基于動物行為理論的B/AHP/FAST創新設計方法研究

王慧，張書濤，鄒建強，賀成柱

基于動物行為理論的B/AHP/FAST創新設計方法研究

王慧1,2,3，張書濤2，鄒建強1,3，賀成柱1,3

（1.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，蘭州 730030；2.蘭州理工大學 設計藝術學院，蘭州 730050；3.甘肅省草地農業機械重點實驗室，蘭州 730030）

針對以AHP為核心的集成設計方法不適用于目標用戶為動物的情況，研究基于動物行為理論的B/AHP/FAST創新設計方法。將動物行為理論融入用戶行為地圖Behavior Map中并提取設計需求，再通過AHP/FAST集成方法將設計需求排序后轉化為主要功能和次要功能，最后以奶牛飼喂機器人為例詳細解釋整個創新設計方法的總體框架。得到一種以滿足動物基本需求為目標的產品設計方法與思考模式。這種全新的設計方法與模式為同類產品的設計提供了新的思維方式和研究角度，使設計更具系統性和科學性，可為類似設計案例提供方法借鑒。

動物行為理論；B/AHP/FAST；用戶行為地圖Behavior Map；層次分析法AHP；功能分析系統技術法FAST；奶牛飼喂機器人

隨著市場競爭的加劇，產品設計的市場導向逐漸由企業主導轉變為用戶主導。研究用戶在使用產品過程中的生理和心理需求成為設計師開展設計活動的出發點和落腳點[1]。目前基于用戶需求的設計方法應用較廣泛的有AHP層次分析法以及由此衍生的各種集成方法。王璐瑤等[2]使用AHP層次分析法對用戶在物境、情境和意境中的感官需求、使用需求和精神需求進行深入分析，得到基于用戶偏好的博物館文創產品設計層次定位和創新策略；宋端樹等[3]探索出一種AHP-FAST集成設計模式，并以助行器老人和輪椅老人使用盥洗設施時的使用需求為實例進行驗證和說明；蘇建寧等[4]將AHP/QFD/TRIZ方法進行集成，研究用戶在設計合理性、實用性、可靠性和經濟性方面的需求，并以此為指導對玫瑰花花蕾采摘機進行設計改良；周橙旻等[5]運用B/AHP/FAST集成設計方法研究獨臂殘疾人在洗浴行為中的單手操作需求，并以需求為導向得到適用于獨臂殘疾人的洗浴裝置。綜上所述，基于用戶需求研究的各類集成設計方法可以比較客觀準確地解決產品設計的立意問題，可以作為產品設計創新的一種思路。但從上述設計與研究中也不難發現，用戶需求的研究主體大多是人，需求的獲取方法基本采用用戶訪談或用戶問卷調查的方式進行，這對于一些目標用戶為動物的特定產品設計并不適用，因而需要進一步對集成方法進行修改。本研究旨在結合動物行為理論知識探索一種滿足動物基本生理需求的新的產品設計方法，期望其為以動物為目標用戶的特定產品設計提供新角度和新思路。

1 動物行為理論概述

動物行為是指動物對外界刺激和環境變化所做出的適應性表現，它能夠真實地反應出動物生存和生活的實際需要，與動物的健康成長具有密不可分的聯系。動物行為作為需求的外在表現，形式和種類繁多，一般分為正常行為與非正常行為兩大類。正常行為中常見的有采食行為、排泄行為、群體行為、母性行為以及性行為等；非正常行為一般可以理解為應激行為，無害的應激行為通常會在適應的過程中逐步消除，有害的應激行為（如熱應激、異食癖、自我摧殘等）會對動物的福利、健康和生產性能產生負面影響，導致動物采食量減少、免疫力減弱、患病甚至死亡[6]。

