模糊層次分析法在裝甲車輛乘員作業工效評價中的應用

姬麗靜，萬 紅，考希賓，陳亞妮，羅思源，王延琦，楊巧麗，閆金海，孔 巍

(兵器工業衛生研究所 中國兵器工業集團人機環境重點實驗室， 西安 710065)

裝甲車輛艙室不同于一般密閉艙室或工作場所環境，由于艙室密閉性差、作戰環境惡劣、加之連續作戰特性使艙室存在有害氣體、高溫、振動、噪聲、高濕等有害因素，這些因素皆影響著乘員的作業工效，目前對這些因素的評價方式主要有兩種：(1)結合國家軍用標準或國家標準等對單因素進行評價[1-3]，如總裝備部發布的GJB5834—2006《裝甲車輛艙室內有害氣體濃度限值》，規定了不引起乘載員有害健康影響或工效降低的有害氣體容許溶度；國防科學技術工業委員會發布的GJB2935—1997《特種車輛車內噪聲允許限值》規定在混凝土路面直線跑道上以2/3最大速度閉窗勻速行駛時，車內乘員位置的噪聲不應超過113 dB等。(2)針對影響艙室環境的因素進行多因素綜合評價。如王和平等[4]通過分析研究乘載員戰斗力的微環境因素，結合振動、噪聲、溫濕度、有害氣體因素建立了基于指標的特種車內環境模糊綜合評價模型，萬紅等[5]基于對振動、噪聲、高溫、有害氣體的主觀感受調查問卷與模糊評價方法,構建了艙室環境對乘員作業安全影響的綜合模型。

本文提出模糊層次評價法在裝甲車輛艙室環境評價中的應用,以相關標準為依據，將影響環境的溫度、濕度、振動、噪聲、有害氣體因素進行量化并分級，更有效地為評價提供科學依據。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法是基于層次分析法擴展延伸的一種方法，應用層次分析法確定評價體系中各指標的權重，模糊評價法對各指標進行評價[6-8]。其中層次分析法是一種解決多目標復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法；模糊評價法是用模糊數學理論，將評價中的模糊信息數值化，再進行定量評價的方法。

本文將兩種方法相結合，構建模糊層次分析模型用于裝甲車輛艙室環境的綜合評價，使用該方法進行評價的具體思路如下：

① 確定綜合評價目標的層次結構。

② 建立模糊集合。包括因素集和評價集。

③ 利用層次分析法計算各目標權重并進行一致性檢驗。即通過兩兩比較判斷的方式確定每個層次中目標的相對重要性，并用定量的方法表示。

④ 確定各因素評判標準。

⑤ 建立各因素隸屬函數與隸屬度矩陣。

⑥ 模糊綜合評價，對工效等級進行評定。

2 裝甲車輛乘員作業工效評價

根據以上所述，影響裝甲車輛乘員作業工效評價的因素主要有溫度、濕度、振動、噪聲、有害氣體因素，以此構建指標體系的層次結構，如圖1所示。

2.1 建立模糊集合

1) 建立因素集。根據2.1章節裝甲車輛乘員工效評價指標層次結構，構建影響乘員作業工效的因素集，U={u1,u2,u3,u4,u5}={溫度、濕度、振動、噪聲、有害氣體}。

2) 建立評價集。根據裝甲車輛艙室環境因素評價標準建立裝甲車輛乘員作業工效評價集，V={v1,v2,v3,v4}={很小，小，大，很大}。

圖1 裝甲車輛乘員工效評價指標層次結構

2.2 確定各評價指標的權重

裝甲車輛艙室環境的每個因素對乘員作業工效影響的程度并不相同，因此在評價時，首先應計算各指標的權重。本文應用層次分析法，首先采用兩兩比較方法，即引入函數f(x,y)，通過專家詢問確定x與y因素哪個更為重要，采用Saaty提出的1～9標度方法構造判斷矩陣A,根據判斷矩陣A求最大特征值對應的特征向量[9]，同時為避免專家出現邏輯性錯誤，對所求最大特征值進行一致性檢驗[10]。

根據層次分析法編制《裝甲車輛乘員作業工效影響因素專家調查意見表》，邀請了8所單位的15名專家參評者(分別從事裝甲車輛總體設計、人-機-環境系統設計、測試評價的專家參評者)，對溫度、濕度、振動、噪聲、有害氣體通過兩兩重要性對比進行打分，以下為專家一得到的判斷矩陣：

