基于AHP/FCA/TRIZ的植保無人機遙控器人機評價與優(yōu)化

趙樹行，戚彬，王莉，李衍豪，祝賀，高睿童

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255049)

為適應(yīng)植保農(nóng)業(yè)智能化的需求，植保無人機作業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為植保無人機重要組成部分的遙控器，人機問題日益突出, 長時間操作植保無人機遙控器給操作者帶來腕管綜合征、頸椎病等疾病的困擾，產(chǎn)生的累積性傷害也將會降低植保作業(yè)效率。植保無人機遙控器是控制植保無人機作業(yè)信息反饋的重要工具,目前植保無人機遙控器的設(shè)計研發(fā)側(cè)重于功能的實現(xiàn)，缺少對植保無人機遙控器人機工效的專門研究。

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊綜合評價法(fuzzy comprehensive appraisal，F(xiàn)CA)作為主觀評價的方法，在很多領(lǐng)域被普遍使用，可以根據(jù)研究目標的不同，選擇相應(yīng)的使用評價方法。陸瀚等[1]使用模糊理論對公務(wù)機客艙座椅進行人機工效評價，評價結(jié)果為座椅的改進提供了參考，并且通過用戶測試對比驗證了模糊理論評價的準確性；徐偉等[2]利用層次分析法對汽車座椅進行主觀評價，找到改善座椅舒適度的方向；付自由等[3]通過改進的模糊層次分析法對綠色包裝進行評價。

TRIZ理論作為一種解決問題的工具，可實現(xiàn)對產(chǎn)品的優(yōu)化。王成軍等[4]為提高火災(zāi)救援效率，通過TRIZ理論實現(xiàn)對拋掛裝置的優(yōu)化，提高了裝置的安全性；郜紅合等[5]使用TRIZ理論解決了公共扶手的安全問題，設(shè)計出一種無接觸的扶手。TRIZ與很多理論有互補的效果，蘇建寧等[6]將AHP、QFD與TRIZ理論相結(jié)合，實現(xiàn)對玫瑰花蕾采摘機的設(shè)計，使采摘效率有了很大的提升;張芳蘭等[7]對人機產(chǎn)品的設(shè)計，證明了TRIZ理論與HOQ(質(zhì)量屋)結(jié)合的可行性。本文基于層次分析法和模糊綜合評價法對植保無人機遙控器人機工效進行評價。

1 人機工效評價模型的構(gòu)建

構(gòu)建的植保無人機遙控器人機工效評價模型如圖1所示。

圖1 人機工效評價模型Fig.1 Ergonomics evaluation model

1.1 構(gòu)建模糊綜合評價指標

本文將植保無人機遙控器的人機工效作為總目標，即目標層為人機工效，從3個子方面對植保無人機遙控器的人機工效進行評價，即將功能實現(xiàn)、舒適性、外觀作為該評價系統(tǒng)的準則層。準則層又細分為9個指標層，見表1。

表1 植保無人機遙控器人機工效評價指標體系Tab.1 Ergonomics evaluation index system for plant protection drone remote control

1.2 構(gòu)建模糊綜合評價權(quán)重

權(quán)重反映了各個指標在評價體系中的重要程度，權(quán)重的確定將會影響最終評價結(jié)果的科學(xué)性，本文使用AHP確定該評價體系的權(quán)重[8]。

1)構(gòu)建判斷矩陣

對準則層以及準則層下各個要素進行兩兩對比，即對同一層的要素i(i=1，2，3，…，n)和要素j(j=1，2，3，…，n)進行兩兩比較，將對比結(jié)果構(gòu)建成4個矩陣(X、X1、X2、X3)，即

(1)

(2)

式中：xij為xi比xj的重要性標度 ，xji為xj比xi的重要性標度，并且xji與xij互為倒數(shù)。

矩陣構(gòu)建完成后，專家分別根據(jù)九級標度表[9]對各個矩陣進行重要程度評分，賦予矩陣所需數(shù)據(jù)。

2)求矩陣特征向量[10]

(a)將判斷矩陣的每一列進行歸一化，即

(3)

(b)將歸一化后判斷矩陣按行求和，即

(4)

(c)將求和后的量進行處理，可得權(quán)重向量，即

(5)

w=[w1，w2，…，wn]T;

(6)

(d)求最大特征根，即

(7)

3)一致性檢驗

引入 CI(Consistent index)來判斷一致性，即

(8)

