基于RAHP和QFD的智能空氣凈化器設計研究

鄭祎峰，王世偉

基于RAHP和QFD的智能空氣凈化器設計研究

鄭祎峰1，王世偉2

（1.金陵科技學院 藝術學院，南京 211169；2.山東工藝美術學院 工業設計學院，濟南 250014）

有效獲取用戶對家用智能空氣凈化器的需求及其優先級，進一步將用戶需求轉化為設計要求，識別出智能空氣凈化器的關鍵設計要求，進而為設計提供參考依據，提升用戶滿意度。首先通過問卷調查以及訪談法獲取用戶需求，并利用親和圖法（KJ法）構建關于智能空氣凈化器用戶需求的層次模型，再引入粗糙層次分析法（RAHP）獲取各項用戶需求初始重要度，同時運用模糊卡諾模型（FKM）確定各項需求類別，并基于需求類別引入調整系數對初始重要度進行調整，最后利用質量功能展開（QFD）將用戶需求轉化為設計要素，明確智能空氣凈化器的關鍵設計要求，指導智能空氣凈化器的設計。通過對智能空氣凈化器的用戶需求進行較為深入的分析，將用戶需求轉化為設計要求，識別出了智能空氣凈化器在濾網模塊、智能檢測模塊、信息顯示模塊、遠程APP控制模塊以及風速控制模塊等方面的設計要求重要度較高，并以此為依據提出了設計方案，得到了用戶較高的滿意度，所得研究方法及流程可為設計出符合用戶需求的產品提供參考。

空氣凈化器；用戶需求；粗糙層次分析法；模糊卡諾模型；質量功能展開

世界醫學界的權威期刊《柳葉刀》在其刊登的專欄中提到空氣污染作為危害人體健康的重要因素之一，其危害性被人們大大低估了，并稱全球每年因空氣污染而致死的人數大約有670萬人，其中因為室內空氣污染而致死的人數達到350萬人之多[1]。在中國，據統計每年大約有11.1萬人死于室內空氣污染，相當于我國平均每天有304人因空氣污染而致死[2]。此外，室內空氣質量不好還容易引起各種各樣的不適癥狀[3-5]，而人們平均每天呆在室內環境的時間超過80%[6]，可見一個好的空氣環境對人們的生活乃至生存環境至關重要。智能空氣凈化器作為一款潔凈空氣的家居產品，受到了越來越多人的歡迎，具有較大的市場需求[7]。隨著市場競爭進一步加劇，智能空氣凈化器的市場慢慢由以往的企業主導型轉變成用戶主導型，因此如何設計出滿足用戶切實需求的智能空氣凈化器顯得尤為重要。

一個好的產品在設計過程中都是以用戶切實需求為基礎的，挖掘用戶切實需求是產品設計研發前期的第一要務，只有真正挖掘用戶切實需求才能設計出讓用戶滿意的產品[8]。質量功能配置作為一種面向用戶的產品設計指導性方法，將用戶切實需求貫穿于整個產品生命周期，將用戶需求和產品特性相結合，通過整合分析得到用戶需求優先級和產品特性的重要度排序，進而將用戶的切實需求轉化為產品關鍵特性，識別出產品的設計重點，因而被廣泛應用于產品設計中[9-11]。但目前研究在確定用戶需求重要度過程中往往帶有一定的不確定性和模糊性，且在確定用戶需求重要度時忽略了用戶需求類別對提升用戶滿意度的參考價值，基于此，本文通過集成RAHP/FKM/ QFD模型，對智能空氣凈化器的用戶需求進行深入分析，為智能空氣凈化器的設計提供客觀、準確的指導價值，進而提升用戶滿意度。

