集成AHP-AD-TOPSIS的儿童家具产品设计路径研究

■杨希博，赵 项

随着我国生育政策逐步完善，儿童家具市场需求日益攀升[1]。消费者对儿童家具品质、安全性等也提出更高要求，用户选择逐渐转向多功能、更安全、更耐用的儿童家具产品，儿童家具产品的安全、舒适、实用和环保等一直备受家长关注与重视[2]。儿童年龄层不同导致的身体差异，也对儿童家具的功能需求产生影响。然而，目前儿童家具产品在开发过程中对多元化用户需求较为模糊，在结构创新和智能化方面存在一定缺陷，其功能使用也存在相应局限性[3]。可见，通过恰当方法对儿童家具产品进行深入探讨分析尤为必要，本研究以儿童需求为中心，应用合适方法结合儿童身体特征、行为需求和行为习惯系统地分析儿童家具设计要素，科学求解用户需求重要度排序，通过合理设计参数等极大提高儿童书桌的实用性、舒适性和安全性，更好地满足儿童用户需求[4]。

1 文献综述

近年来国内外大量学者针对儿童家具产品进行了丰富研究，例如：姚亚银[5]等通过梳理学龄前儿童的感知形式和感知特点，以感觉统合之触觉感知理论为研究内容，并由此提出触觉感知的学龄前儿童家具的设计要素和原则；方景荣[6]等从结构主义符号学的相关理论出发，探讨符号学作为设计方法应用到儿童家具设计中的可行性，总结出儿童家具设计中运用符号学的设计策略和理念；陈朝杰[7]等基于产品服务系统和可持续系统设计方法论，以儿童需求为导向，为学龄前儿童家具产品设计与服务策略提供新思路；李静[8]等以学前儿童的用户需求为导向，从视觉思维的角度展开构建儿童家具设计的系列设计方法；高小勇[9]等从家具形态构建、材质倾向、色彩偏好、气息特征、味觉感知转换等角度出发，探讨“五感”体验理论在学龄前儿童家具设计中的方法，总结出以“五感”体验为目标的设计思路；赵项[10]等基于用户驱动下的产品模型设计，集合Kano-AHP于儿童家具产品的设计实践中。

综上可见，目前学界在儿童家具产品的设计研究中，大都从不同维度展开为儿童家具设计提供创新思路，并取得一定研究成果[11]。当然，仍有大量学者融合各种理论方法从不同角度对儿童家具产品进行深入探讨，该类研究视角独特新颖，在满足人体工程学基础上逐渐重视用户需求[12]。然而，大部分研究中往往忽略用户需求重要性、设计参数映射合理性及方案优选决策客观性。此外，目前对儿童家具产品的用户需求分析以及生产过程中的参数映射，仍缺乏恰当理论及依据。为精确求解儿童家具产品用户需求权重，科学映射生产过程中的技术参数，以及客观评价儿童家具产品设计方案，将对儿童家具产品进行深入研究显得十分必要。

2 集成AHP-AD-TOPSIS的儿童家具产品设计路径构建

2.1 集成AHP-AD-TOPSIS的儿童家具产品设计路径构建

近年来儿童家具产品设计路径与方法相关研究中，层次分析法（AHP）作为一种常用指标权重运算方法，具有科学性和客观性，采用AHP可提高用户需求权重精确度。然而，获取到的重点用户需求或设计要素在儿童家具产品中如何实现，AHP尚未给出明确建议及准则。那么在产品设计方面，AD理论能够快速高效地将用户需求转化为相应的设计参数，从而为儿童家具产品的设计与研发提供指导。根据上述分析可获得大量儿童家具产品设计方案，但是否满足用户需求，AHP和AD并不能提供一种评价标准和决策方案。随着知识库的不断迭代更新，在众多设计方案中筛选最优方案已成为一种新的挑战。TOPSIS是一种常用的多目标决策分析方法，同时也是一种基于归一化原始数据矩阵的组内综合评价方法，其结果可以精确地反映各评价方案之间的差距，可避免决策者主观性对结果的影响，从而得出科学客观、准确可靠的评估结果。而在TOPSIS法中权重的确定更多地依赖于熵权法，无法确定各项评价指标的权重。因此，在方案评估前可以使用AHP法来指导TOPSIS法的权重确定，将TOPSIS和AHP是两种常见的多指标决策方法进行融合，从而实现对评价指标的快速有效赋值，进一步帮助决策者全面、客观、准确地评估设计方案优劣。

