基于Fuzzy AHP的煤矿机械工业设计评价

陈敏娜，晋民杰，王快，谢涛

(太原科技大学，太原 030024）

基于Fuzzy AHP的煤矿机械工业设计评价

陈敏娜，晋民杰，王快，谢涛

(太原科技大学，太原 030024）

针对煤矿机械工业设计方案中的主观性及随意性，将Fuzzy AHP综合评价方法引入到煤矿机械工业设计中。在分解其评价指标和确定评价指标权重的基础上，建立了煤矿机械工业设计综合评价模型。通过对某型号井下特种车辆设计方案进行评价计算，验证了该评价体系在煤矿机械工业设计中的可行性和有效性。

Fuzzy AHP;煤矿机械;工业设计;评价

煤矿机械指专门用于煤矿开采的机械，分为露天煤矿机械和井下煤矿机械，具体有矿用卡车、矿用挖掘机、刮板输送机、采煤机、掘进机、锚杆机、特种车等设备。随着煤炭行业的发展、采煤工艺的进步，设备制造技术的提高，煤矿机械对外观造型、色彩涂装、人机安全等工业设计范畴的内容有了更高的要求［1-2］。工业设计是考虑材料、制造、人文、环境、企业形象等诸多因素的综合学科，从而设计方案受到多种因素影响，且这些因素具有模糊性，因此如何科学，客观地对煤矿机械工业设计方案进行评价，是需要进行深入研究的问题。

目前，产品设计评价方法研究方面，吴通等提出了群决策方法在产品设计评价中的应用［3］，李转等提出了基于AHP-灰色聚类的飞机客舱内环境工业设计评价［4］。Fuzzy AHP理论应用方面，王伟伟等提出了基于Fuzzy AHP的飞机客舱内环境设计评价［5-6］，邓丽等提出了基于Fuzzy AHP的司钻控制房人机界面评价［7］，现阶段煤矿机械设计主要采用经验性评价方法，而未引进科学的综合评价方法。

1 Fuzzy AHP综合评价法原理

美国L.A.Zadeh教授提出隶属函数(Membership Function)，并创立了“模糊集合”(Fuzzy Set)的概念，给出了模糊性现象的定量分析运算方法。煤矿机械的工业设计评价指标存在着大量不确定因素，采用模糊综合评价法可以将该信息数量化［8］。给煤矿机械工业设计做出一个综合的评价。

美国Thomas L.Saaty教授提出了AHP(analytic hierarchy process)理论［9］。AHP的特点是:对复杂决策问题的影响因素进行深入分析，为多目标复杂决策问题提供数学化的决策方法。

产品工业设计评估的关键是选择合理的评价指标体系，评估指标主要分为定性指标和定量指标。对于大多数工业设计评估对象来说，属性特征大多采用定性描述。因此产品工业设计评价过程中，在运用层次分析法的基础上，引入模糊理论，最终形成产品工业设计的Fuzzy AHP综合评价法。

在煤矿机械工业设计的评价中，Fuzzy AHP综合评价法应用的总体思路是:选定煤矿机械评价指标，建立工业设计评价体系;按照标度法，对每一层次的工业设计评价指标进行两两比较，建立评价的判断矩阵;计算该矩阵的最大特征值及其相应的特征向量(权重向量);利用模糊理论计算工业设计评价指标的隶属度矩阵，并最终得到评价结果。

2 煤矿机械工业设计指标的选择

在煤矿机械工业设计评价中，评价指标对工业设计评价的科学性与准确性起着关键作用。产品设计的评价有多个评价指标，主要包括:形态设计、功能设计、色彩设计、材质设计、装饰设计、体验设计、人机设计等。而煤矿机械的评价指标，则通过工业设计参与煤矿机械设计及工业设计对煤矿机械设计的相对重要性两方面来确定。在煤矿机械设计的生命周期中，工业设计参与外观形态设计、涂装设计、驾驶室设计及操作维护的指示标牌设计。这四项内容是工业设计参与煤矿机械设计最深入，和提升煤矿机械附加值最有效的途径。因此，工业设计评价指标可按此分解，具体分解评价指标如图1所示:

图1 煤矿机械工业设计评价指标体系Fig.1 Evaluation index of industrial design on coal mine machinery

2.1 煤矿机械形态设计

形态设计是产品功能性、创新性、美观性的载体，是工业设计的核心。煤矿机械的形态设计在煤矿机械的工业设计中至关重要。从起初的概念设计，至最终的效果展示设计，工业设计人员自始至终都在参于形态设计的迭代改良。产品的形态设计，实际上是设计师综合分析推理各种约束，以求最优解的过程。不同的产品，所受设计约束类型及约束权重不同。煤矿机械的形态设计约束主要有:功能约束、制造工艺约束、风格统一约束三方面。不同的设计师，对约束间的权重理解不同，对约束的分析解决能力不同，导致煤矿机械最终方案的差异性。通过分析比对，煤矿机械形态设计评价指标分解成五个关键指标:创新性指标、功能性指标、美观性指标、风格统一性指标、制造性指标。

