復合材料膠接挖補工作負荷評價研究

賀強,胥濤

(中國民用航空飛行學院航空工程學院,廣漢 618307)

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

工作負荷評價是航空人為因素的重要研究課題,得到了中外學者廣泛關注。在飛行安全方面,Efremov等[1]將飛行員工作負荷定義為在特定飛行任務下,來自人心理和生理上所付出的努力程度。Mohanavelu等[2]等對不同階段下的認知負荷水平進行分類,從而實現(xiàn)飛行過程工作負荷的持續(xù)性監(jiān)測。Alaimo等[3]通過面部溫度和心率信號測試了起飛和降落過程中飛行員工作負荷水平的變化。Wu等[4]針對飛行員工作負荷評估指標,提出了一種層次分析與模糊評價相結(jié)合的綜合評價方法,并對影響飛行員工作負荷較大的因子進行了定量識別。衛(wèi)宗敏等[5]探討了腦力負荷與作業(yè)績效等的關系,分析討論飛行員腦力負荷測量指標和評價方法的發(fā)展趨勢。Belt等[6]通過運動提示座椅(motion cueing seat,MCS)研究了各動作指令對飛行員工作負荷及其飛行任務表現(xiàn)的影響。Alaimo等[7]研究發(fā)現(xiàn)在不同的飛行場景下,人的工作負荷、生物特征數(shù)據(jù)與績效指標之間存在復雜的非線性關系。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荷預測模型,模型預測精度高于85%。在空中交通管理方面,梁海軍等[9]通過眼動指標對管制員的疲勞負荷值進行了判斷,準確率高于98%。Socha等[10]通過對空中交通管制員心臟活動變化的檢測,評估了在不斷變化的交通負載和空域復雜性情況下的工作負荷,結(jié)果表明:基于頻譜分析的心率變異性參數(shù)與工作負荷具有高相關性。Pagnotta等[11]證明了空中交通管制中人的工作負荷測量結(jié)果能有效反映任務難度的變化,并與難度值存在正向線性關系。Jadhav等[12]提出了無人機操作對空中交通管制人員工作負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荷之間的差異,結(jié)果表明:工作中體力負荷在肢體上的表現(xiàn)更加明顯,腦力負荷在人的情緒傳達和任務交接中表現(xiàn)更多。Che等[14]將多資源模型結(jié)合到事件樹中,通過分析多資源模型中維修人員在任務期間所產(chǎn)生的負荷值,并以此確定維修差錯的致因。孫瑞山等[15]應用工效學仿真軟件Simens JACK得到了維修工作時所需時間及其修正因子,建立了基于時間線的維修人員工作負荷評估模型。從上述研究可以看出,飛行與空中交通管理方面工作負荷研究較多,維修工作負荷研究較少,而維修與飛行和空中交通管理同屬航空安全系統(tǒng)組成,維修工作負荷對航空安全同樣有重要影響。特別地,大量工作負荷的研究都依靠仿真軟件或醫(yī)學設備對人的生理指標進行分析,缺少對工作負荷評價指標的細致劃分,以致得不到系統(tǒng)性的工作負荷評估結(jié)果,也不能更好地支持工作負荷導致的維修差錯的控制措施制定。

針對復合材料巨大的適航維修需求導致更為精細的工作負荷評價需求,基于扎根理論的研究方法,通過復合材料適航維修的原始語句概念化,統(tǒng)計出工作負荷影響因素頂層指標,同時結(jié)合SEM(structural equation modeling)建立了工作負荷影響因素分析模型,采用多次指數(shù)迭代調(diào)整得到工作負荷評價指標體系,并采用G1法計算權重,構(gòu)建線性加權的工作負荷評估模型,通過工作負荷評價指標體系和工作負荷評估模型收集大量相關數(shù)據(jù),加以整合分析為改善維修方案、完善維修管理機制提供技術支撐。

