基于F-AHP在坐躺兩用辦公椅設(shè)計中的應(yīng)用研究

任英麗，常虹

基于F-AHP在坐躺兩用辦公椅設(shè)計中的應(yīng)用研究

任英麗，常虹

（燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066000）

利用F-AHP（模糊運(yùn)算綜合評價法與層次分析法，F(xiàn)uzzy Comprehensive Evaluation Method and Analytic Hierarchy Process，簡稱F-AHP）相結(jié)合，對坐躺兩用辦公椅進(jìn)行綜合分析評價，從而設(shè)計出滿足用戶實際需求的產(chǎn)品。通過層次分析法將用戶的主觀感受這種模糊的概念定性定量化，將產(chǎn)品可用性作為評價的重要指標(biāo)，基于問卷結(jié)果對其進(jìn)行分類為便捷性、舒適性、前衛(wèi)性、科學(xué)性4個方面，構(gòu)建層次分析體系，通過收集專家及用戶的評分最終計算出各項設(shè)計評價指標(biāo)的權(quán)重，并使用模糊綜合評價法對辦公椅的設(shè)計方案進(jìn)行分析，得出最佳設(shè)計方案，最后運(yùn)用JACK軟件創(chuàng)建數(shù)字人物模型進(jìn)行受力舒適度的測驗結(jié)果分析。通過層次分析法和模糊運(yùn)算綜合評價法在產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用，對用戶在不同工作狀態(tài)下設(shè)計的坐躺兩用辦公椅方案具有一定的參考價值。通過對坐躺兩用辦公椅的設(shè)計案例，科學(xué)全面地證實了層次分析法和模糊運(yùn)算綜合評價法的結(jié)合在產(chǎn)品設(shè)計過程中具有實用性和可靠性，可有效指導(dǎo)辦公椅的創(chuàng)新設(shè)計過程。

層次分析法；模糊運(yùn)算綜合評價法；辦公椅設(shè)計；用戶需求；JACK；可用性設(shè)計方案評價

隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，辦公室員工的數(shù)量也逐年增加?！?96”的工作時間對大多數(shù)上班族而言已是常態(tài)，辦公座椅成為人們在工作中使用頻率最高的辦公產(chǎn)品。許多上班族每天有超過8 h坐著辦公，久而久之很多上班族出現(xiàn)了各種各樣的職業(yè)病。有關(guān)調(diào)查顯示，辦公室職員每日上班呈現(xiàn)坐姿的狀態(tài)占據(jù)了正常狀態(tài)下一半以上的時間[1]，長期的坐姿狀態(tài)直接導(dǎo)致辦公室職員運(yùn)動量下降，身體出現(xiàn)亞健康，如頸肩部疼痛、腰肌勞損、糖尿病、膝關(guān)節(jié)軟骨退變、骨質(zhì)疏松等不良癥狀[2]。而且很多上班族辦公都是面對電腦，長時間的坐姿就很容易形成“電腦脖”，會出現(xiàn)脖子酸痛、手臂酸麻、頭昏腦漲等癥狀。許多職場人士在工作過程中很少離開辦公椅，所以辦公室不僅是工作的地點(diǎn)，也成為辦公室職員午休和加班休息的場所。長期趴睡于辦公桌上會導(dǎo)致腰椎過度彎曲，肌肉緊張，呼吸不暢，身體內(nèi)部所需氧氣供應(yīng)不足，壓迫胸腔導(dǎo)致的心臟疾病等危害人體健康，多數(shù)上班族經(jīng)過這樣的休息狀態(tài)后會出現(xiàn)頭暈、乏力、腿軟等現(xiàn)象，不利于繼續(xù)工作。這也對辦公椅的設(shè)計帶來更大的挑戰(zhàn)。因此設(shè)計一種既美觀安全、又舒適實用的辦公椅迫在眉睫。

