集成AHP-AD-TOPSIS的兒童家具產品設計路徑研究

■楊希博，趙 項

隨著我國生育政策逐步完善，兒童家具市場需求日益攀升[1]。消費者對兒童家具品質、安全性等也提出更高要求，用戶選擇逐漸轉向多功能、更安全、更耐用的兒童家具產品，兒童家具產品的安全、舒適、實用和環保等一直備受家長關注與重視[2]。兒童年齡層不同導致的身體差異，也對兒童家具的功能需求產生影響。然而，目前兒童家具產品在開發過程中對多元化用戶需求較為模糊，在結構創新和智能化方面存在一定缺陷，其功能使用也存在相應局限性[3]。可見，通過恰當方法對兒童家具產品進行深入探討分析尤為必要，本研究以兒童需求為中心，應用合適方法結合兒童身體特征、行為需求和行為習慣系統地分析兒童家具設計要素，科學求解用戶需求重要度排序，通過合理設計參數等極大提高兒童書桌的實用性、舒適性和安全性，更好地滿足兒童用戶需求[4]。

1 文獻綜述

近年來國內外大量學者針對兒童家具產品進行了豐富研究，例如：姚亞銀[5]等通過梳理學齡前兒童的感知形式和感知特點，以感覺統合之觸覺感知理論為研究內容，并由此提出觸覺感知的學齡前兒童家具的設計要素和原則；方景榮[6]等從結構主義符號學的相關理論出發，探討符號學作為設計方法應用到兒童家具設計中的可行性，總結出兒童家具設計中運用符號學的設計策略和理念；陳朝杰[7]等基于產品服務系統和可持續系統設計方法論，以兒童需求為導向，為學齡前兒童家具產品設計與服務策略提供新思路；李靜[8]等以學前兒童的用戶需求為導向，從視覺思維的角度展開構建兒童家具設計的系列設計方法；高小勇[9]等從家具形態構建、材質傾向、色彩偏好、氣息特征、味覺感知轉換等角度出發，探討“五感”體驗理論在學齡前兒童家具設計中的方法，總結出以“五感”體驗為目標的設計思路；趙項[10]等基于用戶驅動下的產品模型設計，集合Kano-AHP于兒童家具產品的設計實踐中。

綜上可見，目前學界在兒童家具產品的設計研究中，大都從不同維度展開為兒童家具設計提供創新思路，并取得一定研究成果[11]。當然，仍有大量學者融合各種理論方法從不同角度對兒童家具產品進行深入探討，該類研究視角獨特新穎，在滿足人體工程學基礎上逐漸重視用戶需求[12]。然而，大部分研究中往往忽略用戶需求重要性、設計參數映射合理性及方案優選決策客觀性。此外，目前對兒童家具產品的用戶需求分析以及生產過程中的參數映射，仍缺乏恰當理論及依據。為精確求解兒童家具產品用戶需求權重，科學映射生產過程中的技術參數，以及客觀評價兒童家具產品設計方案，將對兒童家具產品進行深入研究顯得十分必要。

2 集成AHP-AD-TOPSIS的兒童家具產品設計路徑構建

2.1 集成AHP-AD-TOPSIS的兒童家具產品設計路徑構建

近年來兒童家具產品設計路徑與方法相關研究中，層次分析法（AHP）作為一種常用指標權重運算方法，具有科學性和客觀性，采用AHP可提高用戶需求權重精確度。然而，獲取到的重點用戶需求或設計要素在兒童家具產品中如何實現，AHP尚未給出明確建議及準則。那么在產品設計方面，AD理論能夠快速高效地將用戶需求轉化為相應的設計參數，從而為兒童家具產品的設計與研發提供指導。根據上述分析可獲得大量兒童家具產品設計方案，但是否滿足用戶需求，AHP和AD并不能提供一種評價標準和決策方案。隨著知識庫的不斷迭代更新，在眾多設計方案中篩選最優方案已成為一種新的挑戰。TOPSIS是一種常用的多目標決策分析方法，同時也是一種基于歸一化原始數據矩陣的組內綜合評價方法，其結果可以精確地反映各評價方案之間的差距，可避免決策者主觀性對結果的影響，從而得出科學客觀、準確可靠的評估結果。而在TOPSIS法中權重的確定更多地依賴于熵權法，無法確定各項評價指標的權重。因此，在方案評估前可以使用AHP法來指導TOPSIS法的權重確定，將TOPSIS和AHP是兩種常見的多指標決策方法進行融合，從而實現對評價指標的快速有效賦值，進一步幫助決策者全面、客觀、準確地評估設計方案優劣。