形态创新性指标，指煤矿机械设计方案的形态设计与现有国内外产品相比较，形态结构的差异化程度。具体包括，产品的总体造型方案差异度，及产品部件、组件差异度。差异部件体量越大、数量越多、差异程度越大，则表示创新性高，反之，则表示创新性一般。如一台掘进机设计的形态中，体量大的机身、炮头、输送链等与国内外现有掘进机与众不同，且差异性大，则说明该设计创新性高。

形态功能性指标，指产品的形态满足产品功能性需求的程度。产品的最基本属性是使用价值，即为功能性。每个煤矿机械都有自己的功能性，且煤矿机械中的每个部件都具有自己的功能。但不同整机中、部件中、组件中的功能权重则不同，有的统一性指外观部件形态设计在美观的同时，能够满足煤矿机械件的功能需求程度，包括防护功能、易维护功能等。满足的功能越全面，越方便，则表示功能性指标越高。

风格统一性指标，指同一企业的产品之间及同一产品的各代之间，设计风格的统一程度。为了提高企业中产品的识别性，在产品设计过程中，对产品中的外观部件的形态进行风格统一。煤矿机械形态设计中，所有外观部件都可以称之为风格特征部件，但对人视觉冲击力大的部件，称之为主要特征部件。比如在井下特种车中，进气栅栏、驾驶室顶、车身防撞条是形态设计中的视觉重心组件，因此这些部件即为风格特征部件。在煤矿机械的形态设计评价中，特征部件的风格统一性是主要评价指标。被评价产品的特征部件与产品识别性风格相似度越高，则表示产品风格统一性越高。

制造性指标，指产品的形态设计部件的加工难易程度。产品的设计方案最终是通过加工制造成实物来实现其价值。形态设计的各部件加工难易程度不同，有的部件为标准件，可以直接购买;有的部件通过切割、折弯、焊接可以实现;有的部件通过模具制造实现;有的部件只能通过3D打印实现。在煤矿机械的形态设计的评价中，制造性是最重要的评价指标之一。制造的难度越高，则表示制造性越差。

2.2 煤矿机械涂装设计

产品的外观造型设计包括形态设计与色彩设计。色彩设计主要体现在涂装设计方面。首先，涂装是体现煤矿机械美观性最直接和有效的方式，是工业设计最重要的设计内容之一。其内容主要包括色彩类型和色彩形式。其次，同一企业的煤矿机械也需要风格统一，涂装设计则是重要的实现途径之一。统一的产品主色及辅色，统一的色彩形式保证了产品的统一风格。最后，涂装设计也是提高煤矿机械企业产品识别性的重要途径。因此煤矿机械涂装设计评价指标分解为美观性、风格统一性、识别性。

2.3 煤矿机械驾驶室设计

人机工程设计是工业设计除外观造型设计之外最重要的设计内容。在煤矿机械设计里，人机工程设计主要体现在驾驶室的设计中，驾驶室是煤矿机械与人接触、交流最频繁的组件。驾驶室人机设计方法，在人机工程学图书及论文有大量阐述，此处不再一一赘述。在煤矿机械驾驶室设计中，主要通过分析驾驶员的可达域及舒适域，来判断操作者的舒适性。而通过对驾驶员不同位置、不同角度视域的分析，确定驾驶员的视野状态，最终为结构工程提供改良设计依据。最后，驾驶室的内饰是驾驶员视域中的重要部件，为满足驾驶员的审美需求，必须提高内饰的美观性。因此煤矿机械驾驶室的设计评价指标可分解为操作舒适性指标、驾驶室视域指标、内饰美观性指标三个方面。

2.4 煤矿机械标牌设计

标牌是煤矿机械操作、维护、提示、说明、警告的指示系统，同样也是工业设计的重要内容。首先，标牌铆接在设计外围及驾驶室内部，是驾驶员与维护人员最易看到的，因此就需要满足人们的审美需求。从形式设计到布置设计，都需要工业设计人员对其斟酌研究。其次，标牌的功能是提示、说明及警告。不合理的警告不仅可能引起设备故障，还有可能威胁到操作人员的人身安全。因此，标牌指示内容必清晰明了，最好使用形象的图形或者符号来表示。标牌的易识别性在设计过程至关重要。最后，为了满足布置、加工制造的便捷性，标牌的尺寸、版式、色彩标准化设计也有重要意义。因此标牌的设计评价指标同样分解为美观性指标、易识别性指标、统一性指标三个方面。

3 井下特种车Fuzzy AHP评价应用

3.1 AHP确定指标权重系数

在应用AHP法构建的评价体系中(如图1所示)，准则层有4个评价指标，指标层有14个评价因素。根据标度理论，构造两两对比判断矩阵(正互反阵)。

其中aij为因素i相对因素j的重要性，aii=ajj= 1，aij=1/aji.

取矩阵A的最大特征值为λmax，设特征向量(权向量)为:ω=(ω1，ω2，…，ωn)T，则有:Aω= λmaxω.应用MATLAB计算出最大特征λmax与特征向量ω.