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們的工作方式也因此發(fā)生了改變，加班逐漸成為工作的普遍現(xiàn)象。工作時間的增加促使辦公室職員的職業(yè)健康問題不斷面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人們常說“身體是革命的本錢”，因而“健康辦公”受到社會的廣泛關(guān)注。辦公椅作為辦公室職員長時間使用的產(chǎn)品，在辦公過程中成為不可缺少的辦公裝備，因此它成為了設(shè)計師或?qū)W者所關(guān)注的對象。如今對辦公椅的研究愈加偏重健康方面。楊宛螢等[3]主要從人機(jī)工程學(xué)的角度研究辦公座椅舒適性設(shè)計，對上班族的坐姿變化進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的方法探討人體坐姿與座椅的設(shè)計要素對用戶的影響，并進(jìn)行改良設(shè)計，從而提升辦公座椅的舒適合理性。吳新林等[4]研究了基于人體工程學(xué)的辦公椅設(shè)計與發(fā)展，從最初的人主動適應(yīng)座椅發(fā)展到了座椅適合人。許繼峰等[5]探討了靜態(tài)和動態(tài)坐姿對現(xiàn)代辦公椅設(shè)計尺度的限定，提出了更加符合人體工程學(xué)的辦公椅設(shè)計新思路。李永峰等[6]研究辦公座椅的造型設(shè)計，通過結(jié)合分析法將產(chǎn)品屬性與感性意象之間建立模型，驗證得出該方法能科學(xué)確立適合消費(fèi)者感性需求的設(shè)計方案。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和調(diào)研發(fā)現(xiàn)大多學(xué)者對辦公椅的研究多集中于產(chǎn)品造型、座面、椅背、人機(jī)工程學(xué)中坐姿對其的影響等問題。但是目前對多功能辦公座椅的研究還很缺乏，很少考慮到適應(yīng)當(dāng)下環(huán)境在工作中多種使用方式的問題，對用戶在坐姿和躺姿兩種狀態(tài)下的合理性、舒適性、科學(xué)性方面做出了相關(guān)研究，并進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計[7]。該研究將辦公椅的產(chǎn)品可用性作為評價坐躺兩用辦公椅的重要指標(biāo)，并將可用性理念分為便捷性、舒適性、前衛(wèi)性，科學(xué)性四個方面，構(gòu)建層次分析體系，并結(jié)合模糊綜合評價法對辦公椅的設(shè)計方案進(jìn)行評價。

2 模糊層次分析法的評價模型

層次分析法（F–AHP），是由美國運(yùn)籌學(xué)家在20世紀(jì)70年代提出的，主要用于解決多個目標(biāo)、方案的優(yōu)化，解決評價類問題，對多目標(biāo)進(jìn)行判斷、評估和決策的一種有效分析方法，近年來被廣泛應(yīng)用于行為科學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、管理等各個學(xué)科領(lǐng)域[8]，F(xiàn)–AHP層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分層分析方法。目標(biāo)層：研究問題的主要實現(xiàn)目標(biāo)；準(zhǔn)則層：研究過程中根據(jù)目標(biāo)問題設(shè)立多項構(gòu)成要素；子準(zhǔn)則層：將各項要素劃分為多個要素水平，進(jìn)而構(gòu)建多層次的分析模型。

模糊綜合評價法，是1965年由美國控制專家扎德教授所提出。模糊綜合評價法是一種應(yīng)用模糊系統(tǒng)的原理，從多個因素對被評價事物的隸屬等級狀況進(jìn)行綜合評價的方法，運(yùn)用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方法將評價分析由定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎縼斫鉀Q主觀判斷的事務(wù)。而且能夠更好地判斷多因素、多層次、主觀性強(qiáng)的復(fù)雜問題，近年來這種評價方法多被運(yùn)用在商業(yè)、建筑、水利、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域[9-12]。

將模糊綜合運(yùn)算與層次分析法相結(jié)合既可以確定影響因素的權(quán)值，又可以運(yùn)算出方案相對應(yīng)的權(quán)值的評價等級，從而做出適當(dāng)評價[9]。方法研究流程，見圖1。

圖1 F-AHP構(gòu)造方法流程

3 坐躺兩用辦公椅設(shè)計層次分析模型

3.1 構(gòu)建層次分析模型

通過對坐躺兩用辦公椅進(jìn)行設(shè)計調(diào)研，隨機(jī)邀請50名用戶，分別為辦公室職員、產(chǎn)品設(shè)計師、專家組等進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，受訪人員不受干擾地對調(diào)查問卷發(fā)表觀點(diǎn)，依據(jù)使用者對可供休息的兩用辦公椅具有可用性方面的要求，制定出周密詳細(xì)且具有針對性的調(diào)查問卷，采取2種問卷形式，分別為線上問卷和線下紙質(zhì)發(fā)放，在2種問卷方式中共發(fā)放調(diào)查問卷300份，并整理篩選出有效問卷283份。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用者對兩用辦公椅的需求主要集中包括：便捷性，操作是否方便快捷，實際利用率的問題，維修是否簡單；舒適性，用戶在工作和休息不同狀態(tài)下座椅是否符合人機(jī)尺寸，以及座面舒適度；前衛(wèi)性，考慮產(chǎn)品造型和表面材質(zhì)是否得當(dāng)，以及顏色對使用者的感官影響；科學(xué)性，考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性，選材、工藝、環(huán)保等問題。

