基于AHP、FCE 和DSM-SOM 模型的家用冰箱杀菌器设计

摘要：设计一款功能丰富、外观精致、产品使用人性化的家用冰箱杀菌器。首先，获取归纳用户需求类别，利用层次分析法计算各项需求权重，并对各项结果进行一致性检验，依据需求对冰箱杀菌器进行方案设计；其次，结合模糊综合评价法对设计方案进行评价与决策；最后，优化设计细节并基于设计结构矩阵、自组织映射网络对其进行结构模块划分，结合聚类结果完成产品结构设计。完成一款家用冰箱杀菌器产品设计。基于AHP、FCE、DSM-SOM模型对冰箱冷藏专用杀菌器进行外观和结构设计，使得产品设计和方案决策更加科学化、合理化、高效化，并对相关产品设计研究具有一定的参考价值。

关键词：AHP；FCE；DSM-SOM模型；家用冰箱杀菌器；产品设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）23-0111-05

引言

随着社会经济水平的稳步提升和人们生活品质的持续改善，对于家庭电器的要求已经不再仅仅满足于基本的使用功能，而是更加注重产品的设计感、功能性以及使用的舒适度。在这样的背景下，家用冰箱杀菌器这一产品领域逐渐受到广大消费者的重视和青睐。在过去，虽然市面上已经存在部分冰箱杀菌器产品，但普遍存在着外观设计简陋、功能相对单一、操作不够便捷等问题，这些因素极大影响了用户的实际使用体验和产品满意度。因此，随着消费者对健康生活的追求和对家电产品品质要求的提高，对于一款外观精美、功能丰富、操作便捷的家用冰箱杀菌器的需求变得日益迫切。

一、文献综述及研究框架

（一）相关理论研究

1.AHP 和FCE 的相关应用：层次分析法（AHP）和模糊评价法（FCE）已经在产品设计、界面设计、方案评价、指标体系建立等多个领域应用并和其他设计方法相结合使用。AHP 通过构建层次结构模型，将复杂问题分解为多个层次和子问题，并通过比较子问题之间的相对重要性来确定其权重。由于产品设计的某些指标（如用户体验、性能表现等）往往难以用精确的数字来衡量，因此模糊评价法（FCE）显得尤为重要。FCE 基于模糊数学理论，能够处理具有模糊性和不确定性的评价问题，为产品设计提供了更加全面和准确的评价依据。罗晓庆等人[1] 就成功运用AHP 建立了塔机智能驾驶室设计需求的层次分析模型，为智能驾驶室的设计提供了有力支持。杨昕妍等人[2] 基于AHP 层次分析方法设计一款卫浴水龙头，王子翔等人[3] 基于AHP 层次分析法、包装设计理论、数学模糊模型，进行包装设计和评价。王媚雪[4] 等人将AHP- 模糊评价分析法应用于老年人售药机设计。刘览宇[5] 等人基于KJ-AHP 法对便携制氧机进行设计。胡昊琪[6] 等人运用AHP 层次分析法完成铁路文创产品设计。

2. 设计结构矩阵（DSM）与自组织映射网络（SOM）的相关应用：DSM 作为一种描述产品设计中各元素之间关系的矩阵工具，有助于识别设计中的关键元素和依赖关系。而SOM作为一种无监督的神经网络模型，能够自动对输入数据进行聚类分析。将DSM 与SOM 相结合，可以更加深入地理解产品设计中的模块化和聚类问题，为优化产品设计提供有力支持。例如，王亚鹏[7] 基于用户感性意象评价提出一种SOM 模型聚类的整合产品族典型外形基因优化设计方法。Anand K[8] 等人将自组织映射网络首次用于多孔介质中组合模式传导－辐射传热的决策。李颖等人[9]提出针对数值型DSM 采用SOM 算法的产品设计结构模块划分及其评价方法，并借助摩托车发动机零部件案例说明使用。

（二）整体研究框架

本文通过AHP 设计需求模型、FCE 方案评价模型、DSM-SOM 设计结构模块划分模型相结合对冰箱杀菌器进行产品设计。主要步骤为：设计需求分析、概念方案设计、方案评价选择、深入细化方案和基于DSM-SOM 模型的结构设计，见图1。整个设计流程不仅确保了冰箱杀菌器产品的功能性和实用性，还充分考虑了用户的个性化需求，提高了设计效率和质量。

