基于KE-AHP的电动概念车模糊评价

鞠清绘，黄杰，阮景奎

（湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰442002）

汽车造型设计依赖于设计师的主观判断和审美，存在模糊和不确定性因素，不能满足消费者们的品味、文化背景、生理和心理需求。为此，寻求高效的造型意向评价方法，是消除设计之初人为、模糊、不确定因素导致损失的最好方法［1］。近年来，李勇［2］等人基于现存的电动汽车外观造型特征提取，对未来纯电动汽车外观造型的设计发展趋势进行探讨。季曹婷［3］等人在汽车智能设计领域以及辅助设计高质量汽车外观造型的问题上，提出个性需求驱动的汽车造型风格智能设计方法。卢兆麟［4］等人基于产品语义分析，通过其语义内涵所反映的新能源汽车造型设计特点，为新能源汽车造型设计提供可行的技术途径。程永胜［5］等人基于用户偏好，为解决汽车造型与用户偏好之间的吸引力关系问题，提出SUV汽车造型魅力因素研究方法。席国锋［6］基于感性工学方法，获取消费者内心对汽车车身造型的感性意向，并运用到造型设计、评价的实践中，分析车身造型特征与感性意象的关系。上述学者对于汽车造型设计评价的研究基本围绕用户的感性认知，利用消费者直接传递出的评价指标，不免掺杂了主观感情因素所带来的判断模糊性，造型意向分析的不全面致使汽车造型设计不能满足大众心理。文中提出以层次分析法、感性工学和模糊综合评价相结合的理论体系，将电动汽车造型意向词汇提取后进行定性和定量分析；通过样本收集的评价指标建立数学模型，筛选出最优的设计方案，并应用于电动汽车造型设计项目。

1 评价模型建立

感性工学（kansei engineering,KE）［7-9］评价主要通过定性和定量分析，在“人的感性”和“物的特性”之间，将模糊不清、难以捕捉的感性意向转换成定量数据［10］，并转化成设计要素。层次分析法（an⁃alytic hierarchy process,AHP）将判断思维过程数字化，创建目标层、准则层、子准则层，构造判断矩阵，计算指标权重，并通过定性过程的分析实现最终决策［11］。模糊综合评价则依据隶属度理论最终将定性问题量化处理。结合上述方法对东风雷诺电动车实施评价，如图1所示。针对品牌、功能以及外观3个方面进行评价；基于感性工学利用X型图解法将造型意向词汇整理归类，并筛选剔除，从而确定出目标的意向词汇；造型特征和意向词汇之间的联系由AHP原理取得，将最佳造型设计方案设定为目标层，造型特征设定为准则层，造型意向词汇设定为子准则层，形成评价指标体系，构造评价矩阵，计算各评价指标权重；最后进行模糊综合评价，使用“优秀、中等、良好、及格、不及格”5个评价等级，通过隶属度函数建立模糊综合评价矩阵。

图1 东风雷诺电动车造型评价模型图

2 造型意向研究

2.1 设计方案

汽车造型设计中有一些潜在的造型逻辑规则［12］，如何实现整体的一致和配合至关重要，不能忽视由结构和功能引起的区别问题。设计人员需衡量不同部分的联系与差异，将各部分所存在差异整合归纳，从而获得整车的统一性［13］。汽车不仅是交通工具，更是文化、个性的象征［14］。文中采用仿生学的设计方法，提取蝉的形态特征，设计整体汽车形态，不同造型方案如图2所示。

