基于DEMATEL模型的智能家居系統設計研究

姚善良 劉少立

關鍵詞：智能家居；設計策略；DEMATEL；系統設計；家居系統

引言

智能家居的定義始于配備有智能化技術的住宅，這些技術可以幫助檢測居民活動、促進獨立生活能力以及提高生活質量[1]，而智能家居系統則是在智能家居基礎上提出的具有系統性創新技術解決方案和服務的住宅系統[2]。目前，有關智能家居系統的研究主要從工程技術角度和產品設計角度出發，缺乏對產品間交互關系和家居場景體驗的研究[3]。由于智能家居的快速發展，其產品種類和數量已經極其龐雜，傳統設計方法已經逐漸開始不適應如今的智能家居系統現狀。因此，本研究從智能家居系統設計的角度出發，結合用戶場景化體驗，運用決策實驗室分析法研究智能家居系統中各構成要素的影響關系和運行機制，并提出智能家居系統設計策略和建議，為智能家居系統完善提供可行路徑。

一、智能家居系統構成要素分析

隨著5G、WiFi6 等技術和基礎設施的完善[4]，智能家居系統從原先單個產品的組合變成了綜合性產品服務解決方案，全屋無線網絡覆蓋以及多設備接入使得智能家居系統的多設備聯動更加容易落實，系統構成要素也在不斷衍變，空氣凈化器、掃地機器人等新式家電在智能家居系統中的滲透率不斷增長，新興產品的出現使得系統整體的復雜性快速增加，有必要對智能家居系統構成要素及其內部交互關系進行系統的梳理與分析。

為了探究智能家居系統內部構成的交互關系，在分析市場上主流智能家居品牌推出的系統解決方案的基礎上，通過研究相關文獻資料[5] 以及運用人機工程學中觀察法和實測法對智能家居系統中用戶實際使用體驗過程進行調研，并咨詢了智能家居行業的專業設計師和相關領域的教授，從安保防護、環境調節、影音游戲、生活起居等多個家居子系統歸納智能家居系統中的代表性要素，經篩選完善后最終確定16 個構成要素，具體見表１。

二、智能家居系統要素分析DEMATEL模型構建

（一）模型理論基礎

決策實驗室分析法（DEMATEL）是美國Battelle 實驗室學者A.Gabus 和E. Fontela 于1971 年在日內瓦的一次會議上提出的一種可以分析現實世界中復雜問題的方法論，通過矩陣或可視化復雜因果關系的結構建模分析系統各組件之間的因果關系[6]。DEMATEL 方法可以判斷系統中各要素間的邏輯關系，借助各種影響矩陣計算出系統中單個要素對于其他要素的影響程度，并且把要素間的相互依賴關系轉化為因果群，最終通過有限關系圖發掘復雜結構系統的關鍵因素。DEMATEL 在復雜系統中要素間的非線性關聯分析和中心度分析等方面具有顯著優勢，近年來已成為復雜系統、管理科學等領域專家學者研究與應用的熱點方法[7]。在將DEMATEL 方法應用到智能家居系統要素分析有利于幫助挖掘其中的非精準和不確定信息，對于系統內部各要素的相互影響過程予以深入剖析。因此，本研究選擇DEMATEL模型作為智能家居系統構成要素的分析模型。

（二）模型構建步驟

本研究在運用DEMATEL 模型研究智能家居系統要素的分析時，基于已經確定的構成要素生成調查問卷獲取數據，依據問卷數據依次構建直接影響矩陣、規范化直接影響矩陣和綜合影響矩陣，最終生成影響關系圖[8]。具體步驟如下：

①問卷與數據收集。根據已經確定的智能家居系統構成要素F={F1，F2，…，Fn}，采用5 點李克特量表制作調查問卷，邀請決策小組的專家E={E1，E2，…，Em} 判斷要素Fi 對要素Fj 的直接影響，從0 ～ 4 分的進行打分，判斷標準為0 ～ 4 分別表示完全無影響、較低影響、中等影響、較高影響和非常高影響。

②構建直接影響矩陣Ｚ。通過問卷獲取的原始數據制作第k 位決策專家判斷的直接影響矩陣Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s，其中所有主對角線元素值均為0，即當i=j 時，zij=0，其中Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s代表決策者Ek 判斷要素Fi對Fj 的影響程度，通過綜合決策小組的意見，可得到直接影響矩陣Z=[zij]n×n：

