基于AHP、FCE 和DSM-SOM 模型的家用冰箱殺菌器設計

摘要：設計一款功能豐富、外觀精致、產品使用人性化的家用冰箱殺菌器。首先，獲取歸納用戶需求類別，利用層次分析法計算各項需求權重，并對各項結果進行一致性檢驗，依據需求對冰箱殺菌器進行方案設計；其次，結合模糊綜合評價法對設計方案進行評價與決策；最后，優化設計細節并基于設計結構矩陣、自組織映射網絡對其進行結構模塊劃分，結合聚類結果完成產品結構設計。完成一款家用冰箱殺菌器產品設計?；贏HP、FCE、DSM-SOM模型對冰箱冷藏專用殺菌器進行外觀和結構設計，使得產品設計和方案決策更加科學化、合理化、高效化，并對相關產品設計研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：AHP；FCE；DSM-SOM模型；家用冰箱殺菌器；產品設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）23-0111-05

引言

隨著社會經濟水平的穩步提升和人們生活品質的持續改善，對于家庭電器的要求已經不再僅僅滿足于基本的使用功能，而是更加注重產品的設計感、功能性以及使用的舒適度。在這樣的背景下，家用冰箱殺菌器這一產品領域逐漸受到廣大消費者的重視和青睞。在過去，雖然市面上已經存在部分冰箱殺菌器產品，但普遍存在著外觀設計簡陋、功能相對單一、操作不夠便捷等問題，這些因素極大影響了用戶的實際使用體驗和產品滿意度。因此，隨著消費者對健康生活的追求和對家電產品品質要求的提高，對于一款外觀精美、功能豐富、操作便捷的家用冰箱殺菌器的需求變得日益迫切。

一、文獻綜述及研究框架

（一）相關理論研究

1.AHP 和FCE 的相關應用：層次分析法（AHP）和模糊評價法（FCE）已經在產品設計、界面設計、方案評價、指標體系建立等多個領域應用并和其他設計方法相結合使用。AHP 通過構建層次結構模型，將復雜問題分解為多個層次和子問題，并通過比較子問題之間的相對重要性來確定其權重。由于產品設計的某些指標（如用戶體驗、性能表現等）往往難以用精確的數字來衡量，因此模糊評價法（FCE）顯得尤為重要。FCE 基于模糊數學理論，能夠處理具有模糊性和不確定性的評價問題，為產品設計提供了更加全面和準確的評價依據。羅曉慶等人[1] 就成功運用AHP 建立了塔機智能駕駛室設計需求的層次分析模型，為智能駕駛室的設計提供了有力支持。楊昕妍等人[2] 基于AHP 層次分析方法設計一款衛浴水龍頭，王子翔等人[3] 基于AHP 層次分析法、包裝設計理論、數學模糊模型，進行包裝設計和評價。王媚雪[4] 等人將AHP- 模糊評價分析法應用于老年人售藥機設計。劉覽宇[5] 等人基于KJ-AHP 法對便攜制氧機進行設計。胡昊琪[6] 等人運用AHP 層次分析法完成鐵路文創產品設計。

2. 設計結構矩陣（DSM）與自組織映射網絡（SOM）的相關應用：DSM 作為一種描述產品設計中各元素之間關系的矩陣工具，有助于識別設計中的關鍵元素和依賴關系。而SOM作為一種無監督的神經網絡模型，能夠自動對輸入數據進行聚類分析。將DSM 與SOM 相結合，可以更加深入地理解產品設計中的模塊化和聚類問題，為優化產品設計提供有力支持。例如，王亞鵬[7] 基于用戶感性意象評價提出一種SOM 模型聚類的整合產品族典型外形基因優化設計方法。Anand K[8] 等人將自組織映射網絡首次用于多孔介質中組合模式傳導－輻射傳熱的決策。李穎等人[9]提出針對數值型DSM 采用SOM 算法的產品設計結構模塊劃分及其評價方法，并借助摩托車發動機零部件案例說明使用。

