基于AHP與TOPSIS法的自閉癥兒童康復訓練產品設計評價方法及應用

王媚雪，翟洪磊

基于AHP與TOPSIS法的自閉癥兒童康復訓練產品設計評價方法及應用

王媚雪，翟洪磊

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004)

針對自閉癥兒童康復訓練產品設計方案評價的方法和流程，減小方案選擇過程中人的主觀性和片面性，運用層次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)對自閉癥兒童康復訓練產品進行綜合評價。首先通過文獻研究和專家訪談構建了康復訓練產品的評價體系，其次運用AHP確定了各項評價要素的權重，然后采用專家打分的方式建立了初始評價矩陣，對矩陣進行標準化處理后獲得了加權標準化矩陣，從而得出正理想解和負理想解，接著通過計算各待評價方案與理想解的距離確定最終的等級排序，最后對該方法進行了驗證。基于AHP與TOPSIS法的自閉癥兒童康復訓練產品評價方法實現了對3款康復訓練產品的優先級排序，可以減小設計方案評價的主觀性和片面性，為今后自閉癥兒童康復訓練產品的設計評價和方案優選提供參考。

工業設計；自閉癥兒童康復訓練產品；逼近理想解排序法；層次分析法；設計評價

自閉癥又稱孤獨癥，是一種先天性腦發育障礙疾病。我國13億人口中約有超過1 000萬的自閉癥患者，其中0~14歲的自閉癥兒童人數超過200萬[1]。自閉癥的研究已經有70多年的歷史，至今沒有找到可以治愈的方法，但及時、有效的康復訓練可以幫助自閉癥兒童恢復基本的生活能力，所以針對自閉癥兒童的康復訓練就顯得格外重要。具身認知理論認為，兒童時期身體的動作和形式可以影響到人的認知和心智[2]。相關研究也表明[3-5]，一定的游戲可以影響孩子的情緒，具有抗焦慮和抗抑郁的作用，減少其自傷行為。

通過對自閉癥康復中心進行調研和查閱相關文獻發現，目前針對自閉癥干預訓練的產品研究尚不成熟，市面上這類產品也基本處于空白的狀態。對于自閉癥兒童的干預訓練都以桌面式教學為主，訓練形式主要分為認知訓練、感覺統合訓練、精細動作訓練和減壓訓練4類[6]。國內自閉癥干預產品主要分為3種，國外進口的產品、正常兒童的玩具和教具、康復中心自行制作或在普通玩具基礎上改良的產品[7]。由于國外進口的產品種類少，價格較昂貴，而且也沒有達到理想的訓練效果，所以在自閉癥干預訓練方面應用較少。自閉癥康復中心自行制作的產品價格較便宜，而且可以根據自閉癥兒童的癥狀做針對性的訓練，所以得到了廣泛的應用，但是該類產品在設計上比較簡單，也沒有一個系統性的方法來指導其進行設計。因此，本文借助層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)與逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)分析法，建立了一種針對自閉癥康復訓練產品評價體系，以幫助設計師和自閉癥康復中心的專家對產品實現設計評價。

1 相關研究

1.1 自閉癥康復訓練產品的研究現狀

自閉癥康復訓練產品主要是指自閉癥康復訓練輔具和玩具等，國外針對孤獨癥兒童的教育康復產品研究起步較早，因此相關教育康復、訓練的產品設計較為成熟，從傳統的特殊玩具、教具產品，再到現在的智能交互機器人，不僅產品種類繁多，而且注重孤獨癥兒童的生理、心理特征，將用戶需求放在第一位。Reveal是Awakes Labs公司專門為自閉癥兒童設計了一款手環，可以記錄自閉癥兒童的運動量、心率等等，其內置的心率傳感器和溫度傳感器可以檢測到佩戴者崩潰的前兆，通過配套的APP發送到監護人的手機上，從而可以使監護人明白是哪些行為導致了行為崩潰。國外也有將體感交互技術運用到了自閉癥的康復訓練中，如文獻[8-9]設計的“圖像重疊”游戲和“形狀游戲”均是根據自閉癥兒童的認知和行為特點設計的游戲。當前國內市場針對于孤獨癥兒童康復及訓練的產品設計研究尚不成熟，患兒在其康復訓練過程中使用的教育輔助類產品數量較少、種類單一，但是國內也有一些學者進行了這方面的研究。周雁和宋方昊[10]基于應用行為分析法設計了一款自閉癥兒童認知訓練的APP；季靈芝[11]也將虛擬現實技術運用到了自閉癥兒童的康復訓練中。可以看到，越來越多的學者將新技術、新設備運用到自閉癥兒童的康復訓練中，但是卻鮮有對自閉癥康復訓練產品設計方法的研究。

