基于KJ-AHP-QFD的高鐵車站智能人體安檢門設計

李文凱 周祎德* 楊易銘

(1.昆明理工大學藝術(shù)與傳媒學院，云南 昆明 650051；2. 浙江華視智檢科技有限公司，浙江 杭州 310012）

近年來，高鐵作為連結(jié)城市與城市之間的公共交通工具，已經(jīng)成為人們最為便捷、可靠的交通方式之一。與此同時，隨著城市人口規(guī)模的不斷擴大和城市化進程的加速，高鐵車站的客流量與安檢壓力也在逐年上升。現(xiàn)階段的高鐵車站金屬安檢門的檢測精度低，可檢出的違禁物品較少，需人工復檢，對人力和經(jīng)驗的依賴度較高，因此通行體驗較差[1]；而太赫茲、毫米波等新型人體安檢技術(shù)可彌補金屬安檢門的缺陷，大幅提高安檢效率，且已在民航領域大規(guī)模運用[2]。新時代高鐵反恐安檢應該切實提升相關(guān)安檢硬件設施的基礎標準，切實滿足群眾的現(xiàn)實需求，并向民航安檢設施標準看齊，以提升鐵路綜合安全管理水平[3]。因此，適于高鐵車站場景的智能人體安檢門設計應該充分融入安檢工作人員與被檢測者的真實需求。而如何從設計學的角度出發(fā)，去處理需求與設計要素之間的關(guān)系，是本次研究的關(guān)鍵點所在。

目前已有部分學者通過集成KJ、AHP與QFD方法，來構(gòu)建科學的設計研究模型，建立需求與產(chǎn)品開發(fā)要素之間的聯(lián)系，優(yōu)化設計流程，得到更加貼合用戶需求的設計方案：盧星等[4]通過KJ-AHP方法對老年人胰島素注射器的功能需求進行研究，得出了層次化的功能需求指標，大大提升了胰島素注射器設計的適老性與易用性；吳儉濤等[5]通過集成KJ-AHP-QFD方法對兩用清掃車進行研究，減少了設計定位的主觀性和先驗性，提高了設計方案的科學性與實用性；陳晨等[6]通過KJ-FAHP-QFD集成模型，對用戶需求進行不斷分級與量化，完成了能夠解決用戶痛點的核酸采集機器人設計；于夢豪等[7]通過集成AHP-QFD-TRIZ對2類用戶需求進行了更準確的分析，從而實現(xiàn)了智能門衛(wèi)機器人方案的創(chuàng)新，優(yōu)化了設計的效率與可靠度，為智能社區(qū)機器人設計提供了新的思考方向。依據(jù)上述研究綜述可知，雖然已經(jīng)有了集成KJ-AHP-QFD法的研究先例，但鮮有研究者對設計方案進行綜合評估，難以驗證設計方法的有效性。

研究擬使用KJ-AHP-QFD集成模型完成從用戶需求到產(chǎn)品功能與造型設計要素的轉(zhuǎn)化，借助PUGH決策矩陣進行方案評估與驗證，得出最優(yōu)解，完成融合毫米波人體成像技術(shù)的高鐵車站安檢門創(chuàng)新設計，以解決現(xiàn)有安檢門安檢效率與有效性低下的問題，并進一步提升用戶體驗。

1 集成KJ-AHP-QFD模型的創(chuàng)新設計研究方法

1.1 KJ-AHP-QFD集成模型概述

KJ親和圖法是由日本東京工業(yè)大學的川喜田二郎教授提出的一種質(zhì)量管理工具。在產(chǎn)品設計領域中，可以利用KJ法將前期設計開發(fā)階段收集來的需求信息以相互之間的關(guān)聯(lián)度作為衡量標準，進行歸納整合，最終形成遞階水平層次的需求親和圖，從而幫助更好地定義問題與用戶需求[8]；AHP層次分析法是由美國運籌學家Saaty提出的能夠?qū)⒍ㄐ耘c定量分析綜合考量的一種決策方法，可以定位用戶需求權(quán)重，幫助產(chǎn)品開發(fā)者大幅提升設計研發(fā)效率[9]；QFD質(zhì)量工程展開法可以將用戶的需求要素轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設計要求、功能特性要求以及生產(chǎn)要求，它涉及一個多層次的演繹分析過程，是一種科學且嚴謹?shù)脑O計決策工具[10]。這種方法讓企業(yè)的產(chǎn)品從設計開發(fā)階段就能滿足目標用戶的需求，并將這些需求轉(zhuǎn)化為多元設計要素。HOQ即質(zhì)量屋，是質(zhì)量工程配置最重要的一個部分，可將用戶需求與產(chǎn)品技術(shù)特性相關(guān)元素的聯(lián)系通過直觀、可視化的方式呈現(xiàn)出來[11]。