采用“和積法”進行計算，求得各矩陣的特征向量、特征值和檢驗值分別為：

W1=(0.391 0.279 0.192 0.092 0.046)，

λ=5.14,CR=0.031

由此判斷矩陣具有良好的一致性，同理可得其他14名專家指標權值的咨詢結果，如表1所示，在這一過程中，如果沒有滿足一致性檢驗，則由該專家重新評價。

通過層次分析法確定指標權重為：

A={溫度，濕度，振動，噪聲，有害氣體}=

[ 0.186 0.086 0.193 0.201 0.335]

2.3 確定各因素評判標準

結合2.1節構建的評價集，依據裝甲車輛作業環境測試評價相關國家軍標確定因素集的等級標準值，將影響因素分為越低越優型指標和越高越優型指標，需要特別說明的是由于裝甲車輛行駛或武器射擊狀態時一氧化碳皆是裝甲車輛艙室內最主要的有害因素，因此本文中以一氧化碳為代表確定有害氣體等級標準值。

1) 溫度。選擇GJB3991中維持舒適、工效保證、工效降格、安全耐受4個等級對應的溫度限值作為溫度各等級的標準值。

2) 濕度。在查閱相關國家標準及國家軍用標準、研究報告、技術資料的基礎上，參考相關研究結果，確定了相對濕度對乘員作業工效等級的標準值。

表1 15名專家指標權值咨詢結果

3) 振動。根據GJB 59.15中規定的8 h、4 h、2 h、1 h允許暴露時間對應的加速度加權均方根值作為振動各等級標準值。

4) 噪聲。在選擇GJB50A規定的噪聲暴露8 h、4 h、2 h、1 h四個容許限值基礎上，按照GJB2935規定的乘員工作帽的平均衰減不用低于20 dB的要求，將四個容許限值均增加20 dB作為噪聲各等級標準值。

5) 一氧化碳。將GJB5834規定的艙室內一氧化碳(CO)的8h加權平均容許濃度限值20 mg/m3作為等級“很小”的標準值，并按相關公式計算得到4h、2h、1h接觸持續時間艙室內空氣中CO濃度限值分別作為一氧化碳(CO)“小”、“大”、“很大”3個等級的標準值。

各影響因素的等級標準值如表2所示。

2.4 構建各因素隸屬函數與隸屬度矩陣

根據各影響因素類型以及對應的特征曲線，利用三角函數法得出各影響因素評價的隸屬度函數，分別構建“越高越優”、“越低越優”兩種類型隸屬函數，其中D1、D2、D3、D4分別對應評判標準的四個分界值，對于越高越優型指標，采用升半梯形分布函數和線性三角形函數，D4

圖2 越高越優型指標特征曲線

圖3 越低越優型指標特征曲線

影響因素影響程度很小小大很大備注溫度/℃高溫29343844越低越優低溫100-5-22越高越優相對濕度/%高氣濕60708090越低越優低氣濕2015105越高越優振動/(m·s-2)0.3150.530.8251.18越低越優噪聲/dB(A)105108111114越低越優一氧化碳/(mg·m-3)204666108越低越優

1) “越高越優”型隸屬函數

2) “越低越優”型隸屬函數

2.5 構建單因素矩陣，模糊綜合評價

1) 單因素評價

根據對應的隸屬函數，對影響乘員作業工效的因素逐一評價，通過子因素集ui和與之對應的評價集V，確定隸屬度矩陣R。

其中，矩陣元素rjk表示因素集U={u1，u2u3,u4,u5}中ui個因素第j個子因素uij在評價集上對應的等級k的隸屬度。

2) 模糊綜合評價

將權向量A與模糊關系矩陣R合成，模糊算子“ ° ”采用加權平均型求解模型[14]，得到模糊綜合評價結果向量B。

B=(b1,b2,…,bk)=A°R=(a1,a2,…,aj)°

2.6 計算綜合評判值G，并判斷工效等級。

假設評價集各等級分別的對應值為D=(4 3 2 1)，計算乘員作業安全性評價值G[5]，影響工效等級的判定如表3所示。

G=4b1+3b2+2b3+b4

2.7 應用案例

以某裝甲輸送車為例，乘員作業工效評價結果如表4所示。

綜合評價結果表明該型車的艙室環境對駕駛員、車長工效影響等級分別為很小、小，經計算，與文獻[5]中基于主觀感受調查問卷建立模糊綜合評價方法所評判的結果一致。

3 結論

本文采用層次分析法確定權重，模糊評價方法對裝甲車輛乘員作業工效進行評價，構建了裝甲車輛乘員作業工效評價模型，在對影響裝甲車輛乘員作業工效的艙室環境分級時依據了相關國家軍用標準，相對比基于主觀問卷的評價方法更具信服力，該方法可為提高裝甲車輛乘員安全性，設計改進艙室提供參考。

表4 乘員作業工效綜合評價結果