基于Fuzzy-EM的应急通信车舱内环境设计评价研究

李 正，苟秉宸，杨延璞

（西北工业大学 工业设计研究所，西安 710072）

0 引言

应急通信车是为了保障特殊灾害及危险情况下的通信要求而集成调度指挥、视频采集、现场通信等任务于一体的特种车辆。由于其在美国9.11恐怖袭击、2003年美加两国大停电、日本阪神大地震中灾民发送紧急求救信号[1]以及在人口过度密集地区可短时间解决通信拥挤问题，因此越来越受到重视。

应急通信车的设计以总体布置为核心[2],其特点在于车辆底盘大多属于采购件，上装为隔热保温箱体，主要用于仪器操作及设备安放。应急通信车舱内环境包括：舱内座椅；座椅罩套；控制柜，包括操作键盘、显示屏等；构成车内空间的天花板、地毯；贮存设备的储物箱；工具柜；舱内控制系统设施；舱内防火、灭火设施；车内的各种扶手、衣帽架、短梯、照明设施等。应急通信车内环境设计涉及多种学科，其设计方案的筛选需要科学合理的评价方法进行评价,以选择合理的方案进行优化设计。

目前产品的工业设计评价远比产品的技术质量评价复杂[3]，常用的产品评价方法有经验性评价法、评分法、模糊评价法、层次分析法、熵权法、灰色理论评价法和神经网络评价法等[4～6]。由于在综合评价过程中评价集与评语集合带有较强的模糊性，因此系统评价多用模糊理论（Fuzzy Theory）进行评价。但是评价过程权重的选取通常由专家经验得出，带有较强的主观性。程启月[7]提出了一种评测指标权重的熵权法（EM ：Entropy Method），此方法能够克服主观评测与客观评测的不足，有助于确定具体的指标权重值。

本文以东莞市某特种车辆公司开发的应急通信车为研究背景，对车舱内饰设计方案使用Fuzzy-EM进行综合评价。首先运用工业设计的理论知识[8]确定出评价指标体系，将评价指标进行量化处理，由EM法确定出评价指标权重值，然后应用Fuzzy理论进行综合评价。最后运用Visual C++编制了应急通信车舱内环境评价系统软件，对模糊算法进行简化，验证了该方法的科学性并提高了模糊评价的效率。

1 评价指标层次模型的构建

1.1 评价体系指标的建立原则

对应急通信车内环境设计评价时，须构建合理的评价指标体系，根据指标评价体系建立相应的综合评价模型进行模糊综合评价。构建评价指标体系的原则有：1）科学性。提炼出的指标能够涵盖影响应急通信车内环境其设计的一些核心因素，并且评价指标应该精简，找出主要的影响因素，以保证选用的评价指标能够科学、客观的对评价目标进行描述。2）独立性。选取的评价指标应该相互独立，避免选用的各个评价指标内容之间存在相互包含的关系。

1.2 评价指标层次模型的构建

图1 应急通信车舱内环境评价指标层次模型

评价指标是对设计对象的详细描述，一般分为技术性评价指标、经济性评价指标、社会性评价指标和审美性评价指标等[9]，根据设计对象的不同风格与特点，可以适当的选用一些反应设计特色与水平的方面作为评价标准[10]。参考目前的评价指标选用原则及工业产品设计评价标准[7～11]，研究评价指标体系采用三层树状结构，对评价指标进行逐层细化，制定出应急通信车舱内环境工业设计评价指标体系，如图1所示。

评价指标既包括了应急通信车内环境设计的显性因素如造型表现、色彩装饰、灯光照明等，同时也考虑了隐性因素如人-机-环境的交互模式。评价指标如下。

1）整体造型：应急通信车内环境的整体造型直接影响操作人员的心理感受与工作效率。与整体造型相关的因素有：形式与功能相统一，造型优美；概念创新程度高；空间体量感均匀，过渡合理；比例协调。

2）人机操作：良好的人机交互模式不仅可以获得较高的工作效率，而且可以提升空间作业的舒适性与安全性。应急通信车内饰设计的人机操作应考虑各种显示屏、座椅、键盘、把手和衣帽架的位置等。