基于動物行為的仿生設計比較常見，最著名的是“阿萊西水壺”，它以水燒開時蒸汽通過壺嘴發出的清脆叫聲仿生鳥類的鳴叫行為，表達對自然的崇敬之情。這類設計一般是通過仿生實現人的某種情感宣泄，產品的目標用戶始終是人。將動物行為和動物本身作為研究對象和目標用戶的設計案例雖并不常見，但已經開始引起更多人的關注。孫芊芊等[7]通過對羊只生活習性、行為特性及應激反應表現的研究，設計出了避免產生不良應激反應的飼喂裝置；孫娜[8]通過對大熊貓生活習性、行為特性和心理特性的研究，設計出了適宜其生存和生活的大熊貓館內部空間；王靜怡等[9]通過研究動物行為學理論，提出了居住區寵物狗活動空間的設計策略。這些研究為動物行為的設計應用提供了啟示。

因此，人類需要了解動物行為理論，才能與動物之間和諧發展。對養殖業來說，學習動物行為理論尤為重要。飼養者通過觀察動物行為，了解動物的基本需求，并以此為依據選擇合適的飼喂設備保障動物生存的基本行為，規避不利的應激行為，這不僅能從根本上提高動物福利，還能為企業帶來巨大的經濟效益。

2 基于動物行為理論的B/AHP/FAST集成設計方法

B/AHP/FAST方法是一種從用戶行為角度出發尋找需求并將需求對應到功能的一種集成設計方法。B代表Behavior Map，即用戶行為地圖；AHP是一種將決策問題定量化的方法，用來將行為對應的需求進行量化排序；FAST是一種定性分析解決問題的辦法，幫助實現需求到功能的轉化。

2.1 基于動物行為理論的用戶行為地圖Behavior Map

用戶行為地圖也稱為用戶行為旅程圖，通過剖析用戶的產品使用過程，將用戶使用前、使用中到使用后的整個過程的動作進行分解，聚焦用戶在每個使用過程或基本動作中的體驗感、交互度、滿意值等，從用戶角度挖掘產品的需求點、痛點和滿意點，為最終設計方案的提出提供依據[10]。

基于動物行為理論的用戶行為地圖是將動物的行為表現與產品的使用聯系在一起，通過分析動物在使用或接觸某類特定產品之前、之中和之后的動作分解、行為反應特點、應激反應等，尋找造成應激反應的痛點因素，并最終在滿足動物各階段生理需求的前提下映射為相對應的設計需求，進而指導產品的設計。如表1所示，基于動物行為理論的用戶行為地圖包括三個階段，即相關行為活動前P1、相關行為活動中P2、相關行為活動后P3，最終設計需求為N1、N2、N3…N。

表1 基于動物行為理論的用戶行為地圖

Tab.1 User Behavior Map based on Animal Behavior Theory

2.2 層次分析法AHP

層次分析法，英文全稱Analytic Hierarchy Pro-cess，縮寫AHP，它的核心內容是將各級目標和準則的影響因子進行分層次、定量化分析，并通過計算獲得決策結果[11]。在產品概念創新設計中，采用AHP層次分析法可以將定性的設計決策因素進行定量化計算，從而規避了設計決策結果可能存在的主觀性和隨意性問題，使之更具可行性和合理性[12]。

2.3 功能分析系統技術法FAST

功能分析系統技術法，英文全稱Functional Ana--ly-sis System Technology，縮寫FAST，它的核心內容是將總功能分解為一種自上而下的多層級遞進關系，從而確定各層級間的主次關系以幫助定義和解析產品的功能體系[13]。在產品設計領域中使用此方法可以幫助創建產品功能樹模型[14]。

2.4 基于動物行為理論的B/AHP/FAST集成設計方法流程

基于動物行為理論的B/AHP/FAST集成設計方法從動物行為出發尋找產品設計需求，通過定性和定量相結合的方法分析和解決問題?；趧游镄袨槔碚摰腂/AHP/FAST集成設計流程分為三個步驟，即需求推導、需求優先級判斷、功能體系構建，如圖1所示。第一步分析動物在相關行為過程中的動作步驟、行為特點、應激誘因、生理需求等，提取出基于動物行為的設計需求；第二步使用AHP方法對需求進行分階段判斷、權重計算、一致性檢驗、綜合排序等；第三步使用黑箱法將需求按優先等級釋義為功能，再將所有功能帶入FAST功能模型樹中，整合為產品的基本功能和次級功能，構建出完整的產品功能體系，生成方案并展示效果[15]。