（二）整體研究框架

本文通過AHP 設計需求模型、FCE 方案評價模型、DSM-SOM 設計結構模塊劃分模型相結合對冰箱殺菌器進行產品設計。主要步驟為：設計需求分析、概念方案設計、方案評價選擇、深入細化方案和基于DSM-SOM 模型的結構設計，見圖1。整個設計流程不僅確保了冰箱殺菌器產品的功能性和實用性，還充分考慮了用戶的個性化需求，提高了設計效率和質量。

二、家用冰箱殺菌器調研分析

（一）家用冰箱殺菌器研究意義

隨著科學技術的發展，人們逐漸認識到細菌與食物中毒的關系[10]。冰箱是儲存食物的重要場所，但由于冰箱內部濕度較大、溫度較低，容易滋生各種細菌、真菌和病毒。這些微生物會通過食品或者手接觸傳播給人體，引起各種疾病。因此，冰箱殺菌器的研究和應用對于提高食品的安全性至關重要。

目前，市面上冰箱專用殺菌器主要采用臭氧除菌，雖外觀造型各有差異，但主要可分為兩種：第一種為非掛耳式，產品沒有固定結構，可按照需求在冰箱中隨意擺放位置；第二種為掛耳式，產品具有夾板結構，需要掛在冰箱內部擋板上使用。整體來說，目前市面上家用冰箱專用殺菌器外觀造型差異性不強，功能也較為單一。

（二）家用冰箱殺菌器使用痛點分析

基于調研結果，對家用冰箱殺菌器的使用全過程進行了深入的歸納總結，整個使用過程被細分為使用前、使用中、使用后3 個階段。旨在通過分析用戶的行為與情緒，識別出使用全過程中的具體痛點，詳見圖2。

1. 使用前期：用戶往往因為殺菌器的擺放和設備的操作設定感到困擾，這種復雜的準備工作容易讓用戶產生無奈和苦悶的情緒。因此，在設計時，需考慮讓冰箱殺菌器更加易安裝、輕便化，并融入智能化技術，從而簡化用戶的操作流程，提升使用體驗。

2. 使用中期：用戶可能面臨對殺菌器使用情況的不了解，以及需要頻繁移動設備造成的疲憊和不耐煩。為了解決這個問題，可以設計更加直觀的用戶界面，讓用戶輕松了解殺菌器的工作狀態。同時，通過便捷的拿取結構和智能提示功能，如低電量提示和除菌完成提醒，來減少用戶的操作不便。

3. 使用后期：清洗殺菌器表面成為用戶的另一個痛點。為了改善這一體驗，我們可以采用易清潔的材料來設計產品外部，并考慮可拆卸的設計，使用戶能夠更輕松地清潔設備。

三、家用冰箱殺菌器設計需求分析

（一）KJ 親和圖法

KJ 親和圖法是將處于混亂狀態中的語言文字通過其內在相互關系加以歸納和整理，然后找出解決問題新途徑的方法[11]。由于冰箱專用殺菌器設計要素是一個多需求、多因素、多層次等諸多元素的問題集合。在設計的過程中，這些指標因素如果不經過處理將很難指導具體方案設計。本人同工業設計專業的老師、同學一起進行頭腦風暴后，利用KJ法對冰箱殺菌器的設計要點進行歸納總結。

（二）設計需求指標層次化建立

通過上述的分析總結，最終可以確定目標層為冰箱殺菌器總體設計需求。一級需求指標為：A1 功能需求（針對用戶）、A2 外觀需求（針對產品）、A3 實用需求（針對用戶）、A4 心理需求（針對用戶）、A5成本需求（針對后期生產、制造、銷售）5 類需求指標要素并將其作為準則層的評價要素。二級需求指標為：根據一級需求指標進行詳細的分類，共歸納篩選出共17 個二級設計需求指標，如表1 所示。