1 智能空氣凈化器設計流程

人們會在自身需求的支配下產生一系列行為，因而用戶需求被認為是產品設計的起源，而通常情況下用戶需求并不是統一的，可以被分為不同的層次，并且用戶對眾多需求的側重點也不盡相同，因此為了使產品設計更好地滿足人們的需求，提高用戶滿意度，需要從用戶的切實需求出發[12]。當前市場上的智能空氣凈化器仍然存在一些不夠理想的地方，忽視了用戶作為智能空氣凈化器的直接使用者的切實需求，造成用戶滿意度較低，使用體驗感較差。基于此，本文構建了如圖1所示的研究流程，以期通過對用戶需求進行深入分析，識別出關鍵性的設計要求，進而設計出符合用戶切實需求的智能空氣凈化器。首先通過問卷調查、用戶訪談法獲取目標用戶需求，并通過KJ法對用戶需求進行層次劃分，構建智能空氣凈化器用戶需求層次模型，然后將粗糙集理論與AHP相結合，引入RAHP確定用戶需求初始重要度，其次基于模糊卡諾模型依據用戶需求的分類結果，引入調整系數對用戶需求初始重要度進行修正，獲得融合用戶滿意度的需求重要度，再借助QFD將用戶需求進一步轉化為設計要求，獲取關鍵性設計要求，為智能空氣凈化器的設計提供參考依據。

圖1 智能空氣凈化器設計研究流程

2 研究過程

2.1 獲取用戶需求集

首先通過問卷調查、用戶訪談等方式獲取有關智能空氣凈化器的用戶需求，經過初步統計與整合構成用戶需求集，再利用親和圖法對用戶需求集進行分類、篩選、歸納和補充，進而形成如表1所示的智能空氣凈化器用戶需求層次模型，包括空氣凈化、智能控制、信息可視化以及人機造型四個維度及其包含的16個具體用戶需求。

2.2 確定用戶需求初始重要度

在確定用戶需求初始重要度階段，為避免用戶評價的主觀性和不確定性等問題，使結果更加準確，因而引入PAHP來確定用戶需求初始重要度。RAHP主要是指將粗糙集理論中提出的粗糙數和粗糙邊界區間二者的優點相結合，以此運用于層次分析法中，RAHP在確定用戶需求重要度時，無需提供所處理數據之外的其他先驗信息，且能很好地應對決策多需求的問題，可有效解決用戶語言的不確定性等問題[13]。本研究通過邀請目標用戶以兩兩比較的形式對用戶需求重要度進行評價，進一步構建RAHP判斷矩陣，并對其進行必要的一致性檢驗，檢驗公式如下：

表1 智能空氣凈化器用戶需求層次模型

Tab.1 Hierarchical model of user needs for smart air purifiers

以一級用戶需求為例，即空氣凈化（A1）、智能控制（A2）、信息可視化（A3）、人機造型（A4），共獲取了5名用戶重要度判斷矩陣(=1, 2, 3, 4, 5)，具體如下：

通過式（1）—（2）計算得出各判斷矩陣的值均小于0.1，說明文中所構建的判斷矩陣通過一致性檢驗，可進行下一步分析。緊接著在此基礎上構建粗糙集決策矩陣，求出粗糙成對比較矩陣，將上述5個判斷矩陣表示為粗糙集決策矩陣的形式，表示為*：

以*中12為例，計算其中劃分3的粗糙數，對12=（3，3，3，2，5）而言，有：

粗糙邊界區間為：

因此劃分3的粗糙數為：

同理可求出劃分2的粗糙數為：

劃分5的粗糙數為：

同理進一步可獲取13、14、21、23、24、31、32、34、41、42、43,根據粗糙數和平均粗糙區間可構建用戶需求A1—A4粗糙成對比較矩陣。

獲取一級用戶需求A1—A4的重要度。將上述粗糙成對比較矩陣拆解為粗糙下邊界矩陣-和粗糙上邊界矩陣+：

進一步求出粗糙下邊界矩陣–和粗糙上邊界矩陣+對應的特征值和特征向量。

粗糙下邊界矩陣–的特征值和特征向量分別為：

《寄黃幾復》頷聯“桃李春風一杯酒，江湖夜雨十年燈”是黃詩佳句，《王直方詩話》載：“張文潛嘗謂余曰，黃九云：‘桃李春風一杯酒，江湖夜雨十年燈’，真奇語。”[13](P62)許多朝鮮詩人化用過，如徐居正《夜吟》：“宦夢凄涼三夜雨，交游零落十年燈。”金麟厚《奉和柳眉巖鐘山謫所》：“桃李春風際，江湖夜雨邊。”成汝學《煙村遠燈》：“夜久前村燦星點，一江煙雨十年燈。”李寅燁《又迭前韻》：“湖山夜雨詩千首，桃李春風酒一尊。”