1.2 層次分析法

1971年，美國學者Scary提出了AHP，這是一種定性與定量相結合的分析方法，在該方法的評判決策過程中，邏輯判斷的條理性和科學性極強，已經廣泛應用于跟決策有關的各個領域中[12-13]。常瑜等[14]基于AHP和模糊綜合評價相結合的方法，建立了掃地車造型設計量化評價模型。楊柳等[15]運用模糊層次分析法構建了座椅舒適度的綜合評價模型，為座椅的設計評估和企業的選型提供了可量化參考的依據。可以看出，AHP可以科學地計算出各項要素的權重值，幫助設計師進行等級評價和優先次序排序。

1.3 TOPSIS分析法

TOPSIS分析法又叫做逼近理想解排序法，是一種用來解決方案多目標分析的常用方法[16]。TOPSIS分析法對原始的數據矩陣進行歸一化處理后，引入正理想解與負理想解的基本概念，通過判斷評價對象與正、負理想解的距離來對方案做出評價。若方案最靠近正理想解和最遠離負理想解，則為最佳方案，并以此為依據對方案進行優劣排序[17]。因為TOPSIS分析法無法確定每項評價要素的權重，需事先給定所用的權重，所以引入了AHP以確定評價對象各項評價要素的權重，以做到更加科學、有效地評價。陳明和郭立新[18]采用熵權法確定各指標權重，然后再以TOPSIS法進行排序，建立了一種電動汽車動力性和經濟性的綜合評價模型。蘇珂和王碩[19]運用BP神經網絡計算出各種組合方案的得分，然后利用TOPSIS法確定綜合滿意度排序，最終以3D打印機造型設計為例進行了驗證。

2 基于AHP與TOPSIS法的自閉癥康復訓練產品評價流程

通過對AHP和TOPSIS法進行文獻的研究分析，建立了AHP與TOPSIS法產品評價流程，通過這種方法實現對自閉癥康復訓練產品的評價流程，如圖1所示。

圖1 基于AHP與TOPSIS法的產品評價方法流程

2.1 建立自閉癥康復訓練產品設計的層次分析模型

AHP模型由下到上依次為方案層、準則層、目標層。通過文獻[20–23]研究、問卷調研與訪談法，確定了9個層次分析模型中準則層的要素：安全性、耐久性、環保性、互動性、操作簡單、結構設計合理、娛樂性、益智性、啟發性。由此得出自閉癥康復訓練產品設計的AHP模型，如圖2所示。

圖2 自閉癥康復訓練產品設計層次分析模型

(1) 安全性。康復訓練產品的安全性分為形態和材料2方面。某些自閉癥兒童在受到外部刺激后會做出過激行為，比如用物體敲打自己、撕咬產品等，因此形態上要求產品沒有尖銳的棱角，將產品的形態做圓滑處理，產品需選擇柔軟、舒適、無毒的材料。

(2) 耐久性。自閉癥兒童存在重復刻板的行為，會對產品做出拍、摔等動作，造成產品損壞，因此，與普通兒童的訓練產品相比，為自閉癥兒童群體設計的產品應該更具耐久性。

(3) 環保性。由于自閉癥兒童特有的行為特征，經常會對產品造成破壞，而且，長時間的使用同一產品會使其失去興趣，導致有很多產品被丟棄，為此，在產品的設計中要考慮到對周圍環境的影響。