通過需求將坐躺兩用辦公椅的準(zhǔn)則層構(gòu)建為便捷性、舒適性、前衛(wèi)性、科學(xué)性，再針對這4項要素細(xì)分為操作簡單、操作方便、布局合理、重量輕、維修簡單、材質(zhì)宜人、人機(jī)比例合理、座面軟硬度、座面冷熱度、造型優(yōu)美、顏色時尚、承重性好、結(jié)構(gòu)合理、滿足安全感、選材用料、工藝技術(shù)、綠色環(huán)保17項子準(zhǔn)則層。至此，構(gòu)建坐躺兩用辦公椅設(shè)計需求的層次分析模型，見圖2。

圖2 關(guān)于坐躺兩用辦公椅設(shè)計需求的層次分析模型

Figure 2 Hierarchical analysis model for the design requirements of the dual-purpose seat

3.2 構(gòu)建判斷矩陣、確定權(quán)重

在判斷矩陣中確定為目標(biāo)層的指標(biāo)，為本層中的因素，則根據(jù)本層中1，2，…，針對的重要性可以構(gòu)造判斷矩陣，見表1。

判斷矩陣中準(zhǔn)則層的各要素分別與目標(biāo)層進(jìn)行對比，用b表示。而準(zhǔn)則層的各要素對目標(biāo)層的重要度評價用b=∶表示，見表2。

表1 判斷矩陣的構(gòu)建

Tab.1 Construction of judgment matrix

表2 判斷矩陣標(biāo)度

Tab.2 Scale of judgment matrix

對坐躺兩用辦公椅設(shè)計的層次分析模型中，目標(biāo)層為其設(shè)計需求，用表示；準(zhǔn)則層的評價指標(biāo)分別為便捷性（1）、舒適性（2）、前衛(wèi)性（3）、科學(xué)性（4）表示；隨機(jī)選取50名辦公室職員、產(chǎn)品設(shè)計師、專家組，對目標(biāo)層及基準(zhǔn)層各指標(biāo)進(jìn)行評定得出判斷矩陣及權(quán)重，見表3—7。

表3 目標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重

Tab.3 Target judgment matrix and weight

表4 便捷性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

Tab.4 Convenience Criterion judgment matrix and weight

3.3 一致性檢驗及層次排序

1）各因素歸一后的特征向量為，最大特征值為max

表5 舒適性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

Tab.5 Comfort Criterion judgment matrix and weight

表6 前衛(wèi)性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

Tab.6 Avant-garde Criterion judgment matrix and weight

表7 科學(xué)性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

Tab.7 Scientific Criterion judgment matrix and weight

(1,2,∧,)T(1)

=max(2)

將目標(biāo)層，準(zhǔn)則層1234代入式 （1）—（2）得出最大特征值，指階數(shù)。

2）一致性檢驗指標(biāo)為CI：

(3)

CI是否通過一致性檢驗，可根據(jù)RI進(jìn)行判斷，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)MRI有明確規(guī)定可自行通過查閱得到。一致性比率為CR當(dāng)CR≤0.1時，表示判斷矩陣通過一致性檢驗，矩陣合格。

(4)

表8 一致性檢驗結(jié)果

Tab.8 Consistency test results

經(jīng)檢驗后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層，準(zhǔn)則層1、2、3、4所對應(yīng)的一致性比率CR的值均小于等于0.1，可確定判斷矩陣通過一致性檢，驗符合要求。

檢驗后，將目標(biāo)權(quán)重排序，作為評價設(shè)計方案重要標(biāo)準(zhǔn)，見表9。

表9 目標(biāo)權(quán)重排序結(jié)果

Tab.9 Target Weight Sort Results

通過層次分析法對坐躺兩用辦公椅設(shè)計要素進(jìn)行深入分析，可得出便捷性對坐躺兩用辦公椅的設(shè)計影響最大，所屬權(quán)重值為0.415 5，而科學(xué)性、舒適性、前衛(wèi)性的權(quán)重值依次排列，在子準(zhǔn)則層指標(biāo)評價中11>12>41>22>31>13>42>14>45>23>46>32>24>15>21>44>43。通過科學(xué)的數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)下，在坐躺兩用辦公椅設(shè)計更應(yīng)著重考慮它的實際使用（操作簡單方便），為更好地實現(xiàn)臥躺功能，在承重、選材、工藝等方面要加強(qiáng)改進(jìn)，使座椅尺寸更符合人機(jī)比例和座面舒適性。