由此可見，將AHP/AD/TOPSIS三種方法相互融合、滲透構建兒童家具產品模型，AHP 可明確用戶需求重要性，AD則能將用戶需求轉化為設計參數，而TOPSIS可評估不同設計方案優劣，集成三種方法可構建完整、系統的兒童家具產品開發模型，其框架如圖1所示，其主要為：首先采用AHP法對兒童家具產品用戶需求進行權重分析；其次基于AD理論對重要用戶需求進行設計參數映射，并根據其進行方案設計；最后運用TOPSIS法對設計實踐進行客觀評價，以明確科學可行設計方案。

■圖1 兒童家具產品模型構建

2.2 集成AHP-AD-TOPSIS的兒童家具產品設計路徑流程

2.2.1 用戶需求權重求解

AHP法主要通過構建層次結構模型及建立判斷矩陣等步驟逐步確定用戶需求權重值, 如圖2所示。首先，確定目標層、準則層、子準則層和方案層，以及各層之間支配關系；其次，建立判斷矩陣并采用算法求解各項需求權重值；最后，根據相關法則計算兒童家具各需求綜合權重，并進行優先排序，依此獲取重要用戶需求。

■圖2 層次分析模型

2.2.2 設計參數的映射

通過AD理論將兒童家具產品功能需求和設計參數進行映射和分析，以滿足用戶需求并提高兒童家具產品的工程可實現性，如圖3所示。本次主要通過AD理論明確且精細地表達用戶需求與產品設計之間的關聯性。首先將重要用戶需求（CAS）轉化為相應功能需求（FRS）；其次將功能需求（FRS）轉化為設計參數（DPS），直觀理解產品設計邏輯和工程、設計參數優化調整方向，進一步提高產品可行性及可用性（圖3）。

■圖3 公理設計映射關系

2.2.3 基于TOPSIS的設計方案評價

TOPSIS是一種多屬性決策方法，可幫助決策者進行多方案優劣選擇，其主要通過比較各方案的理想解距離進行優劣判斷。本次研究采用的評價指標體系，主要來自AHP中子準則層的用戶需求，并邀請產品的使用者以及相關專家對其進行綜合評估打分，以促進方案評價客觀性及科學性。評分主要采取七級李克特量表滿意度評價，其主要依據兒童家具設計方案滿足相應指標需求的程度進行打分，其中方案評價指標主要由AHP確定的權重較高用戶需求轉換后的設計參數構成,最后將收集結果根據 TOPSIS 計算程序進行方案優劣決策[13]。

3 集成AHP-AD-TOPSIS的兒童家具設計實證研究

隨著生活水平不斷提高，兒童書桌在現代兒童家具產品中受到用戶廣泛關注。目前，市場上兒童書桌主要以粉色及藍色為主，如圖4為市場上銷售量較高的兒童書桌。然而，大部分兒童書桌在設計上基本滿足兒童學習需求，但書桌可調節性基本以機械操作為主，智能化體現相對較少，在一定程度上缺乏對兒童階段性成長需求的關注。近年有大量學者針對兒童書桌上述問題進行了豐富研究，例如肖飛[14]等基于KANO模型對兒童書桌的智能功能需求進行調研，確定各功能需求的層級關系，為智能兒童書桌的設計提供依據；劉宗明[15]等融合KANO模型與TRIZ理論，以兒童桌為設計對象，研究兒童家具輕設計創新設計方法；湯潔[16]等主要從兒童家具的用戶體驗和人體工程學角度出發，結合智能化設計出一款符合兒童身心發展的新型智能書桌；陳朝杰[17]等主要以勸導技術為理論基礎，應用Elan視頻分析軟件、因子分析法、K均值聚類算法，探索智能兒童學習桌設計策略；葉雨靜[18]基于學齡前兒童的心理特征和生理特征，以人體工程學為基礎，提出兒童學習桌的設計意見。