（三）基于DEMATEL 模型的構成要素分析

根據表1 中的智能家居系統構成要素，采用0 ～ 4 的整數刻度為標尺制作調查問卷，并向從事智能家居系統行業的技術人員、設計師、工程師以及在家居設計領域從事科研與教學的教授和學者等發放調查問卷。本輪數據調研累計發放問卷100 份，回收有效問卷96 份，每一位被調查人員均擁有多種智能家居產品的使用經歷或相關從業經驗。為盡可能消除被調查人員主觀判斷對要素分析結果的客觀性影響，本研究選擇各受訪人士對各構成要素打分的算術平均值作為該構成要素的數值，由此構建直接影響矩陣Z（表2）。在直接影響矩陣Ｚ的基礎上按照DEMATEL 模型構建步驟的②～④，采用MATLAB軟件進行計算，即可獲得綜合影響矩陣T（見表3）。

三、智能家居系統構成要素關系分析

（一）構成要素相互關系分析

執行DEMATEL 模型的構建步驟⑤，可以獲得各構成要素的影響度、被影響度、中心度和原因度（見表4）。從各構成要素的相互關系來看，不同的家居產品在用戶體驗中具有不同的權重，影響度和被影響度的最大值達到9.254 和10.085 且均為傳感器，這表明傳感器對于家居系統中其他要素的影響程度最大[10]。智能家居系統實際運行過程中需要不同產品相互協作以保證智能家居系統的成立和運作，要素中心度越高則表明該要素參與了更多的交互合作，某個智能家居系統中各構成要素的中心度越高，代表該系統具有更好的協同性和整體性。

（二）四象限圖要素分析

在獲得各要素的影響關系后，根據其在圖表中的位置將家居系統中的要素分為4 個象限，以中心度為橫軸、原因度為縱軸將智能家居系統影響關系繪制為四象限要素分布圖（見圖1）。

從圖1 可知，位于第一象限的要素在系統中具備支配作用，包括向其他要素發送任務指令或協同信息，受影響程度相對較小，在整個系統中擔任輸出型角色；位于第二象限的要素具備執行作用，在系統中更多作為實際任務的執行單位，這類要素對于家居環境的感知較為迅捷并且能夠及時作出反應，對于提高用戶實際使用的舒適性往往具有直觀的促進作用；位于第三象限的要素具備相對獨立性作用，和其他產品的關聯性相對較弱，但仍具有不可替代性，在系統中執行其本身作用以保證系統的運行；位于第四象限的要素具備核心作用，參與了最多的系統協作和工作流程，串聯了最多的家居體驗，在系統中起到了節點作用，能夠有效串聯各要素間的交互關系。

（三）智能家居系統要素分布關系研究

評估要素間的影響程度，對于家居系統的量化評價會有很大的幫助。由于不同類型、不同受眾的智能家居系統其實現形式相差很大，構成層次和系統復雜度也不具有可比性，因此一個具有可復制性的評價方式對于智能家居系統研究的作用就體現了出來。在智能家居系統中，同一產品在不同系統中承擔的角色和重要性也是各不相同的，通過判定其在系統中的影響關系，以中間值為錨點定位各要素，從個體到整體，從要素到系統，挖掘智能家居系統中更多的需求信息和設計建議。各要素在四象限圖中的分布關系見表5。

從表5 中可獲得以下多種信息：①安保防護子系統中，攝像頭、智能門鎖、傳感器、報警器均位于第四象限，即擁有較高的中心度且原因度為負值，在整個智能家居系統中屬于核心要素，這也表明安防類產品對于其他設備的狀態能夠及時反饋并有效完成其安防類職能。②空氣凈化器和加濕器擁有最高的原因度，其共同點在于可以對空氣造成明顯作用，而空氣在室內環境中具有最高的流動性，排名第三的掃地機器人則自身可以在室內不同場景間活動，活動度和相關介質流動性越高的要素通常具有越高的原因度。③直接影響矩陣中不存在可約等為零的影響系數，表明不同產品間均存在不同程度的聯系性，且大多數要素集中在四象限圖的中部。