（三）判斷矩陣的權重計算及一致性檢驗

1. 判斷矩陣構建：本次調研過程選擇設計專業老師、學生以及企業人員（總計共50 名），組成設計決策群。對各設計需求按照1 到9 的指標標度進行兩兩重要程度的比較，判斷矩陣M 如下：

其中，mij—表示Xi 相對于Xj 對m 的重要程度，mij 的賦值采用設計決策群的打分平均值給定，并且有mij×mji=1。根據判斷矩陣M 進行計算，得到其最大特征根λmax，對于準則層的各因素，經方根法計算可得其權重，見表2。

由表2 可知，A1 和A3 所占的比重較大，因此對其子準則層的判斷矩陣進行詳細分析，如表3 和表4 所示。結果可知：在滿足冰箱殺菌器的實用需求方面，首要考慮的是確保產品能夠完全適應日常家庭使用的場景，以滿足用戶對食品儲存和保鮮的高標準需求。鑒于冰箱內部空間的緊湊性，產品設計必須注重易用性，使得用戶在日常操作中能夠輕松便捷地使用，無需額外的復雜步驟或空間占用。

此外，在功能需求上，產品使用的安全性是最重要的考量因素。冰箱殺菌器應確保在使用過程中不會對用戶或食品造成任何安全隱患，包括電器安全、材料無毒無害、操作過程穩定可靠等。

2. 進行一致性檢驗：具體計算過程中，用CI 表示判斷矩陣的一致性指標，CR 表示一致性比率，兩者需要滿足如下要求：

CI=λmax-n/n-1 （1）

CR=CI/RI （2）

式中：λmax—最大特征根；RI—隨機一致性指標；n—指標數量。一般來說，當一致性比率CRlt;0.1 時，說明此判斷矩陣通過一致性檢驗。若不通過，需重新構造判斷矩陣。

對于準則層判斷矩陣，最大特征根λmax=5.2657，n=5，隨機指標RI=1.12（查表得），通過公式（1）（2）計算可得CR=0.0593lt;0.1，通過一致性檢驗。同理再依次計算子準則層A1、A2、A3、A4、A5 的CR值分別為0.0157、0.0449、0.0797、0.0079、0.0462，均小于0.1。至此所有判斷矩陣均通過一致性檢驗，最終得出各需求指標綜合權重值，詳見表5。

（四）設計需求總結

通過上述AHP 設計需求模型的結果可知：準測層中的實用需求（A3）最為重要，其次是功能需求（A1）。因此在方案設計的過程中，要以滿足用戶日常使用為核心，重點關注冰箱殺菌器產品的日常操作功能和安全防護功能。在實用需求和功能需求得到滿足的基礎上，成本需求（A5）成為下一個重點。在設計過程中，需要綜合考慮材料成本、制造成本以及后期維護成本等因素，確保產品具有較高的性價比。外觀需求（A2）和心理需求（A4）雖然在準測層中的權重相對較低，但同樣不可忽視。在外觀設計時需要注重產品的美觀性和與家居環境的協調性，通過獨特的造型和色彩搭配提升產品的吸引力。同時，在心理需求方面，關注用戶的情感需求和使用體驗，通過人性化的設計提高產品滿意度。

四、概念設計與方案決策

（一）概念方案設計

通過層次分析法計算得出冰箱殺菌器的各設計需求占比后，基于分析結果和市場前景，進行初步的概念設計。產生以下4 個創意構思方案，旨在滿足用戶的多樣化需求，同時保持產品的創新性和實用性。方案1（見圖3a），主要在外觀、色彩設計上形成突破創新設計，流暢時尚的外觀搭配漸變色彩內膽，更符合現代用戶審美需求。方案2（見圖3b），設計靈感來源于生活中常見的骰子，整機體積小巧，避免占用過多的儲物區域。同時，將紫外線殺菌燈巧妙地布置在骰子的3 個面上，確保殺菌器能夠實現全方位的殺菌效果。方案3（見圖3c），造型為膠囊形狀，機體外殼搭配磨砂材質可以讓用戶看到內部殺菌燈珠，給人一種簡約時尚之感。其次，多種長度可以搭配不同環境使用，可適用性更強。方案4（見圖3d），殺菌器主要分為上下兩部分，上部分為圓柱形殺菌燈柱，下部分為主機，包括操作界面和顯示屏幕，整體造型協調性高。搭配手柄，使得殺菌器不僅可以放置在冰箱內部，還可以懸掛在擋板空隙處，節約冰箱內部使用空間。

