基于RAHP和QFD的智能空气净化器设计研究

郑祎峰，王世伟

基于RAHP和QFD的智能空气净化器设计研究

郑祎峰1，王世伟2

（1.金陵科技学院 艺术学院，南京 211169；2.山东工艺美术学院 工业设计学院，济南 250014）

有效获取用户对家用智能空气净化器的需求及其优先级，进一步将用户需求转化为设计要求，识别出智能空气净化器的关键设计要求，进而为设计提供参考依据，提升用户满意度。首先通过问卷调查以及访谈法获取用户需求，并利用亲和图法（KJ法）构建关于智能空气净化器用户需求的层次模型，再引入粗糙层次分析法（RAHP）获取各项用户需求初始重要度，同时运用模糊卡诺模型（FKM）确定各项需求类别，并基于需求类别引入调整系数对初始重要度进行调整，最后利用质量功能展开（QFD）将用户需求转化为设计要素，明确智能空气净化器的关键设计要求，指导智能空气净化器的设计。通过对智能空气净化器的用户需求进行较为深入的分析，将用户需求转化为设计要求，识别出了智能空气净化器在滤网模块、智能检测模块、信息显示模块、远程APP控制模块以及风速控制模块等方面的设计要求重要度较高，并以此为依据提出了设计方案，得到了用户较高的满意度，所得研究方法及流程可为设计出符合用户需求的产品提供参考。

空气净化器；用户需求；粗糙层次分析法；模糊卡诺模型；质量功能展开

世界医学界的权威期刊《柳叶刀》在其刊登的专栏中提到空气污染作为危害人体健康的重要因素之一，其危害性被人们大大低估了，并称全球每年因空气污染而致死的人数大约有670万人，其中因为室内空气污染而致死的人数达到350万人之多[1]。在中国，据统计每年大约有11.1万人死于室内空气污染，相当于我国平均每天有304人因空气污染而致死[2]。此外，室内空气质量不好还容易引起各种各样的不适症状[3-5]，而人们平均每天呆在室内环境的时间超过80%[6]，可见一个好的空气环境对人们的生活乃至生存环境至关重要。智能空气净化器作为一款洁净空气的家居产品，受到了越来越多人的欢迎，具有较大的市场需求[7]。随着市场竞争进一步加剧，智能空气净化器的市场慢慢由以往的企业主导型转变成用户主导型，因此如何设计出满足用户切实需求的智能空气净化器显得尤为重要。

一个好的产品在设计过程中都是以用户切实需求为基础的，挖掘用户切实需求是产品设计研发前期的第一要务，只有真正挖掘用户切实需求才能设计出让用户满意的产品[8]。质量功能配置作为一种面向用户的产品设计指导性方法，将用户切实需求贯穿于整个产品生命周期，将用户需求和产品特性相结合，通过整合分析得到用户需求优先级和产品特性的重要度排序，进而将用户的切实需求转化为产品关键特性，识别出产品的设计重点，因而被广泛应用于产品设计中[9-11]。但目前研究在确定用户需求重要度过程中往往带有一定的不确定性和模糊性，且在确定用户需求重要度时忽略了用户需求类别对提升用户满意度的参考价值，基于此，本文通过集成RAHP/FKM/ QFD模型，对智能空气净化器的用户需求进行深入分析，为智能空气净化器的设计提供客观、准确的指导价值，进而提升用户满意度。