由此可见，将AHP/AD/TOPSIS三种方法相互融合、渗透构建儿童家具产品模型，AHP 可明确用户需求重要性，AD则能将用户需求转化为设计参数，而TOPSIS可评估不同设计方案优劣，集成三种方法可构建完整、系统的儿童家具产品开发模型，其框架如图1所示，其主要为：首先采用AHP法对儿童家具产品用户需求进行权重分析；其次基于AD理论对重要用户需求进行设计参数映射，并根据其进行方案设计；最后运用TOPSIS法对设计实践进行客观评价，以明确科学可行设计方案。

■图1 儿童家具产品模型构建

2.2 集成AHP-AD-TOPSIS的儿童家具产品设计路径流程

2.2.1 用户需求权重求解

AHP法主要通过构建层次结构模型及建立判断矩阵等步骤逐步确定用户需求权重值, 如图2所示。首先，确定目标层、准则层、子准则层和方案层，以及各层之间支配关系；其次，建立判断矩阵并采用算法求解各项需求权重值；最后，根据相关法则计算儿童家具各需求综合权重，并进行优先排序，依此获取重要用户需求。

■图2 层次分析模型

2.2.2 设计参数的映射

通过AD理论将儿童家具产品功能需求和设计参数进行映射和分析，以满足用户需求并提高儿童家具产品的工程可实现性，如图3所示。本次主要通过AD理论明确且精细地表达用户需求与产品设计之间的关联性。首先将重要用户需求（CAS）转化为相应功能需求（FRS）；其次将功能需求（FRS）转化为设计参数（DPS），直观理解产品设计逻辑和工程、设计参数优化调整方向，进一步提高产品可行性及可用性（图3）。

■图3 公理设计映射关系

2.2.3 基于TOPSIS的设计方案评价

TOPSIS是一种多属性决策方法，可帮助决策者进行多方案优劣选择，其主要通过比较各方案的理想解距离进行优劣判断。本次研究采用的评价指标体系，主要来自AHP中子准则层的用户需求，并邀请产品的使用者以及相关专家对其进行综合评估打分，以促进方案评价客观性及科学性。评分主要采取七级李克特量表满意度评价，其主要依据儿童家具设计方案满足相应指标需求的程度进行打分，其中方案评价指标主要由AHP确定的权重较高用户需求转换后的设计参数构成,最后将收集结果根据 TOPSIS 计算程序进行方案优劣决策[13]。

3 集成AHP-AD-TOPSIS的儿童家具设计实证研究

随着生活水平不断提高，儿童书桌在现代儿童家具产品中受到用户广泛关注。目前，市场上儿童书桌主要以粉色及蓝色为主，如图4为市场上销售量较高的儿童书桌。然而，大部分儿童书桌在设计上基本满足儿童学习需求，但书桌可调节性基本以机械操作为主，智能化体现相对较少，在一定程度上缺乏对儿童阶段性成长需求的关注。近年有大量学者针对儿童书桌上述问题进行了丰富研究，例如肖飞[14]等基于KANO模型对儿童书桌的智能功能需求进行调研，确定各功能需求的层级关系，为智能儿童书桌的设计提供依据；刘宗明[15]等融合KANO模型与TRIZ理论，以儿童桌为设计对象，研究儿童家具轻设计创新设计方法；汤洁[16]等主要从儿童家具的用户体验和人体工程学角度出发，结合智能化设计出一款符合儿童身心发展的新型智能书桌；陈朝杰[17]等主要以劝导技术为理论基础，应用Elan视频分析软件、因子分析法、K均值聚类算法，探索智能儿童学习桌设计策略；叶雨静[18]基于学龄前儿童的心理特征和生理特征，以人体工程学为基础，提出儿童学习桌的设计意见。

