儿童乘员安全互联系统设计研究

摘要：以用户需求为出发点，解决儿童安全座椅及其互联系统设计方案的主观性和片面性问题，设计符合用户使用场景与体现用户情绪价值的儿童乘员安全互联系统。提出一种结合Kano模型、层次分析法（AHP）、QFD方法的创新设计方法，提取潜在用户需求，并根据权重确定优先级，分析用户需求对应的功能要求，并确定产品特性，作为方案设计依据。设计实例并对系统设计方案进行模糊综合评价。基于Kano-AHP-QFD的设计方法应用于儿童乘员安全互联系统设计，能够深度挖掘与剖析用户需求，使方案更加客观合理。该方法同样也适用于其他产品的设计与优化。

关键词：Kano模型；层次分析法；质量功能展开；儿童安全座椅；车联网；模糊综合评价

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）10-0138-05

引言

随着汽车产业的发展，交通安全问题凸显，尤其是儿童乘员的安全，世界卫生组织多年研究报告均显示，交通伤害已成为儿童意外死亡主要原因[1]，保护儿童乘员安全最有效方式之一是使用儿童安全座椅。儿童安全座椅行业快速成长，但仍是“叫好不叫座”，其原因既有行业起步晚、市场不成熟等外部因素，也存在产品设计偏离用户真实需求的内部因素。新技术发展与消费升级形成了更加复杂的用户需求：卢春福等[2] 测试儿童乘坐时背部与臀部的压力探究舒适性；曹立波等[3] 对儿童安全座椅进行电动调节改进；徐豪等[4] 基于BLE低功耗蓝牙实现儿童安全座椅与手机等移动终端的智能互联。儿童乘员安全互联系统的产品特性越来越复杂，但如何真正满足用户需求才是产品设计的意义所在。而且，儿童乘员安全互联系统具有多用户属性（至少包括家长与儿童），不同用户在不同时点、不同场景下需求存在差异，甚至相悖。因此，在设计阶段准确分析用户需求并将其转化为产品特性至关重要。关于用户需求获取与产品特性转化的方法研究成果较多：张莉等[5] 利用Kano 模型探讨智能颈椎枕的用户需求并为智能颈椎枕的设计提供参考研究；李静等[6] 基于层次分析法（AHP）与模糊综合评价对多动症儿童体能类玩具进行设计与评价；贾玉玉等[7] 以软木多功能凳为例研究基于QFD 和TRIZ 的集成设计方法在儿童家具上的应用。然而，实际的设计过程往往欠缺系统性、层次性。

本文结合Kano 模型、层次分析法（AHP）、QFD 方法构建一种创新设计方法，深入挖掘用户需求，减少主观性、片面性，为儿童乘员安全互联系统方案的有效设计提供了重要参考依据。

一、儿童乘员安全互联系统

儿童乘员安全互联系统由儿童安全座椅与汽车智能座舱组成。儿童安全座椅，是儿童约束系统（Child Restraint System，简称CRS）的一种，根据不同体重或身高的儿童而设计[8]，安装于汽车内，能在车辆发生碰撞时有效保护儿童乘员安全。儿童安全座椅满足用户对于安全的诉求同时，解决消费者的场景冲突，比如解放家长双手、消除家长单独带孩子出行时无法照看的场景冲突。消费者对产品要求越来越高，行业一直致力于新结构设计与新材料应用，以提高座椅的舒适性、便利性。而车联网与人工智能的发展，推动儿童乘员安全产品的迭代升级，从传统结构类型耐用消费品到成为智能座舱生态重要的终端电子产品，从传统儿童约束系统扩展到由儿童安全座椅与移动终端相结合的互联系统，从与手机的简单通信演变为由智能儿童安全座椅、移动终端、云端组成的面向服务的车联网系统[4]。智能儿童安全座椅通过BLE 低功耗蓝牙与移动终端（手机或汽车智能座舱车机系统）相连，并通过移动网络连接到云端，是其中一种系统架构，如图1 所示。将传统座椅升级为检测的“触角”、信息的“载体”和服务的“抓手”，从而提升用户体验。

由此可见，儿童乘员安全互联系统的设计，将用户需求体现在架构中的每一个接触点：智能儿童安全座椅、移动终端应用软件的功能要求与交互方式、云端的服务等，因此，要求设计人员系统性考虑用户需求到产品特性的转化。

二、研究方法

（一）流程构建

构建一种结合Kano 模型、层次分析法（AHP）、QFD 方法的创新设计方法，将需求层层递进，从潜在需求到关键需求，再将需求转化为功能要求，提炼产品特性，进而作为设计依据：

