基于模糊層次分析法的羽毛球蒸球器設計研究

引言

在全民健身熱潮中，羽毛球因簡單易上手廣受歡迎。但近年來羽毛球價格逐年攀升[1]，加之干燥氣候導致球體濕度降低、韌性減弱，羽毛球更容易在擊打的過程中發生斷裂。影響擊球軌跡和體驗，導致打球者頻繁換球，推高了運動成本[2]。在這樣的背景下，提升羽毛球的韌性和耐打性，延長使用壽命，成為降低運動成本、維持打球者興趣的關鍵。

羽毛球的韌性與其濕度息息相關，研究表明對羽毛球進行加濕能有效提高其韌性，減少羽毛斷裂[3]，羽毛球蒸球器便孕育而生。然而，現有羽毛球蒸球器在蒸球效果、便攜性、操作使用等方面存在缺陷，無法全面滿足用戶需求。因此，本研究引入模糊層次分析法（FAHP）用于蒸球器的設計和評估，聚焦于實現蒸球器功能的強化和使用的便捷化。通過構建覆蓋多維度的層次結構模型，將用戶模糊復雜的需求轉化為量化數據，增強設計決策的科學性和可靠性[4]。

一、羽毛球蒸球器設計調研

（一）現有產品調研

羽毛球蒸球器是用于加濕羽毛球的工具。此次蒸球器設計研究主要針對外出打球的羽毛球愛好者，適配中小規模用球需求。常見的羽毛球加濕方法有3 種：1. 熏蒸法，其一基于超聲霧化原理，利用超聲波壓電陶瓷霧化片高頻振動擊碎水滴形成細霧，常見的蒸球器都基于此原理。其二基于熱霧化原理，靠高溫使水分蒸發，附著于羽毛球表面。2. 濕桶法，將球桶浸濕，靜置冷凝使濕桶水分凝結羽毛表面。3. 浸泡法，把球放淺熱水盤浸幾分鐘再取出靜置[3]。

對市面上100 款蒸球器進行了研究對比，發現當前產品難以全面滿足用戶需求，核心痛點集中于以下方面：

1．功能實現與使用體驗存在矛盾。主流的超聲霧化型蒸球器通過霧化片高頻振動實現快速加濕，但體積與儲水空間難以平衡，大體量機型便攜性差，無法滿足戶外或移動場景需求；小體量機型儲水空間有限，需頻繁加水，使用便利性大打折扣。同時，霧化片上下安置的結構設計導致蒸汽分布不均，羽毛易出現局部過濕或欠濕，影響使用。

2．加濕效率與效果難以兼顧。基于濕桶法的蒸球器常采用吸水球、半導體制冷片來增加水分基礎，雖能提供細膩濕潤效果，但加濕耗時較長，難以滿足用戶快速使用需求。而傳統人為加濕方式，如蒸汽熏蒸、浸泡羽毛，雖操作簡單快捷，卻完全依賴人工經驗控制濕度，缺乏標準化流程，無法保證羽毛球的有效加濕[5]。

（二）用戶需求調研

基于上述對現有產品的剖析設計了調查問卷，收集用戶的使用反饋以及對創新功能的期待訴求，同時引入KJ 法來對調研結果整理分析。KJ 法可將用戶碎片化的語言資料與需求信息歸類合并，挖掘潛在邏輯關系，從而系統梳理用戶需求，為產品設計提供方向。將問卷通過網絡發放到各大羽毛球俱樂部、羽毛球館的網站，同時到球館實地訪談，目標人群覆蓋羽毛球業余愛好者、職業羽毛球運動員和球館管理員。本次調研共發放問卷200 份，回收有效問卷182 份，樣本合格率達91%。將182 份有效問卷逐句編碼，提取約100 條需求語句，按KJ 法歸納為蒸球效率、結構設計、人機交互、外觀造型4 大維度，最終提煉30 余項核心需求如圖1[6]。

在提煉出的需求中，部分需求反映尤為集中：1. 多數羽毛球球館采用計時收費，71% 的用戶期望提升蒸球效率，縮短羽毛球從加濕到可用狀態的時間；2. 由于打球者常攜帶球包前往球館，79% 的用戶希望蒸球器縮小體積，便于攜帶；3. 蒸球器因內部殘留水分易出現長霉、結垢，45% 的用戶認為現有蒸球器在部件更換清洗方面存在不便。

二、構建羽毛球蒸球器評價模型

模糊層次分析法（FAHP）由美國運籌學家T. L. Saaty 教授于20世紀70 年代提出，是在層次分析法（AHP）基礎上優化的決策分析方法[6]。該方法能將通過產品調研和用戶咨詢得到的，存在不確定性和模糊性的設計要素利用層次分析模型分級表示出來，再通過建立模糊判斷矩陣等計算出每個要素的權重。該權重大小反映該要素對用戶需求的影響程度，權重越高表示該要素對用戶需求的影響越大，此設計要素就應更為突出，以此來指導方案設計。

