復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷評(píng)價(jià)研究

賀強(qiáng),胥濤

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院,廣漢 618307)

膠接挖補(bǔ)是保證民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)持續(xù)適航性的主要手段之一。隨著大量應(yīng)用復(fù)合材料的民機(jī)服役,復(fù)合材料適航維修作業(yè)量顯著提升。工作負(fù)荷導(dǎo)致的維修差錯(cuò)也成為影響航空運(yùn)行安全和效益的主要因素。因此,研究復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)的工作負(fù)荷對(duì)于降低維修差錯(cuò)、提高維修工作效率等具有重要意義。

工作負(fù)荷評(píng)價(jià)是航空人為因素的重要研究課題,得到了中外學(xué)者廣泛關(guān)注。在飛行安全方面,Efremov等[1]將飛行員工作負(fù)荷定義為在特定飛行任務(wù)下,來(lái)自人心理和生理上所付出的努力程度。Mohanavelu等[2]等對(duì)不同階段下的認(rèn)知負(fù)荷水平進(jìn)行分類,從而實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程工作負(fù)荷的持續(xù)性監(jiān)測(cè)。Alaimo等[3]通過(guò)面部溫度和心率信號(hào)測(cè)試了起飛和降落過(guò)程中飛行員工作負(fù)荷水平的變化。Wu等[4]針對(duì)飛行員工作負(fù)荷評(píng)估指標(biāo),提出了一種層次分析與模糊評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法,并對(duì)影響飛行員工作負(fù)荷較大的因子進(jìn)行了定量識(shí)別。衛(wèi)宗敏等[5]探討了腦力負(fù)荷與作業(yè)績(jī)效等的關(guān)系,分析討論飛行員腦力負(fù)荷測(cè)量指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的發(fā)展趨勢(shì)。Belt等[6]通過(guò)運(yùn)動(dòng)提示座椅(motion cueing seat,MCS)研究了各動(dòng)作指令對(duì)飛行員工作負(fù)荷及其飛行任務(wù)表現(xiàn)的影響。Alaimo等[7]研究發(fā)現(xiàn)在不同的飛行場(chǎng)景下,人的工作負(fù)荷、生物特征數(shù)據(jù)與績(jī)效指標(biāo)之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。白杰等[8]基于自組織算法與線性回歸結(jié)合的方法建立了飛行員腦力負(fù)荷預(yù)測(cè)模型,模型預(yù)測(cè)精度高于85%。在空中交通管理方面,梁海軍等[9]通過(guò)眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)管制員的疲勞負(fù)荷值進(jìn)行了判斷,準(zhǔn)確率高于98%。Socha等[10]通過(guò)對(duì)空中交通管制員心臟活動(dòng)變化的檢測(cè),評(píng)估了在不斷變化的交通負(fù)載和空域復(fù)雜性情況下的工作負(fù)荷,結(jié)果表明:基于頻譜分析的心率變異性參數(shù)與工作負(fù)荷具有高相關(guān)性。Pagnotta等[11]證明了空中交通管制中人的工作負(fù)荷測(cè)量結(jié)果能有效反映任務(wù)難度的變化,并與難度值存在正向線性關(guān)系。Jadhav等[12]提出了無(wú)人機(jī)操作對(duì)空中交通管制人員工作負(fù)荷的影響因素和概念模型。在航空維修方面,Adbul等[13]分析了腦力和體力負(fù)荷之間的差異,結(jié)果表明:工作中體力負(fù)荷在肢體上的表現(xiàn)更加明顯,腦力負(fù)荷在人的情緒傳達(dá)和任務(wù)交接中表現(xiàn)更多。Che等[14]將多資源模型結(jié)合到事件樹(shù)中,通過(guò)分析多資源模型中維修人員在任務(wù)期間所產(chǎn)生的負(fù)荷值,并以此確定維修差錯(cuò)的致因。孫瑞山等[15]應(yīng)用工效學(xué)仿真軟件Simens JACK得到了維修工作時(shí)所需時(shí)間及其修正因子,建立了基于時(shí)間線的維修人員工作負(fù)荷評(píng)估模型。從上述研究可以看出,飛行與空中交通管理方面工作負(fù)荷研究較多,維修工作負(fù)荷研究較少,而維修與飛行和空中交通管理同屬航空安全系統(tǒng)組成,維修工作負(fù)荷對(duì)航空安全同樣有重要影響。特別地,大量工作負(fù)荷的研究都依靠仿真軟件或醫(yī)學(xué)設(shè)備對(duì)人的生理指標(biāo)進(jìn)行分析,缺少對(duì)工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)的細(xì)致劃分,以致得不到系統(tǒng)性的工作負(fù)荷評(píng)估結(jié)果,也不能更好地支持工作負(fù)荷導(dǎo)致的維修差錯(cuò)的控制措施制定。

