基于KJ-AHP-QFD的高铁车站智能人体安检门设计

李文凯 周祎德* 杨易铭

(1.昆明理工大学艺术与传媒学院，云南 昆明 650051；2. 浙江华视智检科技有限公司，浙江 杭州 310012）

近年来，高铁作为连结城市与城市之间的公共交通工具，已经成为人们最为便捷、可靠的交通方式之一。与此同时，随着城市人口规模的不断扩大和城市化进程的加速，高铁车站的客流量与安检压力也在逐年上升。现阶段的高铁车站金属安检门的检测精度低，可检出的违禁物品较少，需人工复检，对人力和经验的依赖度较高，因此通行体验较差[1]；而太赫兹、毫米波等新型人体安检技术可弥补金属安检门的缺陷，大幅提高安检效率，且已在民航领域大规模运用[2]。新时代高铁反恐安检应该切实提升相关安检硬件设施的基础标准，切实满足群众的现实需求，并向民航安检设施标准看齐，以提升铁路综合安全管理水平[3]。因此，适于高铁车站场景的智能人体安检门设计应该充分融入安检工作人员与被检测者的真实需求。而如何从设计学的角度出发，去处理需求与设计要素之间的关系，是本次研究的关键点所在。

目前已有部分学者通过集成KJ、AHP与QFD方法，来构建科学的设计研究模型，建立需求与产品开发要素之间的联系，优化设计流程，得到更加贴合用户需求的设计方案：卢星等[4]通过KJ-AHP方法对老年人胰岛素注射器的功能需求进行研究，得出了层次化的功能需求指标，大大提升了胰岛素注射器设计的适老性与易用性；吴俭涛等[5]通过集成KJ-AHP-QFD方法对两用清扫车进行研究，减少了设计定位的主观性和先验性，提高了设计方案的科学性与实用性；陈晨等[6]通过KJ-FAHP-QFD集成模型，对用户需求进行不断分级与量化，完成了能够解决用户痛点的核酸采集机器人设计；于梦豪等[7]通过集成AHP-QFD-TRIZ对2类用户需求进行了更准确的分析，从而实现了智能门卫机器人方案的创新，优化了设计的效率与可靠度，为智能社区机器人设计提供了新的思考方向。依据上述研究综述可知，虽然已经有了集成KJ-AHP-QFD法的研究先例，但鲜有研究者对设计方案进行综合评估，难以验证设计方法的有效性。

研究拟使用KJ-AHP-QFD集成模型完成从用户需求到产品功能与造型设计要素的转化，借助PUGH决策矩阵进行方案评估与验证，得出最优解，完成融合毫米波人体成像技术的高铁车站安检门创新设计，以解决现有安检门安检效率与有效性低下的问题，并进一步提升用户体验。

1 集成KJ-AHP-QFD模型的创新设计研究方法

1.1 KJ-AHP-QFD集成模型概述

KJ亲和图法是由日本东京工业大学的川喜田二郎教授提出的一种质量管理工具。在产品设计领域中，可以利用KJ法将前期设计开发阶段收集来的需求信息以相互之间的关联度作为衡量标准，进行归纳整合，最终形成递阶水平层次的需求亲和图，从而帮助更好地定义问题与用户需求[8]；AHP层次分析法是由美国运筹学家Saaty提出的能够将定性与定量分析综合考量的一种决策方法，可以定位用户需求权重，帮助产品开发者大幅提升设计研发效率[9]；QFD质量工程展开法可以将用户的需求要素转化为产品设计要求、功能特性要求以及生产要求，它涉及一个多层次的演绎分析过程，是一种科学且严谨的设计决策工具[10]。这种方法让企业的产品从设计开发阶段就能满足目标用户的需求，并将这些需求转化为多元设计要素。HOQ即质量屋，是质量工程配置最重要的一个部分，可将用户需求与产品技术特性相关元素的联系通过直观、可视化的方式呈现出来[11]。