（二）模糊綜合評價法

FCE 作為一種基于模糊數學理論的評價方法，特別適用于處理涉及模糊、不確定性或涉及多指標的復雜決策問題。此方法的核心思想在于將定性評價通過模糊數學的理論轉化為定量評價，從而能夠對那些難以直接量化且受到多種條件制約的決策結果進行科學的評價和決策。針對上述4 個概念方案的具體決策步驟如下：

（1）將5 名專家的評審意見作為方案評估要素。用U={U1，U2，U3，U4，U5} 表示，分別代表功能需求、外觀需求、使用需求、心理需求、成本需求。確定評估要素子集為 Vi={Vij}（i，j=1，2，3，4）。

（2）確定專家評審意見和對應分值。確定評語集用V={V1，V2，V3，V4}={ 優秀，良好，中等，較差} 表示，為各評語集賦值，賦值后的評語向量α={90，80，60，50}T 。

（3）整理各個設計需求指標的權重。從計算結果中可得，準則層權重向量ωA={0.2908，0.1057，0.3971，0.0702，0.1362} 子準則層權重向量ωA1={0.6250，0.1365，0.2385}，ωA2={0.3107，0.4393，0.1036，0.1464}，ωA3={0.3168，0.1204，0.1505，0.4123}，ωA4={0.1634，0.2970，0.5396}，ωA5={0.1396，0.3325，0.5278}。

（4）基于子準測層，對于上面4 個方案建立模糊綜合評價矩陣。以設計方案一為例，5 名專家對冰箱殺菌器評價矩陣因素層中的各要素進行評定。D1—D5 分別代表功能、外觀、實用、心理、成本需求對設計方案 1 的模糊綜合評價矩陣。結果如下所示：

準則層五個因素對于方案1 的評價權重向量為：

P1 = ωA1× D1 ＝ （0.1727 ，0.4，0.4273 ，0）

P2 ＝ ωA2 × D2 ＝ （0.2121 ，0.35 ，0.4379 ，0）

P3 ＝ ωA3 × D3 ＝ （0.1607 ，0.4，0.4393 ，0）

P4 ＝ ωA4 × D4 ＝ （0.1079 ，0.4，0.4921 ，0）

P5 ＝ ωA5 × D5 ＝ （0.1223 ，0.4944 ，0.3832 ，0）

按A 照P結果（，0.1建60立7二，0級.40模76糊，評0.價431矩7陣，0：）

綜合評價權重向量為W=ωA×P（0.1607，0.4076，0.4317，0）：最后再對方案1 進行百分制評價運算，N=W×α=79.59 因此方案一的最終得分為79.59。對于方案2、方案3、方案4 按照上述所示依次進行計算，可得：方案2 得分為74.28；方案3 得分為75.22；方案4 得分為83.76。因此，可知方案4 為最優方案。

五、細化設計方案

為更好地滿足實際生產和市場需求，對優選方案4 進行細致的深化設計，主要有以下幾個方面：

（一）外觀造型設計：考慮到保障冰箱殺菌器殺菌效率與產品造型的和諧統一，將頭部殺菌燈與底部主機設計為一體化造型，巧妙融入跑道圓的切口元素，既保證了殺菌燈口的合理位置，又增強了整體造型的流暢感與美觀度。在配色方面，選擇白色作為主體色彩，使其更易融入各種家居風格。同時，為了凸顯產品的高端品質，添加金屬色裝飾片和高光折射色面板，使得整個產品不僅功能實用，更展現出卓越的設計美感，如圖4 所示。