1 智能空气净化器设计流程

人们会在自身需求的支配下产生一系列行为，因而用户需求被认为是产品设计的起源，而通常情况下用户需求并不是统一的，可以被分为不同的层次，并且用户对众多需求的侧重点也不尽相同，因此为了使产品设计更好地满足人们的需求，提高用户满意度，需要从用户的切实需求出发[12]。当前市场上的智能空气净化器仍然存在一些不够理想的地方，忽视了用户作为智能空气净化器的直接使用者的切实需求，造成用户满意度较低，使用体验感较差。基于此，本文构建了如图1所示的研究流程，以期通过对用户需求进行深入分析，识别出关键性的设计要求，进而设计出符合用户切实需求的智能空气净化器。首先通过问卷调查、用户访谈法获取目标用户需求，并通过KJ法对用户需求进行层次划分，构建智能空气净化器用户需求层次模型，然后将粗糙集理论与AHP相结合，引入RAHP确定用户需求初始重要度，其次基于模糊卡诺模型依据用户需求的分类结果，引入调整系数对用户需求初始重要度进行修正，获得融合用户满意度的需求重要度，再借助QFD将用户需求进一步转化为设计要求，获取关键性设计要求，为智能空气净化器的设计提供参考依据。

图1 智能空气净化器设计研究流程

2 研究过程

2.1 获取用户需求集

首先通过问卷调查、用户访谈等方式获取有关智能空气净化器的用户需求，经过初步统计与整合构成用户需求集，再利用亲和图法对用户需求集进行分类、筛选、归纳和补充，进而形成如表1所示的智能空气净化器用户需求层次模型，包括空气净化、智能控制、信息可视化以及人机造型四个维度及其包含的16个具体用户需求。

2.2 确定用户需求初始重要度

在确定用户需求初始重要度阶段，为避免用户评价的主观性和不确定性等问题，使结果更加准确，因而引入PAHP来确定用户需求初始重要度。RAHP主要是指将粗糙集理论中提出的粗糙数和粗糙边界区间二者的优点相结合，以此运用于层次分析法中，RAHP在确定用户需求重要度时，无需提供所处理数据之外的其他先验信息，且能很好地应对决策多需求的问题，可有效解决用户语言的不确定性等问题[13]。本研究通过邀请目标用户以两两比较的形式对用户需求重要度进行评价，进一步构建RAHP判断矩阵，并对其进行必要的一致性检验，检验公式如下：

表1 智能空气净化器用户需求层次模型

Tab.1 Hierarchical model of user needs for smart air purifiers

以一级用户需求为例，即空气净化（A1）、智能控制（A2）、信息可视化（A3）、人机造型（A4），共获取了5名用户重要度判断矩阵(=1, 2, 3, 4, 5)，具体如下：

通过式（1）—（2）计算得出各判断矩阵的值均小于0.1，说明文中所构建的判断矩阵通过一致性检验，可进行下一步分析。紧接着在此基础上构建粗糙集决策矩阵，求出粗糙成对比较矩阵，将上述5个判断矩阵表示为粗糙集决策矩阵的形式，表示为*：

以*中12为例，计算其中划分3的粗糙数，对12=（3，3，3，2，5）而言，有：

粗糙边界区间为：

因此划分3的粗糙数为：

同理可求出划分2的粗糙数为：

划分5的粗糙数为：

同理进一步可获取13、14、21、23、24、31、32、34、41、42、43,根据粗糙数和平均粗糙区间可构建用户需求A1—A4粗糙成对比较矩阵。

获取一级用户需求A1—A4的重要度。将上述粗糙成对比较矩阵拆解为粗糙下边界矩阵-和粗糙上边界矩阵+：

进一步求出粗糙下边界矩阵–和粗糙上边界矩阵+对应的特征值和特征向量。

粗糙下边界矩阵–的特征值和特征向量分别为：

《寄黄几复》颔联“桃李春风一杯酒，江湖夜雨十年灯”是黄诗佳句，《王直方诗话》载：“张文潜尝谓余曰，黄九云：‘桃李春风一杯酒，江湖夜雨十年灯’，真奇语。”[13](P62)许多朝鲜诗人化用过，如徐居正《夜吟》：“宦梦凄凉三夜雨，交游零落十年灯。”金麟厚《奉和柳眉岩钟山谪所》：“桃李春风际，江湖夜雨边。”成汝学《烟村远灯》：“夜久前村灿星点，一江烟雨十年灯。”李寅烨《又迭前韵》：“湖山夜雨诗千首，桃李春风酒一尊。”