与此同时，这3种方法皆存在着自身局限性。KJ法可以将前期的用研结果进行分类汇总，并对用户需求进行层次化分析，但无法量化评估用户需求的优先级；AHP层次分析法虽能量化并排序用户需求，但无法直接将用户需求转化为具象的产品功能解决方案，而QFD可以完美解决用户需求与产品工程技术之间的矛盾，将抽象且感性的需求元素转化为理性且科学的设计需求。因此KJ-AHP-QFD集成模型可以从更为科学且合理的角度去挖掘并分析用户需求，给出解决对策。

1.2 基于KJ-AHP-QFD的高铁车站智能人体安检门设计流程

如图1所示，研究按照需求提取、层次划分、需求功能转化和设计输出4个步骤完成。

图1 研究流程图。

（1） KJ法获取用户功能需求清单。在设计初期，通过文献研究与线下实地调研的方式对高铁车站现有安检门的现状进行全面分析，包括功能、技术原理、造型、人机因素等，并进行定性归纳总结分析，然后根据分析结果设计调查问卷和访谈提纲，量化分析并深入挖掘用户需求，通过KJ亲和图法初步建立高铁车站智能人体安检门的用户需求清单。

（2） 运用AHP层次分析法进行需求权重排序。依据需求清单设计AHP调查问卷，收集用户需求，利用AHP构建需求层次结构模型，分为目标层、准则层和指标层，并对用户需求权重进行计算，建立比较判断矩阵，根据权重值排序并进行一致性检验。

（3）运用QFD法进行功能需求转化。利用QFD将用户需求转化为产品的技术特性，将用户需求的权重与技术特性相结合输入质量屋中，构建用户需求——技术特性相关矩阵，对需求与产品技术特性之间的关联性打分，最终得出所需的功能结构权重。

（4） 设计实践输出。依据质量屋所得出的产品技术特性需求权重指标进行设计实践表达，将需求要素向产品功能与造型要素方面转化，输出具体的产品外观设计方案,利用PUGH决策矩阵评估验证得出最终方案。

2 基于KJ法与AHP法的高铁车站智能人体安检门用户需求分析

2.1 KJ法获取用户需求清单

通过KJ法整理并归纳高铁车站智能人体安检门用户需求的步骤为：①确定调研主题，明确调研目的。②聚焦调研对象。主要有两类：一类是车站安检处的安全员与管理者，另一类是接受安检的行人。③进行问卷调研与用户访谈，收集用户需求信息。④结合桌面调研得出的信息归类汇总并按层级划分需求指标。如图2所示，构建高铁车站智能人体安检门的用户需求清单[12]。

图2 用户需求清单。

2.2 AHP层次结构模型构建

利用上述KJ法整理出的功能需求清单作为构建AHP层次结构模型的基础，并按照目标层、准则层和指标层的方式搭建出层次结构模型[13]。AHP层次结构模型如图3所示。

图3 AHP层次结构模型。

目标层：基于KJ-AHP-QFD的车站智能人体安检门设计A。

准则层：安全性B1、高效性B2、操作便捷B3、外观与结构B4四项作为准则层设计评价要素。

指标层：人脸信息识别C1、尽可能少的扫描死角C2、隐私保护性强C3、稳固可靠C4、防水防磕碰C5；无肢体接触D1、检测尽可能多的违禁品D2、精准定位违禁物品D3；劝导式警报与灯光E1、操作键位置符合人机E2、信息显示位置符合人机E3、检测姿势舒适E4、方便移动与搬运E5；科技感线条F1、开放式造型F2、可拆卸结构F3、通道宽敞F4、实用耐久F5等18条分项指标。

2.3 用户需求权重计算

课题组邀请了8位高铁车站安检员、8位高铁车站被检测人员与5位安检门业务中心的资深设计研发人员参与了AHP问卷的评分，采用表1的1—9标度法对18个分项指标的重要程度进行两两比较并打分，构建出比较判断矩阵[14]。