(4) 互動性。自閉癥兒童存在著交流障礙和社交障礙，這是自閉癥的典型特征。產品的互動性指在訓練的過程中可以提供人與人之間的互動場景、團結協作，增加自閉癥兒童與其他人的交流，對康復訓練起到積極的作用。

(5) 操作簡單。自閉癥兒童的認知能力與普通兒童相比都有一定差距，因此在針對其康復訓練產品的設計中，要降低操作的難度，避免因難度太高使其喪失使用的興趣，進而達不到康復訓練的目的。

(6) 結構設計合理。產品的結構設計要合理，且具有穩定性，產品的穩定性是保證功能的前提，實現康復訓練的目的。同時，合理的結構設計也會增加自閉癥兒童的體驗性，提升其訓練的興趣。

(7) 娛樂性。自閉癥兒童康復訓練產品的本質是兒童玩具，在設計時要體現玩具的特性，為自閉癥兒童的康復訓練營造出輕松愉快的氛圍，提升訓練的樂趣。

(8) 益智性。自閉癥兒童的認知水平與普通兒童相比存在著差距，因此在康復訓練產品的設計上，要做到可以刺激兒童的大腦活動，提升自閉癥兒童的認知能力。

(9) 啟發性。康復訓練的最終目的是將訓練中提升的技能應用到日常生活中，自閉癥兒童是學習的主體，在產品的設計中要注意調動其學習和訓練的主動性，引導其獨立思考，提升生活自理能力。

2.2 使用AHP法確定評價要素的權重

由名專家組成的決策專家集={1,2,···,S}，對各項評價要素采用1~9的評價標度對評價要素進行兩兩比較并進行評分，評價標度見表1。

表1 評價標度及其含義

根據表1，對項評價要素由相關專家進行兩兩比較并建立判斷矩陣=[]·。根據判斷矩陣的數據，計算出權重向量=[]1·，并計算出每一個評價要素的權重，即

2.3 一致性檢驗

為了使數據合理，需要對權重計算結果進行一致性檢驗，則有

其中，R為隨機一致性檢驗指標，R的值見表2。C為一致性檢驗指標，當C=0時，可以判斷具有完全的一致性；當C接近于0時，有滿意的一致性；當C越大，不一致性就越嚴重。當C≤0.1時，可以認為判斷矩陣通過一致性檢驗，所得到的各項評價要素的權重值符合要求。

表2 隨機一致性指標

2.4 根據各項要素權重構造加權矩陣

設有個待評價方案，可以構成方案集={1,2,···,D}；有個評價要素構成的要素集={1,2,···,F}，則評價要素特征矩陣為

首先對矩陣進行標準化處理后得到標準化矩陣

加權處理后得到加權標準化矩陣

2.5 求正負理想解

令

則正理想解為

負理想解為

2.6 計算各方案到理想解的距離以及相對貼進度

各方案與正理想解+和負理想解–的距離為

計算出每個方案與理想解的相對貼進度，即

根據相對貼進度C的值進行排序，C的值越大，說明評價對象的優先程度越高，反之，則優先程度越低。

3 基于AHP與TOPSIS法的自閉癥康復訓練產品評價應用

選取項目組已經投放在秦皇島某自閉癥康復中心的3款自閉癥康復訓練產品(圖3~5)，利用上述的方法對其做出方案優選排序，然后進行驗證。

圖3 方案A

圖4 方案B

圖5 方案C

3.1 確定自閉癥康復訓練產品評價要素

對圖1準則層的9項評價要素進行正負指標分類，可知其皆為正指標，見表3。

表3 自閉癥康復訓練產品評價要素

3.2 使用AHP法確定各項評價要素權重

選取自閉癥康復中心的5名康復專家，采用表1中的1~9評價標度對自閉癥康復訓練產品的9項評價要素進行兩兩評價并打分，取每項評價要素分數的算術平均值作為最終分數。借助matlab軟件求出每項要素的權重，見表4。