二、家用冰箱杀菌器调研分析

（一）家用冰箱杀菌器研究意义

随着科学技术的发展，人们逐渐认识到细菌与食物中毒的关系[10]。冰箱是储存食物的重要场所，但由于冰箱内部湿度较大、温度较低，容易滋生各种细菌、真菌和病毒。这些微生物会通过食品或者手接触传播给人体，引起各种疾病。因此，冰箱杀菌器的研究和应用对于提高食品的安全性至关重要。

目前，市面上冰箱专用杀菌器主要采用臭氧除菌，虽外观造型各有差异，但主要可分为两种：第一种为非挂耳式，产品没有固定结构，可按照需求在冰箱中随意摆放位置；第二种为挂耳式，产品具有夹板结构，需要挂在冰箱内部挡板上使用。整体来说，目前市面上家用冰箱专用杀菌器外观造型差异性不强，功能也较为单一。

（二）家用冰箱杀菌器使用痛点分析

基于调研结果，对家用冰箱杀菌器的使用全过程进行了深入的归纳总结，整个使用过程被细分为使用前、使用中、使用后3 个阶段。旨在通过分析用户的行为与情绪，识别出使用全过程中的具体痛点，详见图2。

1. 使用前期：用户往往因为杀菌器的摆放和设备的操作设定感到困扰，这种复杂的准备工作容易让用户产生无奈和苦闷的情绪。因此，在设计时，需考虑让冰箱杀菌器更加易安装、轻便化，并融入智能化技术，从而简化用户的操作流程，提升使用体验。

2. 使用中期：用户可能面临对杀菌器使用情况的不了解，以及需要频繁移动设备造成的疲惫和不耐烦。为了解决这个问题，可以设计更加直观的用户界面，让用户轻松了解杀菌器的工作状态。同时，通过便捷的拿取结构和智能提示功能，如低电量提示和除菌完成提醒，来减少用户的操作不便。

3. 使用后期：清洗杀菌器表面成为用户的另一个痛点。为了改善这一体验，我们可以采用易清洁的材料来设计产品外部，并考虑可拆卸的设计，使用户能够更轻松地清洁设备。

三、家用冰箱杀菌器设计需求分析

（一）KJ 亲和图法

KJ 亲和图法是将处于混乱状态中的语言文字通过其内在相互关系加以归纳和整理，然后找出解决问题新途径的方法[11]。由于冰箱专用杀菌器设计要素是一个多需求、多因素、多层次等诸多元素的问题集合。在设计的过程中，这些指标因素如果不经过处理将很难指导具体方案设计。本人同工业设计专业的老师、同学一起进行头脑风暴后，利用KJ法对冰箱杀菌器的设计要点进行归纳总结。

（二）设计需求指标层次化建立

通过上述的分析总结，最终可以确定目标层为冰箱杀菌器总体设计需求。一级需求指标为：A1 功能需求（针对用户）、A2 外观需求（针对产品）、A3 实用需求（针对用户）、A4 心理需求（针对用户）、A5成本需求（针对后期生产、制造、销售）5 类需求指标要素并将其作为准则层的评价要素。二级需求指标为：根据一级需求指标进行详细的分类，共归纳筛选出共17 个二级设计需求指标，如表1 所示。

（三）判断矩阵的权重计算及一致性检验

1. 判断矩阵构建：本次调研过程选择设计专业老师、学生以及企业人员（总计共50 名），组成设计决策群。对各设计需求按照1 到9 的指标标度进行两两重要程度的比较，判断矩阵M 如下：

其中，mij—表示Xi 相对于Xj 对m 的重要程度，mij 的赋值采用设计决策群的打分平均值给定，并且有mij×mji=1。根据判断矩阵M 进行计算，得到其最大特征根λmax，对于准则层的各因素，经方根法计算可得其权重，见表2。

