矿用挖掘机操作界面的GEM-AHP法决策评价

王雅坤，任家骏，李爱峰，边轩毅

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

1 引言

矿用挖掘机的操作员是比较容易被忽略的工作者［1］。操作员需要在恶劣的露天矿环境中完成长达8h的作业任务，作业需要与矿用挖掘机进行密切的信息交互，主要通道和载体就是挖掘机驾驶室的操作界面，因此矿用挖掘机的操作界面的设计选择和评价至关重要［2］。在此背景下，如何通过科学合理的有效决策评价方法来测试和选用矿用挖掘机操作界面的设计方案，对于提高操作员的作业安全、减少误操作和提高矿用挖掘机的整机性能意义重大。

国外对于复杂的操作界面的科学合理决策评估研究较早，研究成果较为成熟，决策评估时还引入其他学科知识，如有些研究者对矿用挖掘机操作界面的评估分别采用了模糊数据包络分析法、模拟退火法和遗传算法［3］等；对飞机驾驶舱的人机界面决策评价分别采用了MCDM多准则决策算法和卡片分类法［4］；有的研究者采用驾驶员认知模拟器设计了人机系统仿真系统［5］，对操作界面有效决策评估，并选出最优方案。

国内对于复杂的操作界面的决策评价研究虽然研究较晚，但是近年来越来越重视，在飞机驾驶舱的方案评价研究较多，对矿用挖掘机操作界面的方案决策研究较很少［6］。文献［7］通过FUZZY AHP综合评价法分别对飞机维护人机系统界面和石油钻机控制房人机界面进行科学评价。为了解决AHP综合评价法的片面性及不一致问题，文献［8］对飞机驾驶舱人机界面的方案决策评价加入了GEM 法，采用了AHP-GEM 模糊评价方法。但是传统GEM法和AHP法专家评价的主观性问题仍未得到解决，且算法过程较复杂。结合JACK 人机工程学软件对评价方案的虚拟仿真结果，并以GEM法为主要方法，改进传统算法，建立了GEMAHP法决策理论模型，以实现对矿用挖掘机驾驶室的操作界面方案决策评价的客观性、简捷性和有效性。

2 GEM-AHP法决策理论模型

GEM 法［9］（Group Eigenvalue Method 群组决策特征根法）的实质是求解最优专家的GEM模型，处理问题简单科学，但是存在考虑问题结构不清晰、笼统的缺点。GEM-AHP 法［10］是GEM 法和AHP法（Analytic Hierarchy Process层次分析法）相结合的优化算法，可以将复杂的操作界面问题层次化，定性与定量结合决策分析，增加了AHP 法评价分析的系统性。在构建GEM-AHP 法决策理论模型时，改进了算法步骤和计算的目标，使得出的结果不是指标的比较，而是一步到位的方案比较，简化了计算过程。为了有效解决专家评分的主观性，在决策理论模型传统算法步骤中加入了JACK人机工程学分析软件的虚拟仿真结果，进行决策评价。GEM-AHP法决策理论模型，如图1所示。

图1 GEM-AHP法决策理论模型Fig.1 GEM-AHP Decision Theory Model

求解步骤为：

（1）设计待评价方案

在原有矿用挖掘机操作界面基础上，结合人机界面设计原则和人机工程学的相关知识，重新设计待评价方案。

（2）构建决策指标

依据矿用挖掘机驾驶室操作界面特点和标准、人机工程学理论和人机界面设计准则，并根据AHP法分层原理，构建矿用挖掘机驾驶室操作界面决策指标，如表1所示。

（3）人机工程学软件评价

借助JACK 人机工程学分析软件对待评价方案进行必要的虚拟仿真。

（4）构建方案决策评分矩阵。

依据操作界面决策指标表，如表1所示。邀请n个专家，根据李克特量表法和JACK虚拟仿真结果，分别对各方案的m个待评价指标层的指标评分，分别计算各方案中的各指标的所有专家的算数平均值，构建方案决策评分矩阵P：

