凍干系統自動進出料設計方案綜合評價與分析

丁 瑾， 葛正浩*， 程麗華

(1.陜西科技大學機電工程學院，西安 710021；2.上海東富龍科技股份有限公司，上海 201108)

凍干系統是應用真空冷凍干燥技術，使物質在真空、無菌、低溫條件下脫水干燥的工藝系統，在醫藥、生物工程、食品等領域廣泛使用，其中自動進出料為凍干系統中的一個重要組成部分。它是實現自動將物質推送至凍干機中的裝備，以避免操作人員與原料接觸，最大程度實現凍干過程的無菌條件。目前市場對制藥裝備的外觀、操作便捷性等要求很高。為應對國際醫藥市場日益激烈的競爭，需將工業設計引入制藥裝備的設計制造過程中。當確定設計方案時，往往是由具有豐富經驗的專家對設計方案進行評價并選擇最佳方案，所選擇的方案完全由專家的主觀意志決定。為避免選擇設計方案時一家之言的現象，國內外學者都進行了探討。

李曉英等[1]構建動態賦權方式，通過削弱不同專家間評價結果差異度獲得結果。專家間評價結果差異較大時，需不斷重復使結果滿足要求。當專家人數較多時，完成該方法所需成本較高。趙大興等[2]采用層次分析法預測用戶意圖，但僅由層次分析法所得結果主觀性較強，沒有兼顧到指標間的關聯性。蘇曼[3]使用灰色關聯度分析法對多目標因子關聯度進行評估，但各因子間權重系數相同，所得結果精確度降低。Amir等[4]應用D數偏好關系改進層次分析法(analytic hierarchy process method extended by D numbers preference relation，D-AHP)，通過應用模糊偏好關系的概念擴展了傳統的AHP法，但由于其數值可靠性與專家的認知能力相關且信息的可信度尚未得到進一步深入研究，該方法不能直接應用于實際。Sun等[5]將模糊集應用于灰色關聯度分析中，將斜率與灰色關聯度相結合識別問題，但各因素權重相同，所得結果準確性降低。

基于以上分析，采用層次分析法-灰色關聯度分析法評價設計方案的流程。應用Siemens Tecnomatix Jack 人機仿真軟件為設計方案提供設計方向。采用灰色關聯度選擇設計方案時，引入層次分析法計算各因素權重系數，用定性和定量相結合的方法使結果更具有可靠性。以上海東富龍科技股份有限公司凍干系統中固定式自動進出料為研究對象，根據各因子對方案影響程度分析[6]，以客觀方式選擇最優方案。

1 設計對象分析

(1)環境影響。醫用凍干系統中固定式自動進出料置于藥廠無菌車間，對該設備需定期清潔。設計過程中要考慮到自動進出料易清潔問題，即所設計出的產品應盡量避免清潔死角。

(2)使用人群影響。當進行常規維護或修理時，應使自動進出料外罩殼易拆卸，以降低拆卸動作對操作人員肢體的損傷。

(3)美觀性影響。圖1所示為自動進出料原型，該產品在工作狀態下具有良好的穩定性，但因其外型單調、乏味使得市場競爭力降低。由于所處環境的特殊性，不能改變其原材料，需要通過線條的變化改變造型。

(4)其他影響。設計時考慮產品在實際生產加工過程中，能否易生產并且生產出的產品實際效果與預期效果差距較小。

2 人機工程仿真

圖1 自動進出料裝置原型Fig.1 Prototype of automatic feeding and discharging device

為使自動進出料的設計方案能更好地滿足藥廠職工操作要求，應用Siemens Tecnomatix Jack軟件[7]對人拆卸、擦拭自動進出料外殼的動作進行分析。根據人體分析結果進行設計[8]，達到設計方案美觀的同時也使之更適合于人的操作。

2.1 模型構建

Siemens Tecnomatix Jack軟件包含多個國家人體尺寸，考慮到完成拆卸維護工作多為男性、完成擦拭工作則多為女性，而藥廠職工人數較多，因此選用第95百分位的中國成年男、女人體模型進行分析，并將自動進出料原型也導入軟件中。

2.2 操作自動進出料原型仿真分析

2.2.1 拆卸自動進出料外殼動作分析

自動進出料外殼通過左側連接板與隔離器相連接，操作人員拆卸外殼過程分為兩個動作：外殼向右抽出，將右側端外殼向下壓。通過對拆卸外殼動作中肢體各部位受力強度進行分析，得出圖2所示的分析結果。完成該動作過程中，操作人員肢體受到的平均力較其他部位較高。對肢體各個關鍵部位動作幅度分析可知，腰部動作幅度相對較大。后續設計中，需考慮到拆卸外殼對操作人員腰部的影響，應盡量降低腰部動作幅度。