1 復合材料膠接挖補工作負荷分析

1.1 工作負荷的定義

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

1.2 工作負荷影響因素的初選

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,對原始資料進行編碼、分類、歸納,從而形成系統(tǒng)的解釋[18]。為確保評估指標的完整性,結(jié)合覆蓋了復合材料適航維修膠結(jié)挖補方面的資料統(tǒng)計[19-20],對初始語句進行理論整合,同時與現(xiàn)場實際情況反復對比提取關鍵性概念,最終形成工作負荷頂層評價指標,因篇幅限制僅給出部分指標分析,如表1所示。

表1 初步建立工作負荷影響因素頂層評價指標Table 1 Establish the top level evaluation indicator of influencing factors for workload

2 基于SEM的膠接挖補工作負荷評價指標體系構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)方程模型簡介

SEM是處理多元數(shù)據(jù)的一種工具,主要由潛變量、觀測變量、殘差變量構(gòu)成,通過測量模型與結(jié)構(gòu)模型來分析各變量間內(nèi)部關系[21]。工作負荷各影響因素變量間具有一定的主觀性,導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應用于工作負荷分析,能夠定量評價指標間的相關性,并排除對工作負荷影響系數(shù)較低的指標。

2.2 模型變量假設

基于扎根理論統(tǒng)計分析,將工作負荷影響因素劃分4大模塊作為SEM的4個潛變量,人員因素Y1、設備因素Y2、技術因素Y3、環(huán)境因素Y4。觀測變量用Xij表示,膠接挖補工作負荷影響因素變量指標如表2所示。

表2 膠接挖補工作負荷影響因素Table 2 Factors affecting workload of bonding repair

2.3 問卷與模型檢驗

針對膠接挖補維修過程,應用李克特7級量表制作工作負荷影響因素調(diào)查問卷[22],問卷內(nèi)容包括4個潛變量和20個觀測變量,每個觀測變量均有相關對應題項,調(diào)查人員為具有豐富經(jīng)驗的機務維修工作者,對復合材料膠接挖補有過實際操作或相關的理論培訓。為保證量表內(nèi)部數(shù)據(jù)的一致性與可靠性,通過SPSS軟件對138份問卷數(shù)據(jù)進行信效度檢驗。相關性檢驗結(jié)果如表3所示,問卷整體Cronbach’s值0.774,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值0.801,表明數(shù)據(jù)間相關性強。驗證性因子分析結(jié)果如表4所示,限于篇幅量僅展示技術因素部分題項,其中,組合效度(composite reliability,CR)遠大于0.7,平均萃取量(average of avriance extracted,AVE)大于0.5,顯著性P低于0.05,表明問卷題目具有良好的信度和收斂效度,問卷題目檢驗達標,所構(gòu)建SEM數(shù)據(jù)理想。

表3 問卷信效度Table 3 Reliability and validity analysis of questionnaire

表4 技術指標檢驗Table 4 Technical indicator test

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

結(jié)合調(diào)查問卷數(shù)據(jù),分別對人員、設備、技術、環(huán)境進行單方向建模,其中觀測變量的殘差用ei表示,模型擬合結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作負荷評價指標模型擬合結(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準,進行剔除,通過AMOS-Estimate修正指標分析可知,Y2與Y4具有相關性,Y2、Y3、Y4均會對Y1有影響,因此對各項指標進行連接修正,得到標準化估計結(jié)果如圖2所示,各項適配度檢驗如表5所示。

圖2 工作負荷評價模型標準化估計結(jié)果Fig.2 Standard estimation results of workload evaluation model

表5 工作負荷評價模型整體適配度檢驗結(jié)果Table 5 Overall fitness test results of workload evaluation model

