單兵系統(tǒng)工效學(xué)指標(biāo)體系的建立及權(quán)重分配

陳蔡山林，王亞平，楊 洋，李新俊，何 龍

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京210094； 2.中國(guó)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(xué)指標(biāo)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京210094； 2.中國(guó)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(jī)工效評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)研究，分別建立了單兵系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。在建立指標(biāo)體系的過程中，研究了指標(biāo)體系的優(yōu)化和建立方法，通過分析傳統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重分配方法的不足后，提出了采用G1法分配指標(biāo)權(quán)重方法。依據(jù)指標(biāo)對(duì)士兵操作工效影響程度大小的原則，進(jìn)行了專家調(diào)查，得到穩(wěn)定可靠的指標(biāo)及其權(quán)重系數(shù)。該指標(biāo)體系的建立為單兵系統(tǒng)的人機(jī)工效評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)、參考作用。

單兵系統(tǒng)；指標(biāo)體系；改進(jìn)德爾菲法；G1法；專家咨詢

單兵系統(tǒng)是較為復(fù)雜、典型的“人(士兵)—機(jī)(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(shí)，結(jié)合典型戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)士兵—武器+瞄具、士兵—信息分系統(tǒng)、士兵—防護(hù)攜行分系統(tǒng)之間的人機(jī)交互，涉及裝備在士兵人體上的布局、負(fù)載分配、結(jié)構(gòu)匹配、可視性、可達(dá)性等人機(jī)工效因素，且這些因素相互交叉和復(fù)合。單兵系統(tǒng)的人機(jī)工效的好壞直接影響到單兵系統(tǒng)的實(shí)際作戰(zhàn)效能。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)單兵系統(tǒng)的人機(jī)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(duì)Land Warrior單兵系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)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(jī)工效因素；Attwells[3]，Schiffman[4]等提出士兵平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用試驗(yàn)方法研究了負(fù)載對(duì)士兵的影響。Rosen等[5]從火力殺傷、機(jī)動(dòng)性等5個(gè)方面對(duì)Nett Warrior單兵系統(tǒng)的人機(jī)工效進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)建議。陳曉等[6]曾對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的單兵系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了與單兵工效學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。單兵系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)估要素多，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，評(píng)估活動(dòng)規(guī)模大，僅從單一或部分要素對(duì)其進(jìn)行評(píng)估不能獲得全面、合理的評(píng)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(zhǔn)確描述單兵系統(tǒng)人機(jī)工效基本特征的指標(biāo)體系。

為了便于單兵系統(tǒng)人機(jī)工效的設(shè)計(jì)及綜合評(píng)估，本文分別建立了單兵系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)估指標(biāo)體系和單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。單兵系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)估指標(biāo)體系主要用于單兵系統(tǒng)綜合評(píng)估，輔助整體決策；單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系主要用于單兵系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，起到具體的指導(dǎo)、參考作用。在此基礎(chǔ)上，對(duì)如何確定指標(biāo)體系中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行研究，最后得到相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

1 指標(biāo)體系的初步建立

在建立指標(biāo)體系的過程中，采用自上而下的分解方式將指標(biāo)體系分解成有序的階梯層次結(jié)構(gòu)。單兵系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)估指標(biāo)體系劃分為總目標(biāo)、目標(biāo)層和指標(biāo)層。總體評(píng)估指標(biāo)主要用于人機(jī)工效的評(píng)估與半實(shí)物仿真建模，該指標(biāo)體系不具體到要素層。單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、目標(biāo)層、指標(biāo)層、要素層。要素層作為直接影響指標(biāo)層工效優(yōu)劣的底層指標(biāo)，主要從部件的設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分解。針對(duì)不同用途，將評(píng)估指標(biāo)體系和設(shè)計(jì)指標(biāo)體系分開建立，提高了指標(biāo)體系的針對(duì)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(biāo)體系建立的簡(jiǎn)明性和全面性原則，初步確定出比較全面人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。篇幅有限，本文主要以單兵系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為示例進(jìn)行說明，表1為初步建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架。