由表2 可知，A1 和A3 所占的比重较大，因此对其子准则层的判断矩阵进行详细分析，如表3 和表4 所示。结果可知：在满足冰箱杀菌器的实用需求方面，首要考虑的是确保产品能够完全适应日常家庭使用的场景，以满足用户对食品储存和保鲜的高标准需求。鉴于冰箱内部空间的紧凑性，产品设计必须注重易用性，使得用户在日常操作中能够轻松便捷地使用，无需额外的复杂步骤或空间占用。

此外，在功能需求上，产品使用的安全性是最重要的考量因素。冰箱杀菌器应确保在使用过程中不会对用户或食品造成任何安全隐患，包括电器安全、材料无毒无害、操作过程稳定可靠等。

2. 进行一致性检验：具体计算过程中，用CI 表示判断矩阵的一致性指标，CR 表示一致性比率，两者需要满足如下要求：

CI=λmax-n/n-1 （1）

CR=CI/RI （2）

式中：λmax—最大特征根；RI—随机一致性指标；n—指标数量。一般来说，当一致性比率CRlt;0.1 时，说明此判断矩阵通过一致性检验。若不通过，需重新构造判断矩阵。

对于准则层判断矩阵，最大特征根λmax=5.2657，n=5，随机指标RI=1.12（查表得），通过公式（1）（2）计算可得CR=0.0593lt;0.1，通过一致性检验。同理再依次计算子准则层A1、A2、A3、A4、A5 的CR值分别为0.0157、0.0449、0.0797、0.0079、0.0462，均小于0.1。至此所有判断矩阵均通过一致性检验，最终得出各需求指标综合权重值，详见表5。

（四）设计需求总结

通过上述AHP 设计需求模型的结果可知：准测层中的实用需求（A3）最为重要，其次是功能需求（A1）。因此在方案设计的过程中，要以满足用户日常使用为核心，重点关注冰箱杀菌器产品的日常操作功能和安全防护功能。在实用需求和功能需求得到满足的基础上，成本需求（A5）成为下一个重点。在设计过程中，需要综合考虑材料成本、制造成本以及后期维护成本等因素，确保产品具有较高的性价比。外观需求（A2）和心理需求（A4）虽然在准测层中的权重相对较低，但同样不可忽视。在外观设计时需要注重产品的美观性和与家居环境的协调性，通过独特的造型和色彩搭配提升产品的吸引力。同时，在心理需求方面，关注用户的情感需求和使用体验，通过人性化的设计提高产品满意度。

四、概念设计与方案决策

（一）概念方案设计

通过层次分析法计算得出冰箱杀菌器的各设计需求占比后，基于分析结果和市场前景，进行初步的概念设计。产生以下4 个创意构思方案，旨在满足用户的多样化需求，同时保持产品的创新性和实用性。方案1（见图3a），主要在外观、色彩设计上形成突破创新设计，流畅时尚的外观搭配渐变色彩内胆，更符合现代用户审美需求。方案2（见图3b），设计灵感来源于生活中常见的骰子，整机体积小巧，避免占用过多的储物区域。同时，将紫外线杀菌灯巧妙地布置在骰子的3 个面上，确保杀菌器能够实现全方位的杀菌效果。方案3（见图3c），造型为胶囊形状，机体外壳搭配磨砂材质可以让用户看到内部杀菌灯珠，给人一种简约时尚之感。其次，多种长度可以搭配不同环境使用，可适用性更强。方案4（见图3d），杀菌器主要分为上下两部分，上部分为圆柱形杀菌灯柱，下部分为主机，包括操作界面和显示屏幕，整体造型协调性高。搭配手柄，使得杀菌器不仅可以放置在冰箱内部，还可以悬挂在挡板空隙处，节约冰箱内部使用空间。

（二）模糊综合评价法

FCE 作为一种基于模糊数学理论的评价方法，特别适用于处理涉及模糊、不确定性或涉及多指标的复杂决策问题。此方法的核心思想在于将定性评价通过模糊数学的理论转化为定量评价，从而能够对那些难以直接量化且受到多种条件制约的决策结果进行科学的评价和决策。针对上述4 个概念方案的具体决策步骤如下：