粗糙下邊界矩陣–的特征值和特征向量分別為：

分別對特征向量–和+進行規范化處理，得到：

獲取一級用戶需求A1—A4的重要度：

得到一級A1—A4的用戶需求重要度為：

同理可得到二級B的用戶需求重要度，進而得到智能空氣凈化器各項用戶需求的初始重要度，如表2所示。

2.3 劃分用戶需求類別

在用戶需求分析階段，不僅僅只是考慮用戶需求的相對權重，還需綜合考慮各項用戶需求的屬性，明確各項用戶需求對用戶滿意度的影響關系，才能為智能空氣凈化器的設計提供更加全面有效的指導，因此本文引入卡諾模型對用戶需求進行進一步的屬性劃分。Kano模型由狩野紀昭于1984年提出，該模型最大的優點在于以用戶滿意度為前提，將產品或者服務屬性以用戶滿意程度進行類別劃分，主要將用戶需求劃分為五個類別屬性[14]，如圖2所示。在具體研究中，為避免傳統Kano模型在進行問卷調查時，不能準確反映出用戶的實際體驗與需求，文中引入模糊數學理論對問卷進行改進，利用模糊區間值[0,1]代替確定性值0和1，Kano模型需求分類評估表，見表3。

表2 智能空氣凈化器各項用戶需求的初始重要度

Tab.2 Initial importance of various user needs of smart air purifiers

圖2 Kano模型用戶需求類別屬性

表3 Kano模型需求分類評估表

Tab.3 Kano model requirements classification evaluation table

文中以模糊卡諾模型問卷的形式[15]將前文關于智能空氣凈化器的16項用戶需求制作成調查問卷，發放給用戶填寫。此次調查共發放100份，最終收回有效問卷81份，對收回的優先問卷進行整理，并根據模糊卡諾模型的分類步驟[16-17]，對用戶需求進行屬性劃分，最終結果如表4所示。

表4 用戶需求類別屬性劃分結果

Tab.4 Classification results of user demand category attributes

2.4 調整用戶需求重要度

式中：G為調整之后的最終重要度；G為用戶需求的初始重要度。

綜合用戶需求初始重要度及用戶需求屬性劃分結果，根據式（3）對初始用戶需求重要度進行調整，計算得出智能空氣凈化器用戶需求最終重要度如表5所示。

2.5 確定質量特征

QFD是由日本著名學者Akao等人在1972年提出的一項品質管理系統，QFD作為一個為開發設計人員提供的面向用戶的實用手段，可以將用模糊語言描述的基本要求轉化為可行的替代方案，用于改善各種系統的需求，并轉換為優先改進活動[19-21]。運用QFD可從用戶角度出發，將用戶有關智能空氣凈化器的主觀需求準確地轉化為具體的設計要求，使所設計的產品能真正地滿足用戶的切實需求，進而提高用戶對智能空氣凈化器的滿意度。

表5 智能空氣凈化器用戶需求最終重要度

Tab.5 Ultimate importance of user needs of smart air purifiers

為了降低技術知識獲取的片面性、差異性，通過查閱文獻，通過對智能空氣凈化器企業技術人員進行訪談等方式，收集智能空氣凈化器技術特性相關資料，并進一步整合后形成可描述的設計要求，具體智能空氣凈化器的設計要求如表6所示。

2.6 分析用戶需求與設計要素關系矩陣

在確定了家用智能空氣凈化器的用戶需求和設計要求后，通過構建質量屋建立用戶需求和設計要求之間的關系矩陣（見表7），以便明確家用智能空氣凈化器的關鍵設計要求，進而指導設計。