（一）構建設計要素層次分析模型

1．目標層：羽毛球蒸球器的設計M。

2．準則層：通過上述對調研得到的用戶需求分類整理得出準則層要素為外觀造型N1、結構設計N2、人機交互N3 和蒸球效率N4 等4 個方面。

3．因素層：根據調研的用戶需求結果，歸納出準則層下的因素層。外觀造型N1 包括造型N11、色彩N12、材料N13、質感N14；結構設計N2 包括攜帶方式 N21、使用方式N22、安全部件N23、更換方式N24；人機交互N3 包括顯示屏 N31、按鍵N32、提手N33、拿取球N34；蒸球效率N4 包括加濕均勻性N41、濕熱速度N42、加熱穩定性N43、溫濕精度N44。構建出羽毛球蒸球器設計要素層次分析模型如圖2。

（二）構建模糊互補判斷矩陣

如表1 利用0.1～0.9 標度法將準則層和因素層的各元素兩兩比較，量化其重要程度，得到模糊互補判斷矩陣N=（aij）n×n，其具有如下性質[7]

如表1 所示，ai 和aj 是圖3 層次分析模型中準則層或因素層的某個元素，當aii =0.5，意味著ai 與aj 同等重要性；若 aij ＜ 0.5，則表明元素aj 相較于ai 更重要；相反，若aij ＞ 0.5，則表示元素ai 的重要性超過aj[8]。

依據上面的模糊標度，構建如下模糊互補判斷矩陣：

通過在羽毛球館和羽毛球俱樂部尋找4 位專業羽毛球教練和6位球員依據上述要求比較各要素，再取平均數得到如下模糊互補判斷矩陣。

準則層的模糊互補判斷矩陣

（三）模糊互補判斷矩陣權重

N=（aij）n×n 為模糊互補判斷矩陣，W=（W1，W2，W3…，Wn）為N 的權重向量，則利用文獻[9] 提出的通用公式來求解模糊互補判斷矩陣的權重，其表達式如下

式中，Wi 為因素ai 的權重。

按照上述權重推導公式，對各個判斷矩陣進行計算，可得出相應的權重向量，結果如下：

（四）模糊互補判斷矩陣的一致性檢驗

通過上述公式代入相關數據計算得，各模糊判斷矩陣及其特征向量的相容性指標為：（I N，W*）=0.0936≤0.1，（I N1，W*1）= 0.0831≤0.1，I（N2，W*2）= 0.0928 ≤ 0.1，I（N3，W*3）=0.0831 ≤ 0.1，I（N4，W*4）= 0.074 ≤ 0.1，因此，模糊判斷矩陣N 符合一致性要求，相應的其權重集W* 的分配具備合理性[8]。

綜上所述，對矩陣中所有元素的權重進行匯總，形成設計要素權重排序，作為羽毛球蒸球器方案的設計和評價標準，如表2。

三、羽毛球蒸球器方案設計與模糊評價

（一）方案構思

由表2 可知，蒸球效率較準則層其他要素中更為重要，其中的濕熱速度、濕熱精度、攜帶方式以及使用方式等要素權重排序較前，應作為設計優先級。再結合產品痛點和用戶調研結果，蒸球器創新設計方向主要集中以下兩點：

1．提升蒸球效率和效果：一方面對蒸球模塊進行優化，提升加濕加熱速度，縮短水霧彌漫時長；另一方面，改進羽毛球放置和與水霧接觸的方式，使加濕效果更均勻，避免羽毛球局部過濕或欠濕而無法及時使用。

2．優化操作和使用體驗：外形方面，考慮為蒸球器增添儲球功能，實現蒸球、儲球一體化，以縮小體積。調查到初級水平的打球者兩個小時的耗球數為2 ～ 3 個，中級及以上水平的打球者兩個小時的耗球數為4 ～ 5 個，所以確定蒸球器容量為4 個羽毛球，若還需蒸球可在打球時二次進行；同時配備移動電源，提升便攜性。人機方面，要考慮人手和儲球空間的尺寸位置關系以及羽毛球的特殊形狀，設計拿取球裝置和方式；同時考慮蒸球器的放置位置和人眼的角度關系，來設置可視化屏幕和按鍵。內部結構方面，需要優化部件的拆卸更換結構，減少水分的存積；同時平衡儲水空間和便攜性，避免用戶在使用過程中頻繁加水；另外兼顧對用電安全和內部氣壓的考慮。