根據上述的一致性檢驗方法對自閉癥康復訓練產品的各項評價要素的權重結果進行檢驗，由式(2)可知C＝0.0534<0.1，所以，表4為各項評價要素的權重通過了一致性檢驗，所得的權重值符合要求。

表4 評價要素及其權重

3.3 根據各項評價要素權重構造加權矩陣

選取自閉癥康復中心的9名專家和4名設計師對上述的3款方案的9項評價要素進行評分，評分區間為0～10分(0<很差≤3，3<較差≤5，5<一般≤6，6<較好≤8，8<很好≤10)，取其算術平均數作為每項評價要素的最終得分，見表5。

表5 初始評價矩陣

根據式(4)對其進行標準化處理，建立標準化評價矩陣，見表6。

表6 標準化評價矩陣

根據表3求出的各項評價要素的權重，通過式(5)得到加權標準化矩陣，見表7。

表7 加權標準化評價矩陣

3.4 計算評價對象的正負理想解

根據式(6)~(9)求出正理想解與負理想解為

+=(0.1681，0.0465，0.0468，0.0847，0.1215，0.0688，0.0353，0.0244，0.0214)

–=(0.1464，0.0427，0.0363，0.0734，0.0980，0.0619，0.0293，0.0224，0.0193)

3.5 計算各方案的歐式距離及相對貼進度

根據式(10)~(12)計算各方案的歐式距離及相對貼進度C，見表8。

表8 歐式距離以及相對貼進度

C的值越大，說明方案與正理想解的距離越近，與負理想解的距離越遠，該方案就越好。通過表8可以發現，TOPSIS分析法對自閉癥康復訓練產品的3款方案進行了優先級排序，方案C明顯優于其他2款方案。

3.6 結果驗證

為了獲得科學的驗證結果，選取了秦皇島某自閉癥康復中心的18名高功能自閉癥兒童對其進行實驗驗證。使用課堂學習行為觀察表，18名被試隨機分成3組，每組6人，對其進行1個月的干預測試，在干預前、后分別根據課堂學習行為觀察表對被試進行了研究統計，見表9~11。

表9 產品A干預后自閉癥兒童行為統計表

由統計數據可知，方案C的干預效果明顯優于其余2款方案，結果與運用AHP與TOPSIS組合法所得到的結果一致，證明了上述方法應用于自閉癥康復訓練產品的設計評價和方案選擇上是可行的。

表10 產品B干預后自閉癥兒童行為統計表

表11 產品C干預后自閉癥兒童行為統計表

4 結束語

為了減小針對自閉癥康復訓練產品設計評價和方案選擇中的片面性和主觀性，使決策更加科學合理，基于AHP與TOPSIS分析法提出了一種針對自閉癥康復訓練產品的綜合評價方法，建立了自閉癥康復訓練產品的評價要素體系，確定了各項評價要素的權重，運用AHP法與TOPSIS法對3款產品進行了排序。通過案例可以看出，運用AHP法和TOPSIS分析法對自閉癥康復訓練產品進行方案優選是可行的，該方法可以為不同的訓練產品方案進行優先級排序，也為以后自閉癥康復訓練產品的設計評價和方案優選提供了參考。此外，在進行方案選擇中，也存在著不足：由于自閉癥兒童自身的原因，在對不同方案的每項評價要素進行評分時，是由康復中心的專家完成的，評分帶有一定的人為主觀性。后續將會通過進一步的研究，對評價方式做出進一步的改進，使結果更加科學合理。

[1] 張茂林, 陳琳, 王輝, 等. 國內康復機構自閉癥兒童評估情況調查與分析[J]. 中國特殊教育, 2009(8): 35-38. ZHANG M L, CHEN L, WANG H, et al. An investigation into assessment of autistic children in domestic rehabilitation agencies[J]. Chinese Journal of Special Education, 2009(8): 35-38 (in Chinese).