表2為單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系的分解框架，為了具體指導(dǎo)人機(jī)工效設(shè)計(jì)，將單兵系統(tǒng)的人機(jī)工效分為3個(gè)分系統(tǒng)。目標(biāo)層為具體部件的人機(jī)工效，指標(biāo)層按照影響士兵操作的具體因素進(jìn)行宏觀分解，要素層針對(duì)人機(jī)工效指標(biāo)層，從部件的設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分解，所分解的指標(biāo)盡可能詳細(xì)具體,可以具體指導(dǎo)單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)。指標(biāo)層、要素層指標(biāo)過多，本文不具體展開。

表1 單兵系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)估指標(biāo)體系框架

表2 單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系框架

2 指標(biāo)體系的優(yōu)化

初步建立的指標(biāo)體系，追求指標(biāo)體系的全面性，企圖使指標(biāo)體系包含所有的因素。由于指標(biāo)過多，導(dǎo)致評(píng)價(jià)者判斷上的錯(cuò)覺和混亂，同時(shí)也削弱了其他指標(biāo)的權(quán)重，造成評(píng)價(jià)結(jié)果失真，因此需要對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行合理優(yōu)化[12]，指標(biāo)優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 指標(biāo)體系優(yōu)化流程

2.1 確定專家咨詢?nèi)藛T

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

本研究考慮到結(jié)果的準(zhǔn)確性和專家意見的收斂難易程度，聘請(qǐng)了10位具有高級(jí)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(biāo)存在必要性分析

針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來說，保留相對(duì)重要指標(biāo)，對(duì)不重要的指標(biāo)予以篩除，可在保證評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基本作用的前提下進(jìn)一步簡(jiǎn)化體系結(jié)構(gòu)，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。設(shè)指標(biāo)集U={u1,u2,…,um}，L名專家對(duì)指標(biāo)i存在必要性評(píng)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(duì)指標(biāo)的優(yōu)化過程中，需要對(duì)咨詢結(jié)果的有效性進(jìn)行分析。當(dāng)專家組對(duì)同一評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)得出的差異較小時(shí)，表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠真實(shí)地反映評(píng)價(jià)對(duì)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(duì)某個(gè)指標(biāo)，該值越小，表明專家群的意見越一致。

對(duì)于指標(biāo)存在必要性分析，咨詢有效性可表示為

(2)

3 指標(biāo)權(quán)重分配

對(duì)于指標(biāo)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(jìn)行n(n-1)/2次的指標(biāo)兩兩對(duì)比)，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)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(píng)權(quán)通過增加獨(dú)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(píng)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(shí)施步驟

該方法的思想是先對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)按某種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行定性排序，然后進(jìn)行定量賦值，并對(duì)評(píng)斷結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，最終得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。記評(píng)價(jià)指標(biāo)集為{μ1,μ2,…,μn}，具體采用3個(gè)步驟：

1) 確定序關(guān)系。若評(píng)價(jià)指標(biāo)μi相對(duì)于某評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的重要性程度大于μj時(shí)，記為μi>μj。評(píng)價(jià)指標(biāo)μ1,μ2,…,μm相對(duì)于某種評(píng)價(jià)準(zhǔn)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(duì)指標(biāo)集的權(quán)重值，然后將不同專家對(duì)指標(biāo)i的權(quán)重進(jìn)行聚合，獲得綜合權(quán)重。采用加權(quán)算術(shù)法計(jì)算指標(biāo)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(biāo)i權(quán)重值。

3.3 專家意見分歧分析

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)不同專家判斷出的權(quán)重差異進(jìn)行分析，差異越小說明專家意見一致。對(duì)于指標(biāo)i的權(quán)重，L個(gè)專家得出的權(quán)重結(jié)果Wi={ωi1,ωi2,…,ωiL}，專家群對(duì)指標(biāo)i的權(quán)重分配意見一致性Vi可以表示為

