基于Kano-AHP的農(nóng)用植保無人機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：為提升用戶對植保無人機(jī)的滿意度，基于Kano-AHP模型提出一種農(nóng)用植保無人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)集成卡諾模型（Kano）和層次分析法（AHP）的優(yōu)勢，明確了無人機(jī)各個模塊的需求及其重要程度，在Kano模型中對需求權(quán)重進(jìn)行功能分析和排序，得到各評價指標(biāo)。最后對產(chǎn)品方案收集到的數(shù)據(jù)構(gòu)建判斷矩陣，完成檢驗(yàn)與評估，確定了最佳設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：Kano-AHP模型能夠有效地映射從需求分析到功能設(shè)計(jì)的有效反饋，這在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)依賴主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的不足，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具科學(xué)性與有效性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；農(nóng)用植保無人機(jī)；卡諾模型；層次分析法

中圖分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-4348（2023）01-0097-06

Design of agricultural plant protection UAV based on Kano-AHP

HUANG Jiarui， LIN Jiande， FENG Tao

（School of Design·Straits College of Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China）

Abstract： In order to improve users’ satisfaction with agricultural plant protection unmanned aerial vehicles（APPUAVs）， this study proposed an innovative design scheme of APPUAV based on Kano-AHP model. The research systematically integrated the advantages of Kano and AHP， defines the requirements and importance of each module of UAV. Through the functional analysis and ranking of demand weights in the Kano model， the evaluation index scheme was obtained. Finally， a judgment matrix was constructed on the data collected from the product scheme， inspection and evaluation were completed， and the best design scheme was determined. Results show that the Kano-AHP model can effectively map the effective feedback from requirement analysis to function design， which， to some extent， makes up for the deficiency of traditional conceptual design relying on subjective experience; it makes conceptual design more scientific and effective.

Keywords： industrial design; unmanned aerial vehicle for agricultural plant protection; Kano model; analytic hierarchy process

收稿日期：2022-10-28

第一作者簡介：黃佳銳（1998—），男，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：閩臺文化傳承與設(shè)計(jì)。

目前關(guān)于植保無人機(jī)的研究多集中在技術(shù)實(shí)現(xiàn)與作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建領(lǐng)域，對用戶需求和產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的相關(guān)研究比較少。在用戶需求識別研究中，池寧駿等^[1]將Kano模型與極端用戶法相結(jié)合應(yīng)用于電動代步車設(shè)計(jì)，解決了Kano模型中反向需求和魅力型需求識別問題；唐甜甜等^[2]將Kano模型和人體測量學(xué)相結(jié)合進(jìn)行衣柜存儲布局功能模塊研究，提升了產(chǎn)品精度；陳正凱^[3]基于Kano模型分析用戶購買和使用校園文創(chuàng)產(chǎn)品的需求，優(yōu)化了校園文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新中，梁浩等^[4]應(yīng)用Kano模型構(gòu)建了血壓計(jì)的用戶需求矩陣，給出血壓計(jì)外觀與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案；劉付勤^[5]綜合運(yùn)用了層次分析法（AHP）和功能分析法（FAST），降低了人為主觀因素的誤差影響，強(qiáng)化了定量分析的優(yōu)勢；邴媛^[6]在Kano模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用AHP法建立農(nóng)機(jī)造型構(gòu)成因子評價層次結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算出權(quán)重向量，通過實(shí)例驗(yàn)證了這兩種方法結(jié)合評價的可行性。因此，結(jié)合Kano模型和AHP法應(yīng)用于植保無人機(jī)設(shè)計(jì)能有效識別出用戶需求，具有科學(xué)性和可行性。