針對(duì)復(fù)合材料巨大的適航維修需求導(dǎo)致更為精細(xì)的工作負(fù)荷評(píng)價(jià)需求,基于扎根理論的研究方法,通過(guò)復(fù)合材料適航維修的原始語(yǔ)句概念化,統(tǒng)計(jì)出工作負(fù)荷影響因素頂層指標(biāo),同時(shí)結(jié)合SEM(structural equation modeling)建立了工作負(fù)荷影響因素分析模型,采用多次指數(shù)迭代調(diào)整得到工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用G1法計(jì)算權(quán)重,構(gòu)建線性加權(quán)的工作負(fù)荷評(píng)估模型,通過(guò)工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和工作負(fù)荷評(píng)估模型收集大量相關(guān)數(shù)據(jù),加以整合分析為改善維修方案、完善維修管理機(jī)制提供技術(shù)支撐。

1 復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷分析

1.1 工作負(fù)荷的定義

隨著作業(yè)領(lǐng)域的不同,對(duì)工作負(fù)荷的描述也具有差異性。目前,工作負(fù)荷普遍定義為單位時(shí)間內(nèi)人所承受的工作量,體現(xiàn)人員在作業(yè)任務(wù)數(shù)量和質(zhì)量上的共同要求[16]。將膠接挖補(bǔ)的作業(yè)品質(zhì)作為工作量的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R4—2016)版中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航要求D、G部分[17],將工作負(fù)荷定義為:在特定的操作環(huán)境中,作業(yè)人員為完成各項(xiàng)任務(wù)指標(biāo)而產(chǎn)生的自我資源耗損,主要體現(xiàn)在生理和心理兩個(gè)層面。

1.2 工作負(fù)荷影響因素的初選

扎根理論是一種被用于定性研究的方法,基于數(shù)據(jù)之間的相似性和差異性,對(duì)原始資料進(jìn)行編碼、分類、歸納,從而形成系統(tǒng)的解釋[18]。為確保評(píng)估指標(biāo)的完整性,結(jié)合覆蓋了復(fù)合材料適航維修膠結(jié)挖補(bǔ)方面的資料統(tǒng)計(jì)[19-20],對(duì)初始語(yǔ)句進(jìn)行理論整合,同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況反復(fù)對(duì)比提取關(guān)鍵性概念,最終形成工作負(fù)荷頂層評(píng)價(jià)指標(biāo),因篇幅限制僅給出部分指標(biāo)分析,如表1所示。

表1 初步建立工作負(fù)荷影響因素頂層評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Establish the top level evaluation indicator of influencing factors for workload

2 基于SEM的膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)方程模型簡(jiǎn)介

SEM是處理多元數(shù)據(jù)的一種工具,主要由潛變量、觀測(cè)變量、殘差變量構(gòu)成,通過(guò)測(cè)量模型與結(jié)構(gòu)模型來(lái)分析各變量間內(nèi)部關(guān)系[21]。工作負(fù)荷各影響因素變量間具有一定的主觀性,導(dǎo)致后期變量間匹配擬合結(jié)果出現(xiàn)誤差,而SEM模型考慮了這種主觀上的誤差,從而提高了模型各變量間擬合度。將SEM應(yīng)用于工作負(fù)荷分析,能夠定量評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性,并排除對(duì)工作負(fù)荷影響系數(shù)較低的指標(biāo)。

2.2 模型變量假設(shè)

基于扎根理論統(tǒng)計(jì)分析,將工作負(fù)荷影響因素劃分4大模塊作為SEM的4個(gè)潛變量,人員因素Y1、設(shè)備因素Y2、技術(shù)因素Y3、環(huán)境因素Y4。觀測(cè)變量用Xij表示,膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷影響因素變量指標(biāo)如表2所示。

表2 膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷影響因素Table 2 Factors affecting workload of bonding repair

2.3 問(wèn)卷與模型檢驗(yàn)

