基于用户需求综合模型与VIKOR评价的手持式紫外消毒灯设计

薛子安 龚海健 袁士东

摘要：在目前疫情放开管控的背景前提下，为增强人们的消毒意识，减小病毒感染风险，针对手持式紫外消毒灯进行研究及设计。以用户需求为基础，利用KJ法归纳总结用户需求，利用FAHP模型量化用户需求并计算权重，利用FBS模型将需求转化为具体的产品结构，接着根据转化结果进行手持式紫外消毒灯的方案设计，最后运用VIKOR法进行评价得出最佳方案。通过实践可知，利用综合模型将用户需求进行分级、量化与功能结构转化，有助于使设计更符合用户的实际需求，也能使设计的可实现性更强。

关键词：KJ法；FAHP模型；FBS模型；VIKOR法；手持式消毒灯

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）07-0120-05

Abstract：In the context of the current open control of the epidemic situation，in order to improve peoples disinfection awareness and reduce the risk of virus infection，the hand-held ultraviolet disinfection lamp was studied and designed. Based on user demand，summarize user demand by KJ method，quantify user demand by FAHP model and calculate weight，convert demand into specific product structure by FBS model，then design hand-held ultraviolet disinfection lamp scheme according to conversion results，and finally evaluate the best scheme by VIKOR method. It can be seen from practice that using comprehensive model to classify，quantify and transform user demand into functional structure will help to make the design more suitable for the actual needs of users and make the design more achievable.

Keywords：KJ method；FAHP model；FBS model；VIKOR method；Hand-held disinfection lamp

引言

在疫情防控實施常态化、开放性管理的社会背景下，人们对公共卫生和个人防护的意识愈发强烈，各类消毒产品在日常疫情防控中发挥着重要作用。随着人们在日常生活中需求的不断增多，引起了越来越多业界和学界对消毒产品的关注和探索。

一、消毒产品研究现状

吴安怡等[1]对HID理论和消毒产品的相关理论的文献梳理，讨论了以HID理论为基础的消毒产品设计开发方向，并对其加以分析和评论。张莉等[2]根据中老年人疫情后购物习惯的变化，对便携购物车进行了创造性设计，增加了紫外线消毒和臭氧消毒功能。黄瑶婷等[3]针对洗手消毒液不便携带、出液量不可控，按压困难等问题，运用无意识设计理论，通过方案构建与造型迭代设计了便携式颗粒状洗手消毒产品。董良等[4]运用感性工学方法，对手持式消毒产品的感性意象与造型元素建构了映射关系，厘清了影响产品感性意象的关键造型元素，并进行设计优化。王浩羽等[5]基于现有的消毒思想和理念，从方法和形式上进行改良，将便携和智能可控的理念融入喷雾式消毒器械中。许倩倩等[6]为解决自动扶梯存在传统人工消毒耗时耗力、消毒不全面等问题，通过用户评价法、PUGH矩阵选择法对自动扶梯消毒产品进行了创新设计。

从以上文献研究可知，构建科学的模型进行需求分析与产品设计，能够在有效解决社会需求的同时，还能使产品研发具有一定的价值以及可实现性。从设计学角度出发，国内学者通常运用KJ、KANO、FAHP/AHP、QFD等模型进行有逻辑性、科学性的产品设计研究。

周俊杰等[7]为了在产品开发中提供更加可行有效的产品决策方案，提出质量功能展开（QDF）与正交试验设计（QDF）的集成模型，并将此模型应用于医疗消毒产品开发实例中。陈晨等[8]集成了SET、KJ、FAHP、QFD 4种方法，对核酸采集现场服务机器人进行研究及设计。李翠玉等[9]通过集成了SET与FAHP两种方法，深度挖掘用户的真实需求，并将其与产品功能设计相互映射，对深紫外线杀菌器进行了创新设计。王志愿等[10]提出了一种基于熵权与VIKOR对设计方案进行评价与优选的方法，并通过家用净化消毒产品的设计方案评价为例，进行了验证计算。

综合上述所有文献，首先，可以发现大多数学者在进行研究时都集成了两种及以上的方法，这说明单一的理论指导研究存在一定的局限性，想要解决用户需求与工程特性之间的矛盾，实现感性思维向理性设计的转换就需要合理地将传统方法进行科学融合，运用综合模型对产品进行创新研究。其次，从消毒方式上还可以发现，当下人们对化学消毒产品较为偏爱，而对于紫外线消毒产品认识不足。因此，本文基于用户需求将KJ/FAHP/FBS方法相集成，并结合VIKOR评价对手持式紫外消毒灯进行设计，使产品不仅具备应有的功能，还兼具帮助人们适应新的世界环境的能力，从而改善了人们对紫外线消毒产品的印象，提升竞争力。