2.2.2 清潔自動進出料外殼動作分析

當操作人員清潔自動進出料時，可將手掌作為分析對象，得到手掌可達域。根據分析結果可知，清潔面積遠遠大于人體不動時手掌可接觸到的最大面積，所以清潔外殼的動作需不斷變化。在以蹲姿清潔外殼下半部分時，身體各部位受力情況如圖3所示，肢體平均受力最高，經分析腰部所受強度相對較大。在方案設計過程中依據分析結果減少的多余空間，可減少操作人員的動作和以蹲姿完成清潔工作的時間，使清潔工作能更高效、輕松地完成。

圖2 拆卸自動進出料外殼原型肢體受力分析Fig.2 Limb stress analysis of removing the outer casing of the automatic feeding and discharging prototype

圖3 以蹲姿完成清潔工作的肢體受力分析Fig.3 Limb stress analysis of the cleaning work done in a kneeling position

2.3 設計方案與分析

2.3.1 方案設計

自動進出料內部僅有推桿和電機，其內部大量空余空間可基于人機仿真分析結果以及內部結構進行設計。由以上結果可知，自動進出料右下端部位可進行優化設計。

當去掉右下端部分空間后，操作者完成拆卸外殼動作過程中，去掉部分空間增加的面可以使手掌直接與之接觸，降低操作者手掌疲勞感；由于增加手掌的受力面，間接固定了手掌在外殼上放置的位置，使得腰部彎曲的度數減小，減輕拆卸動作導致的腰部損傷。操作者完成清潔動作過程中，右下端空間的減少會明顯減少操作者以蹲姿進行清潔的時間，減少對腰部持續損傷的時間；外殼的總面積減小，也可以減少操作人員動作。

設計出4個自動進出料方案如圖4所示。為使操作者能夠以更舒適的姿勢完成工作任務，去掉其中一部分空間，在滿足易維護、易清潔兩個因素方面，4種設計方案各有優劣。由于自動進出料工作狀態穩定、流暢，因此方案設計以“簡潔”“穩重”“動感”“科技感”作為設計主題，4個造型呈現出不同的風格，與原型相比設計感大幅度提升。對影響產品的幾個因素綜合分析，選擇最優方案。

2.3.2 設計方案分析

將以上4個方案導入Siemens Tecnomatix Jack軟件，對拆卸自動進出料外殼做動作仿真分析。由分析結果可知，操作者拆卸自動進出料原型外殼時，肢體平均最大受力為400 N·m，經改進后，肢體平均最大受力減小，如圖5所示。以上4種設計方案相對于設計前對操作者腰部的保護增強。

圖4 自動進出料裝置設計方案Fig.4 Design scheme of automatic feeding and discharging device

圖5 拆卸動作仿真分析結果Fig.5 Simulation result of disassembling action

3 分析評價設計方案

3.1 綜合評價設計方案

基于設計結果以及人機仿真結果，若直接采用灰色關聯度分析則默認幾個影響因素在確定設計方案時所起到權重占比相同，然而在實際情況下幾個影響因素對設計方案選擇的影響作用不同[9-11]。因此需采用層次分析法判斷各因素權重，再利用灰色關聯度分析選擇最佳方案。

3.1.1 應用層次分析法

(1)根據各影響因素，建立相應的層次結構模型。

(2)為盡量提高后續運算的精度，采用1～9級整數標度體系，組織與之相關的專家針對每一個影響設計方案的因素兩兩之間進行比較，構造AHP判斷矩陣。

(1)

3.1.2 應用灰色關聯度分析法

(1)獲取原始數據并確定參考數據列作為選擇設計方案影響因素組成的參考數據列，最理想狀態為各因素都處于最佳狀態，則各因素處于最高評分的選項作為參考數列，記為X0。由于是不同專家根據不同影響因素對不同方案進行打分所得的結果，則記第n個影響因素值為Xi(n)，n=1,2,…,n。參考序列為X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}。

(2)對原始數據進行無量綱化處理。由于各影響因素的評分在數量級上有差異，不便于比較，因此對原始數列無量綱化處理。設打分數列為Xi={Xi(1),Xi(2)，…,Xi(n)}，n=1,2,…,n。Xi為一組原始數列，當數據間沒有明顯升降趨勢時，采用均質化法代入式(2)處理數據。

(2)