■图4 市场已有儿童书桌产品

综上所述，该类研究主要集中在儿童家具用户需求分析中，缺乏用户需求重要性与产品设计中参数映射，以及对用户需求分析结果的转化相对较少，另外多设计方案的优选决策也较为模糊。目前市场上儿童书桌产品较为丰富，设计风格大同小异。然而，大多数儿童书桌的设计缺乏对用户需求的考虑，忽视了儿童身心发展的重要性[19]，这很大程度上导致儿童书桌存在部分功能欠佳，以及缺乏合理空间布局，且儿童家具设计过程中将用户需求转化为设计参数尚未出现科学理论支撑，这将会使设计师在设计中无法很好地掌握结构、工艺、材料等技术要素，进而导致相关资源的浪费，为尽可能解决上述儿童书桌设计研究相关问题，通过集成AHP/AD/TOPSIS模型的儿童家具设计路径对儿童书桌进行深入研究，以提升儿童书桌设计完整性与严谨性。

3.1 儿童书桌需求调研

针对现有儿童书桌存在问题，通过观察法、焦点小组、用户访谈和亲和图法（KJ 法），总结购买者对儿童书桌设计中期望需求[20]。首先，为保证本次调研可全面挖掘儿童书桌用户需求，提升儿童书桌用户需求提取可靠性和真实性，选择有意愿购买儿童书桌的26位消费者作为访谈对象，其中女性16名，男性10名，其年龄在25岁到36岁之间女性较多，随后依次为36岁到40岁，消费主力在80后和90后之间，大部分调研对象均在儿童5岁到7岁时购入书桌。此外，本研究共深度访谈12位消费者。根据整理好的访谈要点，在征得顾客需求情况下采用录音或速记方式记录访谈内容，选取其中4位构建典型用户画像，如图5所示。通过对观察结果、访谈内容、用户画像等进行归纳整理，获得儿童书桌初始用户需求，如表1所示。

表1 儿童书桌初始用户需求

■图5 用户画像构建

基于上述初始用户需求，通过焦点团体法对收集资料进行整合归纳，最终提炼出18项用户需求，如图6所示。可见用户在购买儿童书桌过程中主要关注外观造型、颜色、结构、智能化控制等；外观设计应时尚简约，可搭配不同风格室内设计；功能方面应具有预防近视、可调节桌面、矫正坐姿；购买书桌越来越注重材质的环保性、功能的多样性和实用性。

■图6 儿童书桌用户需求

根据上述需求，从美观性、安全性、功能性和舒适性四方面研究儿童书桌设计，结合层次分析模型构建准则层，本研究将儿童书桌设计属性分为美观性A、安全性B、功能性C和舒适性D，其中美观性主要包括趣味性A1、图案新颖A2、色彩协调A3、造型美观简约A4；其余以此类推，如图7所示。

■图7 儿童书桌层次分析模型

3.2 用户需求权重求解

为了进一步确保计算结果的准确性和可靠性，需建立判断矩阵并邀请相关领域的专家和学者进行调研。本研究共邀请25名家具专业相关专家，其中8名为家具设计师、6名家具设计方向的研究生，6名相关领域学者、5名产品设计师。首先，根据1-9级评分标准，对各层级需求进行逐一比较并给出相应的分数，从而确定各层次各因素之间的权重分配；其次，计算每个需求的得分。通过计算所有其他需求对该需求的得分相加，然后除以需求数量，得到的平均数据作为权重计算依据；再次，利用判断矩阵求解各层级的权重值；最后，运用几何平均算法，计算出儿童书桌各用户需求的最终权重值，进而确保各项需求得到合理权重分配，为产品设计提供有力支持。其计算步骤如下，权重结果如表2-表6。

表2 准则层权重

表3 美观性权重

表4 安全性权重

表5 舒适性权重

表6 功能性权重

步骤一，对各层标度的乘积进行计算：

式中：bij—第i行第j列中的需求指标；

m—需求指标量。

步骤二，判断各层标度乘积的几何平均值ai：

步骤三，求解相对权重值Wi：

步骤四，求解最大特征根λmax：

式中：BWi—向量BW第i个分量；

步骤五，对结果进行一致性比对校验：

式中：n—阶数；

RI— 平均随机一致性指标；

CR— 一致性比值。在填写判断矩阵时，为了确保测试人员的逻辑正确无误，需进行一致性检验以明确计算结果准确性。当CR值小于等于0.1时通过一致性检验；若CR大于0.1则未通过，说明判断矩阵存在错误，没有通过一致性检验，需要对之前的数据进行调整，然后再次进行计算，这样可以保证测试结果的准确性。如表7所示。