為了避免隨機誤差，判斷一致性時要加入一致性指標RI[11](見表2)，通過比較CI與RI的比值判斷一致性，且

表2 RI 標準值Tab.2 RI standard value

(9)

若CR<0.1，說明矩陣的一致性好，檢驗通過。

1.3 構(gòu)建模糊評價矩陣

使用專家評分法確定隸屬函數(shù)。將植保無人機遙控器的人機工效等級劃分為好、較好、一般、較差4個等級，對每個等級進行賦分得評價等級：Z=(8，6，4，2)(見表3)。統(tǒng)計指標層中的某個因素被賦該分的次數(shù)，如果打分的人數(shù)為M, 則隸屬度Rij為

表3 人機工效評價等級及其含義Tab.3 Ergonomics evaluation grade and meaning

(10)

根據(jù)專家對準則層和指標層的打分結(jié)果構(gòu)建矩陣，可得到3個3×3的評價矩陣(R1、R2、R3)。

(11)

1.4 評價結(jié)果

有界和、 有界積模糊算子可以更好地體現(xiàn)權(quán)重，因此將權(quán)重因子與評價矩陣合成，即

B=w○R，

(12)

歸一化后得到

B=(b1,b2,b3,b4) 。

(13)

通過Z=b1×8+b2×6+b3×4+b4×2可以計算出植保無人機遙控器人機工效的量化評價結(jié)果，從而判定遙控器的人機工效等級。

2 評價模型的應(yīng)用

本文選用植保無人機遙控器作為人機評價與優(yōu)化的案例，邀請10位人機工效方面的專家和30位飛手，利用構(gòu)建的植保無人機遙控器人機工效模型(如圖2所示)對設(shè)計中的植保無人機遙控器進行人機評價，對遙控器的人機工效進行量化分析，以便發(fā)現(xiàn)需要進行優(yōu)化設(shè)計的要素。

圖2 植保無人機遙控器最初方案Fig.2 The initial plan of remote control for plant protection drones

2.1 人機工效影響因素的權(quán)重

根據(jù)式(1)、式(2)分別對植保無人機遙控器人機工效評價體系中的準則層和指標層各要素間進行兩兩對比，得到對應(yīng)的判斷矩陣：

由式(3)—式(7)可得到最大特征值λmax=3.038 5，則準則層權(quán)重為

w=[w1，w2，w3]T=

[0.637 0，0.258 3，0.104 7]T。

本矩陣為三階矩陣，因此RI的值選擇0.58，根據(jù)式(9)可知，CR=0.037 0<0.1，通過一致性檢驗。

同理可得植保無人機遙控器評價體系中各指標層的權(quán)重，見表4。

表4 植保無人機遙控器評價體系指標權(quán)重Tab.4 Index weights of plant protection drone remote control evaluation system

2.2 構(gòu)建隸屬函數(shù)評價矩陣

根據(jù)上文所設(shè)定的評價標準，邀請10位人機方面專家和30位飛手對影響植保無人機遙控器人機工效的每個因素進行評分(專家評分一次代表兩人次)，對評分結(jié)果進行匯總，由式(11)構(gòu)建隸屬函數(shù)評價矩陣。

2.3 評價結(jié)果

由式(12)將植保無人機遙控器人機工效評價系統(tǒng)中各評價指標權(quán)重因子與隸屬函數(shù)評價矩陣進行合成，結(jié)合評價標準，得出產(chǎn)品評分，確定人機工效等級。

w1○R1=(b11,b12,b13,b14)=

(0.215 970,0.179 068,0.322 946,0.281 886)，

w2○R2=(b21,b22,b23,b24)=

(0.352 474,0.284 922,0.177 190,0.185 314)，

w3○R3=(b31,b32,b33,b34)=

(0.241 854,0.174 206,0.305 130,0.278 810)，

(0.254 312,0.205 901,0.283 451,0.256 619)。

可得出該產(chǎn)品被約25.43%的專家評為8分，約20.59%的專家評為6分，約28.35%的專家評為4分，約25.66%的專家評為2分。

計算可得該產(chǎn)品最終評分為Z=4.92，評分介于4和6之間，更接近4分，故該產(chǎn)品最終人機工效評價等級為一般。

3 評價結(jié)果的優(yōu)化

植保無人機遙控器最終人機工效等級是指標層權(quán)重和指標層人機工效評分共同作用的結(jié)果，綜合指標層權(quán)重系數(shù)和指標層人機得分可確定需要優(yōu)化的指標，使用TRIZ理論對待優(yōu)化指標進行優(yōu)化，最終將優(yōu)化模型帶入評價體系可得出優(yōu)化后的人機工效等級，優(yōu)化模型如圖3所示。