與此同時，這3種方法皆存在著自身局限性。KJ法可以將前期的用研結(jié)果進行分類匯總，并對用戶需求進行層次化分析，但無法量化評估用戶需求的優(yōu)先級；AHP層次分析法雖能量化并排序用戶需求，但無法直接將用戶需求轉(zhuǎn)化為具象的產(chǎn)品功能解決方案，而QFD可以完美解決用戶需求與產(chǎn)品工程技術(shù)之間的矛盾，將抽象且感性的需求元素轉(zhuǎn)化為理性且科學的設計需求。因此KJ-AHP-QFD集成模型可以從更為科學且合理的角度去挖掘并分析用戶需求，給出解決對策。

1.2 基于KJ-AHP-QFD的高鐵車站智能人體安檢門設計流程

如圖1所示，研究按照需求提取、層次劃分、需求功能轉(zhuǎn)化和設計輸出4個步驟完成。

圖1 研究流程圖。

（1） KJ法獲取用戶功能需求清單。在設計初期，通過文獻研究與線下實地調(diào)研的方式對高鐵車站現(xiàn)有安檢門的現(xiàn)狀進行全面分析，包括功能、技術(shù)原理、造型、人機因素等，并進行定性歸納總結(jié)分析，然后根據(jù)分析結(jié)果設計調(diào)查問卷和訪談提綱，量化分析并深入挖掘用戶需求，通過KJ親和圖法初步建立高鐵車站智能人體安檢門的用戶需求清單。

（2） 運用AHP層次分析法進行需求權(quán)重排序。依據(jù)需求清單設計AHP調(diào)查問卷，收集用戶需求，利用AHP構(gòu)建需求層次結(jié)構(gòu)模型，分為目標層、準則層和指標層，并對用戶需求權(quán)重進行計算，建立比較判斷矩陣，根據(jù)權(quán)重值排序并進行一致性檢驗。

（3）運用QFD法進行功能需求轉(zhuǎn)化。利用QFD將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)特性，將用戶需求的權(quán)重與技術(shù)特性相結(jié)合輸入質(zhì)量屋中，構(gòu)建用戶需求——技術(shù)特性相關(guān)矩陣，對需求與產(chǎn)品技術(shù)特性之間的關(guān)聯(lián)性打分，最終得出所需的功能結(jié)構(gòu)權(quán)重。

（4） 設計實踐輸出。依據(jù)質(zhì)量屋所得出的產(chǎn)品技術(shù)特性需求權(quán)重指標進行設計實踐表達，將需求要素向產(chǎn)品功能與造型要素方面轉(zhuǎn)化，輸出具體的產(chǎn)品外觀設計方案,利用PUGH決策矩陣評估驗證得出最終方案。

2 基于KJ法與AHP法的高鐵車站智能人體安檢門用戶需求分析

2.1 KJ法獲取用戶需求清單

通過KJ法整理并歸納高鐵車站智能人體安檢門用戶需求的步驟為：①確定調(diào)研主題，明確調(diào)研目的。②聚焦調(diào)研對象。主要有兩類：一類是車站安檢處的安全員與管理者，另一類是接受安檢的行人。③進行問卷調(diào)研與用戶訪談，收集用戶需求信息。④結(jié)合桌面調(diào)研得出的信息歸類匯總并按層級劃分需求指標。如圖2所示，構(gòu)建高鐵車站智能人體安檢門的用戶需求清單[12]。