表7 一致性检验结果

为直观呈现各子准则层用户需求综合权重，通过相应运算得出如图8所示综合权重排序图，设计研发过程中除要满足准则层下各设计属性排名较高需求，也应重点考虑目标综合权重需求，其结构稳定性、避免尖锐边角（圆角平滑）、矫正坐姿、材料环保性、桌面尺寸合理、视力保护、座椅舒适、造型简约美观、防眩光、高度升降、可收纳文具、陪伴重要度较为靠前，故在设计方案中需重点考虑，为在设计中走不必要弯路，将上述需求映射为设计参数。

为符合“两票制”要求，药品批发企业需将药品的上游来货相关票据资料提供给医疗机构，以备查验。现阶段，医疗机构为方便操作，一般要求药品批发企业将发票复印件随货提交，医疗机构收货验收时直接核对票据信息是否符合“两票制”要求。为应对这一变化，企业一般都会加派人手，增加设备，进行材料的准备。企业人力、物力成本大幅增加，工作效率也因此降低。

■图8 儿童书桌用户需求权重优先级图

3.3 设计参数映射

AD是麻省理工学院Nam Pyo Suh教授提出的设计理论，基本理论包括域、层次、域间“之”字形映射、独立性公理和信息公理[21]。它主要关注如何将高层次的设计需求转换为具体的、低层次的实现细节。在用户需求驱动的设计过程中，公理化的设计方法是一种有效的工具，通过使用判断矩阵来表达和比较设计方案，应用独立性公理对每个参数进行评估，确定最优解，应用信息公理以便准确地评估不同方案的性能。通过对设计方案进行比较和权衡，在满足用户需求的同时，尽可能地实现所有设计参数的最佳组合，以解决设计问题。因此在儿童书桌的设计研发中，主要将用户需求与人体工程学、儿童心理特征等结合，融合AD理论为儿童书桌加工和生产提供技术参数。基于层次分析法确定儿童书桌的用户需求权重值，依据儿童家具的设计要求，选择排名靠前用户需求应用AD理论原则，将用户需求CA转化为功能需求FR，并对儿童书桌功能需求进行合理描述，如表8所示。

表8 儿童书桌重要用户需求与功能需求对照

针对上述功能需求FR，邀请 5名相关领域专家、10名家具设计师提出设计意见，同时结合家具生产过程中的工艺要求和技术参数，应用信息性公理等制定出满足儿童书桌设计参数，如表9所示。

表9 儿童书桌功能需求与设计参数对照

基于AD理论的独立性公理原则，将儿童书桌功能需求FR与物理设计参数DP进行相互映射，这种映射关系可以表示为：

式中：FRs为功能需求集；DPs为设计参数集；B为儿童书桌的设计矩阵；

式中：bij为儿童书桌功能需求FPs与设计参数DPs二者之间的关联程度。

将上述儿童书桌功能需求FR与设计参数DP代入上述公式（8）进行计算，得到如下矩阵：

在矩阵中，“X”表示功能需求与设计需求之间存在关系，而“O”表示它们之间存在弱相关或无相关性，如果矩阵是主对角线为空或三角矩阵，则表示满足独立性公理；然而，如果矩阵是一般矩阵，即非对角线元素不为O，则表示设计参数之间存在相互矛盾，这与独立性公理相悖，因此需设计一个解耦矩阵对其进行解决[22]。从以上儿童书桌的矩阵类型，可知每个设计元素（行和列）都是独立的，没有相互影响，属于对角矩阵，这符合AD理论中的独立性公理，因此设计参数可用，即儿童书桌设计符合企业加工及生产。

3.4 方案设计

根据权重分析结果及公理设计参数映射，可知儿童书桌设计开发中在满足儿童学习需求时，应注重书桌造型设计、高度可调节性、视力保护、坐姿矫正、智能陪伴及材料环保性等。结合AD理论设计参数映射，对儿童学习桌进行概念设计，如图9所示。方案（1）主要考虑书桌智能化设计，在整体设计中内置电子显示屏，可监控也可连接手机进行打印；在高度调节方面主要采用智能化调节，以适应不同年龄段儿童需求；桌面角度可0~50度倾斜，满足不同学习需求，同时在桌面设计中内置抽拉隔板，进而增加桌面空间；在座椅设计中结合儿童身心特征，采用自动调节功能、追背设计等帮助儿童矫正坐姿。方案（2）在设计中除智能化设计外，在外观设计中更考虑书桌时尚感，整体采用流线型设计；在颜色方面主要采用科技灰与米白色进行搭配，凸显书桌科技感；座椅设计中增加可调节脚踏，可极大满足用户使用需求[23-24]。