4 實例驗證

對辦公室坐躺兩用辦公椅設(shè)計進(jìn)行評價是一個模糊的過程，這種評價結(jié)果是片面主觀的，可能會導(dǎo)致最終的決策結(jié)果不合理、不切實際。為了使最終的決策客觀合理，對方案進(jìn)行模糊綜合評價，將定性的模糊評價轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的數(shù)學(xué)運(yùn)算。以下是對坐躺兩用辦公椅設(shè)計的3款方案，見圖3。

4.1 模糊綜合評價

由10名專家，通過對坐躺兩用辦公椅設(shè)計方案的準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層的目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行評價，根據(jù)以下評價過程進(jìn)行。

1）通過專家評價來確定評價要素，用= {1,2,3,4}代指便捷性、舒適性、前衛(wèi)性、科學(xué)性，確定評價要素集為y={y}(=1,2,3,4)。

2）設(shè)評價集為=(1,2,3,4)，相對應(yīng)的=（非常滿意，滿意，一般，不滿意），評分標(biāo)準(zhǔn)為90分以上為非常滿意，80～90分為滿意，60～80分為一般，60分以下為不滿意。

圖3 拼接式坐躺兩用辦公椅初步設(shè)計方案

3）通過對表4—8統(tǒng)計出每個指標(biāo)的權(quán)重值：

=(0.415 5,0.184 9,0.107 0,0.292 6)

1=(0.329 5,0.283 0,0.166 5,0.146 9,0.074 2)

2=(0.166 1,0.419 3,0.231 4,0.183 2)

3=(0.666 7,0.333 3)

4=(0.347 0,0.225 7,0.059 1,0.081 7,0.150 9,0.135 6)。

4）根據(jù)上述3種設(shè)計方案分別建立模糊綜合評價矩陣，以方案1為例，對各設(shè)計需求打分，建立子準(zhǔn)則層對方案1的模糊綜合評價矩陣，1、2、3、4代表準(zhǔn)則層中便捷性、舒適性、前衛(wèi)性、科學(xué)性的子準(zhǔn)則層對方案1隸屬度模糊綜合評價矩陣：

設(shè)模糊評價集為：

(5)

，(6)

將1，1代入式（6）：

1=

同理將2、2，3、3，4、4代入得出：

根據(jù)所得數(shù)據(jù)結(jié)果建立2級評價矩陣：

5）綜合評價權(quán)重向量：

方案1的百分制評分：

根據(jù)加權(quán)平均法設(shè)定評語等級及對應(yīng)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，最終得出方案1的百分制評分為80.59，同理方案2為75.64，方案3為78.35。方案1為滿意度最高的設(shè)計方案。根據(jù)坐躺兩用椅的設(shè)計需求，對方案1的設(shè)計進(jìn)行深入細(xì)化，見圖4—5。

圖4 坐躺兩用辦公椅設(shè)計

Fig.4 Design of sitting and lying office chair

圖5 坐躺兩用辦公椅設(shè)計細(xì)節(jié)

Fig.5 design details of sitting and lying office chair

此產(chǎn)品符合準(zhǔn)則層的4個設(shè)計要素（便捷性、舒適性、前衛(wèi)性、科學(xué)性）。靠背設(shè)計為可伸縮功能，通過調(diào)節(jié)長度能更好地適用于不同身高的用戶；座椅把手和椅腿通過不同角度的旋轉(zhuǎn)適用于座椅的不同狀態(tài)，滿足了坐躺兩用的理念；整個產(chǎn)品選用布制織物，其透氣舒適有彈性，鋼制椅腿承重性能強(qiáng)；選用綠色為主體色，給人安全、平靜、舒適的感覺。整體造型加入大量倒角處理以達(dá)到最高安全度，形態(tài)呈現(xiàn)簡潔風(fēng)格符合大眾的審美需求。

