基于DEMATEL模型的智能家居系统设计研究

姚善良 刘少立

关键词：智能家居；设计策略；DEMATEL；系统设计；家居系统

引言

智能家居的定义始于配备有智能化技术的住宅，这些技术可以帮助检测居民活动、促进独立生活能力以及提高生活质量[1]，而智能家居系统则是在智能家居基础上提出的具有系统性创新技术解决方案和服务的住宅系统[2]。目前，有关智能家居系统的研究主要从工程技术角度和产品设计角度出发，缺乏对产品间交互关系和家居场景体验的研究[3]。由于智能家居的快速发展，其产品种类和数量已经极其庞杂，传统设计方法已经逐渐开始不适应如今的智能家居系统现状。因此，本研究从智能家居系统设计的角度出发，结合用户场景化体验，运用决策实验室分析法研究智能家居系统中各构成要素的影响关系和运行机制，并提出智能家居系统设计策略和建议，为智能家居系统完善提供可行路径。

一、智能家居系统构成要素分析

随着5G、WiFi6 等技术和基础设施的完善[4]，智能家居系统从原先单个产品的组合变成了综合性产品服务解决方案，全屋无线网络覆盖以及多设备接入使得智能家居系统的多设备联动更加容易落实，系统构成要素也在不断衍变，空气净化器、扫地机器人等新式家电在智能家居系统中的渗透率不断增长，新兴产品的出现使得系统整体的复杂性快速增加，有必要对智能家居系统构成要素及其内部交互关系进行系统的梳理与分析。

为了探究智能家居系统内部构成的交互关系，在分析市场上主流智能家居品牌推出的系统解决方案的基础上，通过研究相关文献资料[5] 以及运用人机工程学中观察法和实测法对智能家居系统中用户实际使用体验过程进行调研，并咨询了智能家居行业的专业设计师和相关领域的教授，从安保防护、环境调节、影音游戏、生活起居等多个家居子系统归纳智能家居系统中的代表性要素，经筛选完善后最终确定16 个构成要素，具体见表１。

二、智能家居系统要素分析DEMATEL模型构建

（一）模型理论基础

决策实验室分析法（DEMATEL）是美国Battelle 实验室学者A.Gabus 和E. Fontela 于1971 年在日内瓦的一次会议上提出的一种可以分析现实世界中复杂问题的方法论，通过矩阵或可视化复杂因果关系的结构建模分析系统各组件之间的因果关系[6]。DEMATEL 方法可以判断系统中各要素间的逻辑关系，借助各种影响矩阵计算出系统中单个要素对于其他要素的影响程度，并且把要素间的相互依赖关系转化为因果群，最终通过有限关系图发掘复杂结构系统的关键因素。DEMATEL 在复杂系统中要素间的非线性关联分析和中心度分析等方面具有显著优势，近年来已成为复杂系统、管理科学等领域专家学者研究与应用的热点方法[7]。在将DEMATEL 方法应用到智能家居系统要素分析有利于帮助挖掘其中的非精准和不确定信息，对于系统内部各要素的相互影响过程予以深入剖析。因此，本研究选择DEMATEL模型作为智能家居系统构成要素的分析模型。

（二）模型构建步骤

本研究在运用DEMATEL 模型研究智能家居系统要素的分析时，基于已经确定的构成要素生成调查问卷获取数据，依据问卷数据依次构建直接影响矩阵、规范化直接影响矩阵和综合影响矩阵，最终生成影响关系图[8]。具體步骤如下：

①问卷与数据收集。根据已经确定的智能家居系统构成要素F={F1，F2，…，Fn}，采用5 点李克特量表制作调查问卷，邀请决策小组的专家E={E1，E2，…，Em} 判断要素Fi 对要素Fj 的直接影响，从0 ～ 4 分的进行打分，判断标准为0 ～ 4 分别表示完全无影响、较低影响、中等影响、较高影响和非常高影响。