式(2)中：X′i為專家打分結果經無量綱化處理所得值。

另一方面，由于工場手工業沒有能力滿足資本主義生產方式促進和擴大生產的需求，從而產生了現代大工業。更多的原材料、更大的銷售市場是資本主義大工業發展的需要，這迫使資產階級在世界范圍內尋求原料基地，開拓銷售渠道，打破一切阻礙世界市場的障礙和壁壘。隨著世界市場的建立與發展，流通和交換突破地域的限制，使物質和精神在世界范圍內流動，人們實現了最大限度的普遍交往，使資本主義生產方式的文明得以在世界范圍內傳播，世界歷史由此形成。

(3)計算關聯系數。設經過上述處理后的參考數列為X′0={X′0(1)，X′0(2)，…，X′0(n)}，比較數列為X′i={X′i(1),Xi(2),…,Xi(n)}，i=1,2,…,k。通過計算參考數列與比較數列間的差值，得出兩極最大差與最小差，另引用分辨系數ρ以削弱因數據差異過大使得關聯系數失真的問題。應用式(3)計算關聯系數。

R0i(k)=

(3)

式(3)中：R0i(k)為所得關聯系數。

將上述所得數據乘以各因素對應的權重，使得所比較的數列更加具有客觀真實性。

(4)

式(4)中：Ri(k)為第i個方案的關聯度。

3.2 應用實例

設可供選擇的4個影響設計方案的因素為美觀性、易生產、易維護、易清潔，建立相應的層次模型，如圖6所示。

采用1～9級整數標度體系將4個影響因素兩兩對比，并將獲得的數據應用式(1)進行計算，得出各影響因素的權重系數，結果如表1所示。

圖6 層次模型Fig.6 Hierarchical model

表1 影響因素的權重系數

根據結果可知，各影響因素權重排序為美觀性>易生產>易清潔>易維護，在進行分析時，可將其權重代入灰色關聯度分析法中，得到更為精確的評價結果。

3.2.2 計算灰色關聯度

(1)獲取原始數據并確定參考數據列。為使評價數據可以包含更多信息，更加具有代表性，特邀請5位相關領域的專家對不同方案的各影響因素進行打分，其中包括2名專門從事工業設計領域的專家、2名設計自動進出料結構的機械設計專家、1名資深生產部門領導。由5名專家對方案的各影響因素進行1～9級打分。通過匯總5組打分信息，將各因素最大值提取出來，作為參考序列X0。

(2)對原始數據進行無量綱化處理。將原始數列代入式(2)，消除數據數量級差異。

(3)計算關聯系數。將上述所得數據與參考數列求差值，得出兩極最大差Δmax=0.808 8與最小差Δmin=0.011 2，為削弱數據差距過大降低結果的參考性，特取ρ=0.2，并乘3.2.1節所得各影響因素權重代入式(3)得到關聯系數。

(4)計算關聯度并進行比較。由于關聯程度過于分散，將上述結果代入式(4)得到各設計方案關聯度如表2所示。根據結果可知關聯度R(方案2)>R(方案3)>R(方案1)>R(方案4)。

表2 關聯系數及關聯度

3.2.3 結果分析

由于4個影響因素對設計方案選擇的影響程度不同，經層次分析法判斷各影響因素權重分別為W美觀性=0.311，W易生產=0.270，W易維護=0.205，W易清潔=0.213，將各權重代入灰色關聯度分析法計算中可得灰色關聯度分別為R方案1=0.148，R方案2=0.161，R方案3=0.152，R方案4=0.127，根據分析結果，應選擇方案2為最終設計方案。

為進一步檢驗該方式的可靠性，另邀請上海東富龍科技股份有限公司20名專家匿名對以上4種方案根據自動進出料在實際設計、生產、使用、維護過程會遇到的實際問題進行評審并選擇最優方案。經評審會討論，有17名專家選擇方案2，3名專家選擇方案3。該結果與層次分析法-灰色關聯度分析所得結果一致。

4 結論

通過分析影響自動進出料設計方案選擇的影響因素，應用Siemens Tecnomatix Jack人機仿真軟件對設計方向以及設計方案合理性的與人有關的因素進行分析，利用層次分析法獲得各影響因素的權重，再用灰色關聯度分析法分析各影響因素與待選擇的設計方案間的關系，通過分析結果確定設計方案的過程中得到以下結論：

(1)利用Siemens Tecnomatix Jack人機仿真軟件對產品原型進行分析，可得到后續設計方向。

(2)以量化的方式對設計方案進行綜合評估與分析，盡量削弱個人主觀因素對方案確定的干擾，避免一家之言。

本研究沒有囊括在實際設計生產過程中影響自動進出料設計方案的全部影響因素，并且在權重分析中獲得的原始數據較單一，該部分需要更加深入討論。