蒸球器初步模塊圖如圖3，蒸球器整體分為上中下3 個部分，分別是上蓋、中間主體、下蓋。中間主體以儲球模塊為中心，四周環繞儲水、蒸球、電路、交互模塊和外殼。

（二）方案設計

此如圖4，基于上述設計構思擬定三款蒸球器初步方案。

方案一側重于超聲霧化環繞的結構針對性。蒸球模塊沿用超聲霧化原理，將霧化片由上下放置改為環繞羽毛球布局，規避水霧沖擊球頭導致的膠質軟化問題。外觀采用簡約方體造型，外殼采用雙色注塑工藝成型。人機方面，正面設有LCD 顯示屏，顯示霧化溫度，設置不同顏色的操作按鍵能降低操作誤觸率；黃色單邊提手方便攜帶。結構方面，頂蓋采用透明塑料，方便觀察內部蒸球情況；中部黃色區域的蜂窩狀散熱孔協同內部氣流通道設計，維持氣壓穩定；底部汲水盒收集多余水分，旋轉打開后是上下貫通式腔體，支持 “底部放球-頂部取球” 的單向操作流程，避免羽毛球在拿取中與儲球區壁面刮蹭；同時，儲水區內壁覆涂疏水涂層減少水垢附著；電池安裝在主體側面，底部配備充電接口。

方案二側重于濕桶法與加熱電阻的集成高效性。蒸球模塊基于濕桶法原理，通過蓄水材料與加熱電阻的協同作用，實現“儲水- 升溫- 揮發”的動態加濕過程，蓄水材料儲水能力更強，加熱電阻加快分子布朗運動，使水分快速擴散附著于羽毛球表面。外觀方面，整體輪廓模擬羽毛球外形，外殼添加波浪形漸消紋路，表面通過噴砂工藝形成磨砂質感以提升其摩擦系數，增強手持穩定性；底部的圓弧設計能減少應力集中，增加蒸球器的耐摔性。人機方面，正面設有顯示屏和操作按鈕，符合人手部特征和操作習慣；藍色雙邊提手方便攜帶。結構方面，透明上蓋兼具觀察和加水功能，其內壁設有刻度，支持定量加水，保障用水量與安全性；上蓋中部添加壓力感應式排氣結構，當內部溫度和氣壓達到一定程度時排氣，既能讓內部快速達到溫濕度要求，又確保了安全性；按壓彈射取球裝置規避手部高溫接觸風險；電池安裝在底部，側面配備充電接口。

方案三側重于溫濕雙控的智能調節性。蒸球模塊基于濕桶法與模糊控制算法，集成熱敏電阻與濕敏電阻，通過PID 控制器實現溫濕度動態調節。外觀方面，整體呈漸變綠色的圓臺狀，通過噴涂工藝增加外殼表面光澤感；頂部螺旋凹陷作為排氣口，側面旋轉漸消的線條流暢且富有動感。人機方面，配備棕色布條提手，由綠色部件固定；底部側面是開關按鈕。結構方面，為蓄水材料添加了支撐部件和上大下小的錐形放置腔體，方便固定和更換；通過安裝螺旋升降裝置，實現羽毛球的垂直升降拿取球；電池安裝在主體底部的中心，可拆卸，取下充電保證用電的安全性。

（三）模糊綜合評價

上述方案以不同的方式優化了蒸球性能和使用體驗，現利用模糊綜合評價來選擇最優方案。

1．構建模糊關系矩陣

模糊綜合評價法是一種多指標綜合評價手段，利用模糊數學中隸屬度理論整合多個指標的數值，通過綜合考量的方式，對那些具有模糊特性的因素作出合理估量[6]。

（1）確定評價要素集。假設羽毛球蒸球器設計方案評價系統各評價指標集合為M={ 外觀造型N1，結構設計N2，人機交互N3，蒸球效率N4}，外觀造型N1={ 形狀N11，色彩N12，材料N13，材質N14}，結構設計N2={ 攜帶方便N21，使用簡單N22，安全保護N23，更換快捷N24}，人機交互N3={ 顯示屏N31，按鍵N32，提手N33，拿取球N34}，N4={ 加濕均勻性N41，濕熱速度N42，加熱穩定性N43，溫濕精度N44}。

（2）構建評價體系。參考行業通用產品評價標準，結合羽毛球器材特性制定評分體系，確定評語集O= {O1，O2，O3，O4 }，分別對應“優秀”“良好”“合格”“不合格”，賦值后的評語向量P=（9080 60 50）T。評判標準為：90 分及以上是“優秀”；80 ～ 90 分是“良好”；60 ～ 80 分是“合格”；低于60 分是“不合格” [10]。

（3）邀請羽毛球專業人員10 名、羽毛球運動業余愛好者10 名和羽毛球相關產品設計師10 名等組成30 人的小組對3 個方案的各項指標進行打分評論得到模糊關系矩陣R[11]。模糊關系矩陣中的每個元素叫作隸屬度，代表各個方案中，每個因素的每個評價等級所占的人數比例。如，R1 表示因素層所有元素對方案1 的模糊關系矩陣，其中第一個數值“15/30”表示30 人中有15 人對方案1 的形狀做出了“優秀”的評價，以此類推。R1 表示為：