二、研究框架

本研究将KJ/FAHP/FBS模型集成，进行用户真实需求的优先级排序和功能结构的转化，同时以VIKOR法作为方案选取的评价手段，通过定性与定量相结合的研究方法，对手持式紫外消毒灯进行设计研究。图1为研究框架图，其所涉及的研究内容及步骤为：

（一）用户需求挖掘与排序。首先，运用KJ法归纳总结用户需求，通过问卷调查、用户访谈的方式对消费者进行需求调研，将得到的结果进行分类，得到针对手持式紫外消毒灯设计需求的亲和图。其次，利用FAHP模型量化用户需求并计算权重，根据KJ法得到的亲和图构建相应的FAHP层次结构，对其进行打分后构建判断矩阵计算出权重并进行优先级排序。

（二）用户需求-功能-结构转化。在得到手持式紫外消毒灯的用户需求优先级排序后，接下来便是将其转化为可以满足用户需求的产品。通过FBS模型，利用功能-行为-结构的映射，对产品结构进行拆分细化，得到预期产品应有的结构，并根据相应的结构进行产品设计形成多个初步设计方案。

（三）VIKOR法选取最佳方案。建立相应的评价指标对各个初步方案进行打分，计算群体效用值与个别遗憾值，通过最大化群体效益和最小化个体损失得到方案各属性互相让步的折中妥协解，从而确定最佳的产品设计方案。

（四）方案细化及实物制作。根据VIKOR法所最终所选取的方案进行细化后，输出加工图纸外发加工，完成实物的制作与装配。

三、用户需求挖掘与排序

（一）基于KJ法的用户需求分析

KJ分析法又称为亲和图法，于1964年由川喜田二郎提出，区别于传统统计方法，KJ 法是建立在事实的基础上针对某一问题，收集、整合资料并抓任实质找出解决问题的途径的一种方法。目前，KJ法已广泛运用于统计学、管理学、医学、设计学等学科，在产品设计和产品开发阶段KJ法可以进行信息的归纳和整合，使产品最终能够最大限度地满足消费者需求。

本研究以手持式紫外消毒灯为设计对象，为对用户需求进行挖掘，首先以问卷调查的方式初步调研，接着以用户访谈的方式對不同职业、不同年龄层次、不同性别的20位消费者进行访谈及行为观察，来挖掘隐藏在问卷数据下的潜在需求，调研需求结果如下：

