产品人机工效综合评估与决策方法研究 - UXPA中国2016行业文集

2017-06-09 | 文集

 

产品人机工效综合评估与决策方法研究

王文军1,王军锋1,李慧敏2

1西南科技大学制造科学与工程学院, 四川 绵阳

2西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳

 

摘要:针对某些产品人机工效评估涉及因素多、评估方法复杂等特点,总结了现有产品人机工效评估方法及相关数据形式,并建立了评价体系;运用熵权法对单一评估方法各指标进行了权重分配,并采用Topsis法进行数据集结,最终通过层次分析法进行不同评估方法权重分配,进行数据集结后得出决策结论。

关键字:人机工效; 综合评估; 评价体系

 

引言

在科学技术不断发展的背景下,人们对产品的各项指标都提出了越来越高的要求,作为影响产品体验的重要因素,人机工效也得到了越来越多的重视,人机工效设计与评估已逐渐成为产品开发过程中的重要组成部分。

 

某些复杂的操作产品存在控制器、显示器数量与种类繁多,人机交互过程复杂的特点[1],因而针对该类型产品进行多个方案的人机工效决策时,工作量大,约束多,必须要综合考虑人体视域、可达域、舒适性、空间利用、部件关联性等因素。现有产品人机工效综合评估与决策的研究可分为两个方面,一是人机工效评估指标体系研究,另一方面是人机工效评估方法研究。

 

指标体系方面,刘伟等通过对驾驶舱人机显示/控制界面适配性指标影响因素、视觉信息流工效的测定与评估方法的研究,建立了一套视觉信息流工效综合评估系统研究体系[2];郭赞等运用改进德尔菲法建立了显示界面人机工效指标体系,运用G1法确定了各指标的权向量,并在此基础上运用模糊综合评判法对指标体系进行了评估[3];赵欣等结合人机工程学设计原则,建立了适合于特种飞机任务系统操作台的人机工效评价指标体系[4]

 

评估方法方面,宋海靖等结合民机驾驶舱工效学的实际情况,提出一种将改进专家打分法、三标度层次分析法和模糊综合评判法集成的综合评价体系,给出了合适、可操作的评价指标和评价方法[5];刘启越等建立了参数化的飞行员人体模型,构建了人体姿态库,将其集成到DELMIA 软件虚拟环境中,开发了驾驶舱人机工效虚拟评价原型试验系统[6]

 

现有的人机工效评估方法在一定层面上为人机工效评估提供了解决方案,但从产品的总体评估来讲,缺乏能够整合各项因素的综合评估方法,在很大程度上影响了产品的人机工效性能和设计研发速度。本文通过主观与客观赋权法,综合各种人机工效评估手段,形成综合的评估方法,为复杂操作产品的人机工效评估提供方法和理论支撑。

 

1. 人机工效评估方法

产品的人机工效评估方法多种多样,不同的方法一般只能针对某一项或某几项人机工效性能进行评估,各种方法所采用的工具存在很大的差异,所提供的分析数据也多种多样,在人机工效综合分析之前,必须充分了解各方法所提供的数据形式。通常来讲,产品的人机工效评估主要有虚拟仿真法、模拟实验法、真实环境实验法等[6]

 

1.1虚拟仿真法

虚拟仿真法是随着计算机图形学、虚拟仿真、计算机辅助设计等相关学科的技术进步而发展起来的评估方法。虚拟仿真法可以在设计阶段的早期开展驾驶舱的人机工效评估工作,并且成本低、安全节能,近年来被逐渐推广使用,但就目前的技术水平来讲,虚拟环境的逼真度是制约该方法进步的最大瓶颈。

 

虚拟仿真法在人机工效评估方面的应用可分为三类:一是构造虚拟人体模型,并与驾驶舱模型组成虚拟环境,模拟分析虚拟人的视域、可达域、舒适性、疲劳特性等,该类型的工具主要有Jack,RAMSIS,Delmia等。此外, SAFEWORK、AN-THROPOS、MQPro等也隶属于该类型工具,如图1所示。

 

图1  Jack虚拟仿真

 