■图9 方案设计

3.5 设计评价

为确保设计方案优选科学性及合理性，避免评价中决策者主观因素，采用层次分析过程中较重要子准则层中12项用户需求作为TOPSIS设计方案评价指标，即AD理论中CA1-CA12，其12项评价指标都为正指标，邀请8位儿童家具产品设计专家、12位儿童家具设计师，及12位用户对上述两个设计方案与样本方案（图4）进行综合评分，区间为七级李克特量表 （1-7分），其中非常满意（7分），很满意（6分），满意（5分），一般（4分），不满意（3分），很不满意（2分），非常不满意（1分）。为保证该问卷可行性，使用SPSS软件将60份问卷进行克朗巴哈系数检验，软件运算检验结果显示该问卷系数为0.836（该值大于等于0.7即表明该问卷具备可信度），可见该60份问卷可信度达标，因此，可根据TOPSIS如下步骤进行方案优劣决策：

步骤一，将问卷结果进行平均处理，构建初始评价矩阵，用F表示，如表10所示。

表10 初始评价矩阵

步骤二，归一化初始评价矩阵,计算标准化矩阵Rij：

步骤三，建立加权标准化矩阵uij：

式中：Wj表示权重。

步骤四，计算正理想解、负理想解A*、A-：

则：

步骤六，计算相对贴近度Ci：

通过上述的运算程序进行相应的计算，如图表11所示。得出各个方案的正、负理想解及相对贴近度，其中CI值越大表示方案排名越高，其对用户的满意度越高，由此可见方案1、方案2排名均大于样本方案。可见，将AHP/AD/TOPSIS的综合运用应用于儿童家具设计，不仅具备科学性，而且更加合理可行[25]。

表11 正、负理想解及相对贴近度

根据上述可知方案（2）为最佳设计方案，通过计算机辅助设计对方案（2）进行优化设计，如图10所示。儿童学习桌造型设计上主要采用弧线形，整体书桌外观造型时尚、美观，智能化程度较高；在功能上书桌配置智能语音助手，可回答儿童问题、给出学习建议，甚至可帮助儿童进行学习辅导，同时配置健康监测设备，可实时监测儿童姿势、眼睛健康等状况，并提供相应建议及提示；桌面0~50度任意角度锁定，可根据儿童年龄段和学习内容设计不同界面和学习模式，同时暗藏抽屉，增加收纳空间；整体书桌配置触控面板，一键控制书桌高度，以适应孩子不同年龄、身高阶段需求；桌面内置智能学习设备、打印机，进而满足儿童智能化学习需求；在椅子设计上，可以根据桌子高度进行调节，同时设计可伸缩脚踏，提供儿童更舒适的座椅空间；扶手可旋转、可调节，方便收纳。

■图10 设计方案图

4 结语

随着时代的进步，未来儿童学习桌将不断适应孩子们需求及学习方式变化，提供更加舒适、智能的学习体验[26]。本次研究主要集成AHP-ADTOPSIS构建儿童家具产品设计路径，从用户需求切入，通过运用AHP法构建判断矩阵，计算出准则层和子准则层用户需求权重求解。基于AD理论进行设计参数映射，设计出儿童学习书桌方案，并运用AHP-TOPSIS对已有产品与设计方案进行科学客观评价，避免了评估中决策者的主观因素影响，得出最佳设计方案。通过儿童书桌设计实践验证该路径有效性和可行性，结果表明该路径指导下的儿童家具可进一步提升用户使用体验。然而，本研究调研过程中一定程度上也受到用户主观因素影响，以及存在用户需求收集不够全面的问题，后续研究中将会扩大调研范围及样本数量，不断完善研究缺陷；此外，后续研究将采用人工智能手段获取更广泛的儿童家具用户需求，以及对儿童家具产品色彩及材质分别展开深入探讨。