基于AHP和感性工学的通风设备造型设计评价

张宁 马彧

关键词：通风设备 层次分析法 感性工学 造型设计 模糊综合评价

引言

当医护人员穿着防护服在高温环境下进行持久作业时，会感到极度闷热和不舒适。如果此时不能及时进行通风散热，容易造成身体不适和活动机能下降，存在较大的健康隐患。针对此种情况，在防护服内的便携式通风设备的设计显得尤为重要。目前市场上通风设备的功能性及合理性虽已得到初步完善，但其造型上仍处于较低水平，缺少设计美感和创造性[1]，且现有的通风设备设计并不能满足医护人员群体不断上升的需求，并未真正考虑使用人群对产品造型的感性追求[2]。一些企业想要在市场竞争中脱颖而出，就必须提高外观设计美感和满足使用者的感性需求，设计出符合使用者心理感受的产品[3]。层次分析法能够多层次客观分析和解决问题，使评判和决策结果更加准确、合理；感性工学理论能够有效获取产品意象词汇，使设计出的产品不断满足使用人群的心理需求。目前，国内外学者将这两种方法结合主要运用在工程机械、老年产品、家电等领域上，如程永胜[4]等人提出以感性工学理论和层次分析法两种设计评价方法相结合对工程车进行造型意象分析与评价；宋端树[5]等人基于老年人群体需求，运用层次分析法构建造型特征和意象词汇的关联性；郭皓月[6]等人利用层次分析法构建感性评价体系并运用到家用拖地机的造型设计实践上。对比之下，在通风设备领域研究较少。因此，本文将这两种研究方法相结合有针对性地对通风设备造型进行设计与评价，基于感性工学理论，从获得用户审美需求的角度出发，运用层次分析法和模糊综合评价对通风设备造型方案进行评选与决策，使评价结果更加客观、明确。能够对其他同类型产品造型设计评价提供参考和借鉴价值。

一、AHP和感性工学理论概述

（一）AHP理论

层次分析法（AHP）理论是一种多层次、多维度分析、解决和处理问题的评价方法[7]。被广泛运用到各个领域，多次被应用在产品造型设计、机械结构设计、产品设计评价和改良等方面[8]。层次分析法的特点是通过深入研究发现复杂问题内部各部分潜在的关联性，把这种关联性表示（呈现）为一个有序的层次递阶结构[9]。具体表现为目标层、准则层和指标层，主要通过各个层次之间的判断和比较，建立判断矩阵并对其进行权重结果计算，最后对计算结果进行排序和检验。

（二）感性工学理论

感性工学理论于1986年在日本首次提出，是以感性意象与工学两者相结合的一种设计理论[10]。感性意象是一种主体思考的意识活动，它是指客观现象经过主体内心丰富的感情色彩而呈现出的一种独特表象[11]。感性工学理论重点讨论人的感性认知和产品的设计需求两者之间的关联，通过以定性与定量相结合的研究方法对使用者的情感需求进行感性分析，将模糊不清、无法确定的意象词汇转换成准确的数据结果，将数据结果与产品设计要素相关联，进而设计出符合用户需求的产品。

二、研究流程

基于以上分析，提出一种基于AHP与感性工学理论的研究流程见图１。其基本思路分为以下几个步骤：

（1）筛选并确定目标感性意象词汇。对初步获得的感性意象词汇进行筛选，去掉意义重复和关联度较弱的感性词汇，最后利用语义差分法确定目标意象词汇。

（2）构建造型意象评价指标体系并进行权重结果计算。首先确定一级指标体系为产品的设计总目标；二级指标体系为初步选定的感性词汇特征要素；三级指标体系为第二步确定的感性词汇，其次建立判断矩阵并进行权重结果计算，最后对计算结果进行排序和一致性检验。

（3）对造型设计方案进行评判和决策。评语集采取“十分合意、合意、一般合意、不合意、十分不合意”五个等级，建立模糊综合评价矩阵并对权重计算结果进行一致性检验。

（4）专家打分选出最优方案。请评价专家对通风设备造型设计方案中准则层和指标层各指标进行评估和打分，对结果进行归一化处理，计算出各个方案的最终得分后进行排序并选出最优方案。