圖2 用戶需求清單。

2.2 AHP層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

利用上述KJ法整理出的功能需求清單作為構(gòu)建AHP層次結(jié)構(gòu)模型的基礎，并按照目標層、準則層和指標層的方式搭建出層次結(jié)構(gòu)模型[13]。AHP層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 AHP層次結(jié)構(gòu)模型。

目標層：基于KJ-AHP-QFD的車站智能人體安檢門設計A。

準則層：安全性B1、高效性B2、操作便捷B3、外觀與結(jié)構(gòu)B4四項作為準則層設計評價要素。

指標層：人臉信息識別C1、盡可能少的掃描死角C2、隱私保護性強C3、穩(wěn)固可靠C4、防水防磕碰C5；無肢體接觸D1、檢測盡可能多的違禁品D2、精準定位違禁物品D3；勸導式警報與燈光E1、操作鍵位置符合人機E2、信息顯示位置符合人機E3、檢測姿勢舒適E4、方便移動與搬運E5；科技感線條F1、開放式造型F2、可拆卸結(jié)構(gòu)F3、通道寬敞F4、實用耐久F5等18條分項指標。

2.3 用戶需求權(quán)重計算

課題組邀請了8位高鐵車站安檢員、8位高鐵車站被檢測人員與5位安檢門業(yè)務中心的資深設計研發(fā)人員參與了AHP問卷的評分，采用表1的1—9標度法對18個分項指標的重要程度進行兩兩比較并打分，構(gòu)建出比較判斷矩陣[14]。

表1 判斷矩陣量化指標

其次，采用幾何平均法、算數(shù)平均法等數(shù)學方法計算出上述判斷矩陣中各分項指標的權(quán)重值，如式（1）—式（3）所示。表2—表6為準則層和指標層的單層權(quán)重值。

表2 判斷矩陣A-（B1~B4)及權(quán)重

表3 判斷矩陣B1-（C1~C5)及權(quán)重

表4 判斷矩陣B2-（D1~D3)及權(quán)重

表5 判斷矩陣B3-（E1~E5)及權(quán)重

表6 判斷矩陣B4-（F1~F5)及權(quán)重

式中：

aji——判斷矩陣中第i行第j列要素；

n——判斷矩陣階數(shù)；

Wi——權(quán)重值。

為了規(guī)避專家打分的主觀性與隨意性導致評分出現(xiàn)自相矛盾的情況，還需對判斷矩陣進行一致性檢驗。檢驗需要運用到的公式如式（4）所示。若滿足CR≤0.1，則該判斷矩陣通過一致性檢驗[15]；若不滿足，則需重新構(gòu)建該判斷矩陣直至通過檢驗。

CI——驗證矩陣不一致程度指標；

RI——平均隨機一致性指標；

CR——一致性比率系數(shù)；

n——矩陣階數(shù)。

運用式（4）對目標層和準則層的判斷矩陣進行一致性檢驗，其中A、B1、B2、B3與B4的值分別為0.04、0.08、0.04、0.06和0.05，均小于0.1，通過檢驗，說明各指標數(shù)據(jù)的可信度與準確度較高。根據(jù)綜合指標權(quán)重進行排序。將各指標層的單層權(quán)重乘以與之對應準則層的單層權(quán)重得到綜合指標權(quán)重并進行排序，如表7所示。

表7 綜合權(quán)重及其排序

依據(jù)排序后的綜合指標權(quán)重可以發(fā)現(xiàn)，安全性與高效性是用戶最關(guān)注的兩個方面，新型高鐵車站智能人體安檢門應該在確保盡可能少的掃描死角的情況下，兼顧無接觸式安檢和人臉信息識別的功能；同時，操作區(qū)的按鍵與信息顯示的位置也需更加符合人機；在產(chǎn)品材質(zhì)、造型和結(jié)構(gòu)層面，產(chǎn)品需滿足實用耐久和防水防磕碰的要求，并往科技感風格的方向貼合。

3 基于QFD的用戶需求轉(zhuǎn)化

通過AHP法計算出用戶需求指標權(quán)重，然后利用QFD質(zhì)量功能展開法將用戶需求進一步轉(zhuǎn)化為高鐵車站智能安檢門的產(chǎn)品工程解決方案，如表8所示。其次，將需求層和工程技術(shù)方案之間的關(guān)聯(lián)進一步分析，以指導設計實踐。主要分為以下兩個步驟：