图2 东风雷诺电动车造型方案

方案1车型整体提取蝉的形貌特征。将蝉圆润的背部形象地赋予驾驶室，前后车轮位置凸起轮罩同时与驾驶室的设计相呼应，使得整车凸显出张扬及霸道的外观气势，整车各部分衔接处的过渡依旧围绕着蝉的整体概念，交相呼应，摒弃了随意、矛盾的设计缺陷，致使方案1细节到位同时具有个性。方案2车型加入了一些富有力量感的线条，是运动、力量的外观体现，给整车的造型线中加入了更多的直线后，汽车显得棱角分明又不失圆润。直与曲的对比，方与圆的对比，更加符合形式美学。车大灯的设计也是传承了雷诺的家族式设计—C形灯的设计元素。整体看来，方案2独特的性能属性较强烈。方案3依旧仿生蝉的形体特征，驾驶室圆润流畅，前后一体的设计令外观方面兼具了空气动力学特点，目的是将汽车的能源消耗降到最少。车尾的设计也与前脸的设计相互呼应，增加了汽车整体的和谐性。一体化车身的设计，牢固而不松散，使品牌形象更具安全、可靠特点。方案4的车顶设计延续了方案3，驾驶舱与车顶融为一体，有效地降低了行驶时的空气阻力。轮罩赋予了汽车运动感和极大地张力，既透露出品牌的时尚又突出了外观的个性。鉴于电动车发热量较小决定的特点，方案4将传统汽车大大的进气格栅简化成了1个气孔，直接与雷诺的车标相互呼应，风格一致。

将4款电动汽车的造型设计方案定为评价对象，对造型意向词汇提取后，实现完整的评价流程。

2.2 造型意向词汇获取

造型意向词汇的获取离不开人们的感性认知，通过客观和感性的联系［15］对客观的事物作出具体评价，实际上是人们的主观表达作用在客体事物上的结果。对于电动汽车造型特征的感知过程，只有准确把握住汽车造型所释放出来的特征信息，才能建立用户对产品的感性需求，获取相关感性词汇。就东风雷诺电动车的造型意向词汇提取，应立足于品牌、外观、功能三者特征。其中，品牌特征是反应车企市场影响力的重要因素，外观特征的捕获则反映人们对当下潮流、环境和文化等的认知。功能特征是用户在使用时可明显感觉到的直观信息。在对雷诺电动汽车造型意向感性词汇的获取，具体步骤如下：1）通过相关渠道，如广告、书籍、网站、企业等收集到人们对于电动汽车的评价词汇100余个；2）将收集到的评价词汇，筛选整合，即根据语义差分法，进行合并、剔除、囊括最终得到有效、全面、多样的感性词汇；3）通过行业专家、设计师共同商榷，得到20组关于电动汽车造型的感性词汇，如表1所示；4）按照层次分析结构的逻辑顺序，确定作为评价细则的子准则层中的造型意向词汇，即将20组评价词汇，通过李克特4点量表，制作成调查问卷。通过20名专业的测试者进行打分，重要性依次为不可缺少、可以保留、可缺少、不需要，记为4、3、2、1，得出20组感性汇的平均分数，剔除掉分低的之后，得到可用作评价的具体感性词汇，如表2所示，作为层次分析法中的子准则层。

表1 电动车造型意向词汇汇总

表2 东风雷诺电动车造型评价指标体系S

3 造型评价数学模型建立

3.1 评价指标权重计算

确定东风雷诺电动汽车造型评价指标体系后，对各层次中各因素或指标的权重进行分析，采用Saaty等［16］人提出的一致矩证法（判断矩阵），即不把所有因素放在一起比，而是两两相互比较，得出层级中各指标权重值。如目标层与准则层中的指标产生关联可构造出判断矩阵，各指标之间按重要性程度评定等级。同一标准下，每2个元素的对比结果构建成用于权重计算和一致性检验的判断矩阵，判断矩阵元素aij的标定依据如表3所示。

表3 判断矩阵标度

评价指标权重的获取采用几何平均法，将所求的几何平均值归一化后得各指标权重。

1）判断矩阵中每行指标的连乘积为

2）几何平均值为

3）结果归一化，求得权重向量为

式中：aij为判断矩阵中第i行第j列元素；m为评价指标数量。

通过行业相关人员，包括造型设计师、消费者、销售人员等，共40人，对各层级的评价指标两两比较进行打分，最终求得各判断矩阵的权重，如表4～7所示：Z权重大于另外2项，X3、Y4和Z3所占权重均为最大。这表明外观依旧是决定消费者购买汽车的重要因素，“靠谱-危险、细节-粗心、美观-丑陋”的设计准则是对用户购买心理的合理把握。