[2] 趙寒冰. 具身認知觀對特殊教育的啟示[J]. 中國特殊教育, 2014(8): 26-28. ZHAO H B. Implications from embodied cognition for special education[J]. Chinese Journal of Special Education, 2014(08): 26-28 (in Chinese).

[3] BYRNE A, BYRNE D G. The effect of exercise on depression, anxiety and other mood states: a review[J]. Journal of Psychosomatic Research, 1993, 37(6): 565-574.

[4] BIANCHI-BERTHOUZE N. Understanding the role of body movement in player engagement[J]. Human Computer Interaction, 2013, 28(1): 40-75.

[5] NEELY L, RISPOLI M, CAMARGO S, et al. The effect of instructional use of an iPad? on challenging behavior and academic engagement for two students with autism[J]. Research in Autism Spectrum Disorders, 2013, 7(4): 509-516.

[6] 黃偉合. 兒童自閉癥及其他發展性障礙的行為干預: 家長和專業人員的指導手冊[M]. 上海: 華東師范大學出版社, 2003: 3-100. HUANG W H. Behavioral interventions in Children with autism and other developmental disorders: a handbook for parents and professionals[M]. Shanghai: East China Normal University Press, 2003: 3-100 (in Chinese).

[7] 于新宇, 陳東帆, 李睿強. 現代化技術在自閉癥康復領域應用的研究綜述[J]. 中國特殊教育, 2016(3): 17-22. YU X Y, CHEN D F, LI R Q. Review of the application of modern technology in autism rehabilitation[J]. Chinese Journal of Special Education, 2016(3): 17-22 (in Chinese).

[8] GARZOTTO F, GELSOMINI M, OLIVETO L, et al. Motion-based touchless interaction for ASD Children: a case study[C]//Proceedings of the 2014 International Working Conference on Advanced Visual Interfaces-AVI’14. New York: ACM Press, 2014: 117-120.

[9] BARTOLI L, GARZOTTO F, GELSOMINI M, et al. Designing and evaluating touchless playful interaction for ASD children[C]//Proceedings of the 2014 conference on Interaction design and children - IDC’14, New York: ACM Press. 2014: 17-26.

[10] 周雁, 宋方昊. 基于應用行為分析法的自閉癥兒童認知訓練APP設計[J]. 包裝工程, 2018, 39(8): 132-139. ZHOU Y, SONG F H. Cognitive training APP for autistic children based on applied behavior analysis[J]. Packagine Engineering, 2018, 39(8): 132-139 (in Chinese).

[11] 季靈芝. 體感游戲在孤獨癥兒童干預中的應用[D]. 杭州: 浙江工業大學, 2016. JI L Z. The application of motion sensing games on the intervention of children with autism[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2016 (in Chinese).

[12] 張東方. 基于FAHP的立體車庫人機界面可用性評價方法[J]. 機械設計, 2014, 31(4): 97-100. ZHANG D F. Usability evaluation method of human computer interface of stereoscopic garage based on FAHP[J]. Journal of Machine Design, 2014, 31(4): 97-100 (in Chinese).

[13] 龍泉. AHP-模糊綜合評價法在績效評估中的應用研究[J]. 冶金經濟與管理, 2007(2): 45-48. LONG Q. Research on the application of AHP fuzzy comprehensive evaluation method in performance evaluation[J]. Metallurgical Economics and Management, 2007(2): 45-48 (in Chinese).

[14] 常瑜, 劉寶順, 田園. 基于層次分析法的掃地車造型模糊綜合評價方法及應用[J]. 機械設計, 2017, 34(3): 121-125. CHANG Y, LIU B S, TIAN Y. Method and application of fuzzy comprehensive evaluation of sweeping vehicle modeling based on AHP[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(3): 121-125 (in Chinese).

[15] 楊柳, 汪天雄, 張潤梅, 等. 基于模糊層次分析法的智能電飯煲設計評價與應用[J]. 機械設計, 2019, 36(4): 129-133. YANG L, WANG T X, ZHANG R M, et al. Evaluation and application of intelligent rice cooker design based on fuzzy analytic hierarchy process[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(4): 129-133 (in Chinese).