（1）将5 名专家的评审意见作为方案评估要素。用U={U1，U2，U3，U4，U5} 表示，分别代表功能需求、外观需求、使用需求、心理需求、成本需求。确定评估要素子集为 Vi={Vij}（i，j=1，2，3，4）。

（2）确定专家评审意见和对应分值。确定评语集用V={V1，V2，V3，V4}={ 优秀，良好，中等，较差} 表示，为各评语集赋值，赋值后的评语向量α={90，80，60，50}T 。

（3）整理各个设计需求指标的权重。从计算结果中可得，准则层权重向量ωA={0.2908，0.1057，0.3971，0.0702，0.1362} 子准则层权重向量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）基于子准测层，对于上面4 个方案建立模糊综合评价矩阵。以设计方案一为例，5 名专家对冰箱杀菌器评价矩阵因素层中的各要素进行评定。D1—D5 分别代表功能、外观、实用、心理、成本需求对设计方案 1 的模糊综合评价矩阵。结果如下所示：

准则层五个因素对于方案1 的评价权重向量为：

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结果（，0.1建60立7二，0级.40模76糊，评0.价431矩7阵，0：）

综合评价权重向量为W=ωA×P（0.1607，0.4076，0.4317，0）：最后再对方案1 进行百分制评价运算，N=W×α=79.59 因此方案一的最终得分为79.59。对于方案2、方案3、方案4 按照上述所示依次进行计算，可得：方案2 得分为74.28；方案3 得分为75.22；方案4 得分为83.76。因此，可知方案4 为最优方案。

五、细化设计方案

为更好地满足实际生产和市场需求，对优选方案4 进行细致的深化设计，主要有以下几个方面：

（一）外观造型设计：考虑到保障冰箱杀菌器杀菌效率与产品造型的和谐统一，将头部杀菌灯与底部主机设计为一体化造型，巧妙融入跑道圆的切口元素，既保证了杀菌灯口的合理位置，又增强了整体造型的流畅感与美观度。在配色方面，选择白色作为主体色彩，使其更易融入各种家居风格。同时，为了凸显产品的高端品质，添加金属色装饰片和高光折射色面板，使得整个产品不仅功能实用，更展现出卓越的设计美感，如图4 所示。

（二）功能设计：确保在不同条件下都能维持稳定的杀菌效果，特别融入智能感应功能，并采用停机保护的智能感应机制。这一机制能够智能检测环境参数，并根据实际情况调整杀菌器的运行状态。此外，为提升用户产品体验感，杀菌器具备快充和强续航功能，确保用户在使用过程中无需频繁充电，享受便捷的使用体验。在安全防护方面，特别设计儿童误操作保护功能，有效避免儿童误触造成的潜在危险。同时，还具备延时运行保护，一旦设备出现异常情况，将自动关闭，全面保障产品使用安全。

（三）材料选用设计：选用ABS 作为基体材料，为进一步提升其抗菌和自清洁性能，特别在材料表面添加了包含纳米氧化锌和纳米二氧化钛的复合抗菌涂层。同时，也在材料表面进行了特殊处理，以增加其亲水性和抗污性，使污渍不易附着，便于用户清洁。

（四）交互界面设计：鉴于冰箱内部空间紧凑，操作便捷性成为交互设计考量的重点。因此，在主要按键的设计上，特别强调功能按键的显眼性和易用性，通过放大按键尺寸使用户能够更轻松、直观地识别和操作这些关键功能。同时，为了坚持整体界面的简约，去除不必要的元素，让用户能够一目了然地了解产品情况，给用户带来更为便捷和直观的使用体验，产品使用场景图如图5 所示。

六、基于DSM-SOM模型的结构设计

在对设计方案进行结构细化之前，为提高设计效率和结构设计的合理性，故应用DSM-SOM 模型对冰箱杀菌器产品设计结构进行聚类划分。

（一）建立数值型DSM 设计结构矩阵

数值型DSM 设计结构矩阵是一种特殊的矩阵工具，用于表示和分析系统或产品中元素之间的相互作用和依赖关系。在数值型DSM 中，矩阵的行和列分别代表系统或产品中的元素，而矩阵中的每个元素（即交叉点）则是一个具体的数值，表示对应的行和列元素之间的依赖关系或交互作用的强度。为了更清晰地表达这些零部件之间的关联，构建了3 个设计结构矩阵（DSM）：几何关系矩阵、结构连接矩阵和功能相关性矩阵。