（二）功能設計：確保在不同條件下都能維持穩定的殺菌效果，特別融入智能感應功能，并采用停機保護的智能感應機制。這一機制能夠智能檢測環境參數，并根據實際情況調整殺菌器的運行狀態。此外，為提升用戶產品體驗感，殺菌器具備快充和強續航功能，確保用戶在使用過程中無需頻繁充電，享受便捷的使用體驗。在安全防護方面，特別設計兒童誤操作保護功能，有效避免兒童誤觸造成的潛在危險。同時，還具備延時運行保護，一旦設備出現異常情況，將自動關閉，全面保障產品使用安全。

（三）材料選用設計：選用ABS 作為基體材料，為進一步提升其抗菌和自清潔性能，特別在材料表面添加了包含納米氧化鋅和納米二氧化鈦的復合抗菌涂層。同時，也在材料表面進行了特殊處理，以增加其親水性和抗污性，使污漬不易附著，便于用戶清潔。

（四）交互界面設計：鑒于冰箱內部空間緊湊，操作便捷性成為交互設計考量的重點。因此，在主要按鍵的設計上，特別強調功能按鍵的顯眼性和易用性，通過放大按鍵尺寸使用戶能夠更輕松、直觀地識別和操作這些關鍵功能。同時，為了堅持整體界面的簡約，去除不必要的元素，讓用戶能夠一目了然地了解產品情況，給用戶帶來更為便捷和直觀的使用體驗，產品使用場景圖如圖5 所示。

六、基于DSM-SOM模型的結構設計

在對設計方案進行結構細化之前，為提高設計效率和結構設計的合理性，故應用DSM-SOM 模型對冰箱殺菌器產品設計結構進行聚類劃分。

（一）建立數值型DSM 設計結構矩陣

數值型DSM 設計結構矩陣是一種特殊的矩陣工具，用于表示和分析系統或產品中元素之間的相互作用和依賴關系。在數值型DSM 中，矩陣的行和列分別代表系統或產品中的元素，而矩陣中的每個元素（即交叉點）則是一個具體的數值，表示對應的行和列元素之間的依賴關系或交互作用的強度。為了更清晰地表達這些零部件之間的關聯，構建了3 個設計結構矩陣（DSM）：幾何關系矩陣、結構連接矩陣和功能相關性矩陣。

該產品主要零部件有8 個，如表6 所示。根據產品零部件之間的幾何關系、結構連接、功能相關性分別構建相應的設計結構矩陣，為簡明起見，兩部件完全沒有關系和影響的數值0 未標識，如圖6a-c 所示。再將這3 個矩陣進行疊加，得到冰箱殺菌器零部件的DSM，圖中數值1 ～ 3 分別表示零部件之間存在以上1-3 種關聯，如圖6d 所示。

（二）基于SOM 算法的產品設計結構聚類劃分

基于自組織映射（Self-Organizing Maps，SOM）算法對數值型設計結構矩陣進行聚類劃分是一種無監督學習方法。聚類結果的可視化使得設計師能夠直觀地識別出產品設計結構中的不同類別和層次，從而更好地理解產品設計結構的特點和規律。此外，基于SOM 的聚類方法還能夠提供關于產品設計結構優化的指導，如識別關鍵模塊、優化模塊間的連接關系等。