三、通风设备造型意象研究

（一）通风设备造型意象词汇获取

为获取使用人群对通风设备的感性需求，需要对产品进行真实的感性评价。通过查询通风设备销售网站，网络资料、相关文献检索、用户问卷调查等方式，初步获取115对通风设备意象词汇。经过本专业13名学生的头脑风暴和集体讨论，对115对意象词汇进行初步筛选，去掉意义重复和关联度较弱的词汇得到80对，利用语义差异法进行进一步筛选，最终获取24对意象词汇，见表1。

（二）构建评价指标体系

由于通风设备的复杂性及特殊性，在深入分析通风设备造型的特点后，邀请工业设计领域的5位专家和5位工业设计研究生组成焦点小组进行研讨。首先，选取了形态因素、色彩因素、材质因素和人机因素四个准則层，将最终筛选出的24对感性词汇对应分组；其次，根据评语集“非常好、好、良好、不好、非常不好”五个等级进行打分，分值范围为0～5分，以0分和5分为最低分和最高分形成调查问卷；最后，按分值高低进行排序，选出每组内最具代表性的三组词汇构成通风设备造型评价指标体系中的指标层，如图2所示。

（三）构建判断矩阵和权重计算

构建判断矩阵是层次分析结构中至关重要的一步，主要指通过三个层次之间的每两个指标进行判断和比较[12]。请之前的焦点小组专家10人、产品设计师5人、潜在用户5人共20人作为调研对象，使用1～9 标度法[13]对各层次各指标打分，构建判断矩阵后并对权重结果分别进行计算。准则层判断矩阵及权重结果见表2，指标层各判断矩阵及权重结果见如3～表6所示。本文采取几何平均法对权重向量结果进行求解[14]，具体公式步骤为：

用一致性比率CR值对一致性检验进行判断，CR＝CI/RI，RI值是由随机一致性指标所得出，如表7所示。当CR≤0.1时，表示检验结果通过，反之则需要进行重新计算。

一致性检验结果见表8，显示CR值均小于0.1，由此可判定表2～表6的判断矩阵计算通过检验。

在完成一致性检验后，对准则层和指标层的目标权重结果进行综合排序，见表9。

四、通风设备方案模糊综合评价

（一）设计方案实践

根据以上分析结果得出的设计要素，以通风设备为实例进行造型设计实践，通过对市场现有通风设备进行调研，从造型、功能和用户需求出发，初步提出种设计方案，如下图3-图5所示。方案一：整体造型较为圆润、具有简洁感和均衡感，佩戴在手腕或腰间，调节带网孔材质更利于防护人员散热透气，材质较为舒适，顶部通风口和出风管连接，功能键设有开关机、调节风速大小按键，可使用USB充电。方案二：整体造型圆润，体积轻量化。造型弧度更贴合佩戴方式，背部夹子可直接夹在防护服上，松紧带可调节。方案三：整体造型硬朗、稳重，背部三个夹子可紧固于防护服上，通风孔面积较大更有利于通风散热。该通风设备使用群体为衣着防护服的医护人员，使用环境和场所为医院，因此设备色彩搭配主要以设计黑白为主，具有简洁感和现代感。依据准则层、指标层的目标权重为基础，邀请5名工业设计专家对三种设计方案进行模糊综合评价。

（二）通风设备模糊综合评价

模糊综合评价能够准确、清晰地解决由于主观判断造成模糊不清的问题[14]。通风设备模糊综合评价的具体研究思路和运算过程如下：

（1）确立专家设计评估要素集。用a={b1，b2.b3，b4}表示，分别为形态因素、色彩因素、材质因素和人机因素，确定评估要素子集为bi={bij}（1，2，3，4）。

（2）确定评语等级及其对应标准。设置评语集E={e1，e2...，em}对应等级为十分合意、合意、一般合意、不合意、十分不合意，对应其评分标准为95，85，75，65，即95分以上为十分合意，85分～95分为合意，75分～85分为一般合意，65分～75分为不合意，65分以下为十分不合意。