1 基于Kano和AHP的模型構(gòu)建

Kano模型由日本學(xué)者家狩野紀(jì)昭于1984年提出，通過構(gòu)建有針對性的產(chǎn)品質(zhì)量要素，旨在解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中用戶需求量化分析問題^[7]。Kano模型通過對用戶需求進(jìn)行分類和優(yōu)先級的排序，分析用戶需求對用戶滿意的影響，體現(xiàn)了產(chǎn)品性能和用戶滿意之間的非線性關(guān)系^[8]。但在識別需求權(quán)重時精度不高，在不同層級的用戶需求識別中缺乏定量分析的方法。層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）由美國運(yùn)籌學(xué)家T. I. Saaty在上世紀(jì)70年代提出，該方法通過錨定系統(tǒng)目標(biāo)，在明確決策規(guī)劃的準(zhǔn)則和條件后，建立多層級的遞進(jìn)結(jié)構(gòu)。而層級間的權(quán)重排序，則是根據(jù)專家意見和分析者的客觀判斷結(jié)果來計(jì)算需求的權(quán)重排序，對同一層次元素兩兩比較的重要性進(jìn)行定量描述，通過一致性檢驗(yàn)后選擇合適的決策^[9]。但AHP法評價指標(biāo)過多時，后期數(shù)據(jù)處理比較困難，會影響到層次序列間的一致性，甚至不能通過一致性檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。因此，本研究將由Kano模型獲取的用戶需求評價指標(biāo)進(jìn)行歸納，以此將用戶需求屬性進(jìn)行劃分，進(jìn)而將二級指標(biāo)歸納為一級指標(biāo)，使其適用于AHP法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與檢驗(yàn)。以此為基礎(chǔ)構(gòu)建層次分析模型，通過構(gòu)建判斷矩陣對用戶需求指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，構(gòu)建的模型流程如圖1所示。

2 基于Kano模型的目標(biāo)用戶分析

2.1 問卷調(diào)查

Kano問卷設(shè)計(jì)為了區(qū)分用戶對于產(chǎn)品/服務(wù)具備某功能時的評價和不具備某功能時的評價，對于每個特性的調(diào)研問題需要分別提供正向和反向的問題設(shè)置^[10]。而在做Kano模型分析前，需要對目標(biāo)用戶進(jìn)行需求調(diào)研，通過采用矩陣量表的形式讓用戶對功能進(jìn)行正面和負(fù)面評價，問卷問題設(shè)置形式如表1所示。問卷數(shù)據(jù)采集后采用李克特量（Likert-type scale）評分進(jìn)行賦值，將“喜歡”—“不喜歡”的選項(xiàng)由高到低依次標(biāo)識為5～1分。

2.2 Kano模型的需求滿意度分析

在開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品過程中，為了更好識別用戶需求，在Kano模型中將產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量屬性分為6種類型：（M）必備屬性；（O）期望屬性；（A）魅力屬性；（I）無差異屬性; （R）反向?qū)傩?，Q為可疑結(jié)果，正常情況下用戶評價不會出現(xiàn)這個結(jié)果，除非問題設(shè)置不合理，亦或顧客沒能理解題干，在填寫問卷時出現(xiàn)謬誤。

根據(jù)用戶的選擇結(jié)果，將每個功能需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對功能屬性歸類后計(jì)算出Better-Worse系數(shù)，若該產(chǎn)品某功能實(shí)現(xiàn)后可以增加用戶滿意度，則該系數(shù)標(biāo)識為S，反之，消除該功能后用戶的需求若得不到滿足，則用戶滿意度的減量用D表示。

具備該項(xiàng)功能的Better系數(shù)：

不具備該項(xiàng)功能的Worse系數(shù)：

其中，Better系數(shù)為增加功能后的滿意系數(shù)，越接近1，表示對用戶滿意度上升的影響越明顯，其上升得也越快。Worse表示為消除該功能后的不滿意系數(shù)，越接近-1，用戶滿意度下降的影響越大，其下降速率越快。因此，Better-Worse系數(shù)體系中，應(yīng)優(yōu)先考慮實(shí)施系數(shù)絕對分值高的功能需求。

算出每項(xiàng)功能需求的Better-Worse系數(shù)之后，求出所有項(xiàng)功能需求Better-Worse系數(shù)均值，以Worse0為橫坐標(biāo)，Better0為縱坐標(biāo)，將系數(shù)值范圍劃分為4個區(qū)域，第一象限為期望屬性（O），第二象限為魅力屬性（M），第三象限為無差異屬性（I），第四象限為必備屬性（M）。

2.3 植保無人機(jī)用戶需求展開

綜合目標(biāo)用戶訪談與問卷調(diào)研結(jié)果分析的內(nèi)容，應(yīng)用KJ（親和圖法）對用戶需求展開整理，確定i項(xiàng)需求，記為CR_i（i=1，2，…，i）。