粗糙下边界矩阵–的特征值和特征向量分别为：

分别对特征向量–和+进行规范化处理，得到：

获取一级用户需求A1—A4的重要度：

得到一级A1—A4的用户需求重要度为：

同理可得到二级B的用户需求重要度，进而得到智能空气净化器各项用户需求的初始重要度，如表2所示。

2.3 划分用户需求类别

在用户需求分析阶段，不仅仅只是考虑用户需求的相对权重，还需综合考虑各项用户需求的属性，明确各项用户需求对用户满意度的影响关系，才能为智能空气净化器的设计提供更加全面有效的指导，因此本文引入卡诺模型对用户需求进行进一步的属性划分。Kano模型由狩野纪昭于1984年提出，该模型最大的优点在于以用户满意度为前提，将产品或者服务属性以用户满意程度进行类别划分，主要将用户需求划分为五个类别属性[14]，如图2所示。在具体研究中，为避免传统Kano模型在进行问卷调查时，不能准确反映出用户的实际体验与需求，文中引入模糊数学理论对问卷进行改进，利用模糊区间值[0,1]代替确定性值0和1，Kano模型需求分类评估表，见表3。

表2 智能空气净化器各项用户需求的初始重要度

Tab.2 Initial importance of various user needs of smart air purifiers

图2 Kano模型用户需求类别属性

表3 Kano模型需求分类评估表

Tab.3 Kano model requirements classification evaluation table

文中以模糊卡诺模型问卷的形式[15]将前文关于智能空气净化器的16项用户需求制作成调查问卷，发放给用户填写。此次调查共发放100份，最终收回有效问卷81份，对收回的优先问卷进行整理，并根据模糊卡诺模型的分类步骤[16-17]，对用户需求进行属性划分，最终结果如表4所示。

表4 用户需求类别属性划分结果

Tab.4 Classification results of user demand category attributes

2.4 调整用户需求重要度

式中：G为调整之后的最终重要度；G为用户需求的初始重要度。

综合用户需求初始重要度及用户需求属性划分结果，根据式（3）对初始用户需求重要度进行调整，计算得出智能空气净化器用户需求最终重要度如表5所示。

2.5 确定质量特征

QFD是由日本著名学者Akao等人在1972年提出的一项品质管理系统，QFD作为一个为开发设计人员提供的面向用户的实用手段，可以将用模糊语言描述的基本要求转化为可行的替代方案，用于改善各种系统的需求，并转换为优先改进活动[19-21]。运用QFD可从用户角度出发，将用户有关智能空气净化器的主观需求准确地转化为具体的设计要求，使所设计的产品能真正地满足用户的切实需求，进而提高用户对智能空气净化器的满意度。

表5 智能空气净化器用户需求最终重要度

Tab.5 Ultimate importance of user needs of smart air purifiers

为了降低技术知识获取的片面性、差异性，通过查阅文献，通过对智能空气净化器企业技术人员进行访谈等方式，收集智能空气净化器技术特性相关资料，并进一步整合后形成可描述的设计要求，具体智能空气净化器的设计要求如表6所示。

2.6 分析用户需求与设计要素关系矩阵

在确定了家用智能空气净化器的用户需求和设计要求后，通过构建质量屋建立用户需求和设计要求之间的关系矩阵（见表7），以便明确家用智能空气净化器的关键设计要求，进而指导设计。

2.7 识别关键性设计要求

从表7可以看出，在智能空气净化器的研发过程中，滤网模块、智能检测模块、信息显示模块、远程APP控制模块以及风速控制模块五项设计指标重要度达到72.3%，占有较大比重，因此，在智能空气净化器的方案设计中，要着重考虑用户在滤网模块、智能检测模块、信息显示模块、远程APP控制模块以及风速控制模块这五方面的需求，进而有效满足用户切实需求，提升用户满意度。