圖1 基于動物行為理論的B/AHP/FAST整體設計流程

3 實例研究

本研究以奶牛飼喂機器人設計為例，將基于奶牛行為理論的B/AHP/FAST集成方法應用于設計需求的推導和需求轉化等過程，指導得出最終設計方案。

3.1 基于奶牛行為地圖Behavior Map的需求推導

奶牛的行為相對簡單，與飼喂機器人相關的行為主要為采食行為，伴隨采食過程還會產生其他相關行為。例如在等待進食之前，因飼喂機器人的入場可能會導致奶牛產生躲避行為和探究行為；在進食中，由于奶牛的采食偏好可能會產生挑食行為和滾料行為；在進食后，還會有飲水、反芻、休息等行為。本研究通過查詢資料、訪問飼養者、觀察及經驗總結對奶牛采食過程進行解讀分析，分析各階段行為的特點以及出現應激反應的誘因，并從設計的角度規避這些問題，從而收集提取飼喂機器人的設計需求。

首先，將奶牛采食過程分為采食前、采食中和采食后三個階段，列舉每一階段伴隨采食行為產生的其他行為；然后，分解每一階段奶牛的動作，分析每步動作的行為特點以及可能導致產生應激反應的因素；最后，根據上述內容推導得到奶牛在不同階段的生理需求，進而得出奶牛飼喂機器人的設計需求，如圖2所示。

圖2 奶牛采食過程的行為旅程圖

通過奶牛行為地圖推導，得出16項設計需求，即巡航定位、低噪運行、造型圓潤光滑、縮短奶牛等待進食的時間、提供安靜舒適的進食環境、遇到障礙可以緊急制動、布料及時充足且能檢測草料中的異物、隨時觀察奶牛狀況、提供營養豐富的新鮮飼料、推回飼料并進行二次補給、二次補給要及時、剩余飼料回收、飼喂數據信息收集、清掃飼料殘渣、速度可控和自動充電。

3.2 基于AHP的需求優先級排序

3.2.1 構建遞階層次結構

將基于奶牛采食行為地圖得到的設計需求按行為階段、動作步驟等進行分類，構建需求遞階層次模型，如圖3所示。

目標層為總目標，即設計一款動物友好型智能飼喂機器人產品；準則層中根據奶牛行為地圖將采食過程分為采食前、采食中和采食后三個階段（P1-P3）；子準則層為設計需求，將推導出的16種需求進行歸納合并，得到縮短奶牛等待時間，巡航定位、低噪運行，造型圓潤，安靜舒適的進食環境，遇到障礙可制動，布料及時充分能檢測草料中的異物，隨時觀察奶牛狀況，提供新鮮營養的飼料，推回飼料并及時二次補給，剩余飼料回收，飼喂數據收集，清掃飼料殘渣，速度可控、自動充電14個需求指標（N1-N14）。

圖3 奶牛飼喂機器人設計需求遞階層次模型

3.2.2 構建比較判斷矩陣

在遞階層次模型的基礎上設計專家調查表，并針對調查表給出的問題選擇三組不同行業的相關專家進行重要度打分。組1選擇奶牛行為專家4名，組2選擇奶牛飼養專家4名，組3選擇飼喂設備相關專家4名，專家打分的形式采用“九級標度法”，即對同一層級中的元素進行兩兩比較，運用定量化的數字打分比較兩者之間相對于上一層級的重要度[16]。標度量化值及其與重要度的對應關系，如表2所示。

將所有的專家打分結果錄入決策分析軟件Yaahp，并選擇合適的數據集結方式進行數據的集結與統計。最終，采用專家排序權重結果集結方式，依據每個專家的每一層級的分值構建判斷矩陣，12位專家共得到48個判斷矩陣，此處以最接近最終結果的專家5的判斷矩陣為例進行說明，如表3—4所示。

表2 標度量化值及對應的重要度含義

Tab.2 Scale quantization value and corresponding significance meaning

表3 準則層判斷矩陣及權重（專家5）

Tab.3 Judgment matrix and weights of the criterion level (Expert 5)