2.5 結(jié)構(gòu)方程模型指標分析

通過對模型的反復修正和擬合,得到工作負荷評價指標體系,包括指標路徑系數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的百分比,如表6所示。通過圖2內(nèi)部結(jié)構(gòu)關系中可以看出,設備、技術、環(huán)境因素均會對人的操作形成負面的影響,引發(fā)工作負荷過大,導致人的工作效率低下。從圖2外部結(jié)構(gòu)關系可以看出,人員因素中個人心理素質(zhì)、設備因素中物件的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境因素中膠黏劑固化的條件要求、技術因素中膠黏劑的使用對工作負荷影響較大。究其原因,與膠接挖補維修工作特殊性有關,膠接挖補工藝流程單一,對人員具有較高的心理素質(zhì)要求,維修過程中膠黏劑的質(zhì)量和使用方法對成品具有很大影響,低質(zhì)量的膠黏劑和非標準化的操作會引起結(jié)構(gòu)件中材料的壓緊和樹脂流動不均,進而導致結(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)負荷,保證維修安全,應加強膠接技師的心理素質(zhì)培訓、做好膠黏劑等重要材料的保養(yǎng)。

表6 膠接挖補工作負荷評價指標體系Table 6 Indicator system for workload evaluation of bonding repair

3 基于G1法的膠接挖補工作負荷評估模型構(gòu)建

3.1 評估模型構(gòu)建

結(jié)合膠接挖補工作的實際情況,采用線性加權求和法對作業(yè)過程工作負荷值進行計算[23],計算公式為

(1)

式(1)中:W為工作負荷值;Qi為權重系數(shù);Pi為得分值。

該評估模型可直接表示出膠接挖補工作負荷整體水平值,并根據(jù)相應的評判標準判斷作業(yè)是否存在負荷過載現(xiàn)象,并給出相應指導。

3.2 評價指標權重確定

在大量指標信息中,熵是對信息度量的有效工具,利用所需的評價指標實際值來反映有效信息,熵越大,指標權重越大,G1法基于熵值的概念,對指標信息進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暴法[24-25],G1法計算量小,無需構(gòu)建判斷矩陣和數(shù)據(jù)一致性檢驗,具有較高的實際應用效率[26]。

3.2.1 G1法計算步驟

步驟1 結(jié)合路徑系數(shù)大小對指標排序。令Y1>Y2>…>Yk,依據(jù)路徑系數(shù)的大小,將值最大的指標記Y1,然后在剩余m-1個指標選擇值最大指標記Y2,接著在余下m-(k-1)指標中選擇值最大指標,記為Yk,依次重復該步驟,對指標重新排序。

步驟2 由專家對相鄰指標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 指標權重計算

表8 指標權重系數(shù)Table 8 Indicator weight coefficient

3.3 模型驗證

設計了針對飛機復合材料蒙皮雷擊損傷的膠接挖補實驗,結(jié)合一線維修人員復合材料修理手冊選擇了損傷材料去除、補片材料制作、鋪層與固化環(huán)境3個任務階段編制了作業(yè)工卡,同時招募7名民航維修類專業(yè)的在校大學生參與此次實驗。實驗過程中人員按照作業(yè)工卡依次完成各項任務,在實驗任務結(jié)束后填寫問卷并由現(xiàn)場工作人員計算得分。結(jié)合工作負荷等級的劃分依據(jù),將問卷題目選項按照影響程度設計為5類,對應分值為0.2、0.4、0.6、0.8、1,根據(jù)式(1)得到編號1實驗人員的一級指標工作負荷為

(5)

同理可得其他實驗人員的一、二級指標工作負荷值,如表9所示,其中一、二級指標工作負荷值平均絕對誤差小于3%,證明了該模型的可靠性。根據(jù)表10得維修過程中人員存在負荷過載現(xiàn)象[27],應結(jié)合表6的相關指標參考進行適度整改,以保證人員工作負荷達到最佳值。

表9 工作負荷評估結(jié)果Table 9 Workload assessment results

表10 工作負荷等級Table 10 Workload level

4 結(jié)論

(1)通過扎根理論,提取了20項復合材料膠接挖補工作負荷的頂層指標,并分類為人員、設備、技術、環(huán)境4大模塊。

(2)通過SEM模型篩選出與工作負荷相關性較強的指標包括人員心理狀況、預浸料黏附性、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,并針對維修材料的運輸、操作、保存提出建議。

(3)飛機復合材料蒙皮雷擊損傷挖補修理案例的工作負荷評價驗證了工作負荷指標體系與評估模型的有效性。