具體處理步驟為：首先整理所獲取的需求信息，將其轉(zhuǎn)化為語義清晰簡明的描述，并篩除語義重復(fù)或相近含義的需求項(xiàng)；之后整理需求項(xiàng)，將同類的需求項(xiàng)歸為一組；對需求分組進(jìn)行重命名。

整理后共得到用戶需求項(xiàng)23項(xiàng)，需求展開結(jié)果見表2。

根據(jù)Kano模型分類對照表對搜集的調(diào)研問卷進(jìn)行屬性統(tǒng)計(jì)，23項(xiàng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)需求質(zhì)量類型統(tǒng)計(jì)和分類如表3所示。

最后，以Worse為橫軸，Better為縱軸，Better-Worse系數(shù)平均值（-0.53，0.56）為原點(diǎn)，構(gòu)建四象限圖對產(chǎn)品功能需求進(jìn)行優(yōu)先級分析。確定了植保無人機(jī)設(shè)計(jì)必備屬性M包括：CR₁肥料飛播、播撒功能；CR₂₂旋翼帶有防護(hù)裝置；CR₂₃藥箱、電池方便取出。期望屬性包括：CR₁₀輕量化材質(zhì)、CR₁₁一體化造型、CR₁₄搬運(yùn)方便、CR₁₅仿生造型、CR₁₇色彩具有辨識度、CR₁₉流線型設(shè)計(jì)、CR₂₁大噴幅設(shè)計(jì)。植保無人機(jī)魅力屬性功能包括：CR₃病蟲害監(jiān)測、CR₆精準(zhǔn)測量面積、CR₇手勢控制、CR₈智能作業(yè)、CR₁₆設(shè)計(jì)簡潔。

3 植保無人機(jī)設(shè)計(jì)因子的層次分析

3.1 基于AHP法的需求權(quán)重計(jì)算

在獲取評價指標(biāo)后，采用1～9標(biāo)度法對評價指標(biāo)中各指標(biāo)兩兩比較，以此構(gòu)建成對判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算各層標(biāo)度的乘積：

式中，b_ij代表第i行第j列中的需求指標(biāo)，m代表需求指標(biāo)量。接下來，判斷各層標(biāo)度乘積的幾何平均值：

計(jì)算相對權(quán)重：

計(jì)算最大特征根：

式中，B_Wi表示向量B_W第i個分量，n代表階數(shù)。最后進(jìn)行結(jié)果一致性檢驗(yàn)：

式中，CR為判斷性矩陣的一致性比率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR≤0.1時，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意一致性。如果CR＞0.1，則未通過，說明判斷矩陣存在錯誤，需經(jīng)檢查調(diào)整后再次進(jìn)行計(jì)算，1～9階的RI如表4所示。

3.2 AHP法評價

運(yùn)用AHP法建立無人機(jī)機(jī)造型構(gòu)成因子的評價層次結(jié)構(gòu)模型。綜合Kano模型調(diào)查問卷分析和專家意見后，將評價指標(biāo)歸結(jié)為準(zhǔn)則層的共5種，如圖2所示。

為保證判斷矩陣數(shù)據(jù)來源的多元性，增強(qiáng)研究結(jié)果的客觀性，本研究根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型讓參與評價人員對各評價指標(biāo)打分，在此過程中邀請無人機(jī)設(shè)計(jì)師3人，職業(yè)飛手3人，設(shè)計(jì)專業(yè)教師4人，有植保無人機(jī)實(shí)際使用和操作經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民10人共20人組成評價小組。采用1～9標(biāo)度法對準(zhǔn)則層的5個維度進(jìn)行兩兩評價打分。

以第1層要素為依據(jù)，對第2層要素構(gòu)建最佳選擇評價矩陣如下：

以第2層要素為依據(jù)，對第3層要素建立構(gòu)建要素層判斷矩陣如下：

目標(biāo)層（O）對應(yīng)的準(zhǔn)則層（B₁，B₂，B₃，B₄，B₅）的權(quán)重值分別為0.066 7，0.226 5，0.528 8，0.046 4，0.131 8；造型美觀性B₁對應(yīng)的各個產(chǎn)品權(quán)重值分別為0.199 8，0.116 8，0.683 3；易用性B₂對應(yīng)的各個產(chǎn)品權(quán)重值分別為0.701 0，0.106 1，0.192 9；安全性B₃對應(yīng)的各個產(chǎn)品權(quán)重值分別為0.081 9，0.236 3，0.681 7；色彩辨識度B₄對應(yīng)的各個產(chǎn)品權(quán)重值分別為0.630 1，0.261 4，0.108 5；結(jié)構(gòu)合理度B₅對應(yīng)的各個產(chǎn)品權(quán)重值分別為0.648 3，0.229 7，0.122 0。為了確保測試人員評價時的思維一致性和判斷矩陣相容性，由式（5）～（8）對各判斷矩陣做一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證在評價過程中參與人員評價思維的一致性及各判斷矩陣的相容性。