第二种虚拟仿真方法是在虚拟环境中搭建光源与驾驶舱模型的环境,针对灯光、照明进行照度、光谱、眩光等因素虚拟仿真,此类方法所用到的工具主要有LightTools、Lightscape、SPEOS CAA V5、Litestar 4D等;第三种虚拟仿真方法主要针对驾驶舱流场、热力场等进行模拟仿真。此类型方法所用到的工具主要有FLUENT、ANSYS等。

 

1.2 模拟实验法

模拟实验法是搭建部分真实系统,寻找不同参数的人群样本模拟真实操作情景,并利用相关设备采集人体相关数据,加以分析总结得出评估结论的方法。模拟实验法在航空领域是应用非常广泛的一种方法,既可以真实的展现实际场景,又可以将成本控制在一定范围内。例如我国的新舟60飞行模拟器、法国空客A320全动模拟机等。

 

模拟实验评估法所采用的实验仪器主要有眼动追踪系统、压力分布测量系统、运动捕捉系统、肌电图仪、生理多导仪等。

 

眼动追踪系统主要用以记录实验人员眼球运动轨迹及注视时间等参数,经分析后得出实验人员对刺激的反应速度、读取信息难易度等结论;压力分布测量系统由压力传感器点阵组成,分布测量不同位置的压力情况,然后将所有数据集合起来,提供最大压力、平均压力、重心位置等信息,如图2所示。

 

图2 压力分布测量

 

运动捕捉系统可捕捉实验人员的位置、姿态等信息,提供相应的位置坐标、关节角度等信息;肌电图仪可通过测量人体肌电信号,得出肌肉疲劳、伤害等信息;生理多导仪可根据需要测量并输出心电、脑电、肌电等信息。

 

1.3 真实环境实验法

真实环境实验法与模拟实验法的实验方法与工具大致相同,但通常情况下,实际的照度、光谱等分析与评估需在真实环境中进行。通过照度计与光谱仪在真实的环境中测量不同光照下不同位置的照度与光谱数据。

 

2. 人机工效评价体系

人机工效综合评估的基本过程为:首先根据评估对象的特性确定进行产品人机工效评估评估目标,寻找主要的评估方向;然后根据评估目标确定人机工效综合评估指标,并建立评估指标体系;根据指标体系,确定每个指标相应的人机工效评估方法,并确定评估工具及参与者;接下来选择权重计算方法并确定综合评估模型,最后进行综合评估,搜集数据进行计算,得到评估结论。

 

根据以上过程,建立人机工效综合评估的基本体系架构,如图2所示。架构共分为评估对象层、指标层、方法层、工具层以及模型层。

 

图3  综合评估体系架构

 

针对评估工具层,人机工效评估工具多种多样,不同的软硬件设备能够采集或仿真得到不同人机工效因素的相关参数,结合第1节中各种评估所涉及的工具,构建人机工效评估体系如图4所示。

 

图4人机工效评价体系

 

3. 单一评估方法内部权重分配及数据集结

虚拟及物理人机工效评估包含虚拟仿真评估、模拟实验评估以及真实环境评估三种方法,此类方法往往会由计算机软硬件提供多种分析数据,不能直观的评价方案的优劣,必须对数据进行处理才能进行评估,m 种方案的个指标评估数据构成评估矩阵。

 

评价因素有成本型和效益型之分,所谓成本型因素是指该因素的数值越高,则对方案的评估越不利,而效益型因素是指因素数值越高,评估结果越好。在进行下一步计算前需针对成本型和效益型因素进行矩阵的标准化,得到标准化的评估矩阵:

 

3.1 权重计算

在人机工效综合评估中,权重非常关键,直接关系到决策结论的准确性。赋权方法从根本上可分为主观赋权与客观赋权两种,主观赋权是由决策者根据自己的经验以及对赋权对象的了解而主观给出权重的方法,客观赋权法是利用客观信息进行赋权的方法。由于决策者本身数据获取比较困难,因此客观赋权法通常不适用于决策者的赋权,主要应用于决策属性的赋权。

 

熵权法是一种客观赋权方法,它借鉴化学熵及信息熵的定义,通过定义各指标的熵值,将评价中各单元信息进行量化与综合,得出各指标比较客观的权重[7]。熵权法不需要人为介入,通过各指标的熵值即可确定各指标的权重。针对人机工效评估的特点,本文选择熵权法进行权重计算。

 

若某系统处于多种不同的状态,某种状态出现的概率为 ,则该系统的熵定义为[8]