2.7 識別關鍵性設計要求

從表7可以看出，在智能空氣凈化器的研發過程中，濾網模塊、智能檢測模塊、信息顯示模塊、遠程APP控制模塊以及風速控制模塊五項設計指標重要度達到72.3%，占有較大比重，因此，在智能空氣凈化器的方案設計中，要著重考慮用戶在濾網模塊、智能檢測模塊、信息顯示模塊、遠程APP控制模塊以及風速控制模塊這五方面的需求，進而有效滿足用戶切實需求，提升用戶滿意度。

表6 智能空氣凈化器的設計要求

Tab.6 Design requirements for smart air purifiers

表7 關系矩陣

Tab.7 Relationship matrix

注：●表示強相關，取值為5；○表示中相關，取值為3；表示弱相關，取值為1；空白表示無相關，取值為0。

3 智能空氣凈化器設計

3.1 設計分析

從以上分析結果可以看出，濾網模塊這一設計要求所占比重最大，在設計當中應當著重考慮。濾網模塊作為智能空氣凈化器的核心組成部分，能有效過濾掉空氣中的大顆粒灰塵、纖維絨、可吸入顆粒以及甲醛等，進而能為用戶創造一個潔凈的居住環境，在空氣凈化過程中發揮著及其重要的作用。可以看出，用戶最注重的功能也是空氣凈化器最核心的功能，即凈化空氣。因此，在濾網模塊設計方面，采用三層過濾網進行空氣凈化，包括由聚酯纖維材料制成的粗效過濾網、玻璃纖維材料組成的高效HEPA過濾網以及活性炭過濾網，此外，采用UV紫外線對HEPA過濾網上附著的細菌病毒進行定向消殺，防止細菌病毒在濾網上滋生繁殖形成二次污染；其次智能檢測模塊這一設計要求占比也較大，說明用戶非常關心空氣凈化的效果及狀況，基于此，在智能檢測模塊設計方面，主要通過多種傳感器，包括PM2.5傳感器、光照度傳感器、溫濕度傳感器以及甲醛傳感器等，通過提取室內空氣，經過單片機處理和計算檢測當前室內空氣質量情況，空氣質量狀況可通過燈帶顏色顯示，綠色、橙色以及紅色分別代表優、良、差三種空氣質量狀況，便于用戶直觀地了解當前室內空氣的整體質量狀況；設計要求占比排在第三的是信息顯示模塊，結合前期用戶需求調研，在設計中設定有一塊液晶觸控顯示屏，可將當前室內空氣中的甲醛含量、PM2.5濃度以及空氣溫度和濕度等信息以量化的方式顯示在顯示屏上，便于用戶對當前空氣質量有一個更加具象的認知，同時考慮到風速控制模塊所占比重較高，在液晶觸控顯示屏上設定有風速大小調整控制功能按鍵，分為四檔風速，用戶可根據自身需求調節風速大小；最后，在遠程APP控制模塊設計方面，設計了與智能空氣凈化器配套的手機端APP，用戶可通過APP遠程控制智能空氣凈化器并查看相關數據。

基于以上功能分析，構建了如圖3所示的智能空氣凈化器工作原理示意圖。進一步通過三維軟件將設計方案加以渲染展現，最終整體效果圖如圖4所示，智能空氣凈化器爆炸圖如圖5所示，APP控制界面設計如圖6所示。

圖3 智能空氣凈化器工作原理示意圖

圖4 智能空氣凈化器效果圖

圖5 智能空氣凈化器爆炸圖

圖6 APP部分界面展示

在完成智能空氣凈化器設計方案后，邀請10位用戶運用李克特5級對設計方案進行總體評價，在用戶評價之前向用戶詳細地介紹了設計方案，便于用戶在評分之前對評價對象有一個良好的認知。最后計算10位用戶評分的算術平均值，結果為4.3，說明該設計方案能有效滿足用戶需求，得到了良好的用戶評價。