[16] 孔峰. 多屬性決策模型的選擇反轉問題研究[M]. 北京: 中國農業科學技術出版社, 2011: 1-197. KONG F. Research on selection inversion of multiple attribute decision making model[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2011: 1-197 (in Chinese).

[17] 廖炎平, 劉莉, 邢超. TOPSIS中不同規范化方法的研究[J]. 北京理工大學學報, 2012, 32(8): 871-875, 880. LIAO Y P, LIU L, XING C. Investigation of different normalization methods for TOPSIS[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(8): 871-875, 880 (in Chinese).

[18] 陳明, 郭立新. 基于AHP-熵權-TOPSIS的電動汽車動力性經濟性綜合評價方法[J]. 機械設計, 2013, 30(4): 15-19. CHEN M, GUO L X. Comprehensive evaluation of power performance and energy consumption economy of battery electric vehicle based on AHP-entropy-TOPSIS[J]. Journal of Machine Design, 2013, 30(4): 15-19.

[19] 蘇珂, 王碩. 產品多意象造型設計研究[J]. 機械設計, 2016, 33(3): 115-119. SU K, WANG S. Study of product modeling design with multiple images[J]. Journal of Machine Design, 2016, 33(3): 115-119 (in Chinese).

[20] 謝辰宸. 自閉癥兒童康復教育參與式載體的設計研究[D]. 無錫: 江南大學, 2014. XIE C C. Research on participatory medium in Autistic children rehabilitation education[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2014 (in Chinese).

[21] 韋鈺婕. 基于行為探索的自閉癥兒童輔助工具設計研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2017. WEI Y J. Research on auxiliary tools design based on behavioral exploration for autistic children[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2017 (in Chinese).

[22] 羅仕鑒, 應放天, 李佃軍. 兒童產品設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011: 122-127. LUO S J, YING F T, LI D J. Product design for children[M]. Beijing: China Machine Press, 2011: 122-127 (in Chinese).

[23] 李玉潔. 具有輔助治療功能的兒童玩具開發設計探討[D]. 上海: 華東理工大學, 2014. LI Y J. The design of toys with functions of treatment for children[D]. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2014 (in Chinese).

Evaluation method and application of rehabilitation training products for autistic children based on AHP and TOPSIS

WANG Mei-xue, ZHAI Hong-lei

(School of Art and Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

In order to study the methods and processes for evaluating the design of rehabilitation training products for autistic children and to reduce the subjectivity and one-sidedness in selecting a scheme, AHP and TOPSIS methods were used to comprehensively evaluate the rehabilitation training products for autistic children. Firstly, the evaluation system for rehabilitation training products was constructed through literature research and interviews with experts. Secondly, the AHP method was employed to determine the weight of the evaluation elements, then the experts’ scoring method was utilized to establish an initial evaluation matrix. After standardizing the processing of matrix, we obtained weighted normalization matrix, which led to the positive ideal solution and negative ideal solution. Then the final ranking was in the manner of calculating the distance between each solution to be evaluated and the ideal solution. Finally, this method was verified. Based on the AHP and TOPSIS methods, the evaluation method for autistic children's rehabilitation training products realized the prioritization of 3 rehabilitation training products, which can reduce the subjectivity and one-sidedness in the evaluation of the design plan and will be conducive to the future rehabilitation training products for autistic children. The method provides experience for design evaluation and program optimization of rehabilitation products for autistic children in the future.

industrial design; rehabilitation training products for autistic children; technique for order preference by similarity to ideal solution; analytic hierarchy process; design evaluation

TP 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030453

A

2095-302X(2020)03-0453-08

2019-12-04；

2020-02-29

秦皇島市科學技術研究與發展計劃項目(201703A264)

王媚雪(1977-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，學士，碩士生導師。主要研究方向為產品創新設計。E-mail：276590670@qq.com