步骤1：需求采集。通过文献研究、用户访谈等方式了解需求现状，构建用户画像、描述用户故事；组织消费者与领域专家采取头脑风暴、群体创新方法挖掘用户场景与潜在需求，将用户初始描述进行属性分类汇总。

步骤2：用户需求分析。基于模糊Kano 模型设计调查问卷，确定每种需求对客户满意度或不满意度的影响，区分每个需求类型，筛选出基本型需求、期望型需求、兴奋型需求3 组[9]。

步骤3：需求分级排序。根据领域专家的调查问卷与专家意见，采用层次分析法（AHP），构建层次结构模型，计算同层不同用户需求的权重，并进行排序，择取优先级最高的用户需求。

步骤4：功能要求分析。剖析用户需求对应的功能要求，将需求与功能导入QFD 模型[10]，利用QFD 方法评估需求与功能矩阵的相关程度，提炼产品特性，为设计提供重要依据。

步骤5：设计评价。结合用户场景、用户操作，对设计系统方案并进行模糊综合评价。

步骤6：设计实施。将系统设计方案付诸实施，产品管理及时获取反馈，升级迭代。

（二）Kano 模型

质量管理专家狩野纪昭教授于1984 年提出Kano 模型，该模型能够反映产品功能需求具备程度与用户满意度之间的关系，并将用户满意度的影响因素分为5 类：基本型需求（M）、期望型需求（O）、兴奋型需求（A）、无差异型需求（I）与反向需求（R）。基本型需求是产品所必需的功能，不满足则会严重损害用户满意度；期望型需求是用户对产品或服务提出的更优秀的期望，如不满足则会造成用户满意度的明显降低；兴奋型需求是指在用户期望之外的需求，如果满足此类需求，即使其功能并不完善，也能提升用户满意度；无差异型需求是指并不会造成用户满意度变化的需求；反向需求是指对应特性反而会降低用户满意度的需求。

（三）层次分析法

层次分析法（AHP）是美国运筹学家Saaty 于20 世纪70 年代初，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。层次分析法（AHP）将决策相关的元素分解成目标层、准则层与方案层，进而进行定性和定量分析，其基本思路是将复杂决策问题建立层次结构模型，将评价指标进行两两比较，由高层次的评价指标往低层次的评价项目逐一分解，通过量化方式进行综合评价，得出决策方案相对重要性的排序。吕欣等[11] 利用层次分析法（AHP）结合逼近理想解排序法（TOPSIS）提出一种儿童安全座椅设计方案综合评价方法，并对3 款儿童安全座椅的设计方案进行了综合评价，最终确定最优方案。

（四）QFD 方法

QFD 方法是20 世纪60 年代由日本学者赤尾洋二提出的多层演绎分析方法，是一种将客户质量需求应用于产品开发和服务不同阶段的工具。QFD 方法能够实现用户需求与功能要求良好转换：利用图示方式展现产品功能与用户需求之间的关联程度，并用关系矩阵量化二者之间的关系，通过评分详细计算不同产品功能对用户满意度的影响程度，从而确定核心功能要求以及提升用户满意度的可行设计方案。

三、系统设计

（一）需求采集

组织邀请消费者与相关领域专家，如儿科医生、儿童心理专家、汽车行业专家等，应用头脑风暴、群体创新方法获得儿童乘员出行过程中潜在用户需求。根据市场调研绘制典型且不同的虚拟群体，建立用户画像。围绕虚拟用户群体，挖掘用户场景；基于用户场景下的用户故事与用户行为，探索用户与系统及产品的接触点，并进一步分析使用过程中的痛点，如图2 所示。可以看到儿童乘员安全互联系统不只是限制儿童活动而保障其安全的工具，而是汽车智能座舱生态下，用户育儿场景中不必可少的环节，不同的时点、用户、儿童及其状态具有多种多样的需求。将信息汇总，明确需求属性关系，将相似属性归结为一类，经过分类筛选获得一级需求项：安全性、舒适性、娱乐性与便利性。设计问卷调查，将电子问卷通过网络渠道发放给来自不同城市、不同收入水平的25～35 岁年轻父母，此次共分发200 份，搜集有效问卷172 份。

（二）基于模糊Kano 模型的潜在需求分析

根据需求对用户满意度与不满意度的影响，利用模糊Kano 模型识别二级需求项的需求类型。通过对每道题正向与逆向的回答进行双提问并做记录。根据Better-Worse 系数分析法，处理每个需求指标的数据，并对其进行分类，如表1 所示。