圖3 植保無人機遙控器優(yōu)化模型Fig.3 Optimization model of remote control for plant protection drone

對各因素權(quán)重比較(如圖4所示)可知，操作桿所占的比重最大，結(jié)合指標層人機工效得分(如圖5所示)可知，對操作桿的改良可最快速提升植保無人機遙控器的人機工效綜合評分。TRIZ對產(chǎn)品所存在的物理矛盾和技術(shù)矛盾有對應(yīng)的40個原理，能為指標層相關(guān)要素的優(yōu)化提供方向，可使用TRIZ解決待優(yōu)化要素中的矛盾沖突對產(chǎn)品進行優(yōu)化[7]，最后使用模糊層次法對優(yōu)化后的產(chǎn)品進行重新評價。

圖4 指標層綜合權(quán)重Fig.4 Comprehensive weight of index layer

圖5 指標層人機工效評分Fig.5 Man-machine ergonomics score at the index level

TRIZ解決問題的流程如圖6所示，通過將待解決的具體問題轉(zhuǎn)化為TRIZ中典型問題，發(fā)現(xiàn)其中矛盾，并找到對應(yīng)的原理，根據(jù)所提供的典型問題解決方案找到具體問題的解決方案[12]。

圖6 TRIZ 解決問題的基本流程Fig.6 The basic problem-solving process of TRIZ

3.1 操作桿設(shè)計

根據(jù)TRIZ，當一個技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致另一個技術(shù)參數(shù)的惡化，就形成了矛盾，可以建立沖突矩陣找到合適原理解決。在操作桿系統(tǒng)中，操作桿的準確性與手指的舒適性為具體矛盾沖突，可將其轉(zhuǎn)化為TRIZ中的典型沖突，參考39個通用技術(shù)參數(shù)，操作桿的準確性對應(yīng)27號通用參數(shù)“可靠性”，手指的舒適性對應(yīng)31號通用參數(shù)“物體產(chǎn)生的有害因素”，根據(jù)矛盾矩陣推薦的原理可找到具體解決方案(見表5)。

表5 矛盾矩陣Tab.5 Contradiction matrix

選擇40號原理，使用復(fù)合材料，操作桿上端與兩側(cè)改用硅膠涂層，主體為金屬桿(如圖7所示)，幾乎不改變操作桿硬度。手指中心接觸硅膠，邊緣接觸金屬，能保證無人機控制準確穩(wěn)定情況下減少對手指的作用力。

圖7 操作桿設(shè)計Fig.7 Joystick design

3.2 優(yōu)化結(jié)果

對植保無人機遙控器的操作桿進行優(yōu)化設(shè)計，將金屬與硅膠拼接，硅膠表面做顆粒狀突起，在保持手指舒適的同時還能起到防滑的作用；硅膠的顏色為黑色，可以消除對顏色這一指標評分的影響，最終產(chǎn)品效果圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后植保無人機遙控器方案Fig.8 Optimized remote control solution for plant protection drones

使用建立好的人機工效評價體系重新對優(yōu)化后的植保無人機遙控器進行評價，操作桿專家評分由4.76提升到6.56，總?cè)藱C工效評價分數(shù)由4.92提升到5.68，人機工效等級接近較好。

本文僅針對對評價結(jié)果影響最大的指標進行優(yōu)化，效果理想，證明了該方法對提升產(chǎn)品人機工效的可行性。在產(chǎn)品的優(yōu)化階段可參考此流程，根據(jù)對最終人機評價結(jié)果影響程度從高到低進行優(yōu)化。

4 結(jié)論

為提升植保無人機遙控器的人機工效，基于層次分析法和模糊綜合評價法對植保無人機遙控器進行人機工效評價，并通過TRIZ對評價結(jié)果進行優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

1)對操作桿的優(yōu)化使植保無人機遙控器的人機工效分數(shù)由4.92提升到5.68，實現(xiàn)了人機功效等級的提升，證明了TRIZ的有效性及在多方法研究中的互補作用。

2)使用層次分析法確定權(quán)重，一定程度上弱化了主觀因素對評價結(jié)果的影響。

3)建立的植保無人機遙控器評價及優(yōu)化體系，可為植保無人機遙控器決策階段提供參考，找到不足并進行優(yōu)化。