表6 智能空气净化器的设计要求

Tab.6 Design requirements for smart air purifiers

表7 关系矩阵

Tab.7 Relationship matrix

注：●表示强相关，取值为5；○表示中相关，取值为3；表示弱相关，取值为1；空白表示无相关，取值为0。

3 智能空气净化器设计

3.1 设计分析

从以上分析结果可以看出，滤网模块这一设计要求所占比重最大，在设计当中应当着重考虑。滤网模块作为智能空气净化器的核心组成部分，能有效过滤掉空气中的大颗粒灰尘、纤维绒、可吸入颗粒以及甲醛等，进而能为用户创造一个洁净的居住环境，在空气净化过程中发挥着及其重要的作用。可以看出，用户最注重的功能也是空气净化器最核心的功能，即净化空气。因此，在滤网模块设计方面，采用三层过滤网进行空气净化，包括由聚酯纤维材料制成的粗效过滤网、玻璃纤维材料组成的高效HEPA过滤网以及活性炭过滤网，此外，采用UV紫外线对HEPA过滤网上附着的细菌病毒进行定向消杀，防止细菌病毒在滤网上滋生繁殖形成二次污染；其次智能检测模块这一设计要求占比也较大，说明用户非常关心空气净化的效果及状况，基于此，在智能检测模块设计方面，主要通过多种传感器，包括PM2.5传感器、光照度传感器、温湿度传感器以及甲醛传感器等，通过提取室内空气，经过单片机处理和计算检测当前室内空气质量情况，空气质量状况可通过灯带颜色显示，绿色、橙色以及红色分别代表优、良、差三种空气质量状况，便于用户直观地了解当前室内空气的整体质量状况；设计要求占比排在第三的是信息显示模块，结合前期用户需求调研，在设计中设定有一块液晶触控显示屏，可将当前室内空气中的甲醛含量、PM2.5浓度以及空气温度和湿度等信息以量化的方式显示在显示屏上，便于用户对当前空气质量有一个更加具象的认知，同时考虑到风速控制模块所占比重较高，在液晶触控显示屏上设定有风速大小调整控制功能按键，分为四档风速，用户可根据自身需求调节风速大小；最后，在远程APP控制模块设计方面，设计了与智能空气净化器配套的手机端APP，用户可通过APP远程控制智能空气净化器并查看相关数据。

基于以上功能分析，构建了如图3所示的智能空气净化器工作原理示意图。进一步通过三维软件将设计方案加以渲染展现，最终整体效果图如图4所示，智能空气净化器爆炸图如图5所示，APP控制界面设计如图6所示。

图3 智能空气净化器工作原理示意图

图4 智能空气净化器效果图

图5 智能空气净化器爆炸图

图6 APP部分界面展示

在完成智能空气净化器设计方案后，邀请10位用户运用李克特5级对设计方案进行总体评价，在用户评价之前向用户详细地介绍了设计方案，便于用户在评分之前对评价对象有一个良好的认知。最后计算10位用户评分的算术平均值，结果为4.3，说明该设计方案能有效满足用户需求，得到了良好的用户评价。

4 结语

用户需求既是产品存在的缘由，也是产品设计的依据所在，如何从众多用户需求中识别出重要需求及其优先级，并转化为设计要求为产品设计研发提供导向，是提升用户体验、提高用户满意度的关键一环。基于此，本文通过集成RAHP/FKM/QFD模型，对智能空气净化器的用户需求进行较为全面的分析，首先基于用户调研获取用户需求池，并利用KJ法构建了用户需求层次模型；其次在用户需求重要度分析阶段引入粗糙集理论，运用RAHP较为客观地求解用户需求初始重要度，并借助FKM基于用户满意度对用户需求进行类别划分，进而引入用户需求重要度调整系数，确定了融合用户满意度的用户需求最终重要度；然后通过QFD模型将用户需求转化为设计要求，识别出了智能空气净化器在滤网模块、智能检测模块、信息显示模块、远程APP控制模块这几个方面的关键设计要求；最后根据研究结果对智能空气净化器进行了相应的方案设计，并通过用户评分，设计方案获得了较高的用户满意度，验证了本文所构建的研究流程具有一定的可操作性，有助于设计人员更明确地设计出符合用户需求的产品。

[1] FINE P, GOLDACRE B, HAINES A. Epidemiology—a Science for the People[J]. Lancet (London, England), 2013, 381(9874): 1249-1252.