通过Kano 模型的拾取，有时候和预先的主观判断存在出入，例如，“宝宝定制电台”从调研结果中被认为是基本型需求，而安装便利性却是无差异型需求，这可能与儿童安全座椅安装的频次较低相关。但总之，尚需要进一步通过层次分析法（AHP）筛选出更加聚焦的需求。

（三）基于层次分析法（AHP）的需求排序分级

层次分析法（AHP）是一种对定性问题进行定量化分析的决策方法，在对儿童乘员安全互联系统设计的工程中能够应用层次分析法（AHP）有效提取核心需求，避免传统分析方法的主观缺陷。根据Kano 模型的需求分类结果构建层次结构模型。根据层次分析法（AHP）设计调查问卷，采用专家打分法对同层不同需求的重要程度进行判断。

1. 构建判断矩阵。以一级准则层为例，判断矩阵A = （aij）m×n，其中aij表示第i 个指标对第j 个指标的重要性。同理可以构件二级准则层的判断矩阵。

2. 权重计算。计算每个判断矩阵内需求的权重Vi：采用方根法求出平均值，将结果归一化处理，求得各项权重平均值ri 和权重向量R=（r1，r2，...rn）T [12]。

3. 一致性检验。计算所得的权重数值是否存在相互矛盾，权重分配是否合理，还需要进一步对结果进行一致性检验，可以通过权重平均值ri 和权重向量R 计算最大特征根λmax，根据最大特征根λmax计算判断矩阵一致性指标的CI，根据矩阵阶数n 选取平均随机一致I，并计算判断矩阵随机一致性比率CR[13]。当矩阵A 的随机一致性比率CR ＜ 0.1 或最大特征根λmax=n 且CI=0 时，则矩阵A 前后一致。

根据上述步骤构建判断矩阵、计算权重并进行一致性检验，如一级准则层Ro=（0.6747，0.1676，0.0591，0.0985）T，最大特征根λmax=4.042，CI=0.014，CR=0.016，一致性检验通过。同理，二级准则层构件判断矩阵、计算权重、一致性检验，汇总结果见表2 所示。

据综合权重对需求排序结果，有些需求为兴奋型需求，如舒适结构调节（比如电动倾角调节），在具备的情况下，消费者（家长）会认为能够提升用户（儿童）的乘坐舒适感，因此其满意度会大幅提升，然而，事实上优先级排序结果可以发现其权重较低。如果将兴奋型需求误解读为重要产品特征，则会因为主观性问题导致设计偏离用户真实需求，从而导致无谓投入而达不到理想的市场反映。层次分析法（AHP）能够通过对比、排序挖掘用户潜在真实意图。

（四）基于QFD 方法的功能要求分析

基于用户需求的设计，困难点不仅在于如何分析、预测和跟踪客户的潜在需求，更在于如何将用户需求转化为功能要求、产品特性。一方面，不同的功能要求、用户需求的关联程度有所不同；另一方面，实现用户需求的功能要求和产品特性可能存在设计冲突。如为实现儿童安全座椅产品的折叠收纳或电动调节，其产品结构将与传统结构的儿童安全座椅不同，在产品重量、碰撞过程中的受力等方面其性能均会受到影响，甚至产生冲突，例如，折叠座椅往往在2+3组（大童）产品上实现，而不适合在0+1+2 组（小童）产品上实施，又如电动功能会增加产品的重量，而导致无法满足法规需求等。QFD方法能够将用户需求转化为设计要求、零件特性、工艺要求和产品要求等功能要求，并通过建立“质量屋”进行相关性分析。利用QFD方法组织专家，选取层次分析法（AHP）权重较高的8 项用户需求，分析儿童乘员安全互联系统功能要求，并归纳汇总，如表3 所示。继而构建质量屋，如图3 所示，左栏为用户需求；上栏为功能要求；中间为用户需求与功能要求相关关系矩阵，将功能要求满足用户需求的程度由高到低按5、3、1 标度，分别表示强相关、中等相关、弱相关或不相关关系；“屋顶”为功能要求相关矩阵，表示不同功能要求之间的相关性，其中“●”代表正相关，即一项功能要求促进另一项功能要求的优化，“×”代表负相关，即一项功能要求造成另一项功能要求的恶化。质量屋的底部是根据用户需求与功能要求关系矩阵计算得到的功能要求权重[6]。