表1 判断矩阵量化指标

其次，采用几何平均法、算数平均法等数学方法计算出上述判断矩阵中各分项指标的权重值，如式（1）—式（3）所示。表2—表6为准则层和指标层的单层权重值。

表2 判断矩阵A-（B1~B4)及权重

表3 判断矩阵B1-（C1~C5)及权重

表4 判断矩阵B2-（D1~D3)及权重

表5 判断矩阵B3-（E1~E5)及权重

表6 判断矩阵B4-（F1~F5)及权重

式中：

aji——判断矩阵中第i行第j列要素；

n——判断矩阵阶数；

Wi——权重值。

为了规避专家打分的主观性与随意性导致评分出现自相矛盾的情况，还需对判断矩阵进行一致性检验。检验需要运用到的公式如式（4）所示。若满足CR≤0.1，则该判断矩阵通过一致性检验[15]；若不满足，则需重新构建该判断矩阵直至通过检验。

CI——验证矩阵不一致程度指标；

RI——平均随机一致性指标；

CR——一致性比率系数；

n——矩阵阶数。

运用式（4）对目标层和准则层的判断矩阵进行一致性检验，其中A、B1、B2、B3与B4的值分别为0.04、0.08、0.04、0.06和0.05，均小于0.1，通过检验，说明各指标数据的可信度与准确度较高。根据综合指标权重进行排序。将各指标层的单层权重乘以与之对应准则层的单层权重得到综合指标权重并进行排序，如表7所示。

表7 综合权重及其排序

依据排序后的综合指标权重可以发现，安全性与高效性是用户最关注的两个方面，新型高铁车站智能人体安检门应该在确保尽可能少的扫描死角的情况下，兼顾无接触式安检和人脸信息识别的功能；同时，操作区的按键与信息显示的位置也需更加符合人机；在产品材质、造型和结构层面，产品需满足实用耐久和防水防磕碰的要求，并往科技感风格的方向贴合。

3 基于QFD的用户需求转化

通过AHP法计算出用户需求指标权重，然后利用QFD质量功能展开法将用户需求进一步转化为高铁车站智能安检门的产品工程解决方案，如表8所示。其次，将需求层和工程技术方案之间的关联进一步分析，以指导设计实践。主要分为以下两个步骤：

表8 需求——产品工程技术转化表

（1） 构建质量屋。将准则层与指标层及其相关权重值排列在质量屋的左侧，构成质量屋模型的“左墙”；将产品工程技术特性填充在质量屋模型的上方，即质量屋的“天花板”；模型中间则用来填充产品技术特性与用户需求之间关联度的分值。

（2） 对需求层与产品技术特性之间的关联度进行评分。本次研究邀请了8名高铁车站安检工作人员、4位车站被检测人员与2位安检门设计研发人员，并要求这14名用户对需求层与产品技术特性的关联度打分，用5、3和1来表示二者之间相对应的关系，分别对应强关联度、中等关联度和弱关联度[16]，利用下列公式计算得出产品技术特性的相对权重。质量屋模型如表9所示。

表9 质量屋模型表

式中：

PiJ——相关性系数；

q——需求数总和；

Wi——需求权重；

Wj——技术特性绝对权重；

Wk——技术特性相对权重。

由质量屋计算出产品技术特性相对权重的结果可以看出，在设计的过程中，应考虑如何用更先进的技术或手段，实现尽可能少的扫描死角并检测更多的违禁物品，使工作人员能够更加便捷与舒适地操控机器，以保证被检测者全流程无接触式的安检体验。

4 高铁车站智能人体安检门设计实践

4.1 设计方案验证与评价

依据上述质量屋所得出的产品技术特性权重，笔者设计了3款适于高铁车站场景的智能人体安检门，将设计重点聚焦于产品的扫描模块、识别模块与操作模块、外观造型等方面，利用PUGH决策矩阵对安检门方案进行验证与综合评估，PUGH矩阵可以定性地对方案进行决策，最终得出合理性最优的设计方案[17]。

本课题组建了相应的专家评审小组，包含1位安检门产品经理、1位高级工业设计工程师、2位硬件工程师和6位高铁车站安检从业人员（从业经验2年以上），以提升方案评估的专业性。首先，选取功能设计较为详尽的方案三作为评价基准参照方案；其次，评审小组将剩余方案与基准参照方案进行比较，使用“+”代表较基准参照方案更优、“-”代表较基准参照方案稍差、“S”代表与基准参照方案持平[18]；然后，统计出各方案的净分数，并进行排序；最后，依据表10验证评估结果可知，方案一的净分数最高，优于方案二和方案三，具备较高的合理性与易用性，可以更好地满足设计初衷，开发前景良好，因此，可作为最终方案深入优化。