[2] 苏珂. 造梦者的防霾梦想[J]. 中国外资, 2015(1): 44-45.

SU Ke. Dreamer's Dream of Preventing Haze[J]. Foreign Investment in China, 2015(1): 44-45.

[3] MØLHAVE L. The Sick Buildings and other Buildings with Indoor Climate Problems[J]. Environment International, 1989, 15(1-6): 65-74.

[4] GOUYOU-BEAUCHAMPS J. Air Conditioning[J]. Aerobiologia, 1990, 6(1): 68-69.

[5] 张寅平. 中国室内环境与健康研究进展报告-2012, 2012[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

ZHANG Yin-ping. Research advance report of indoor environment and health in China[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[6] 李先庭, 杨建荣, 王欣. 室内空气品质研究现状与发展[J]. 暖通空调, 2000, 30(3): 36-40.

LI Xian-ting, YANG Jian-rong, WANG Xin. Status and Development of Indoor Air Quality Research[J]. Hv ＆ Ac, 2000, 30(3): 36-40.

[7] 朱东梅. 空气净化器迎来战国时代[J]. 现代家电, 2013(13): 60-62, 7.

ZHU Dong-mei. Air Purifier Ushers in Warring States Period[J]. Modern Household Appliances, 2013(13): 60-62, 7.

[8] 梁浩, 刘卓, 张芳燕. 基于用户需求建模的血压计造型设计[J]. 机械设计, 2015, 32(8): 126-128.

LIANG Hao, LIU Zhuo, ZHANG Fang-yan. Shape Design of Blood Pressure Meter Based on User Requirement Modeling[J]. Journal of Machine Design, 2015, 32(8): 126-128.

[9] 陈国强, 戴成, 申正义, 等. 基于QFD与FBS的可移动电力检测设备创新设计[J]. 包装工程, 2021, 42(2): 43-50.

CHEN Guo-qiang, DAI Cheng, SHEN Zheng-yi, et al. Design of Movable Electric Testing Station Based on QFD and FBS[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(2): 43-50.

[10] 苏建宁, 魏晋. 基于AHP/QFD/TRIZ的玫瑰花蕾采摘机设计[J]. 机械设计, 2020, 37(8): 121-126.

SU Jian-ning, WEI Jin. Design of Rose Buds Picking Machine Based on AHP/QFD/TRIZ[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37(8): 121-126.

[11] 白彦伟, 乔凤斌, 王瑾, 等. 质量功能配置在卫星包装箱开发中的应用[J]. 上海航天, 2014, 31(S1): 122-125.

BAI Yan-wei, QIAO Feng-bin, WANG Jin, et al. Application of Quality Function Deployment on Packaging Device for Satellite[J]. Aerospace Shanghai, 2014, 31(S1): 122-125.

[12] 张幸荣. 以用户需求为导向的产品设计研究[J]. 包装工程, 2020, 41(20): 303-305, 309.

ZHANG Xing-rong. Product Design Oriented by User Demand[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(20): 303- 305, 309.

[13] 王晓暾, 熊伟. 质量功能展开中顾客需求重要度确定的粗糙层次分析法[J]. 计算机集成制造系统, 2010, 16(4): 763-771.

WANG Xiao-tun, XIONG Wei. Rough AHP Approach for Determining the Importance Ratings of Customer Requirements in QFD[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2010, 16(4): 763-771.

