車輛駕駛室人機(jī)設(shè)計Fig.2 The ergonomics analysis of vehicle cabin

圖3 某型號井下特種車輛外觀造型設(shè)計Fig.3 The vehicle appearance design rending

4.1 井下特種車工業(yè)設(shè)計方案權(quán)重計算

為了對其進(jìn)行綜合評價，首先邀請專家對指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行兩兩評比，得到煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計一級指標(biāo)評判矩陣如表3所示。

表3 煤礦機(jī)械一級指標(biāo)評判矩陣Tab.3 Level evaluation index

計算評判矩陣A最大特征值λmax為4.087 5，特征向量ω=(1，0.304 1，0.482 0，0.182 3)T.

代入式(1)得平均隨機(jī)一致性指標(biāo):

查表1得一致性指標(biāo)RI=0.90代入式(2)得:

表示評判矩陣A通過一致性判斷。特征向量歸一化得:

井下特種車工業(yè)設(shè)計方案二級權(quán)重確定方法與一級權(quán)重相同，在此不再一一贅述，得到二級各因素權(quán)重如表4所示:

表4 井下特種車輛工業(yè)設(shè)計評價二級權(quán)重Tab.4 Second level evaluation index

4.2 井下特種車工業(yè)設(shè)計方案綜合評價

(1)通過統(tǒng)計專家對各指標(biāo)打分得到打分比例

(2)計算單因素評價

形態(tài)設(shè)計因素:

決策層評價向量C:

通過計算，該方案綜合評價分?jǐn)?shù)為8.022 3分，對應(yīng)的評語為很好，則表示此設(shè)計方案總體非常合理。

5 結(jié)論

隨著煤礦機(jī)械對工業(yè)設(shè)計的重示，煤礦機(jī)械工業(yè)設(shè)計評價更加重要。本文將模糊理論與層次分析法結(jié)合，構(gòu)建了煤礦機(jī)械設(shè)計評價系統(tǒng)。將評價的定性問題定量處理，避免了評價中的主觀隨意性。通過對井下特種車輛工業(yè)設(shè)計的實例應(yīng)用，驗證了該評價方法的合理性及有效性。

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［9］SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process［M］.New York:McGraw Hill，1980.

Evaluation of Coal Mine Machinery Industrial Design Based on Fuzzy AHP

CHEN Min-na，JIN Min-jie，WANG Kuai
(Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The fuzzy AHP evaluation method is introduced in coal mine machinery industrial design so as to overcome the subjectivity and randomness.The evaluation model of coal mine machinery industrial design is built by decomposing evaluation index and determining evaluation weight.Finally，the feasibility and effectiveness of this evaluation method is verified by an example of design scheme evaluation on underground special vehicle.

Fuzzy-AHP，coal mine machinery，industrial design，design evaluation

TH122

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.013

1673-2057(2015)03-0223-05

2014-12-11

陳敏娜(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向為物流設(shè)施與設(shè)備的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法。