表1 操作界面决策指标表Tab.1 Decision Index Table for the Operation Interface

式中：pij的i—该目标方案下所有专家对m个待评价指标的算数平均值，共有x个；j—目标层操作界面方案个数，共有y个。

（5）寻找相对最优方案。

假设存在最优方案，令某一方案与其余方案的评分向量比较，其夹角之和最小的方案即最优方案。

计算E，E为方案决策评分矩阵P转置后和它本身的乘积，如式（2）所示，E的最大特征根所对应的特征向量为所求的相对最优方案，如式（3）所示：

式中：ρmax—E的最大特征根；

F—ρmax对应的正特征向量；

Py—所有专家对m个待评价指标评分的算数平均根的向量集合。

（6）获得最优方案

对F归一化处理后得到α，排序，数值较大的方案即为求解的待评价方案中的最优方案。

3 挖掘机操作界面方案决策评价

矿用挖掘机驾驶室操作系统主要由座椅和座椅旁边的操作界面组成，操作界面又由三个面板和上面的52个元件组成。三个面板分别是座椅左面板、右面板和左侧控制台面板，元件有操作杆、指示灯、按压开关、旋转按压开关、蝴蝶式开关、电源开关、仪表和触摸显示屏。矿用挖掘机驾驶室操作界面，面板和元件种类较多且繁杂，是一种较为复杂的人机界面。针对太原重工集团的某型号矿用挖掘机驾驶室操作界面的设计，在原操作界面设计的基础上，结合人机界面设计原则和车辆人机工程学，重新设计了A1、A2、A3，共3个待评价操作界面方案，待评价方案，如图2所示。

图2 待评价方案Fig.2 Plan to be Evaluated

对待评价的方案进行Jack 人机工程学软件虚拟仿真，选用Reach Zones、Comfort Assessment 和Visual Field 工具对3 个待评价方案虚拟仿真分析，分析结果，如图3所示。舒适度评价数据，如表2、表3所示。待评价方案所测值在舒适度区间内表示操作员这一关节较舒适，若所测值不在舒适度区间内表示操作员这一关节不太舒适。

表2 舒适度（1）评价数据Tab.2 Comfort（1）Evaluation Data

表3 舒适度（2）评价数据Tab.3 Comfort（2）Evaluation data

图3 待评价方案的JACK仿真结果Fig.3 JACK Simulation Results of the Plan to be Evaluated

对待评价方案进行GEM-AHP法决策理论求解：

邀请10个专家评分，其中有4个矿用挖掘机操作员，3个工程机械高工，3 个人机工程学研究者，依据3 个待评价方案的JACK虚拟仿真结果和李克特量表法，对表1指标层指标分别评分，评分等级为1-5，共5个等级。分别计算3个方案中9个指标的10个专家的算数平均值，如表4所示。

表4 操作界面决策指标量值表Tab.4 Operation Interface Decision Index Value Table

根据表2，构建方案决策评分矩阵P，由式（2）计算可得：

由式（3）计算可得：

对F归一化处理后得到：

最终获得矿用挖掘机操作界面设计方案优劣排序为：待评价方案A1<待评价方案A2<待评价方案A3，即待评价方案A3为3个待评价方案中的最优方案。

4 决策评价检验

为验证上述GEM-AHP法决策模型对矿用挖掘机操作界面方案的排序结果的正确性，设定了6项敏感性分析试验。

依次设定某个指标的权重为0.13、0.12、0.11、0.104、0.10、0.096、0.045和0.04，且保证权重和为1，分别乘以表4中对应的决策指标量值，求和并排序，如表5所示。得出待评价方案的决策排序情况均为A1

表5 决策评价检验结果Tab.5 Decision Evaluation Test Results

5 结论

（1）GEM-AHP法决策模型结合了GEM法和AHP法的优点，解决了传统AHP法评价判断矩阵的不一致性问题和GEM法结构不明确、不清晰的问题，并参考JACK人机工程学评价结果，规避了GEM法的专家评价决策的主观性问题，根据实际情况，改进了算法步骤，简化了计算过程，并选用某型号矿用挖掘机操作界面进行设计、应用和分析，验证了该方法对于矿用挖掘机操作界面的决策评价具有一定的指导意义。

（2）首次采用GEM-AHP法决策理论模型对某型号矿用挖掘机操作界面进行决策评价和分析，验证了该方法可以对矿用挖掘机操作界面有效评估，提高了操作员作业的安全性，降低了操作员误操作的频率，提高了矿用挖掘机的整机性能，并通过设定6项敏感性分析试验检验得出该模型可信度较高，并有效节约了企业对方案决策和评估的时间和成本，为企业对复杂操作界面的设计方案科学合理评估和选用提供了一种新的思路。