3.2 判断矩阵的一致性检验

计算一致性指标CR，并进行一致性检验:

计算一致性指标:

其中，通过表1查找随机一致性指标RI.当一致性比率CR＜0.1时，认为通过一致性检验，最后对特征向量进行归一化处理得到权重ω'.

表1 平均随机一致性指标RITab.1 The random consistency index RI

3.3 Fuzzy AHP综合评价

(1)对于Fuzzy综合评价方法来说，必须建立标准的评语集，设井下特种车辆设计因素构成集合为:U={u1，u2，…，un}，定评语集为:V={v1，v2，…，vn}，如表2所示。

(2)通过专家打分，根据隶属度函数可计算出评价因素的隶属度矩阵，记为:R=(ri1，ri2，ri3，ri4，ri5);

表2 评语分值表Tab.2 Evaluation score table

Ri=(ri1，ri2，…，rik)T，其中k为ui含有的下一层指标的个数。

(3)结合权重向量ω和隶属度矩阵R，即可得出对井下特种车辆最终评价结果B={b1，b2，…，bm}.

4 实例应用

将Fuzzy AHP评价方法应用于某企业井下特种车辆的工业设计方案中，通过对该设计方案进行权重计算和工业设计综合评价，来验证此设计评价方法的实际意义。具体如下:

图2和图3分别为该井下特种车辆外观造型工业设计方案与人机布局设计方案。

图2 某型号井下特种车辆驾驶室人机设计Fig.2 The ergonomics analysis of vehicle cabin

图3 某型号井下特种车辆外观造型设计Fig.3 The vehicle appearance design rending

4.1 井下特种车工业设计方案权重计算

为了对其进行综合评价，首先邀请专家对指标的相对重要性进行两两评比，得到煤矿机械工业设计一级指标评判矩阵如表3所示。

表3 煤矿机械一级指标评判矩阵Tab.3 Level evaluation index

计算评判矩阵A最大特征值λmax为4.087 5，特征向量ω=(1，0.304 1，0.482 0，0.182 3)T.

代入式(1)得平均随机一致性指标:

查表1得一致性指标RI=0.90代入式(2)得:

表示评判矩阵A通过一致性判断。特征向量归一化得:

井下特种车工业设计方案二级权重确定方法与一级权重相同，在此不再一一赘述，得到二级各因素权重如表4所示:

表4 井下特种车辆工业设计评价二级权重Tab.4 Second level evaluation index

4.2 井下特种车工业设计方案综合评价

(1)通过统计专家对各指标打分得到打分比例

(2)计算单因素评价

形态设计因素:

决策层评价向量C:

通过计算，该方案综合评价分数为8.022 3分，对应的评语为很好，则表示此设计方案总体非常合理。

5 结论

随着煤矿机械对工业设计的重示，煤矿机械工业设计评价更加重要。本文将模糊理论与层次分析法结合，构建了煤矿机械设计评价系统。将评价的定性问题定量处理，避免了评价中的主观随意性。通过对井下特种车辆工业设计的实例应用，验证了该评价方法的合理性及有效性。

［1］张馨元，吴凤林.掘进机的造型设计研究［J］.机械设计，2014，31(5):107-110.

［2］郭聪，柳翠，腾彬，等.工业设计在煤矿机械中的应用［J］.煤矿机械，2012，33(1):26-27.

［3］吴通，周宪，陆长德，等.群决策方法在产品设计评价中的应用［J］.航空计算技术，2008，38(4):90-93.

［4］李转，苟秉宸，杨延璞.基于AHP-灰色聚类的飞机客舱内环境工业设计评价［J］.航空计算技术，2013，43(5):52-60.

［5］王伟伟，余隋怀，初建杰.基于Fuzzy-AHP的飞机客舱内环境设计评价［J］.航空制造技术，2010(10):80-84.

［6］杨刚俊，卢春莉.城市环境通用引导标识系统设计方案综合评价［J］.太原科技大学学报，2008，29(4):319-321.

［7］邓丽，余隋怀.基于Fuzzy AHP的司钻控制房人机界面评价［J］.计算机工程与应用，2014，50(4):231-235.

［8］杨纶标，高英仪，凌卫新.模糊数学原理及应用［M］.广州:华南工学院出版社，2011.

［9］SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process［M］.New York:McGraw Hill，1980.

Evaluation of Coal Mine Machinery Industrial Design Based on Fuzzy AHP

CHEN Min-na，JIN Min-jie，WANG Kuai
(Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The fuzzy AHP evaluation method is introduced in coal mine machinery industrial design so as to overcome the subjectivity and randomness.The evaluation model of coal mine machinery industrial design is built by decomposing evaluation index and determining evaluation weight.Finally，the feasibility and effectiveness of this evaluation method is verified by an example of design scheme evaluation on underground special vehicle.

Fuzzy-AHP，coal mine machinery，industrial design，design evaluation

TH122

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.013

1673-2057(2015)03-0223-05

2014-12-11

陈敏娜(1986-)，女，硕士研究生，主要研究方向为物流设施与设备的现代设计理论与方法。