最终获得的产品特性并不一定是调研的“兴奋型需求”，也并不一定是代表技术含量的先进功能，因为此创新设计方法根本目的在于将设计的产品特性匹配用户的真实需求。因此可以看到，座舱结构与动态安全是儿童乘员安全互联系统最根本的产品特性，而电动控制与折叠机构相较于检测系统与智能互联，优先级较低，相对不重要。

四、设计实例与综合评价

（一）设计实例

儿童乘员安全互联系统由儿童安全座椅、移动终端与云端组成。儿童安全座椅的座舱结构、动态安全、检测系统，移动终端与云端的智能互联、应用服务，在功能要求中名列前五。另外，折叠机构与电动控制的功能要求，因组别、重量、供电、结构设计等限制，与座舱结构、动态安全呈负相关。据此，设计儿童安全座椅，组别为0+1+2 组，使用年龄段为出生至约7 岁，采用ISOFIX+ 支撑腿的安装方式，满足国标3C 与欧标ECE/R129 要求，360°旋转可正、反向安装，重量＜ 15Kg，尺寸满足BOX 要求；根据儿童生长发育生理特性[14]，设计C 型环抱式座舱、零压云枕；采用Cool-Max 透气材料，开发吸风式电子通风散热功能。设计儿童入离座检测，即可作为离座提醒，入座状态又可以作为卡扣检测与儿童遗留告警的前置条件；设计卡扣检测，保证儿童正常约束；设计ISOFIX 安装检测，指导用户安装座椅；设计辅助功能，环境温度检测作为风扇自动模式下开启/ 关闭的阈值条件，电量检测在用户使用电池供电时的提醒，座椅端设计具有触控功能的交互显示屏。其设计效果，如图4。

儿童安全座椅连接移动终端，以汽车智能座舱车机系统为例，其应用软件用以告警提醒与功能控制。汽车智能座舱技术快速发展给予智能交互更多想象，人工智能通过语音识别、语义分析，提供定制化服务，如宝宝专属电台，结合独立音域技术，让家长与宝宝获取不同的内容与体验。部分汽车厂家更具操作系统底层的技术能力，用户不需要打开应用实现交互，汽车启动时，车机系统将自动连接设备（靠近发现），服务卡片半模态下提供服务，如图5。此外，系统还可借由移动网络，连接云端，提供更多服务，实现远程推送。

（二）设计评价

设计评价是较为主观的评价行为，利用模糊综合评价方法对多指标要素的评价结果进行量化处理。建立评价等级及评价标准，采用统一评语集V={ 极不满意，不满意，一般满意，较为满意，非常满意}。设计调查问卷，邀请20 位消费者参与满意度调研，根据调研结果构建安全性、舒适性、娱乐性、便利性的评价矩阵C1、C2、C3、C4，以C4 为例：

其对应的各子集权重分别为，R1=（0.6232，0.1371，0.2395）T，同理根据R2、R3、R4。建立总体指标的模糊综合评价矩阵Cs：

根据B=R×C[15]，计算设计方案S1 综合评价向量，根据最大隶属度原则，设计方案的模糊综合评价的结果为较为满意，符合设计初衷。择取与设计方案S1 具有相同组别的同公司市售儿童乘员安全产品，S2 为传统安全座椅，S3 为具有检测、通讯功能的儿童安全座椅，组成方案集S=（S1，S2，S3）。按照相同方法对其进行评价，计算的S2 综合评价向量B2=（0.11，0.25，0.24，0.22，0.18），评价结果为不满意，S3 综合评价向量B3=（0.00，0.14，0.34，0.30，0.22），评价结果为一般满意。由此可见，设计方案对市售儿童乘员安全产品优化效果显著。进一步比较3 个方案，可以看到检测系统、智能互联等产品特性为提升调查对方案的满意度提供了显著的贡献，由检测系统、智能互联、应用服务共同实现的如儿童遗留告警等用户需求重点体现出消费者对儿童乘员安全互联系统的真实需求。

结语

针对解决产品设计过程中存在的主观性与片面性问题，以满足用户真实需求为出发点，构建一种结合Kano 模型、层次分析法（AHP）和QFD 方法的产品创新设计流程，对儿童乘员安全互联系统的设计研究。采用模糊Kano 模型获取用户需求并进行分类，采用层次分析法（AHP）根据需求权重排序，采用QFD 方法将用户需求转化为功能要求，并分析功能要求满足用户需求的相关性获取核心产品特性，实例化设计方案并进行模糊综合评价，最终评价结果显示，设计方案相较于传统儿童乘员安全产品有显著优化。Kano-AHP-QFD 设计方法适用于儿童乘员安全互联系统的创新设计。此外，实践中应注重工艺、成本等因素对产品设计的影响。

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