表4 准则层判断矩阵及权重

表5 品牌层判断矩阵及权重

表6 功能层判断矩阵及权重

表7 外观层判断矩阵及权重

3.2 判断矩阵一致性检验

判断矩阵的一致性检验是为了防止评价人员在判断过程中逻辑失误。一致性检验步骤如下：

1）一致性指标为

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。当CI趋近于0时，判断矩阵一致；当CI越大，判断矩阵的不一致性程度越严重。

2）随机一致性指标RI，当判断矩阵的阶数是3、4、5时对应的RI值分别为0.58 、0.90 、1.12 。

3）一致性比率为

当CR不大于0.1 时，说明判断矩阵的一致性程度很高，CI在允许范围内，即评价结果符合一致性检验。

通过MATLAB对目标层和准则层、准则层和子准则层进行一致性检验，求得各判断矩阵的权向量和最大特征值λmax（表8）。各层级判断矩阵的CR均不大于0.1，说明评价是有效的。通过目标层的权重向量对子准则层各评价指标权重进行归一化处理，得各评价指标的综合权重见表9。

表8 一致性检验结果

表9 评价指标综合权重

3.3 模糊评价

通过模糊综合评价对层次分析法的层级结构进行量化处理，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，最终得到4种造型设计方案的分数。具体计算步骤如下：

1）对单个指标模糊评价，确立模糊关系矩阵：

式中：ri为第i个评价指标模糊得分。归一化处理的目的是消除量纲的影响。

2）评级取5个等级，即优秀、中等、良好、及格和不及格，对每个等级进行赋值，得到赋值向量：

对造型设计方案综合打分。

3）确定各评价指标的权重向量，通过上述层次分析法计算得出。邀请行业相关人员10人对品牌、外观、功能所属的评价指标进行评级。假定X1获得2次“优秀”，评级记作0.2。经过汇总得出各方案的模糊综合评价矩阵。仅以方案1为例。

式中：R11为方案1下准则层X的模糊矩阵；R21为方案1下准则层Y的模糊矩阵；R31为方案1下准则层Z的模糊矩阵。各评价指标进行3级模糊综合评价时，将子准则层权重矢量和模糊评价矩阵合成得出准则层各指标的分值权重。

即

继而进行2级模糊综合评价，得出各方案的综合得分权重为

最终进行1级模糊综合评价，计算出各自得分，并进行排名，筛选出最佳造型设计。

式中：wX为品牌层指标权重；wY为功能层指标权重；wZ为外观层指标权重；wS为准则层权重；q为准则层分值权重；q1，q2，q3分别为品牌、功能、外观层分值权重；ω为设计方案综合得分权重；P为设计方案总得分。各层级的评价指标权重向量通过表4～7得出，依次为由式（6）～（19）得出设计方案1的最终得分P1为3.573。按照同样的计算流程，依次对方案2～4进行评价求出综合得分，P2～P4分别为3.699 、3.462 、3.685。由结果可得，P4最大，确定方案4是东风雷诺电动概念车的最佳造型设计方案。

模糊综合评价将评价指标在不同方案上的体现程度，以分数形式，量化得出，联系感性工学和层次分析，对于最优结果的确定有着重要意义。

4 结论

造型设计对汽车来说十分重要，不同的造型设计可以体现不同汽车的风格特征，在对东风雷诺电动汽车进行概念设计时，加入了东风文化和中国特色。通过仿生学，依据蝉的外观特征，提取出4种汽车造型设计方案，并使用感性工学和层次分析法最终进行模糊综合评价。先对各评价指标进行权重计算，再利用模糊评价矩阵对具体方案实施权重得分，从而确定了最佳造型意向方案。结合感性工学的定性分析、层次分析法的定量分析和模糊综合评价，能较好地解决模糊、难以量化的问题，为此类决策问题提供参考。