針對(duì)膠接挖補(bǔ)維修過(guò)程,應(yīng)用李克特7級(jí)量表制作工作負(fù)荷影響因素調(diào)查問(wèn)卷[22],問(wèn)卷內(nèi)容包括4個(gè)潛變量和20個(gè)觀測(cè)變量,每個(gè)觀測(cè)變量均有相關(guān)對(duì)應(yīng)題項(xiàng),調(diào)查人員為具有豐富經(jīng)驗(yàn)的機(jī)務(wù)維修工作者,對(duì)復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)有過(guò)實(shí)際操作或相關(guān)的理論培訓(xùn)。為保證量表內(nèi)部數(shù)據(jù)的一致性與可靠性,通過(guò)SPSS軟件對(duì)138份問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行信效度檢驗(yàn)。相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示,問(wèn)卷整體Cronbach’s值0.774,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值0.801,表明數(shù)據(jù)間相關(guān)性強(qiáng)。驗(yàn)證性因子分析結(jié)果如表4所示,限于篇幅量?jī)H展示技術(shù)因素部分題項(xiàng),其中,組合效度(composite reliability,CR)遠(yuǎn)大于0.7,平均萃取量(average of avriance extracted,AVE)大于0.5,顯著性P低于0.05,表明問(wèn)卷題目具有良好的信度和收斂效度,問(wèn)卷題目檢驗(yàn)達(dá)標(biāo),所構(gòu)建SEM數(shù)據(jù)理想。

表3 問(wèn)卷信效度Table 3 Reliability and validity analysis of questionnaire

表4 技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)Table 4 Technical indicator test

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

結(jié)合調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù),分別對(duì)人員、設(shè)備、技術(shù)、環(huán)境進(jìn)行單方向建模,其中觀測(cè)變量的殘差用ei表示,模型擬合結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)模型擬合結(jié)果Fig.1 Fitting results of workload evaluation indicator model

由圖1可知,Q11、Q15、Q41因子載荷量小于0.6,影響度低下不符合標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行剔除,通過(guò)AMOS-Estimate修正指標(biāo)分析可知,Y2與Y4具有相關(guān)性,Y2、Y3、Y4均會(huì)對(duì)Y1有影響,因此對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行連接修正,得到標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)結(jié)果如圖2所示,各項(xiàng)適配度檢驗(yàn)如表5所示。

圖2 工作負(fù)荷評(píng)價(jià)模型標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)結(jié)果Fig.2 Standard estimation results of workload evaluation model

表5 工作負(fù)荷評(píng)價(jià)模型整體適配度檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Overall fitness test results of workload evaluation model

2.5 結(jié)構(gòu)方程模型指標(biāo)分析

通過(guò)對(duì)模型的反復(fù)修正和擬合,得到工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括指標(biāo)路徑系數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的百分比,如表6所示。通過(guò)圖2內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系中可以看出,設(shè)備、技術(shù)、環(huán)境因素均會(huì)對(duì)人的操作形成負(fù)面的影響,引發(fā)工作負(fù)荷過(guò)大,導(dǎo)致人的工作效率低下。從圖2外部結(jié)構(gòu)關(guān)系可以看出,人員因素中個(gè)人心理素質(zhì)、設(shè)備因素中物件的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境因素中膠黏劑固化的條件要求、技術(shù)因素中膠黏劑的使用對(duì)工作負(fù)荷影響較大。究其原因,與膠接挖補(bǔ)維修工作特殊性有關(guān),膠接挖補(bǔ)工藝流程單一,對(duì)人員具有較高的心理素質(zhì)要求,維修過(guò)程中膠黏劑的質(zhì)量和使用方法對(duì)成品具有很大影響,低質(zhì)量的膠黏劑和非標(biāo)準(zhǔn)化的操作會(huì)引起結(jié)構(gòu)件中材料的壓緊和樹(shù)脂流動(dòng)不均,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)富膠、貧膠、褶皺等現(xiàn)象。因此,為了降低人員作業(yè)負(fù)荷,保證維修安全,應(yīng)加強(qiáng)膠接技師的心理素質(zhì)培訓(xùn)、做好膠黏劑等重要材料的保養(yǎng)。

表6 膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 6 Indicator system for workload evaluation of bonding repair

3 基于G1法的膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷評(píng)估模型構(gòu)建

3.1 評(píng)估模型構(gòu)建

結(jié)合膠接挖補(bǔ)工作的實(shí)際情況,采用線性加權(quán)求和法對(duì)作業(yè)過(guò)程工作負(fù)荷值進(jìn)行計(jì)算[23],計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:W為工作負(fù)荷值;Qi為權(quán)重系數(shù);Pi為得分值。