3）色彩搭配：应急通信车内环境设计中的色彩应与功能分区相适应，色彩对比度应协调，同时应与形态的划分一致并能很好地体现出品质感。

4）内部照明：内部灯光的亮度是否合适、光线是否柔和、光影效果与空间是否搭配很大程度上影响作业的舒适性。

5）可靠性能：既包括通信部分可靠性也包括各车载性能以及各部件设计安装的可靠性。

6）其他因素：作为商品的应急通信车，其经济性、零部件的标准化程度及结构设计及材料选用是否合理，很大程度上影响着设计方案是否能够量产。

2 模糊综合评价模型的构建

2.1 使用EM确定出各指标权重值

EM源于是统计物理和热力学,后来经申农（shannon）引入到信息论中去，现已在社会经济领域，工程科技领域广泛使用，评价信息量越大，不确定性就越小。EM的具体操作步骤如下：

设n个评价指标m个方案的决策矩阵为：

其中， xij为第i 个设计方案的第j个指标数值。

计算出第j项指标下的熵值：

计算j项指标的差异化系数：

2.2 使用Fuzzy理论进行综合评价

2.2.1 评价指标的量化

使用模糊理论对产品设计方案进行综合评价，须对评价指标进行量化处理，因此首先确定出基于同一评价环境的单因素评价标准，根据评价目的建立评价集V、评语集及评价值区间，如表1所示。依据评语及评价值对评价因子进行打分，确定出量化指标。

表1 评价等级表

2.2.2 模糊评价

根据评价集V与评语集对应急通信车舱内环境设计方案的各指标进行评分，通过统计数据得出评价模糊隶属度Ri，最终确定出模糊评价矩阵R=(R1, R2,…, RP)T，然后依据结构熵权法所确定的权重值及模糊关系矩阵进行综合评价。

2.3 评价向量的处理

经过综合评价得到的评价向量为Z=(Z1,Z2,…,ZP)。为了确定综合评价的评判结果，取参照评分值为：S={S1,S2,…,SP}，并以Zj作为权数对评分值向量S加权平均，得出综合评价值：

其中，i为第i个设计方案。并根据加权平均所得到的评价值S(i)确定评价区间，得到最终的评判结果。

3 系统验证

根据以上算法，采用Visual C++编制应急通信车舱内环境评价系统软件，其结构如图2所示。

图2 应急通信车舱内环境评价系统结构图

评价系统软件按照文中Fuzzy-EM的评价过程建立了应急通信车舱内环境评价指标集和评语等级V，并且系统管理员可以修改和补充评价等级及其评价指标,建立模糊评价系统数据库，依据文中阐述的熵权法确定出权重值，管理员预先输入评价权重值存储在评价系统中,Fuzzy-EM计算模块按照文中阐述的模糊理论编制数据处理程序。

由陕西省汽车工程学会与工业设计协会多位成员、西工大工业设计系老师、某特种汽车公司工程技术人员、销售人员和使用人员共计15人组成专家评审团队，由评审专家登陆专家系统界面，依据各评价指标进行评分，全部完成后选择提交将信息存储在评价数据库中。待所有评审专家评价完成之后，系统管理员选择“执行评价”，评价系统便会按照Fuzzy-EM计算模块的程序运行得出评价目标的综合得分及所处的评价等级。应急通信车舱内环境设计评价系统软件登录界面如图3所示。

图3 应急通信车舱内环境设计评价系统登陆界面

以应急通信车舱内环境一款设计方案为例，由评审专家团队进入各自的评审系统进行评价。如图4所示，界面显示的为编号01的评审专家系统评分结果。由管理员系统对设计方案实施“执行评价”，得出最终评价评审得出该设计方案评价得分为8.24分，等级为良好。如图5所示。

图4 编号为01的评审专家评价界面

图5 评价结果界面

4 结论

1）将模糊理论与熵值法相结合应用于应急通信车舱内环境设计评价中，并从工业设计的角度出发比较全面的考虑了众多设计方案中诸多模糊因素的影响。

2）提出了使用“参照评分值”处理综合评价向量，得到的评价结果为一个数值，结果简单明了，易于观察。

3）通过Visual C++编制了评价软件，实现了大量的繁琐运算的自动化处理。

4）该方法思路清晰，具有较强的科学性，避免了模糊综合评价中的主观随意性，同时具有较强的普适性与推广性。

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