2．構建模糊綜合評價矩陣并輸出評價結果

在上述研究中，通過FAHP 計算得到了各項元素的權重，綜合評價權重向量為W，模糊關系矩陣為R，模糊綜合評價矩陣S 的計算公式為[12]

綜合評價權重向量為：W=（0.060，0.053，0.047，0.040，0.083，0.073，0.067，0.053，0.045，0.060，0.052，0.068，0.070，0.085，0.060，0.085）。則方案1 的模糊綜合評價矩陣

S1=W*R1=（0.461，0.404，0.115，0.024）

另評語向量P=（90 80 60 50）T，則各方案的百分制評分為T的計算公式為

計算出方案1 的百分制評價得分為：T1=S1*P=83.016，以此類推方案2 得分T2 為84.062， 方案3 得分T3 為81.011。因為T2gt;T1gt;T3，所以選擇方案2 為最佳方案，繼續深入優化。

四、結果分析與方案優化

從評價結果來看，3 個羽毛球蒸球器方案的百分制評分均超80分。表明經綜合考量諸多因素后，3 個方案都展現出良好性能與可行性，能在一定程度契合羽毛球蒸球器設計要求和用戶使用需求[13]。其中方案2 的綜合評分最高，故以其為基礎進行方案優化設計。

蒸球效率方面，突出均勻與精準相結合。結合方案1 中的超聲波陶瓷霧化片，與加熱電阻、蓄水材料共同組成多維蒸球模塊：霧化片和蓄水材料組成雙層水分供給基礎，加熱電阻使內部升溫加速水分彌散與羽毛球表面吸收，使蒸球的效率更高、效果更細膩；設置2個超聲波陶瓷霧化片，彼此間隔180°，且與中垂線形成30°傾角，與羽毛球羽毛保持平行，確保水霧垂直噴向羽毛表面。同時，結合方案3，增設熱敏、濕敏電阻實現精準加濕加熱，可依據羽毛球羽毛種類、狀態及實時氣候，預先設定適宜的濕度和溫度。

操作設置方面，突出便捷與安全相結合。因蒸球模塊包含的超聲波霧化片和蓄水材料均需加水，故重新規劃加水方式與水路結構。先計算兩結構所需水量，據此確定上蓋容積，并將兩結構連通起來；使用者用上蓋裝滿水倒入，水分同時流入霧化片蓄水區和蓄水材料中，避免分開加水。同時，強化高溫高濕環境下的電池防水保護，將電池置于底部加裝防水密封圈并與水流通道隔開。再結合方案3 中蓄水材料的支撐部件與放置通道，以方便其放置與更換。

材料尺寸方面，突出耐用與適用相結合。考慮蒸球區高溫高濕環境因素，需要選取耐潮耐熱的材料，外殼材料使用ABS 塑料，內部使用PC 塑料，蓄水材料使用聚乙烯醇海綿。在確定整體尺寸時，綜合考慮兩小時用球量和蒸球器的效率，強化小巧便捷、邊打邊蒸的原則，以4 個重疊羽毛球的高度與直徑作為基礎，高度約為160mm，直徑約為68mm。統籌考慮取球裝置、電池、上蓋等豎直方向的模塊，以及蓄水材料、加熱電阻等水平方向的模塊布局，確定最終尺寸為高度195mm，底部最大直徑100mm。

總之，優化設計方案更好地實現了蒸球器的產品功能性能的優化和用戶體驗的多維度提升。最終優化方案如圖5 所示。

結論

本研究為了使羽毛球蒸球器能更好地為用戶服務，滿足用戶使用需求，對現有蒸球器的蒸球性能做了升級創新，同時從外觀、人機、內部結構等方面提升用戶的使用體驗。在方法上本研究將模糊層次分析法（FAHP）引入方案的設計和評估中，通過構建包括外觀造型、結構設計、人機交互和蒸球效率的多層次評價模型，實現了從定性分析到定量決策的轉化，通過權重排序明確設計優先級，減少主觀決策偏差。研究發現，蒸球效率是用戶最關注的核心指標，而濕熱速度與溫濕精度的優化是提升產品性能的關鍵。通過模糊綜合評價篩選出的方案2 最能滿足用戶使用需求，進一步在蒸球模塊、操作使用和材料層次維度進行優化，驗證了FAHP 在復雜用戶需求場景下的適用性。研究成果不僅為羽毛球蒸球器的創新設計提供了科學路徑，更構建了一套可復用的羽毛球蒸球器設計量化分析框架。FAHP 的應用有效解決了設計要素的模糊性問題，增強了決策的科學性，助力推動羽毛球養護升級，有效延長其使用壽命。