表8 需求——產(chǎn)品工程技術(shù)轉(zhuǎn)化表

（1） 構(gòu)建質(zhì)量屋。將準則層與指標層及其相關(guān)權(quán)重值排列在質(zhì)量屋的左側(cè)，構(gòu)成質(zhì)量屋模型的“左墻”；將產(chǎn)品工程技術(shù)特性填充在質(zhì)量屋模型的上方，即質(zhì)量屋的“天花板”；模型中間則用來填充產(chǎn)品技術(shù)特性與用戶需求之間關(guān)聯(lián)度的分值。

（2） 對需求層與產(chǎn)品技術(shù)特性之間的關(guān)聯(lián)度進行評分。本次研究邀請了8名高鐵車站安檢工作人員、4位車站被檢測人員與2位安檢門設計研發(fā)人員，并要求這14名用戶對需求層與產(chǎn)品技術(shù)特性的關(guān)聯(lián)度打分，用5、3和1來表示二者之間相對應的關(guān)系，分別對應強關(guān)聯(lián)度、中等關(guān)聯(lián)度和弱關(guān)聯(lián)度[16]，利用下列公式計算得出產(chǎn)品技術(shù)特性的相對權(quán)重。質(zhì)量屋模型如表9所示。

表9 質(zhì)量屋模型表

式中：

PiJ——相關(guān)性系數(shù)；

q——需求數(shù)總和；

Wi——需求權(quán)重；

Wj——技術(shù)特性絕對權(quán)重；

Wk——技術(shù)特性相對權(quán)重。

由質(zhì)量屋計算出產(chǎn)品技術(shù)特性相對權(quán)重的結(jié)果可以看出，在設計的過程中，應考慮如何用更先進的技術(shù)或手段，實現(xiàn)盡可能少的掃描死角并檢測更多的違禁物品，使工作人員能夠更加便捷與舒適地操控機器，以保證被檢測者全流程無接觸式的安檢體驗。

4 高鐵車站智能人體安檢門設計實踐

4.1 設計方案驗證與評價

依據(jù)上述質(zhì)量屋所得出的產(chǎn)品技術(shù)特性權(quán)重，筆者設計了3款適于高鐵車站場景的智能人體安檢門，將設計重點聚焦于產(chǎn)品的掃描模塊、識別模塊與操作模塊、外觀造型等方面，利用PUGH決策矩陣對安檢門方案進行驗證與綜合評估，PUGH矩陣可以定性地對方案進行決策，最終得出合理性最優(yōu)的設計方案[17]。

本課題組建了相應的專家評審小組，包含1位安檢門產(chǎn)品經(jīng)理、1位高級工業(yè)設計工程師、2位硬件工程師和6位高鐵車站安檢從業(yè)人員（從業(yè)經(jīng)驗2年以上），以提升方案評估的專業(yè)性。首先，選取功能設計較為詳盡的方案三作為評價基準參照方案；其次，評審小組將剩余方案與基準參照方案進行比較，使用“+”代表較基準參照方案更優(yōu)、“-”代表較基準參照方案稍差、“S”代表與基準參照方案持平[18]；然后，統(tǒng)計出各方案的凈分數(shù)，并進行排序；最后，依據(jù)表10驗證評估結(jié)果可知，方案一的凈分數(shù)最高，優(yōu)于方案二和方案三，具備較高的合理性與易用性，可以更好地滿足設計初衷，開發(fā)前景良好，因此，可作為最終方案深入優(yōu)化。

表10 驗證評估結(jié)果

4.2 最終設計方案展示

對方案一進行深入優(yōu)化設計后，具體細節(jié)如圖5所示。

圖5 高鐵車站智能人體安檢門最終設計方案。

（1） 掃描模塊設計：為了實現(xiàn)盡可能少的掃描死角并檢測盡可能多的違禁物品，選取毫米波雷達收發(fā)陣列作為掃描模塊。毫米波雷達掃描技術(shù)比較成熟，在國內(nèi)外的民航安檢領域已經(jīng)大規(guī)模使用，幾乎無電離輻射，檢測全過程無需人體接觸，對人體的危害極小，且可以檢測出金屬安檢門無法檢測出的非金屬違禁物品以及爆炸物和毒品等[19]。經(jīng)過檢閱各類專利，將毫米波雷達收發(fā)陣列調(diào)整為折線式樣，如圖5中14所示，相較于平板探測儀，可以最大程度地掃描人體的每個區(qū)域，滿足安全性和高效性的需求。