根據(jù)表4的信息，所有結(jié)果的CR值均小于0.1，通過一致性檢驗(yàn)，因此判定數(shù)據(jù)為有效。進(jìn)一步代入數(shù)據(jù)計(jì)算各要素對目標(biāo)層的總權(quán)重。

根據(jù)以上矩陣計(jì)算結(jié)果，得到排序結(jié)果為C3gt;C1gt;C2。因此，設(shè)計(jì)方案C3為該評價體系下的最優(yōu)產(chǎn)品。

3.3 方案評估

對農(nóng)用植保無人機(jī)的設(shè)計(jì)方案C3進(jìn)行1：1模型制作。隨后，邀請5位無人機(jī)工程師與11位機(jī)械設(shè)計(jì)研究者對該方案進(jìn)行滿意度評分與人機(jī)尺寸驗(yàn)證。對該設(shè)備進(jìn)行主觀評分的評分區(qū)間設(shè)置為0～50分，其中1～10分代表“很差”，11～20分代表“較差”，21～30分代表“一般”，31～40分代表“好”，41～50分代表“很好”，各評分指標(biāo)同上。最后，取綜合平均值作為評估參考，計(jì)算得出評分結(jié)果為34.7，表明該方案具有可行性。

4 結(jié)論

本研究將Kano法與AHP法相結(jié)合，對農(nóng)用植保無人機(jī)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)與方案評估，在對用戶需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行分類，判斷各設(shè)計(jì)目標(biāo)間的優(yōu)先級，通過算法驗(yàn)證了概念設(shè)計(jì)的合理性。在此基礎(chǔ)上有效地篩選出目標(biāo)用戶的心理需求，并通過構(gòu)建層次分析模型進(jìn)行方案評價，證明了設(shè)計(jì)方案C3是用戶的偏好目標(biāo)。該模型促進(jìn)了方案決策的科學(xué)性與客觀性，可為同類農(nóng)用植保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考思路。本研究后續(xù)將進(jìn)一步收集實(shí)機(jī)反饋數(shù)據(jù)，參考設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业慕ㄗh，以增加研究的科學(xué)性和完整性。

參考文獻(xiàn)：

[1]池寧駿，王弓月.基于卡諾模型和極端用戶法的電動代步車設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2022，43（16）：162-169.

[2]唐甜甜，李雪蓮. 基于Kano模型的定制衣柜存儲布局功能模塊研究[J]. 設(shè)計(jì)，2022，35（6）：100-103.

[3]陳正凱，徐婷. 基于卡諾模型的高校文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報，2021，29（12）：60-62.

[4]梁浩，劉卓，張芳燕. 基于用戶需求建模的血壓計(jì)造型設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（8）：126-128.

[5]劉付勤，李麗鳳，劉長新. 集成AHP-FAST的城市消防車概念設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程，2021，42（22）：129-137.

[6]邴媛，張建敏. 基于Kano模型與層次分析法的農(nóng)機(jī)造型設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2022，39（4）：149-155.

[7]李永鋒，劉煥煥，朱麗萍. 基于卡諾模型與聯(lián)合分析的老年人APP用戶體驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 包裝工程，2021，42（2）：77-85.

[8]陳姍姍，洪文進(jìn)，苗鈺，等. 兒童矯正內(nèi)衣智能監(jiān)護(hù)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 針織工業(yè)，2021（10）：59-62.

[9]程永勝，徐驍琪，卜俊，等. 基于KE和AHP理論的汽車造型意象評價方法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2020（7）：102-109.

[10]韋艷麗，李安，徐曦，等. 基于Kano-QFD的云養(yǎng)寵APP可用性設(shè)計(jì)研究[J]. 包裝工程，2022，43（2）：378-386.

（責(zé)任編輯：方素華）