四、設計策略及實踐

（一）研究策略

研究結果顯示，智能家居系統中的要素分布較為集中，大多數要素的中心度和原因度集中在中位數附近，各要素的綜合地位較為平均，不存在單一要素具有顯著性支配地位，同時，大多數要素的中心度集中在中位數附近，說明智能家居設備間具有較強的聯系性，必須通過不同產品相互配合才能支撐起良好的用戶體驗，最終得出以下設計策略：

1. 增強智能家居系統中產品要素交互頻率，推進系統架構優化。從產品要素分布緊密性來看，可以通過共享產品運行過程獲取的場景信息實現產品交互，同時利用傳感器等中心度較高的產品為節點，針對場景信息做出產品協同配合。這意味著對于傳統的場景化架構是一種顛覆，即系統架構設計由一對多的中心結構變為相互連接反應的網狀分布式結構。家居系統內部的信息交互有利于避免相同信息的二次獲取，從技術實現層面保障系統高效性。

2. 推動交互端改革，提供靈活化交互方案。由于產品的硬件與軟件有較緊密的共生關系，因而產品硬件的相互聯系及其重要程度也應當在交互端界面顯示出來，但當前的主流方案不同產品控制入口在交互軟件界面的位置是固定不變的，根據本文的研究結果，中心度較高的產品適宜放在交互界面更醒目及更易操作的位置，同時根據用戶擁有智能產品的不同自動調整其位置以適應不同家庭的使用需求。

3. 增強系統動態適應性，系統構成要素靈活配置。由結論可知，不同產品間的相互聯系均不相同，而在現實的設計實踐中，不同的用戶所購買的智能家居產品是不同的，即可能存在的不同產品的排列組合有近乎無限的可能，對于不同產品的組成，都需要能夠組成合理可用的家居系統。對于擁有不同產品組合的用戶，需要在軟件交互界面予以輔助引導使用，幫助用戶快速適應不斷發展進化的智能家居系統。

（二）設計實踐

由于智能家居系統設計硬件種類繁多，短時間內無法在硬件層面進行改動和整合，設計實踐主要集中在軟件層面，其底層邏輯來自硬件交互關系決定軟件交互關系，根據本文歸納的智能家居產品要素關系，對于現有軟件的交互邏輯進行優化，如圖2 所示。

1. 首頁要素動態化展示。傳統的智能家居交互設計中各個產品的位置是根據添加時間排列同時尺寸固定的，這對于快速尋找產品或完成特定操作增加了難度。本方案將不同產品在首頁交互界面的尺寸大小區分為兩種，以其原因度和中心度為劃分標準，原因度和中心度更高的產品將占據更大的可交互面積以方便用戶的操作，并且各個設備的位置應該根據硬件產品間的聯系緊密性調節其在交互端的鄰近關系；同時，在詳情操作界面添加更多的可調節參數，從而適應更加復雜產品的精細化控制，如圖2 所示。

2. 核心產品細化操作，保留操作日志。對于系統中心度和原因度高的產品，不僅在詳情界面提供更多的細化操作，由于其關聯的產品更多，可能產生的影響更大，對于這類產品的每類操作都需保留產品日志以進行操作記錄，以便對智能家居的使用情況進行溯源分析。

3. 復雜方案自動排序，降低用戶操作門檻。由于智能家居的產品愈來愈多，搭建完整的自動化邏輯變得更加復雜。由于自動化搭建本身就是產品間相互觸發的過程，這一過程與本文研究的系統要素聯系高度契合。本文研究的產品關聯度可以為系統智能推薦方案提供基礎。根據不同用戶購買的產品搭配自動生成推薦方案，并由用戶在這基礎上稍作修改，極大減少了用戶需要完成的操作步驟，讓智能家居使用體驗更加便捷化。

結語

智能家居系統設計不應再局限于對于傳統家居產品的智能化進程，需要擺脫家居系統設計研究只能從單一用戶群體視角出發的局限，推動智能家居系統設計的科學發展。家庭是人類生活的永恒話題，智能化的家居應當帶來全新的生活體驗和方式，創造溫馨和諧的家庭生活環境才是智能家居系統設計的價值所在。