4 結語

用戶需求既是產品存在的緣由，也是產品設計的依據所在，如何從眾多用戶需求中識別出重要需求及其優先級，并轉化為設計要求為產品設計研發提供導向，是提升用戶體驗、提高用戶滿意度的關鍵一環。基于此，本文通過集成RAHP/FKM/QFD模型，對智能空氣凈化器的用戶需求進行較為全面的分析，首先基于用戶調研獲取用戶需求池，并利用KJ法構建了用戶需求層次模型；其次在用戶需求重要度分析階段引入粗糙集理論，運用RAHP較為客觀地求解用戶需求初始重要度，并借助FKM基于用戶滿意度對用戶需求進行類別劃分，進而引入用戶需求重要度調整系數，確定了融合用戶滿意度的用戶需求最終重要度；然后通過QFD模型將用戶需求轉化為設計要求，識別出了智能空氣凈化器在濾網模塊、智能檢測模塊、信息顯示模塊、遠程APP控制模塊這幾個方面的關鍵設計要求；最后根據研究結果對智能空氣凈化器進行了相應的方案設計，并通過用戶評分，設計方案獲得了較高的用戶滿意度，驗證了本文所構建的研究流程具有一定的可操作性，有助于設計人員更明確地設計出符合用戶需求的產品。

[1] FINE P, GOLDACRE B, HAINES A. Epidemiology—a Science for the People[J]. Lancet (London, England), 2013, 381(9874): 1249-1252.

[2] 蘇珂. 造夢者的防霾夢想[J]. 中國外資, 2015(1): 44-45.

SU Ke. Dreamer's Dream of Preventing Haze[J]. Foreign Investment in China, 2015(1): 44-45.

[3] M?LHAVE L. The Sick Buildings and other Buildings with Indoor Climate Problems[J]. Environment International, 1989, 15(1-6): 65-74.

[4] GOUYOU-BEAUCHAMPS J. Air Conditioning[J]. Aerobiologia, 1990, 6(1): 68-69.

[5] 張寅平. 中國室內環境與健康研究進展報告-2012, 2012[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2012.

ZHANG Yin-ping. Research advance report of indoor environment and health in China[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[6] 李先庭, 楊建榮, 王欣. 室內空氣品質研究現狀與發展[J]. 暖通空調, 2000, 30(3): 36-40.

LI Xian-ting, YANG Jian-rong, WANG Xin. Status and Development of Indoor Air Quality Research[J]. Hv ＆ Ac, 2000, 30(3): 36-40.

[7] 朱東梅. 空氣凈化器迎來戰國時代[J]. 現代家電, 2013(13): 60-62, 7.

ZHU Dong-mei. Air Purifier Ushers in Warring States Period[J]. Modern Household Appliances, 2013(13): 60-62, 7.

[8] 梁浩, 劉卓, 張芳燕. 基于用戶需求建模的血壓計造型設計[J]. 機械設計, 2015, 32(8): 126-128.

LIANG Hao, LIU Zhuo, ZHANG Fang-yan. Shape Design of Blood Pressure Meter Based on User Requirement Modeling[J]. Journal of Machine Design, 2015, 32(8): 126-128.

[9] 陳國強, 戴成, 申正義, 等. 基于QFD與FBS的可移動電力檢測設備創新設計[J]. 包裝工程, 2021, 42(2): 43-50.

CHEN Guo-qiang, DAI Cheng, SHEN Zheng-yi, et al. Design of Movable Electric Testing Station Based on QFD and FBS[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(2): 43-50.

[10] 蘇建寧, 魏晉. 基于AHP/QFD/TRIZ的玫瑰花蕾采摘機設計[J]. 機械設計, 2020, 37(8): 121-126.

SU Jian-ning, WEI Jin. Design of Rose Buds Picking Machine Based on AHP/QFD/TRIZ[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37(8): 121-126.

[11] 白彥偉, 喬鳳斌, 王瑾, 等. 質量功能配置在衛星包裝箱開發中的應用[J]. 上海航天, 2014, 31(S1): 122-125.

BAI Yan-wei, QIAO Feng-bin, WANG Jin, et al. Application of Quality Function Deployment on Packaging Device for Satellite[J]. Aerospace Shanghai, 2014, 31(S1): 122-125.

[12] 張幸榮. 以用戶需求為導向的產品設計研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(20): 303-305, 309.

ZHANG Xing-rong. Product Design Oriented by User Demand[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(20): 303- 305, 309.

[13] 王曉暾, 熊偉. 質量功能展開中顧客需求重要度確定的粗糙層次分析法[J]. 計算機集成制造系統, 2010, 16(4): 763-771.