(8)

4 咨詢會(huì)議及其結(jié)果分析

4.1 會(huì)議流程

會(huì)議開始，首先利用15 min簡(jiǎn)單介紹初步建立的指標(biāo)體系和指標(biāo)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(biāo)存在必要性咨詢,經(jīng)過指標(biāo)必要性咨詢后，然后進(jìn)入指標(biāo)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(shí)間，在咨詢會(huì)議前，協(xié)調(diào)小組采用C#編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，調(diào)用了相應(yīng)的電子表格，保證從專家咨詢結(jié)果錄入到電子表格到計(jì)算出統(tǒng)計(jì)結(jié)果的時(shí)間在1 h以內(nèi)。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)階段，安排專家休息，盡量降低專家的疲勞和對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)的抵觸心理。

4.2 指標(biāo)體系的確定

通過對(duì)兩輪專家咨詢結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的對(duì)比情況

表4中指標(biāo)存在必要度是判斷指標(biāo)是否有必要存在，按照定義其值小于3，認(rèn)為該指標(biāo)非必要。咨詢結(jié)果有效度表示專家組對(duì)指標(biāo)的意見的可接受度，通常認(rèn)為其值小于0.5可以接受[16]。當(dāng)兩輪的咨詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差不小于1/3，認(rèn)為咨詢結(jié)果可靠，具有穩(wěn)定性[13]。通過對(duì)21個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩輪咨詢，篩選出19必須存在的指標(biāo)。

從表4可以看出，第2輪咨詢得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，所有指標(biāo)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(duì)指標(biāo)的認(rèn)識(shí)更加深刻。

通過兩輪專家意見咨詢，不僅篩選出對(duì)士兵操作工效影響程度大的指標(biāo)，而且從各指標(biāo)的專家評(píng)價(jià)意見，可以得到各指標(biāo)對(duì)士兵操作工效影響程度的大小。如在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，對(duì)人機(jī)工效影響程度等級(jí)為極大、很大、大、一般和不大的指標(biāo)個(gè)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(jī)工效設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供重要參考依據(jù)。

4.3 指標(biāo)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(duì)聘請(qǐng)的10位專家進(jìn)行調(diào)查，得出各指標(biāo)的序關(guān)系和相鄰指標(biāo)之間的重要程度之比。鑒于文章篇幅有限，僅以綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)中目標(biāo)層1中的指標(biāo)為示例，進(jìn)行結(jié)果分析。10位專家得出指標(biāo)集的序關(guān)系和相鄰指標(biāo)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(biāo)的權(quán)重如表6所示。

圖3 不同影響程度等級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)分布情況

專家代號(hào)序關(guān)系重要程度之比r2r3r4r5r6指標(biāo)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(biāo)綜合權(quán)重值

5 結(jié)束語

本文針對(duì)我國(guó)單兵系統(tǒng)人機(jī)工效設(shè)計(jì)和人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)工作中存在的實(shí)際問題，分別建立了單兵系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和人機(jī)工效設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。所提出的指標(biāo)體系的建立方法及權(quán)重分配方法，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，能夠充分發(fā)揮專家的智慧、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，有效地降低專家的工作量，具有一定的科學(xué)性和可操作性。本文的研究結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計(jì)部門和軍方的評(píng)價(jià)工作提供一定的指導(dǎo)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(zé)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(xiàng)目：國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A1020133013)

陳蔡山林(1990—)，男，碩士研究生，主要從事單兵系統(tǒng)人機(jī)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(jī)工效，涉及人槍相互作用機(jī)理與分析，人機(jī)工效仿真分析方法與試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，人機(jī)工效評(píng)價(jià)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(xué)指標(biāo)體系的建立及權(quán)重分配[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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