 

将矩阵 A j 个指标的熵定义如下:

 

则第 个指标的熵权为:

继而可得出权重矩阵。

 

3.2 基于TOPSIS法的数据处理

运用TOPSIS法对评估工具给出的评估数据进行处理。通过求解正负理想解,计算出各方案与正理想解和负理想解的距离:

    

 

计算各方案与正理想解的贴近程  

 

则可得到某计算评估方法的结果向量表示某方案与最理想解的贴近度,数值越大,说明该方案越接近于最优解,因此 可用于判断方案人机工效性能的优劣。

 

采用同样计算过程可得到其它评估方法的结果向量。

 

4. 人机工效综合评估与决策

要得到方案评价的最终结果,需将各个软硬件量化评估结果进行综合处理。

 

4.1 评估方法权重计算

针对评估方法的权重计算应综合考虑主观因素与客观因素,本文选择运用层次分析法。假设决策矩阵 F 中方法相对于方法的重要性为 ,将构成判断矩阵,经检验,确定矩阵 J 的一致性后,计算各因素的主观重要度[9][10],归一化处理得到 ,其中:

 

4.2 评估数据集结与决策

计算得出各项因素的权重后,仍采用TOPSIS法,求解正负理想解,然后计算各方案与理想解的贴近度,根据贴近度对各方案进行排序,得到人机工效最优方案。计算过程不再重复。


5. 案例分析

以某型飞机产品为例,针对四个方案的5个指标运用Jack软件得到人机工效评估方法得到评估矩阵:

 

计算得到各指标的熵值:

 

进而运用熵权法得出各指标的熵权:

 

计算得到正负理想解:

 

 

计算各方案与理想解的贴近度:

 

采用同样的方法计算得出由眼动仪及压力分布测量系统得出的贴近度:

 

运用层次分析法,得到各方法权重:

 

运用TOPSIS法计算各方案与正理想解贴近度:

 

则在四个方案中,人机工效最优秀的是方案,与飞行员反馈一致,说明该方法有效。

 

6. 结论

人机工效学涉及相关学科众多,因此针对结构与功能复杂的交互产品来讲,人机工效评估必然要涉及多种分析方法。本文从整体角度,提出一种复杂产品人机工效综合评估方法,从单一评估方法内部以及评估方法之间两个方面对权重计算与数据进行了研究,该方法能够整合各种评估因素得出决策,为复杂产品的人机工效综合评估提供参考。

 

致谢

本论文为西南科技大学科研基金资助成果(博士基金16zx7120)。

 

参考文献

[1] 艾玲英. 人机工效在飞机驾驶舱设备布置中应用研究[J]. 飞机设计, 2012;32:78-80.

[2] 刘伟, 袁修干, 柳忠起, 康卫勇. 人机显示_控制界面适配性综合评价指标和评价方法[J]. 中国安全科学学报, 2004;14:32-5.

[3] 郭赞, 郭定, 杨俊超, 黄春蓉. 直升机座舱显示界面人机工效指标体系评估研究[J]. 电光与控制, 2011;18:67-71,84.

[4] 赵欣, 叶海军, 姜治. 基于模糊的特种飞机任务系统操作台人机工效综合评价研究[J]. 现代电子技术, 2013;36:11-3.

[5] 宋海靖, 孙有朝, 陆中. 民机驾驶舱工效学综合评价方法研究及应用[J]. 飞机设计, 2010;30:36-40.

[6] 刘启越, 孙有朝. 基于虚拟仿真的民机驾驶舱人机工效评价技术研究[J]. 中国民航飞行学院学报, 2014;25:8-11.

[7] 王艳艳,任宏,王洪波. 基于熵权与TOPSIS法的节能建筑方案评价研究[J]. 山东建筑大学学报, 2013;28:313-7.

[8] 鲍君忠. 面向综合安全评估的多属性专家决策模型研究. 大连: 大连海事大学; 2011.

[9] 朱凌云. 面向大规模定制产品设计的客户需求处理关键技术研究. 合肥: 合肥工业大学; 2008.

[10]Vlachos I K, Sergiadis G D. Intuitionistic fuzzy information-Applications to pattern recognition[J]. Pattern Recognition Letters, 2007, 28(2): 97–206.

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