表4 子準則層判斷矩陣及權重（專家5）

Tab.4 Judgment matrix and weights of the sub-criteria level (Expert 5)

在專家5的準則層中，采食中的設計需求權重值最大，子準則層中排在前五的需求分別處于采食中和采食前這兩個層級，分別為N6、N9、N10、N1、N8。

3.2.3 一致性檢驗

一致性檢驗是證明數據可靠性的有效手段，在矩陣構建完成后，需要計算一致性指標值（=/）。若<0.1，則滿足一致性檢驗；若≥0.1，則不滿足一致性檢驗，需要對未通過檢驗的專家打分數據實行人為干預修正并再次分析。

對專家5的數據來說，max=3.002 6，=0.52，矩陣階數=3，針對準則層的判斷矩陣一致性計算如下：

式中：為判斷矩陣一致性指標；max為最大特征根；為矩陣階數。

式中：為一致性比率；為——隨機一致性指標。

由公式計算可知：=0.001 3，=0.002 5<0.1，即認為專家5的準則層矩陣通過一致性檢驗。然后繼續對專家5的子準則層的3個判斷矩陣進行一致性檢驗，計算得出的值分別為0.062 4<0.1，0.082 3< 0.1，0.097 9<0.1，因此專家5的判斷矩陣滿足一致性檢驗，模型和權重值具有可用性。

對于由多個專家打分所得的判斷矩陣，必須確保每個專家的判斷矩陣都能通過一致性檢驗才能說明數據的真實可靠，通過Yaahp軟件計算得出12位專家的48個判斷矩陣的一致性比例<0.1，這說明所有專家的判斷矩陣均通過一致性檢驗，層級模型和權重值可以作為下一步分析判斷的依據。

3.2.4 綜合需求評定

綜合需求評定即層次總排序，將各層級下的準則層指標權重值與其子準則層指標的權重相乘，乘積按數值大小進行排序即得到最終評定結果。本研究中，首先將12位專家對每個指標的打分權重值進行平均，然后將不同階段的平均權重P與子需求權重N相乘（P×N），得到綜合權重值并排序，如表5所示。

表5 綜合權重及排序

Tab.5 Comprehensive weight and sorting

從表5可知，采食中設計需求>采食前設計需求>采食后設計需求；二級指標的前五名為：P2×N6布料及時能檢測草料中的異物>P2×N9推回飼料進行及時二次補給>P2×N10剩余飼料回收>P1×N1縮短奶牛等待時間>P2×N8提供新鮮營養的飼料。因此，功能應向采食中的設計需求傾斜，同時要著重關注布料及時并檢測草料中的異物、推回飼料進行及時二次補給、剩余飼料回收、縮短奶牛等待時間、提供新鮮營養的飼料等需求。

3.3 基于FAST的功能推導

3.3.1 基于黑箱原理的需求轉化

通過奶牛采食行為地圖推導獲得飼喂機器人的設計需求后，需要將需求轉化為產品功能要素。首先，通過權重計算，將全部需求進行排序，篩選出主要需求和次級需求；然后，將主要需求帶入黑箱模型中釋義為基本功能，次級需求帶入黑箱模型中釋義為次級功能。

本節主要展示基本功能的釋義過程，次級功能與之類似，將不再闡述。黑箱原理轉化過程得出的基本功能有：布料功能、推料功能、落料回收功能、采料功能、攪拌與運輸功能，如圖4所示。

3.3.2 構建FAST功能模型

將黑箱法轉化得到的所有功能帶入FAST功能樹模型中進行功能的歸類和分解，將各級功能之間的關系串聯起來，繪制奶牛飼喂機器人FAST功能模型，得到系統全面的功能體系，如圖5所示。

圖4 基于黑箱原理的基本需求轉化

圖5 奶牛飼喂機器人FAST功能模型

綜上所述，基于奶牛行為理論的產品設計應著重于各功能的集成和整合，核心功能是實現采料、運輸、攪拌、布料、推料和落料回收的集成化，并在此基礎上附加安全性、多適應性調節和信息收集反饋等多項次級功能。