（3）得出各部分权重向量结果。由表2～表6判断矩阵的权重计算结果得出准则层各部分权重向量为：wA=（0.1873、0.1149、0.1767、0.5210）。指标层各部分权重向量为：wB1=（0.4 434、0. 3 874、0.1692），wB2=（0.493 4、0.195 8、0. 310 8），wB 3 =（0.5278、0.1396、0.3325）wB4=（0.2081、0.6608、0.1311）。

（4）建立模糊综合评价判断矩阵。请5位专家分别对通风设备三个方案中的准则层下每个指标进行评判和打分，计算打分次数并以此为参考，准则层B1～B4对方案层的模糊矩阵计算结果见表10～表13。

（5）一致性检验结果

对表10～13中材质因素～人机因素的模糊判断矩阵及权重计算结果进行一致性检验，显示CR值均小于0.1，由此可判定表10～表13的模糊矩阵计算通过检验。

（三）评价结果与分析

（1）准则层评价结果与分析。由图6的通风设备造型设计评价指标权重分布图中可直观看出，准则层指标B1～B4的权重分别为0.1873、0.1149、0.1767、0.5210。准则层权重分布中人机因素比重最多，且占1/2以上的比例，色彩因素比重最少，其余依次是形态因素、材质因素和色彩因素，其中形态因素和材质因素权重接近。经实证分析发现，用户与产品之间的人机操作是否安全、便捷是影响医护人员使用产品的较为重要的因素，产品的形态美观和材质的舒适性对使用人群也同等重要。色彩搭配对用户需求影响较小。通过调研潜在的用户需要，去掉无用且复杂的功能叠加，进一步满足用户需求。

（2）指标层评价结果与分析。由指标层中的各项指标权重分布可看出人机因素中的安全性占比最大，其次是易用性；材质因素中舒适性权重较大；色彩因素中的明亮性相对重要；形态因素中的均衡性和简洁性权重较大且相似。经实证分析发现安全性因素对于针对通风设备用户需求最为重要，如设备操作不当会对用户造成安全隐患，其次较为重要的是产品的易用性。由于医护人员穿着防护服长期处于高温密封的环境中，因此产品材质的舒适性最为重要。在医院洁净消毒的环境中产品应选择明亮的色彩，简洁均衡的造型更容易满足用户需求。

（3）方案层评价结果与分析。结合在形态因素、色彩因素、材质因素和人机因素的权重分别对方案1、方案2、方案3的综合权重计算，得出三个方案的综合权重值分别为0.4194、0.3033、0.2774，将评语集转化为0～100百分制评分标准，计算结果对应方案一分值为84.06分，方案二分值为77.01分，方案三分值为73.47分。因此得出结论方案一比方案二和三在整体造型上更加简洁和均衡，人机操作中更加安全和易用，材质选择上也更加舒适，色彩更加明亮，更能够满足用户的感性需求。根据各方案分值对应评语等级，得出方案1和方案2屬于“一般合意”等级，方案3属于“不合意”等级。即各方案的满意排序依次为：第一为方案一，第二为方案二，最后为方案三，最终确立方案一为最优秀方案。

结语

本文利用层次分析法和感性工学两者相结合的造型设计评价方法，通过通风设备实践深入分析并验证了这两种方法结合的有效性和可行性。既能够有效避免设计评价中的主观臆断，又可以保证评价结果的有效性和直观性。首先通过感性工学理论获取通风设备的目标感性意象词汇；其次运用层次分析法构建造型意象评价体系，建立其判断矩阵并进行权重计算和排序；最后利用模糊综合评价对三种通风设备造型设计方案进行评价，建立模糊综合判断矩阵计算各指标权重结果，转化成评语集对应等级确立最优设计方案，提升了产品造型设计评价的科学性与可靠性。但本文不足之处是三个设计方案的评价结果仍会受到主观判断因素的影响，这一问题将会在后面的研究进程中进一步改进。综上，层次分析法和感性工学两种设计评价方法的结合能够有效减少主观判断因素带来的偏差，使评价结果更具可信度和科学性，同时也为以后的通风设备造型设计评价提供借鉴意义和参考价值。