■圖4 市場已有兒童書桌產品

綜上所述，該類研究主要集中在兒童家具用戶需求分析中，缺乏用戶需求重要性與產品設計中參數映射，以及對用戶需求分析結果的轉化相對較少，另外多設計方案的優選決策也較為模糊。目前市場上兒童書桌產品較為豐富，設計風格大同小異。然而，大多數兒童書桌的設計缺乏對用戶需求的考慮，忽視了兒童身心發展的重要性[19]，這很大程度上導致兒童書桌存在部分功能欠佳，以及缺乏合理空間布局，且兒童家具設計過程中將用戶需求轉化為設計參數尚未出現科學理論支撐，這將會使設計師在設計中無法很好地掌握結構、工藝、材料等技術要素，進而導致相關資源的浪費，為盡可能解決上述兒童書桌設計研究相關問題，通過集成AHP/AD/TOPSIS模型的兒童家具設計路徑對兒童書桌進行深入研究，以提升兒童書桌設計完整性與嚴謹性。

3.1 兒童書桌需求調研

針對現有兒童書桌存在問題，通過觀察法、焦點小組、用戶訪談和親和圖法（KJ 法），總結購買者對兒童書桌設計中期望需求[20]。首先，為保證本次調研可全面挖掘兒童書桌用戶需求，提升兒童書桌用戶需求提取可靠性和真實性，選擇有意愿購買兒童書桌的26位消費者作為訪談對象，其中女性16名，男性10名，其年齡在25歲到36歲之間女性較多，隨后依次為36歲到40歲，消費主力在80后和90后之間，大部分調研對象均在兒童5歲到7歲時購入書桌。此外，本研究共深度訪談12位消費者。根據整理好的訪談要點，在征得顧客需求情況下采用錄音或速記方式記錄訪談內容，選取其中4位構建典型用戶畫像，如圖5所示。通過對觀察結果、訪談內容、用戶畫像等進行歸納整理，獲得兒童書桌初始用戶需求，如表1所示。

表1 兒童書桌初始用戶需求

■圖5 用戶畫像構建

基于上述初始用戶需求，通過焦點團體法對收集資料進行整合歸納，最終提煉出18項用戶需求，如圖6所示。可見用戶在購買兒童書桌過程中主要關注外觀造型、顏色、結構、智能化控制等；外觀設計應時尚簡約，可搭配不同風格室內設計；功能方面應具有預防近視、可調節桌面、矯正坐姿；購買書桌越來越注重材質的環保性、功能的多樣性和實用性。

■圖6 兒童書桌用戶需求

根據上述需求，從美觀性、安全性、功能性和舒適性四方面研究兒童書桌設計，結合層次分析模型構建準則層，本研究將兒童書桌設計屬性分為美觀性A、安全性B、功能性C和舒適性D，其中美觀性主要包括趣味性A1、圖案新穎A2、色彩協調A3、造型美觀簡約A4；其余以此類推，如圖7所示。

■圖7 兒童書桌層次分析模型

3.2 用戶需求權重求解

為了進一步確保計算結果的準確性和可靠性，需建立判斷矩陣并邀請相關領域的專家和學者進行調研。本研究共邀請25名家具專業相關專家，其中8名為家具設計師、6名家具設計方向的研究生，6名相關領域學者、5名產品設計師。首先，根據1-9級評分標準，對各層級需求進行逐一比較并給出相應的分數，從而確定各層次各因素之間的權重分配；其次，計算每個需求的得分。通過計算所有其他需求對該需求的得分相加，然后除以需求數量，得到的平均數據作為權重計算依據；再次，利用判斷矩陣求解各層級的權重值；最后，運用幾何平均算法，計算出兒童書桌各用戶需求的最終權重值，進而確保各項需求得到合理權重分配，為產品設計提供有力支持。其計算步驟如下，權重結果如表2-表6。

表2 準則層權重

表3 美觀性權重

表4 安全性權重

表5 舒適性權重

表6 功能性權重

步驟一，對各層標度的乘積進行計算：

式中：bij—第i行第j列中的需求指標；

m—需求指標量。

步驟二，判斷各層標度乘積的幾何平均值ai：

步驟三，求解相對權重值Wi：

步驟四，求解最大特征根λmax：

式中：BWi—向量BW第i個分量；

步驟五，對結果進行一致性比對校驗：

式中：n—階數；

RI— 平均隨機一致性指標；

CR— 一致性比值。在填寫判斷矩陣時，為了確保測試人員的邏輯正確無誤，需進行一致性檢驗以明確計算結果準確性。當CR值小于等于0.1時通過一致性檢驗；若CR大于0.1則未通過，說明判斷矩陣存在錯誤，沒有通過一致性檢驗，需要對之前的數據進行調整，然后再次進行計算，這樣可以保證測試結果的準確性。如表7所示。