（1）操作人性化：使用方式简洁易懂，上手速度快。

（2）功能布局合理：符合人们的使用习惯。

（3）人机尺寸合理：使用舒适，符合人机尺寸。

（4）计时提醒：希望产品有提醒功能。

（5）多种物品消杀：能对不同类别、尺寸、材质的物品进行消杀。

（6）消杀效率高：消杀效率高、时间短，长时间握持容易造成手部疲劳。

（7）消杀面积大：消杀的面积能更大更广。

（8）可收纳便携：不使用时能够后折叠收纳，减少不必要的空间。

（9）材料触感舒适：表面质感好，握持在手中不会划伤手。

（10）材料抗压防摔：产品坚固、不易摔坏，大部分用户担心该类手持产品从手中跌落后造成无法修复的损伤。

（11）造型简约时尚：产品造型简洁、美观、大方。

（12）注重使用环境的和谐：产品的外观、使用功能要与周围环境和谐，让人使用起来自然。

（13）购置成本低：希望购买价格在可接受范围内。

（14）使用过程能耗低：希望产品耗电较低，使用时间长。

（15）供电方式通用：接口通用，可使用通用的线充电。

（16）使用安全无害：希望在使用的过程中避免短波紫外对人体（皮肤、眼球等）的直射，而造成不可逆的伤害。

（17）防止儿童误触：对于儿童需要有童锁的功能，避免儿童因好奇误操作而导致的不可逆损伤。

（18）实用、稳定、不易损坏：希望产品的实用性好，使用时质量稳定性好，寿命长，不轻易短路或损坏。

利用KJ法对调研得出的用户需求进行整理并做出细致划分，整合得出如图2所示的KJ亲和图。针对手持式紫外消毒灯设计，其一级需求为帮助用户在生活中便捷地进行日常消杀；二级需求分别是造型结构，消杀与功能，使用与体验，实用耐久，安全规范；在造型结构下分有4个三级需求：材料触感舒适，注重使用环境的和谐，造型简约时尚，可收纳便携；在消杀与功能下分有4个三级需求：消杀面积大，消杀效率高，多种物品消杀，计时提醒；在使用与体验下分有4个三级需求：人机尺寸合理，操作人性化，功能布局合理，供电方式通用；在实用耐久下分有4个三级需求：使用过程能耗低，材料抗压防摔，实用、稳定、不易损坏，购置成本低；在安全规范下分有两个三级需求：使用安全无害，防止儿童误触。

（二）基于FAHP的用户需求量化

AHP层次分析法是在定性分析的基础上进行定量分析，将两者结合以提出系统分析的办法，但此方法易受极值的影响，层次关系的建立易趋于主观。因此，学者们在AHP层次分析法的基础上提出了FAHP模糊层次分析法，FAHP模糊层次分析法是一种将定性和定量分析相结合的多准则决策方法[11]，改进了传统层次分析法存在的问题，提高了决策可靠性。

根据上文所划分整合的用户需求构建FAHP层次分析模型，手持式紫外消毒灯层次分析模型图如图3所示。

在完成手持式紫外消毒灯的FAHP模型构架后，设计问卷进行专家问卷调查，对归属于同一层次下的指标按相对重要性两两进行评分，维度细分采用九级标度法（0.1-0.9），从而构造判断矩阵，然后对其进行模糊一致化处理，得到模糊一致矩阵并计算权重。经过一致性检，验结果显示CI<0.1，说明均通过一致性检验，数据的一致性好，数据具有可信度。最后，通过目标层和准则层权重乘积求出综合权重并对其排序，求出指标层需求的顺序，见表1。

根据表1可知，手持式紫外消毒灯的设计重点应该在安全规范、消杀与功能、使用与体验这三方面。在安全规范方面一定要确保避免短波紫外对人体的伤害，同时也要避免儿童误触的问题；在消杀与功能方面要满足较大的消杀面积、较高的消杀功率对多种物品进行消杀；在使用与体验方面要保证人机尺寸、功能布局的合理，使用方式应简洁易懂；在实用耐久方面要选择可靠的器件与合适的材料；在造型结构方面要注重整体产品外观的和谐，收纳的便利。

四、基于FBS的功能-结构转化

FBS模型是产品研发前期过程中功能-行为-结构的映射模型，能加强功能、行为与结构之间的关联。功能是满足用户的需求属性，行为是用户在使用产品功能时与产品间的交互形式，结构是联系产品各功能模块间的关系[12]，通过模型建立功能-行为-结构的映射对产品进行分析，得到目标产品的预期结构，从而指导设计。在手持式紫外消毒灯的设计中运用此模型，能有效地将用户需求转化为更符合用户习惯的结构形式，从而避免设计师主观想法对设计产生的干扰。

在上文用户需求量化的基础上，筛选出功能性需求，其中，A4、B1、B2、B3、B4、C4、D3、E1、E2都属于功能性的需求，要根据FBS模型构建各个功能对应的结构和技术原理来满足需求。而其余的属于美学与人机工程学范畴，一般从形态、色彩、材料、尺寸等方面展开细节设计与创新，因此不参与功能-结构转化的过程。其映射关系与各结构模块的汇总，如图4所示。

在完成功能-结构的转化后，还需结合权重排序对产品的形态、色彩、材料、尺寸等方面进行综合考量后生成设计方案，以便后续进行方案评估。所有设计方案如图5所示。

五、基于VIKOR的方案评价优选与细化

产品设计过程中会受到诸多因素影响，在方案选取时亦是如此。VIKOR法（折中妥协法）是一种典型的多属性决策方法，能最大化群体效用和最小化个别遗憾，使决策者能接受其妥协解，因此，具有更高的排序稳定性和可信度。

本文通过VIKOR法得到设计方案的排序，进而确定最佳的产品设计方案，其过程如下：

（一）构建评价体系

利用图3的层次分析模型构建手持式紫外消毒灯的方案评价体系，邀请10位用户与专家进行访问，结合方案图对各方案进行详细的描述，并通过9级量表对方案进行评分赋值，计算平均数得到如表2所示的初始评价值构建矩阵。