[14] ATLASON R S, STEFANSSON A S, WIETZ M, et al. A Rapid Kano-Based Approach to Identify Optimal User Segments[J]. Research in Engineering Design, 2018, 29(3): 459-467.

[15] MATZLER K, HINTERHUBER H H. How to Make Product Development Projects more Successful by Integrating Kano's Model of Customer Satisfaction into Quality Function Deployment[J]. Technovation, 1998, 18(1): 25-38.

[16] 余森林, 陈茜月. 基于模糊Kano模型的户外音箱创新设计研究[J]. 包装工程, 2020, 41(24): 202-208.

YU Sen-lin, CHEN Xi-yue. Innovative Design of Outdoor Speaker Based on Fuzzy-Kano Model[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(24): 202-208.

[17] 席乐, 张辉, 程建新. 基于模糊Kano模型的游客服务机器人造型设计[J]. 机械设计, 2017, 34(7): 110-113.

XI Le, ZHANG Hui, CHENG Jian-xin. Modeling Design of Tourist Service Robot Based on Fuzzy-Kano Model[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(7): 110-113.

[18] 唐中君, 龙玉玲. 基于Kano模型的个性化需求获取方法研究[J]. 软科学, 2012, 26(2): 127-131.

TANG Zhong-jun, LONG Yu-ling. Research on Method of Acquiring Individual Demand Based on Kano Model[J]. Soft Science, 2012, 26(2): 127-131.

[19] WANG Zeng-qiang, FUNG R Y K, LI Yan-lai, et al. An Integrated Decision-Making Approach for Designing and Selecting Product Concepts Based on QFD and Cumulative Prospect Theory[J]. International Journal of Production Research, 2018, 56(5): 2003-2018.

[20] WU Xin, NIE Lei, XU Meng. Robust Fuzzy Quality Function Deployment Based on the Mean-End-Chain Concept: Service Station Evaluation Problem for Rail Catering Services[J]. European Journal of Operational Research, 2017, 263(3): 974-995.

[21] BARAD M. Flexibility-Oriented Strategies[M]//Strategies and Techniques for Quality and Flexibility. Cham: Springer International Publishing, 2017: 31-57.

Design of Intelligent Air Purifier Based on RAHP and QFD

ZHENG Yi-feng1, WANG Shi-wei2

(1. School of Art, Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169, China; 2. School of Industrial Design, Shandong University of Arts and Crafts, Jinan 250014, China)

The paper aims to effectively obtain user needs and priorities for home smart air purifiers, further transform user needs into design requirements, identify key design requirements for smart air purifiers, and provide reference for design and improve user satisfaction. First, user needs are obtained through questionnaire surveys and interviews, and affinity diagram method (KJ method) is used to build a hierarchical model of user needs for smart air purifiers, and then rough analytic hierarchy process (RAHP) is introduced to obtain the initial importance of various user needs. At the same time, the fuzzy Carnot model (FKM) is used to determine the various demand categories, and the adjustment coefficient is introduced based on the demand category to adjust the initial importance, and finally the quality function deployment (QFD) is used to transform user needs into design elements. The key design requirements of the smart air purifier are clarified to guide the design of it.Through a more in-depth analysis of the user needs of the smart air purifier, the user needs are transformed into design requirements, and it identified that the design requirements of the intelligent air purifier in the filter module, intelligent detection module, information display module, remote APP control module and wind speed control module are of high importance. And based on this, a design plan is proposed, which has obtained high user satisfaction. The research methods and processes in the paper can provide references for designing products that meet user needs.

air purifier; user needs; rough analytic hierarchy process; fuzzy Carnot model; quality function deployment

TB472

A

1001-3563(2022)18-0072-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.010

2022–04–05

江苏省教育厅哲学社会科学研究项目（2018SJA0479）

郑祎峰（1981—），男，硕士，副教授，主要研究方向为工业设计、服务设计

王世伟（1981—），男，硕士，副教授，主要研究方向为工业设计、产品设计。

责任编辑：马梦瑶