表7 一致性檢驗結果

為直觀呈現各子準則層用戶需求綜合權重，通過相應運算得出如圖8所示綜合權重排序圖，設計研發過程中除要滿足準則層下各設計屬性排名較高需求，也應重點考慮目標綜合權重需求，其結構穩定性、避免尖銳邊角（圓角平滑）、矯正坐姿、材料環保性、桌面尺寸合理、視力保護、座椅舒適、造型簡約美觀、防眩光、高度升降、可收納文具、陪伴重要度較為靠前，故在設計方案中需重點考慮，為在設計中走不必要彎路，將上述需求映射為設計參數。

為符合“兩票制”要求，藥品批發企業需將藥品的上游來貨相關票據資料提供給醫療機構，以備查驗。現階段，醫療機構為方便操作，一般要求藥品批發企業將發票復印件隨貨提交，醫療機構收貨驗收時直接核對票據信息是否符合“兩票制”要求。為應對這一變化，企業一般都會加派人手，增加設備，進行材料的準備。企業人力、物力成本大幅增加，工作效率也因此降低。

■圖8 兒童書桌用戶需求權重優先級圖

3.3 設計參數映射

AD是麻省理工學院Nam Pyo Suh教授提出的設計理論，基本理論包括域、層次、域間“之”字形映射、獨立性公理和信息公理[21]。它主要關注如何將高層次的設計需求轉換為具體的、低層次的實現細節。在用戶需求驅動的設計過程中，公理化的設計方法是一種有效的工具，通過使用判斷矩陣來表達和比較設計方案，應用獨立性公理對每個參數進行評估，確定最優解，應用信息公理以便準確地評估不同方案的性能。通過對設計方案進行比較和權衡，在滿足用戶需求的同時，盡可能地實現所有設計參數的最佳組合，以解決設計問題。因此在兒童書桌的設計研發中，主要將用戶需求與人體工程學、兒童心理特征等結合，融合AD理論為兒童書桌加工和生產提供技術參數。基于層次分析法確定兒童書桌的用戶需求權重值，依據兒童家具的設計要求，選擇排名靠前用戶需求應用AD理論原則，將用戶需求CA轉化為功能需求FR，并對兒童書桌功能需求進行合理描述，如表8所示。

表8 兒童書桌重要用戶需求與功能需求對照

針對上述功能需求FR，邀請 5名相關領域專家、10名家具設計師提出設計意見，同時結合家具生產過程中的工藝要求和技術參數，應用信息性公理等制定出滿足兒童書桌設計參數，如表9所示。

表9 兒童書桌功能需求與設計參數對照

基于AD理論的獨立性公理原則，將兒童書桌功能需求FR與物理設計參數DP進行相互映射，這種映射關系可以表示為：

式中：FRs為功能需求集；DPs為設計參數集；B為兒童書桌的設計矩陣；

式中：bij為兒童書桌功能需求FPs與設計參數DPs二者之間的關聯程度。

將上述兒童書桌功能需求FR與設計參數DP代入上述公式（8）進行計算，得到如下矩陣：

在矩陣中，“X”表示功能需求與設計需求之間存在關系，而“O”表示它們之間存在弱相關或無相關性，如果矩陣是主對角線為空或三角矩陣，則表示滿足獨立性公理；然而，如果矩陣是一般矩陣，即非對角線元素不為O，則表示設計參數之間存在相互矛盾，這與獨立性公理相悖，因此需設計一個解耦矩陣對其進行解決[22]。從以上兒童書桌的矩陣類型，可知每個設計元素（行和列）都是獨立的，沒有相互影響，屬于對角矩陣，這符合AD理論中的獨立性公理，因此設計參數可用，即兒童書桌設計符合企業加工及生產。

3.4 方案設計

根據權重分析結果及公理設計參數映射，可知兒童書桌設計開發中在滿足兒童學習需求時，應注重書桌造型設計、高度可調節性、視力保護、坐姿矯正、智能陪伴及材料環保性等。結合AD理論設計參數映射，對兒童學習桌進行概念設計，如圖9所示。方案（1）主要考慮書桌智能化設計，在整體設計中內置電子顯示屏，可監控也可連接手機進行打印；在高度調節方面主要采用智能化調節，以適應不同年齡段兒童需求；桌面角度可0~50度傾斜，滿足不同學習需求，同時在桌面設計中內置抽拉隔板，進而增加桌面空間；在座椅設計中結合兒童身心特征，采用自動調節功能、追背設計等幫助兒童矯正坐姿。方案（2）在設計中除智能化設計外，在外觀設計中更考慮書桌時尚感，整體采用流線型設計；在顏色方面主要采用科技灰與米白色進行搭配，凸顯書桌科技感；座椅設計中增加可調節腳踏，可極大滿足用戶使用需求[23-24]。