②构建直接影响矩阵Ｚ。通过问卷获取的原始数据制作第k 位决策专家判断的直接影响矩阵Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s，其中所有主对角线元素值均为0，即当i=j 时，zij=0，其中Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s代表决策者Ek 判断要素Fi对Fj 的影响程度，通过综合决策小组的意见，可得到直接影响矩阵Z=[zij]n×n：

（三）基于DEMATEL 模型的构成要素分析

根据表1 中的智能家居系统构成要素，采用0 ～ 4 的整数刻度为标尺制作调查问卷，并向从事智能家居系统行业的技术人员、设计师、工程师以及在家居设计领域从事科研与教学的教授和学者等发放调查问卷。本轮数据调研累计发放问卷100 份，回收有效问卷96 份，每一位被调查人员均拥有多种智能家居产品的使用经历或相关从业经验。为尽可能消除被调查人员主观判断对要素分析结果的客观性影响，本研究选择各受访人士对各构成要素打分的算术平均值作为该构成要素的数值，由此构建直接影响矩阵Z（表2）。在直接影响矩阵Ｚ的基础上按照DEMATEL 模型构建步骤的②～④，采用MATLAB软件进行计算，即可获得综合影响矩阵T（见表3）。

三、智能家居系统构成要素关系分析

（一）构成要素相互关系分析

执行DEMATEL 模型的构建步骤⑤，可以获得各构成要素的影响度、被影响度、中心度和原因度（见表4）。从各构成要素的相互关系来看，不同的家居产品在用户体验中具有不同的权重，影响度和被影响度的最大值达到9.254 和10.085 且均为传感器，这表明传感器对于家居系统中其他要素的影响程度最大[10]。智能家居系统实际运行过程中需要不同产品相互协作以保证智能家居系统的成立和运作，要素中心度越高则表明该要素参与了更多的交互合作，某个智能家居系统中各构成要素的中心度越高，代表该系统具有更好的协同性和整体性。

（二）四象限图要素分析

在获得各要素的影响关系后，根据其在图表中的位置将家居系统中的要素分为4 个象限，以中心度为横轴、原因度为纵轴将智能家居系统影响关系绘制为四象限要素分布图（见图1）。

从图1 可知，位于第一象限的要素在系统中具备支配作用，包括向其他要素发送任务指令或协同信息，受影响程度相对较小，在整个系统中担任输出型角色；位于第二象限的要素具备执行作用，在系统中更多作为实际任务的执行单位，这类要素对于家居环境的感知较为迅捷并且能够及时作出反应，对于提高用户实际使用的舒适性往往具有直观的促进作用；位于第三象限的要素具备相对独立性作用，和其他产品的关联性相对较弱，但仍具有不可替代性，在系统中执行其本身作用以保证系统的运行；位于第四象限的要素具备核心作用，参与了最多的系统协作和工作流程，串联了最多的家居体验，在系统中起到了节点作用，能够有效串联各要素间的交互关系。

（三）智能家居系统要素分布关系研究

评估要素间的影响程度，对于家居系统的量化评价会有很大的帮助。由于不同类型、不同受众的智能家居系统其实现形式相差很大，构成层次和系统复杂度也不具有可比性，因此一个具有可复制性的评价方式对于智能家居系统研究的作用就体现了出来。在智能家居系统中，同一产品在不同系统中承担的角色和重要性也是各不相同的，通过判定其在系统中的影响关系，以中间值为锚点定位各要素，从个体到整体，从要素到系统，挖掘智能家居系统中更多的需求信息和设计建议。各要素在四象限图中的分布关系见表5。

从表5 中可获得以下多种信息：①安保防护子系统中，摄像头、智能门锁、传感器、报警器均位于第四象限，即拥有较高的中心度且原因度为负值，在整个智能家居系统中属于核心要素，这也表明安防类产品对于其他设备的状态能够及时反馈并有效完成其安防类职能。②空气净化器和加湿器拥有最高的原因度，其共同点在于可以对空气造成明显作用，而空气在室内环境中具有最高的流动性，排名第三的扫地机器人则自身可以在室内不同场景间活动，活动度和相关介质流动性越高的要素通常具有越高的原因度。③直接影响矩阵中不存在可约等为零的影响系数，表明不同产品间均存在不同程度的联系性，且大多数要素集中在四象限图的中部。