3.4 設計實例說明

奶牛飼喂機器人是一種畜牧行業專用的飼喂裝備，主要原理是通過智能化和自動化的控制方式實現對奶牛飼喂流程的遠程控制，它可以降低人工成本實現高效飼喂，是近幾年在國外市場上較流行的一種飼喂方式。

結合基于奶牛行為理論的B/AHP/FAST集成方法的定量與定性研究結果，綜合功能、結構、外觀等設計因素，開展新型智能奶牛飼喂機器人設計，產品設計效果如圖6所示。

在基本功能中，方案采用基于奶牛行為理論的B/AHP/FAST集成方法的推導結果，將采料、運輸、布料、推料、落料回收等流程集于一體，使飼喂過程更加系統科學，如圖7所示。具體飼喂實現的流程為：圖7a中的采料部件將窖儲的料草采挖打散并通過料筒送入料倉；飼喂機器人到達牛舍后，圖7c中的布料部件開始布料；奶牛在吃料時會翻滾料草，圖7b中的推料部件將翻滾出飼喂范圍外的料草推回；進食完畢后，圖7d中的采料部件將余料進行回收。

在次級功能中，對于集成方法得到的安全性與多適應性調節的結論也有體現。例如，在安全性指標方面，飼喂機器人尾部裝有雷達探測儀，可自動掃描路線及障礙物的位置；運動部件周圍以警示燈或警示條的形式進行安全提示；整體造型圓潤光滑，防止奶牛觸碰或舔舐時受傷。在多適應性調節方面，采料鏟斗可實現縱向伸縮、旋轉，以及橫向平移等操作，極大地拓展了作業范圍，如圖8所示；推料機構可收縮、可旋轉，適用于不同寬度的飼喂通道，如圖9所示。

圖6 奶牛飼喂機器人產品效果圖展示

圖7 飼喂機器人的四種基本功能模式

圖8 作業寬度可調的采料結構

圖9 作業寬度可調的推料結構

4 結語

本文在動物行為理論的基礎上，將動物行為與動物需求作為產品設計的出發點，構建了基于動物行為的B/AHP/FAST集成設計方法及流程。實例驗證表明，基于奶牛采食行為的B/AHP/FAST集成方法可以為飼喂機器人的設計提供定量與定性相結合的解決問題的辦法和思路，并獲得基于奶牛需求角度的飼喂機器人功能體系。該集成方法不僅能讓設計過程更具合理性和客觀性，還有效地彌補了現有設計方法的局限，能夠為某一類以動物為目標用戶的產品設計提供參考依據。

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Research on Innovative Design Method of B/AHP/FAST Based on Animal Behavior Theory

WANG Hui1,2,3, ZHANG Shu-tao2, ZOU Jian-qiang1,3, HE Cheng-zhu1,3

(1.Gansu Academy of Mechanical Sciences Co.,LTD, Lanzhou 730030, China;2.School of Design Art, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;3.Key Laboratory of Grassland Agricultural Machinery,Gansu Province, Lanzhou 730030, China)

Given that the integrated design method based on AHP is not suitable for the target users of animals, the paper aims to explore the B/AHP/FAST innovative design method based on animal behavior theory. Firstly, the animal behavior theory is integrated into the User Behavior Map to extract the design requirements. Then, the AHP/FAST integrated method is used to sort and transform the design requirements. Finally, the overall framework of the innovative design method is explained in detail by taking the dairy cow feeding robot as an example. A kind of product design method and thinking mode aiming at meeting the basic needs of animals are obtained. This new design method and mode provides a new way of thinking and research perspective for the design of similar products, making the design more systematic and scientific, and providing a reference for similar design cases.

Animal Behavior Theory; B/AHP/FAST; User Behavior Map; Analytic Hierarchy Process; Functional Analysis System Technology; Dairy cow feeding robot

TB472

A

1001-3563(2022)24-0144-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.24.016

2022–07–30

甘肅省科技重點研發計劃項目（20YF3GA005）

王慧（1985—），女，碩士，工程師，主要研究方向工業設計。

張書濤（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向工業設計、感性工學等。

責任編輯：馬夢遙