■圖9 方案設計

3.5 設計評價

為確保設計方案優選科學性及合理性，避免評價中決策者主觀因素，采用層次分析過程中較重要子準則層中12項用戶需求作為TOPSIS設計方案評價指標，即AD理論中CA1-CA12，其12項評價指標都為正指標，邀請8位兒童家具產品設計專家、12位兒童家具設計師，及12位用戶對上述兩個設計方案與樣本方案（圖4）進行綜合評分，區間為七級李克特量表 （1-7分），其中非常滿意（7分），很滿意（6分），滿意（5分），一般（4分），不滿意（3分），很不滿意（2分），非常不滿意（1分）。為保證該問卷可行性，使用SPSS軟件將60份問卷進行克朗巴哈系數檢驗，軟件運算檢驗結果顯示該問卷系數為0.836（該值大于等于0.7即表明該問卷具備可信度），可見該60份問卷可信度達標，因此，可根據TOPSIS如下步驟進行方案優劣決策：

步驟一，將問卷結果進行平均處理，構建初始評價矩陣，用F表示，如表10所示。

表10 初始評價矩陣

步驟二，歸一化初始評價矩陣,計算標準化矩陣Rij：

步驟三，建立加權標準化矩陣uij：

式中：Wj表示權重。

步驟四，計算正理想解、負理想解A*、A-：

則：

步驟六，計算相對貼近度Ci：

通過上述的運算程序進行相應的計算，如圖表11所示。得出各個方案的正、負理想解及相對貼近度，其中CI值越大表示方案排名越高，其對用戶的滿意度越高，由此可見方案1、方案2排名均大于樣本方案。可見，將AHP/AD/TOPSIS的綜合運用應用于兒童家具設計，不僅具備科學性，而且更加合理可行[25]。

表11 正、負理想解及相對貼近度

根據上述可知方案（2）為最佳設計方案，通過計算機輔助設計對方案（2）進行優化設計，如圖10所示。兒童學習桌造型設計上主要采用弧線形，整體書桌外觀造型時尚、美觀，智能化程度較高；在功能上書桌配置智能語音助手，可回答兒童問題、給出學習建議，甚至可幫助兒童進行學習輔導，同時配置健康監測設備，可實時監測兒童姿勢、眼睛健康等狀況，并提供相應建議及提示；桌面0~50度任意角度鎖定，可根據兒童年齡段和學習內容設計不同界面和學習模式，同時暗藏抽屜，增加收納空間；整體書桌配置觸控面板，一鍵控制書桌高度，以適應孩子不同年齡、身高階段需求；桌面內置智能學習設備、打印機，進而滿足兒童智能化學習需求；在椅子設計上，可以根據桌子高度進行調節，同時設計可伸縮腳踏，提供兒童更舒適的座椅空間；扶手可旋轉、可調節，方便收納。

■圖10 設計方案圖

4 結語

隨著時代的進步，未來兒童學習桌將不斷適應孩子們需求及學習方式變化，提供更加舒適、智能的學習體驗[26]。本次研究主要集成AHP-ADTOPSIS構建兒童家具產品設計路徑，從用戶需求切入，通過運用AHP法構建判斷矩陣，計算出準則層和子準則層用戶需求權重求解。基于AD理論進行設計參數映射，設計出兒童學習書桌方案，并運用AHP-TOPSIS對已有產品與設計方案進行科學客觀評價，避免了評估中決策者的主觀因素影響，得出最佳設計方案。通過兒童書桌設計實踐驗證該路徑有效性和可行性，結果表明該路徑指導下的兒童家具可進一步提升用戶使用體驗。然而，本研究調研過程中一定程度上也受到用戶主觀因素影響，以及存在用戶需求收集不夠全面的問題，后續研究中將會擴大調研范圍及樣本數量，不斷完善研究缺陷；此外，后續研究將采用人工智能手段獲取更廣泛的兒童家具用戶需求，以及對兒童家具產品色彩及材質分別展開深入探討。