四、设计策略及实践

（一）研究策略

研究结果显示，智能家居系统中的要素分布较为集中，大多数要素的中心度和原因度集中在中位数附近，各要素的综合地位较为平均，不存在单一要素具有显著性支配地位，同时，大多数要素的中心度集中在中位数附近，说明智能家居设备间具有较强的联系性，必须通过不同产品相互配合才能支撑起良好的用户体验，最终得出以下设计策略：

1. 增强智能家居系统中产品要素交互频率，推进系统架构优化。从产品要素分布紧密性来看，可以通过共享产品运行过程获取的场景信息实现产品交互，同时利用传感器等中心度较高的产品为节点，针对场景信息做出产品协同配合。这意味着对于传统的场景化架构是一种颠覆，即系统架构设计由一对多的中心结构变为相互连接反应的网状分布式结构。家居系统内部的信息交互有利于避免相同信息的二次获取，从技术实现层面保障系统高效性。

2. 推动交互端改革，提供灵活化交互方案。由于产品的硬件与软件有较紧密的共生关系，因而产品硬件的相互联系及其重要程度也应当在交互端界面显示出来，但当前的主流方案不同产品控制入口在交互软件界面的位置是固定不变的，根据本文的研究结果，中心度较高的产品适宜放在交互界面更醒目及更易操作的位置，同时根据用户拥有智能产品的不同自动调整其位置以适应不同家庭的使用需求。

3. 增强系统动态适应性，系统构成要素灵活配置。由结论可知，不同产品间的相互联系均不相同，而在现实的设计实践中，不同的用户所购买的智能家居产品是不同的，即可能存在的不同产品的排列组合有近乎无限的可能，对于不同产品的组成，都需要能够组成合理可用的家居系统。对于拥有不同产品组合的用户，需要在软件交互界面予以辅助引导使用，帮助用户快速适应不断发展进化的智能家居系统。

（二）设计实践

由于智能家居系统设计硬件种类繁多，短时间内无法在硬件层面进行改动和整合，设计实践主要集中在软件层面，其底层逻辑来自硬件交互关系决定软件交互关系，根据本文归纳的智能家居产品要素关系，对于现有软件的交互逻辑进行优化，如图2 所示。

1. 首页要素动态化展示。传统的智能家居交互设计中各个产品的位置是根据添加时间排列同时尺寸固定的，这对于快速寻找产品或完成特定操作增加了难度。本方案将不同产品在首页交互界面的尺寸大小区分为两种，以其原因度和中心度为划分标准，原因度和中心度更高的产品将占据更大的可交互面积以方便用户的操作，并且各个设备的位置应该根据硬件产品间的联系紧密性调节其在交互端的邻近关系；同时，在详情操作界面添加更多的可调节参数，从而适应更加复杂产品的精细化控制，如图2 所示。

2. 核心产品细化操作，保留操作日志。对于系统中心度和原因度高的产品，不仅在详情界面提供更多的细化操作，由于其关联的产品更多，可能产生的影响更大，对于这类产品的每类操作都需保留产品日志以进行操作记录，以便对智能家居的使用情况进行溯源分析。

3. 复杂方案自动排序，降低用户操作门槛。由于智能家居的产品愈来愈多，搭建完整的自动化逻辑变得更加复杂。由于自动化搭建本身就是产品间相互触发的过程，这一过程与本文研究的系统要素联系高度契合。本文研究的产品關联度可以为系统智能推荐方案提供基础。根据不同用户购买的产品搭配自动生成推荐方案，并由用户在这基础上稍作修改，极大减少了用户需要完成的操作步骤，让智能家居使用体验更加便捷化。

结语

智能家居系统设计不应再局限于对于传统家居产品的智能化进程，需要摆脱家居系统设计研究只能从单一用户群体视角出发的局限，推动智能家居系统设计的科学发展。家庭是人类生活的永恒话题，智能化的家居应当带来全新的生活体验和方式，创造温馨和谐的家庭生活环境才是智能家居系统设计的价值所在。