4.2 產(chǎn)品測試分析

此次產(chǎn)品測試實驗運(yùn)用JACK軟件，是現(xiàn)有較為成熟的進(jìn)行人體虛擬仿真測試數(shù)據(jù)分析的一款軟件[13]。近年來被廣泛運(yùn)用到多個學(xué)科領(lǐng)域，但是運(yùn)用于坐躺式辦公座椅這方面的研究還較少。為了最終檢測結(jié)果更具真實性，根據(jù)《中國成人人體尺寸》設(shè)定人物模型參數(shù)為成年男性，平均身高177 cm，體重74 kg，進(jìn)行坐姿和躺姿的仿真實驗檢測[14]，并對舒適度及受力等方面進(jìn)行分析。在軟件中將數(shù)字人體模型設(shè)定不同姿勢，可對不同關(guān)節(jié)部位進(jìn)行動作調(diào)整，設(shè)定常用辦公坐姿和躺姿2種人物狀態(tài)，見圖6—7。

圖6 坐姿模型仿真

圖7 躺姿模型仿真

文中通過JACK軟件對人體仿真模型的2種特定姿勢進(jìn)行受力舒適度分析，得出數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 舒適度分析

4.3 評價結(jié)果分析

下背部受力分析主要依據(jù)NIOSH（美國健康安全與健康協(xié)會，National Institute for Occupational Safety and Health）[15]。根據(jù)實驗結(jié)果得出L4/L5（第4腰椎、第5腰椎）脊椎壓力約750 N，壓力數(shù)值遠(yuǎn)小于NIOSH的壓力極限標(biāo)準(zhǔn)3 400 N（黃色警告線處的數(shù)值），說明人體的脊椎受力健康、肌肉受力也都小于2 000 N，相應(yīng)的扭矩分布、L4/L5的扭矩均在正常范圍內(nèi)。表明拼接式坐躺兩用辦公椅在2種特定姿勢下對人體肌肉和骨骼的舒適度較為合理，可用性較高，能夠很好地滿足辦公族在加班或者午休時的需求，并且操作簡單、方便，人機(jī)比例合理，但是從專家評分的矩陣中可以發(fā)現(xiàn)其外觀方面還有待進(jìn)一步改善。

5 結(jié)語

將層次分析法和模糊綜合評價法的雙方優(yōu)勢結(jié)合起來，針對坐躺兩用辦公椅涉及的過程進(jìn)行深入研究。通過F–AHP建立分析模型，確立坐躺兩用辦公椅的評價指標(biāo)及設(shè)計要素，構(gòu)建判斷矩陣得出各個指標(biāo)的權(quán)重值，將權(quán)重數(shù)值較高的幾項要素運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計中，得出初步的3種方案。再通過模糊綜合評價法對3種方案進(jìn)行準(zhǔn)確評價分析，確定最優(yōu)方案。運(yùn)用JACK軟件進(jìn)行實驗測試，確定最優(yōu)方案的可行性。通過多種方法的結(jié)合，對坐躺兩用辦公椅的方案生成更具科學(xué)系統(tǒng)性，為以后類似產(chǎn)品的設(shè)計提供一定參考。

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Application of F-AHP in the Design of Sitting and Lying Office Chairs

REN Ying-li, CHANG Hong

(Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066000, China)

Using F-AHP (Fuzzy Comprehensive Evaluation Method and Analytic Hierarchy Process, F-AHP) to comprehensively analyze and evaluate the sitting and lying dual-purpose office chairs, so as to design products that meet the actual needs of users. Through the analytic hierarchy process, the vague concept of user’s subjective feeling was quantitatively and qualitatively, and product usability was regarded as an important indicator of evaluation. Based on the results of the questionnaire, it was classified into four aspects: convenience, comfort, avant-garde, and scientificity. , Build an analytic hierarchy system, finally calculate the weight of each design evaluation index by collecting the scores of experts and users, and use the fuzzy comprehensive evaluation method to analyze and evaluate the design plan of the office chair to get the best design plan, and finally use JACK The software creates a digital character model to analyze the test results of force comfort.Through the application of analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method to the product design process, the project of sitting and lying dual-purpose office chairs designed according to the user's needs under different working conditions has certain reference value. Through the design case of the sitting and lying dual-purpose office chair, it is scientifically and comprehensively confirmed that the combined use of the analytic hierarchy process and the fuzzy comprehensive evaluation method is practical and reliable in the product design process, and can effectively guide the office chair. Innovative design process.

analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method; office chair design; user needs; JACK; usability design plan evaluationc

TB472

A

1001-3563(2022)10-0145-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.017

2022-01-08

任英麗（1972—），女，碩士，副教授，主要研究方向為產(chǎn)品設(shè)計、工業(yè)設(shè)計。

常虹（1996—），女，碩士，主要研究方向為產(chǎn)品設(shè)計、工業(yè)設(shè)計。

責(zé)任編輯：陳作