該評(píng)估模型可直接表示出膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷整體水平值,并根據(jù)相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)判斷作業(yè)是否存在負(fù)荷過(guò)載現(xiàn)象,并給出相應(yīng)指導(dǎo)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

在大量指標(biāo)信息中,熵是對(duì)信息度量的有效工具,利用所需的評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值來(lái)反映有效信息,熵越大,指標(biāo)權(quán)重越大,G1法基于熵值的概念,對(duì)指標(biāo)信息進(jìn)行重要度排序并賦值。相比于傳統(tǒng)的層次分析法和頭腦風(fēng)暴法[24-25],G1法計(jì)算量小,無(wú)需構(gòu)建判斷矩陣和數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn),具有較高的實(shí)際應(yīng)用效率[26]。

3.2.1 G1法計(jì)算步驟

步驟1 結(jié)合路徑系數(shù)大小對(duì)指標(biāo)排序。令Y1>Y2>…>Yk,依據(jù)路徑系數(shù)的大小,將值最大的指標(biāo)記Y1,然后在剩余m-1個(gè)指標(biāo)選擇值最大指標(biāo)記Y2,接著在余下m-(k-1)指標(biāo)中選擇值最大指標(biāo),記為Yk,依次重復(fù)該步驟,對(duì)指標(biāo)重新排序。

步驟2 由專家對(duì)相鄰指標(biāo)Yk與Yk-1重要度比值rk賦值,賦值規(guī)則如表7所示。

表7 rk賦值Table 7 rk assignment

(2)

(3)

(4)

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表8 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Table 8 Indicator weight coefficient

3.3 模型驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了針對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮雷擊損傷的膠接挖補(bǔ)實(shí)驗(yàn),結(jié)合一線維修人員復(fù)合材料修理手冊(cè)選擇了損傷材料去除、補(bǔ)片材料制作、鋪層與固化環(huán)境3個(gè)任務(wù)階段編制了作業(yè)工卡,同時(shí)招募7名民航維修類專業(yè)的在校大學(xué)生參與此次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人員按照作業(yè)工卡依次完成各項(xiàng)任務(wù),在實(shí)驗(yàn)任務(wù)結(jié)束后填寫問(wèn)卷并由現(xiàn)場(chǎng)工作人員計(jì)算得分。結(jié)合工作負(fù)荷等級(jí)的劃分依據(jù),將問(wèn)卷題目選項(xiàng)按照影響程度設(shè)計(jì)為5類,對(duì)應(yīng)分值為0.2、0.4、0.6、0.8、1,根據(jù)式(1)得到編號(hào)1實(shí)驗(yàn)人員的一級(jí)指標(biāo)工作負(fù)荷為

(5)

同理可得其他實(shí)驗(yàn)人員的一、二級(jí)指標(biāo)工作負(fù)荷值,如表9所示,其中一、二級(jí)指標(biāo)工作負(fù)荷值平均絕對(duì)誤差小于3%,證明了該模型的可靠性。根據(jù)表10得維修過(guò)程中人員存在負(fù)荷過(guò)載現(xiàn)象[27],應(yīng)結(jié)合表6的相關(guān)指標(biāo)參考進(jìn)行適度整改,以保證人員工作負(fù)荷達(dá)到最佳值。

表9 工作負(fù)荷評(píng)估結(jié)果Table 9 Workload assessment results

表10 工作負(fù)荷等級(jí)Table 10 Workload level

4 結(jié)論

(1)通過(guò)扎根理論,提取了20項(xiàng)復(fù)合材料膠接挖補(bǔ)工作負(fù)荷的頂層指標(biāo),并分類為人員、設(shè)備、技術(shù)、環(huán)境4大模塊。

(2)通過(guò)SEM模型篩選出與工作負(fù)荷相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)包括人員心理狀況、預(yù)浸料黏附性、維修物件結(jié)構(gòu)形式、膠粘劑的擠壓力和次數(shù)、膠粘劑的固化環(huán)境,并針對(duì)維修材料的運(yùn)輸、操作、保存提出建議。

(3)飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮雷擊損傷挖補(bǔ)修理案例的工作負(fù)荷評(píng)價(jià)驗(yàn)證了工作負(fù)荷指標(biāo)體系與評(píng)估模型的有效性。