（二）归一化处理

为了对各属性进行对比分析，矩阵需归一化处理，从而消除量纲对结果的影响，使变量之间的对比更明显。

（三）计算群体效用值Si、个别遗憾值Ri与折中指标值Qi

根据式（1）与式（2）对群体效用值与个别遗憾值进行计算，在根据群体效用值与个体遗憾值的结果通过式（3）计算折中值，值越小表示方案越优，计算结果见表3。

（四）确定优选方案

若满足以下两个条件则根据Qi的大小进行排序，Qi越小方案越优；若只满足条件一，则Y1、Y2均为折中方案；若只满足条件二，则不满足条件一的方案的总体评价均为最优。

条件一：Q（Y2 ）-Q（Y1 ）≥1/（（n-1））；其中Y1是排序最优的对象，Y2是次优的对象。

条件二：Y1是Si或R的的排在前面的对象。

根据计算结果进行条件判定，Q（Y2 ）-Q（Y1 ）≥1/（6-1），故满足条件一，Y1是Si或Ri值中排名最佳的对象，故满足条件二，Y1（方案5）为最佳方案。

综合上述模型对最佳方案进行细化。首先，先根据FBS模型转化的结果与指标权重的大小，针对权重较大的消杀与功能、使用与体验、安全规范这三方面进行重点细化。在消杀与功能和使用与体验方面：产品光源采用体积小巧、杀菌率高、波长为275nm的UVC，数量共计16颗在光源板上呈双列排布，出光口设计成倒梯形，既能增大出光面积，也能提高杀菌效率。产品尺寸选取（P50男+P50女）/2的人体尺寸百分位数作为依据，背部设计有开关按键与指示灯，操作简单即开即用，且设有计时功能，5min后自动关闭表示已完成消杀。供电接口设计为type-C通用接口，方便用户在户外进行充电。在安全规范方面：产品底部设有童锁开关，可避免儿童误触，此外产品还设有重力感应功能且配有护目眼镜，避免消杀时侧翻、竖直操作对人体造成的伤害。

其次，再针对权重较小的造型结构、实用耐久两方面进行细化。在造型结构方面：产品整体造型从上到下由矩形向圓角矩形过渡，简约大方。整体颜色为珠光白加香槟金，表面处理为触感柔和的细皮纹，既时尚又能很好地融入使用环境。产品设有折叠机构，完成消杀后可折叠收纳便于携带。在实用与耐久方面：产品驱动设计采用航天级器件，电路稳定可靠、寿命高、能耗低。产品整体材料为PC+ABS且结构上设有加强筋，抗压防摔，不易损坏。

最后，在完成细化后输出图纸后进行加工，完成实物的制作与装配，见图6。

结语

本文以手持式紫外消毒灯为例，探索了用户需求综合模型与VIKOR评价在手持式紫外消毒灯上的设计运用。通过KJ/FAHP/FBS集成模型将用户需求进行分级、量化与功能结构转化，最后利用 VIKOR法确定了最佳方案并完成最终设计。通过实践表明该方法可以使设计结果更符合用户需求，能有效提高方案评价结果的客观性和准确性，以及可实现性。

基金项目：常州市科技项目“基于UVC LED消毒技术的公共空间消杀装置研究与应用”（CE20215004）

参考文献

[1]吴安怡，王计平. 基于HID理论的消毒产品设计研究[J]. 美与时代（上），2022（10）：112-115.

[2]张莉，孙欣鹏. 疫情背景下的便携消毒购物车设计[J]. 设计，2021，34（17）：18-21.

[3]黄瑶婷，姜霄，范惠燕，等. 便携式洗手消毒产品创新设计[J]. 设计，2021，34（19）：147-149.

[4]董良，郑从艺，苑景宣，等. 基于感性工学的手持式消毒产品造型设计研究[J]. 产业创新研究，2021，69（16）：50-53.

[5]王浩羽，诸俊杰，周旬. 基于EOW技术的消毒喷雾创新设计研究[J]. 时尚设计与工程，2021（05）：1-8.

[6]许倩倩，郑兵，张志峰，等. 基于PUGH矩阵的自动扶梯消毒产品创新设计[J]. 包装工程，2022，43（12）：45-51+86.

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[8]陈晨，林昱希，王志轩，等. 基于KJ，FAHP和QFD模型的核酸采集服务机器人设计[J]. 机械设计，2022，39（S1）：191-198.

[9]李翠玉，王卉竹. 无接触式深紫外线杀菌器创新设计研究[J]. 机械设计，2021，38（04）：129-133.

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