（2） 人臉識別相機設計：為了后期被檢測者信息追溯的便捷性與安全性，將半球人臉識別相機集成于機身，如圖5中9所示，且相機角度偏向通道側(cè)，方便抓取人臉信息，滿足安全性的需求。

（3） 底盤（即腳踏板）設計：底盤連結(jié)兩扇門體，如圖5中15所示，表面覆有防滑棱狀紋理，滿足安全性的需求。

（4） 操作區(qū)域設計：將安檢員端的信息顯示區(qū)域與操作區(qū)集成，設計成可觸控的顯示屏，并與可靈活調(diào)整的機械手臂結(jié)合，如圖5中10所示，符合人機；將急停按鍵與開關(guān)設置顯示屏旁，如圖5中11和12所示，操作更加簡易，滿足操作便捷的需求。

（5） 外觀造型設計：科技感斜切面設計，藍白配色，簡約大氣；交互式條狀燈帶如圖5中1所示，用于顯示檢測狀態(tài)；機身底部設有散熱孔，如圖5中4所示，便于排出毫米波收發(fā)陣列運作時散發(fā)的熱量，延長機器壽命，更加經(jīng)久耐用；簡易式可拆卸運維的門板如圖5中2所示，方便工作人員進行運維；門體外殼采用堅固的鈑金材料和噴塑工藝，防水防磕碰。門體內(nèi)部設有站姿指引圖例，如圖5中13所示，方便被檢測者迅速依照指示做出反應，滿足大部分用戶對于產(chǎn)品外觀造型的需求。

（6） 移動底輪設計：兩扇門體的底部均有兩個可移動式的高強度滾輪，如圖5中5所示，方便工作人員搬運與移動位置，滾輪的旁邊設有金屬支撐腳杯，如圖5中6所示，當門體移動到合適位置時便可以打開腳杯進行支撐與固定，滿足操作便捷的需求。

據(jù)圖6產(chǎn)品使用示意圖所示，被檢測者只需按照安檢門內(nèi)的指示圖例擺出相應的姿勢即可完成檢查，而安檢員只需要站在出口側(cè)觀察并處理屏幕端的信息，以勸導的方式告誡被檢測者卸下違禁物品，全程無需額外的人工接觸式檢測。

圖6 產(chǎn)品使用示意圖。

綜上所述，此方案融合了毫米波雷達技術(shù)，識別違禁物品更加高效，進一步提升了高鐵車站的安全系數(shù)，被檢測者無需接受接觸式檢查也能通行，極大地減輕了安檢人員的工作強度，整體效果達到設計預期，驗證了KJ-AHP-QFD模型的客觀性與合理性。

5 結(jié)語

通過對高鐵車站場景的目標用戶需求進行深入調(diào)研與分析，集成KJ-AHP-QFD模型將用戶需求向產(chǎn)品技術(shù)特性循序漸進地轉(zhuǎn)化，借助PUGH矩陣輔助方案進行進一步評估與決策，解決了現(xiàn)有高鐵車站安檢門安檢效率低下與用戶體驗不佳的問題，也驗證了該設計策略方法的科學性與有效性，完成了滿足用戶需求、適于高鐵車站環(huán)境、符合時代發(fā)展趨勢、向民航安檢標準看齊的智能人體安檢門設計，為后續(xù)學者在該領域的深入研究與探索做出了理論指導。由于本次研究存在一定的局限性，該研究方法需要在未來的探索中逐步完善。根據(jù)產(chǎn)品類型，可考慮采用心智模型、TRIZ理論和公理設計等方法對設計模型進行優(yōu)化和擴展。后續(xù)的研究亦可以從不同的視角去設計和開發(fā)相應的安檢輔助設備，進一步減輕安檢工作人員的工作強度，提升用戶體驗，使此類設備更加高效與智能化。