針對冰箱殺菌器的結構劃分：首先，將零部件總DSM 矩陣通過歸一化處理得到SOM 輸入層矩陣Q：

緊*接著，將矩陣Q作為輸入數據借助python軟件編寫SOM網絡進行聚類分析，行號和表6 中的零部件編號相對應。該算法按照以下步驟進行：

（1）向量歸一化，初始化網絡權值向量，得到輸入模式向量X 和競爭層中各神經元對應的內星向量Wj（j=1，2，…，m）并對輸入矩陣進行歸一化處理。

（2）尋找獲勝神經元，計算X 與Wj 的歐氏距離，按照式（3）確定獲勝神經元權向量值Wj *，其與X 的歐氏距離最小。

（3）網絡輸出與權值調整，在聚類塊鄰域范圍內，按照式（4）調整獲勝神經元的權值向量Wj *，其中α （（00，1，] 1]。

如此進行循環訓練，直到學習率α 衰減到規定的值。通過運行代碼，設定α=0.5 時得到最終聚類結果，如圖7a 所示。顏色深淺和相鄰性反映了神經元之間的相似度，冰箱殺菌器零部件主要可以分為3 個主要模塊：A 模塊（5，7）；B 模塊（2，4，8）；C 模塊（1，3，6）。最后結合相關結構設計經驗并參考相關產品專利結構[12]，完成冰箱殺菌器結構設計，結構爆炸圖如圖7b 所示。

結論

在當今消費電子產品市場競爭日趨激烈的環境下，家用冰箱殺菌器產品憑借其獨特的健康理念與功能，受到了越來越多消費者的青睞。然而，如何在這一領域脫穎而出，設計出既滿足市場需求又具備創新性的產品成為當下的一大挑戰。本文深入探討了如何通過系統化的設計流程，結合先進的數學模型，從產品需求分析到最終的結構設計，全面優化冰箱殺菌器產品的設計過程?；谙到y化、流程化的設計思維，將設計需求借助層次分析法，計算出各個需求因素的權重，再進行針對性的方案設計，并結合模糊綜合評價法，對于產出的4 個概念方案做出合理決策，同時借助建立數值型DSM 并通過SOM 算法模型對優化方案進行結構設計，能有效提高產品設計效率和科學性。在未來，隨著科技的不斷進步和市場的不斷變化，這種設計方法將有望為更多消費電子產品的設計提供一定參考。

參考文獻

[1]羅曉慶，張玉萍，楊一等.基于AHP的塔式起重機智能駕駛室設計[J].包裝工程，2022，43（16）：144-152.

[2]楊昕妍，張仲鳳.一款基于AHP層次分析法的衛浴產品設計[J].包裝工程， 2021，42（04）：144-147，153.

[3]王子翔，徐佳.基于AHP與模糊模型的農特產品包裝設計與評價[J].包裝工程， 2022，43（06）：213-219.

[4]王媚雪，鄺慶龍，王巍.基于AHP-模糊評價分析法的社區老年人售藥機設計研究[J].設計，2024，37（03）：82-85.

[5]劉覽宇，鄭剛強.基于KJ-AHP法的便攜制氧機設計研究[J].設計，2023，36（17）：112-115.

[6]胡昊琪，劉博敏，黃媛媛.基于層次分析法的鐵路文創產品設計研究[J].設計，2023，36（21）：14-17.

[7]王亞鵬. 基于SOM模型的產品族外形優化設計研究[D].武漢：湖北工業大學，2022.

[8]Anand K，Bhardwaj A，Chaudhuri S，Mishra VK. Self-Organizing Map Network for the DecisionMaking in Combined Mode Conduction-Radiation Heat Transfer in Porous Medium. Arabian Journalfor Science amp; Engineering（Springer Science amp; Business Media BV ）. 2022；47（12）：15175-15194.

[9]李穎，應保勝，容芷君等.基于SOM的產品設計結構模塊劃分及其評價[J].武漢科技大學學報，2018，41（04）：301-306.

[10]陳紅機.細菌性食物中毒的微生物學檢驗探究[J].工業微生物，2023，53（04）：24-26.

[11]川喜田二郎. KJ法[M].北京：中共公論社，1996：1-6.

[12]廣州中航環?？萍加邢薰?一種紫外線殺菌裝置：中國，CN210656256 U[P]. 2020-06-02.