表10 验证评估结果

4.2 最终设计方案展示

对方案一进行深入优化设计后，具体细节如图5所示。

图5 高铁车站智能人体安检门最终设计方案。

（1） 扫描模块设计：为了实现尽可能少的扫描死角并检测尽可能多的违禁物品，选取毫米波雷达收发阵列作为扫描模块。毫米波雷达扫描技术比较成熟，在国内外的民航安检领域已经大规模使用，几乎无电离辐射，检测全过程无需人体接触，对人体的危害极小，且可以检测出金属安检门无法检测出的非金属违禁物品以及爆炸物和毒品等[19]。经过检阅各类专利，将毫米波雷达收发阵列调整为折线式样，如图5中14所示，相较于平板探测仪，可以最大程度地扫描人体的每个区域，满足安全性和高效性的需求。

（2） 人脸识别相机设计：为了后期被检测者信息追溯的便捷性与安全性，将半球人脸识别相机集成于机身，如图5中9所示，且相机角度偏向通道侧，方便抓取人脸信息，满足安全性的需求。

（3） 底盘（即脚踏板）设计：底盘连结两扇门体，如图5中15所示，表面覆有防滑棱状纹理，满足安全性的需求。

（4） 操作区域设计：将安检员端的信息显示区域与操作区集成，设计成可触控的显示屏，并与可灵活调整的机械手臂结合，如图5中10所示，符合人机；将急停按键与开关设置显示屏旁，如图5中11和12所示，操作更加简易，满足操作便捷的需求。

（5） 外观造型设计：科技感斜切面设计，蓝白配色，简约大气；交互式条状灯带如图5中1所示，用于显示检测状态；机身底部设有散热孔，如图5中4所示，便于排出毫米波收发阵列运作时散发的热量，延长机器寿命，更加经久耐用；简易式可拆卸运维的门板如图5中2所示，方便工作人员进行运维；门体外壳采用坚固的钣金材料和喷塑工艺，防水防磕碰。门体内部设有站姿指引图例，如图5中13所示，方便被检测者迅速依照指示做出反应，满足大部分用户对于产品外观造型的需求。

（6） 移动底轮设计：两扇门体的底部均有两个可移动式的高强度滚轮，如图5中5所示，方便工作人员搬运与移动位置，滚轮的旁边设有金属支撑脚杯，如图5中6所示，当门体移动到合适位置时便可以打开脚杯进行支撑与固定，满足操作便捷的需求。

据图6产品使用示意图所示，被检测者只需按照安检门内的指示图例摆出相应的姿势即可完成检查，而安检员只需要站在出口侧观察并处理屏幕端的信息，以劝导的方式告诫被检测者卸下违禁物品，全程无需额外的人工接触式检测。

图6 产品使用示意图。

综上所述，此方案融合了毫米波雷达技术，识别违禁物品更加高效，进一步提升了高铁车站的安全系数，被检测者无需接受接触式检查也能通行，极大地减轻了安检人员的工作强度，整体效果达到设计预期，验证了KJ-AHP-QFD模型的客观性与合理性。

5 结语

通过对高铁车站场景的目标用户需求进行深入调研与分析，集成KJ-AHP-QFD模型将用户需求向产品技术特性循序渐进地转化，借助PUGH矩阵辅助方案进行进一步评估与决策，解决了现有高铁车站安检门安检效率低下与用户体验不佳的问题，也验证了该设计策略方法的科学性与有效性，完成了满足用户需求、适于高铁车站环境、符合时代发展趋势、向民航安检标准看齐的智能人体安检门设计，为后续学者在该领域的深入研究与探索做出了理论指导。由于本次研究存在一定的局限性，该研究方法需要在未来的探索中逐步完善。根据产品类型，可考虑采用心智模型、TRIZ理论和公理设计等方法对设计模型进行优化和扩展。后续的研究亦可以从不同的视角去设计和开发相应的安检辅助设备，进一步减轻安检工作人员的工作强度，提升用户体验，使此类设备更加高效与智能化。