该产品主要零部件有8 个，如表6 所示。根据产品零部件之间的几何关系、结构连接、功能相关性分别构建相应的设计结构矩阵，为简明起见，两部件完全没有关系和影响的数值0 未标识，如图6a-c 所示。再将这3 个矩阵进行叠加，得到冰箱杀菌器零部件的DSM，图中数值1 ～ 3 分别表示零部件之间存在以上1-3 种关联，如图6d 所示。

（二）基于SOM 算法的产品设计结构聚类划分

基于自组织映射（Self-Organizing Maps，SOM）算法对数值型设计结构矩阵进行聚类划分是一种无监督学习方法。聚类结果的可视化使得设计师能够直观地识别出产品设计结构中的不同类别和层次，从而更好地理解产品设计结构的特点和规律。此外，基于SOM 的聚类方法还能够提供关于产品设计结构优化的指导，如识别关键模块、优化模块间的连接关系等。

针对冰箱杀菌器的结构划分：首先，将零部件总DSM 矩阵通过归一化处理得到SOM 输入层矩阵Q：

紧*接着，将矩阵Q作为输入数据借助python软件编写SOM网络进行聚类分析，行号和表6 中的零部件编号相对应。该算法按照以下步骤进行：

（1）向量归一化，初始化网络权值向量，得到输入模式向量X 和竞争层中各神经元对应的内星向量Wj（j=1，2，…，m）并对输入矩阵进行归一化处理。

（2）寻找获胜神经元，计算X 与Wj 的欧氏距离，按照式（3）确定获胜神经元权向量值Wj *，其与X 的欧氏距离最小。

（3）网络输出与权值调整，在聚类块邻域范围内，按照式（4）调整获胜神经元的权值向量Wj *，其中α （（00，1，] 1]。

如此进行循环训练，直到学习率α 衰减到规定的值。通过运行代码，设定α=0.5 时得到最终聚类结果，如图7a 所示。颜色深浅和相邻性反映了神经元之间的相似度，冰箱杀菌器零部件主要可以分为3 个主要模块：A 模块（5，7）；B 模块（2，4，8）；C 模块（1，3，6）。最后结合相关结构设计经验并参考相关产品专利结构[12]，完成冰箱杀菌器结构设计，结构爆炸图如图7b 所示。

结论

在当今消费电子产品市场竞争日趋激烈的环境下，家用冰箱杀菌器产品凭借其独特的健康理念与功能，受到了越来越多消费者的青睐。然而，如何在这一领域脱颖而出，设计出既满足市场需求又具备创新性的产品成为当下的一大挑战。本文深入探讨了如何通过系统化的设计流程，结合先进的数学模型，从产品需求分析到最终的结构设计，全面优化冰箱杀菌器产品的设计过程。基于系统化、流程化的设计思维，将设计需求借助层次分析法，计算出各个需求因素的权重，再进行针对性的方案设计，并结合模糊综合评价法，对于产出的4 个概念方案做出合理决策，同时借助建立数值型DSM 并通过SOM 算法模型对优化方案进行结构设计，能有效提高产品设计效率和科学性。在未来，随着科技的不断进步和市场的不断变化，这种设计方法将有望为更多消费电子产品的设计提供一定参考。

参考文献

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[3]王子翔，徐佳.基于AHP与模糊模型的农特产品包装设计与评价[J].包装工程， 2022，43（06）：213-219.

[4]王媚雪，邝庆龙，王巍.基于AHP-模糊评价分析法的社区老年人售药机设计研究[J].设计，2024，37（03）：82-85.

[5]刘览宇，郑刚强.基于KJ-AHP法的便携制氧机设计研究[J].设计，2023，36（17）：112-115.

[6]胡昊琪，刘博敏，黄媛媛.基于层次分析法的铁路文创产品设计研究[J].设计，2023，36（21）：14-17.

[7]王亚鹏. 基于SOM模型的产品族外形优化设计研究[D].武汉：湖北工业大学，2022.

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