WANG Xiao-tun, XIONG Wei. Rough AHP Approach for Determining the Importance Ratings of Customer Requirements in QFD[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2010, 16(4): 763-771.

[14] ATLASON R S, STEFANSSON A S, WIETZ M, et al. A Rapid Kano-Based Approach to Identify Optimal User Segments[J]. Research in Engineering Design, 2018, 29(3): 459-467.

[15] MATZLER K, HINTERHUBER H H. How to Make Product Development Projects more Successful by Integrating Kano's Model of Customer Satisfaction into Quality Function Deployment[J]. Technovation, 1998, 18(1): 25-38.

[16] 余森林, 陳茜月. 基于模糊Kano模型的戶外音箱創新設計研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(24): 202-208.

YU Sen-lin, CHEN Xi-yue. Innovative Design of Outdoor Speaker Based on Fuzzy-Kano Model[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(24): 202-208.

[17] 席樂, 張輝, 程建新. 基于模糊Kano模型的游客服務機器人造型設計[J]. 機械設計, 2017, 34(7): 110-113.

XI Le, ZHANG Hui, CHENG Jian-xin. Modeling Design of Tourist Service Robot Based on Fuzzy-Kano Model[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(7): 110-113.

[18] 唐中君, 龍玉玲. 基于Kano模型的個性化需求獲取方法研究[J]. 軟科學, 2012, 26(2): 127-131.

TANG Zhong-jun, LONG Yu-ling. Research on Method of Acquiring Individual Demand Based on Kano Model[J]. Soft Science, 2012, 26(2): 127-131.

[19] WANG Zeng-qiang, FUNG R Y K, LI Yan-lai, et al. An Integrated Decision-Making Approach for Designing and Selecting Product Concepts Based on QFD and Cumulative Prospect Theory[J]. International Journal of Production Research, 2018, 56(5): 2003-2018.

[20] WU Xin, NIE Lei, XU Meng. Robust Fuzzy Quality Function Deployment Based on the Mean-End-Chain Concept: Service Station Evaluation Problem for Rail Catering Services[J]. European Journal of Operational Research, 2017, 263(3): 974-995.

[21] BARAD M. Flexibility-Oriented Strategies[M]//Strategies and Techniques for Quality and Flexibility. Cham: Springer International Publishing, 2017: 31-57.

Design of Intelligent Air Purifier Based on RAHP and QFD

ZHENG Yi-feng1, WANG Shi-wei2

(1. School of Art, Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169, China; 2. School of Industrial Design, Shandong University of Arts and Crafts, Jinan 250014, China)

The paper aims to effectively obtain user needs and priorities for home smart air purifiers, further transform user needs into design requirements, identify key design requirements for smart air purifiers, and provide reference for design and improve user satisfaction. First, user needs are obtained through questionnaire surveys and interviews, and affinity diagram method (KJ method) is used to build a hierarchical model of user needs for smart air purifiers, and then rough analytic hierarchy process (RAHP) is introduced to obtain the initial importance of various user needs. At the same time, the fuzzy Carnot model (FKM) is used to determine the various demand categories, and the adjustment coefficient is introduced based on the demand category to adjust the initial importance, and finally the quality function deployment (QFD) is used to transform user needs into design elements. The key design requirements of the smart air purifier are clarified to guide the design of it.Through a more in-depth analysis of the user needs of the smart air purifier, the user needs are transformed into design requirements, and it identified that the design requirements of the intelligent air purifier in the filter module, intelligent detection module, information display module, remote APP control module and wind speed control module are of high importance. And based on this, a design plan is proposed, which has obtained high user satisfaction. The research methods and processes in the paper can provide references for designing products that meet user needs.

air purifier; user needs; rough analytic hierarchy process; fuzzy Carnot model; quality function deployment

TB472

A

1001-3563(2022)18-0072-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.010

2022–04–05

江蘇省教育廳哲學社會科學研究項目（2018SJA0479）

鄭祎峰（1981—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業設計、服務設計

王世偉（1981—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業設計、產品設計。

責任編輯：馬夢瑤