基于AHP 法和TOPSIS 法的導(dǎo)盲杖優(yōu)選設(shè)計(jì)研究

金翎子 郭怡然 艾萍

（青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，青島 266000）

失明和視力障礙是經(jīng)常出現(xiàn)的人類(lèi)殘疾，影響著世界各地的人們。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球范圍內(nèi)有超過(guò)22 億人存在視覺(jué)障礙的問(wèn)題。中國(guó)盲人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)約有1 700 萬(wàn)盲人[1]。視障人士的衣食住行存在著諸多不便，且存在一定的安全隱患。目前我國(guó)對(duì)于導(dǎo)盲杖的研究較少，再加上視障人群有一定的特殊性，因此文章基于AHP法與專家問(wèn)卷評(píng)分[2]，并在對(duì)部分視障人士問(wèn)卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮產(chǎn)品的功能需求，將它作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化的依據(jù)，從而為視障人士的出行提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 相關(guān)概念解析

1.1 AHP 法

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授Saaty 所提出的AHP 法（層次分析法）能夠?qū)⒀芯吭貏澐譃槎鄠€(gè)層次，包括目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等，并對(duì)它們進(jìn)行定量和定性分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的全面評(píng)估[3]。至今，該技術(shù)在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用[4-7]。AHP 法可以客觀科學(xué)的將復(fù)雜的要素進(jìn)行分層解析，計(jì)算出各個(gè)層級(jí)、要素之間的權(quán)重?cái)?shù)值[3]，幫助設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序[8]。從而構(gòu)建模糊判斷矩陣，以權(quán)重結(jié)果為參考依據(jù)，便于設(shè)計(jì)者決策[9]。

1.2 TOPSIS 法

TOPSIS 法（逼近理想解排序法）是一種綜合的評(píng)估方法，通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)方案與正理想解、負(fù)理想解的距離進(jìn)行排序，若評(píng)價(jià)方案離正理想解最近，離負(fù)理想解最遠(yuǎn)則為最優(yōu)解，這種方法經(jīng)常被用于建立評(píng)估模型，從而解決復(fù)雜的多元指數(shù)分析問(wèn)題[10]。同時(shí)，通過(guò)TOPSIS 法構(gòu)建初始化矩陣，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，找出方案中的最優(yōu)解，計(jì)算出它與正理想解的相對(duì)貼近度，并對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行排序和評(píng)估，從而得出合理、有效的解決方案[11]。

2 導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 手杖類(lèi)導(dǎo)盲杖存在的問(wèn)題

目前，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出眾多專為盲人出行設(shè)計(jì)的輔助產(chǎn)品，其中廣泛使用的為手杖類(lèi)產(chǎn)品。手杖作為一種輔助裝置，在視障人士出行時(shí)起到了重要的作用。視障人士可將手杖視為自身觸覺(jué)的延伸，通過(guò)抓握手杖不斷地敲擊前方地面，以判斷路面的高低起伏及是否存在障礙物阻擋，并及時(shí)調(diào)整行進(jìn)狀態(tài)，以達(dá)到導(dǎo)盲的目的。另外，一些帶有警示功能的手杖還能起到一定的提示作用。盡管手杖的品類(lèi)和式樣千差萬(wàn)別，但它們的基本構(gòu)造卻高度相似，由杖體、杖柄和杖底三個(gè)部分構(gòu)成。拐杖分為木制、不銹鋼結(jié)構(gòu)、塑料結(jié)構(gòu)等幾種類(lèi)型。杖體的延展長(zhǎng)度通常約為1 米，它的選擇或定制主要基于盲人自身的身高。為了探究前方道路的暢通情況，一些手杖產(chǎn)品采用特殊材料制成的杖底進(jìn)行敲打，這種杖底通常呈上細(xì)下厚的形狀，方便盲人行走時(shí)使用敲打地面來(lái)探索。此類(lèi)導(dǎo)盲杖應(yīng)用較早，以敲打的方式判斷前方路面是否暢通，但是在某種程度上會(huì)加大產(chǎn)品的磨損度[12]。

2.2 電子類(lèi)導(dǎo)盲杖存在的問(wèn)題

電子導(dǎo)盲杖的款式和普通盲杖基本相同，只是增加了電子信息技術(shù)等相關(guān)技術(shù)以幫助盲杖實(shí)現(xiàn)其他功能。在電子導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)方面，國(guó)外的設(shè)計(jì)師Rms A 通過(guò)超聲波傳感器、蜂鳴器和振動(dòng)器的新連接來(lái)實(shí)現(xiàn)[13]。當(dāng)導(dǎo)盲杖感應(yīng)到障礙物時(shí)，蜂鳴器和振動(dòng)馬達(dá)被激活，用戶會(huì)收到警報(bào)。警報(bào)分別以蜂鳴器和振動(dòng)器的聲音和振動(dòng)的形式發(fā)出。俞國(guó)華等人在結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，增加了環(huán)境探測(cè)功能[14]。宋玉娥等人針對(duì)視障人士出行，設(shè)計(jì)引導(dǎo)避障功能，提醒行人及車(chē)輛避讓視障人士[15]。電子類(lèi)導(dǎo)盲杖的外觀設(shè)計(jì)別出心裁，具備出色的便攜性，但功能相對(duì)單一，目前主要集中于障礙物探測(cè)方面，因此在實(shí)際出行中的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)較少。

3 基于AHP 法和TOPSIS 法的導(dǎo)盲杖優(yōu)選設(shè)計(jì)思路

3.1 建立導(dǎo)盲杖產(chǎn)品設(shè)計(jì)層次分析模型

1）目標(biāo)層。目標(biāo)層只有一個(gè)要素，通過(guò)對(duì)視障人士導(dǎo)盲杖產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素分析得到一個(gè)最優(yōu)的解決方案。

2）準(zhǔn)則層。對(duì)于導(dǎo)盲杖產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，安全性、延展性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性、易用性5 個(gè)要素能夠產(chǎn)生深刻的影響。其中安全性是重要的影響因素，視障人士的日?；顒?dòng)中本來(lái)就存在許多未知因素，長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)品就需要加強(qiáng)安全性能。視障人士的就業(yè)總是存在一定的困難，在確保導(dǎo)盲杖安全性的同時(shí)也要降低產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)成本。

3）子準(zhǔn)則層。根據(jù)層級(jí)構(gòu)造方法，將經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性、延展性、易用性5 個(gè)準(zhǔn)則層分別細(xì)分為多個(gè)子準(zhǔn)則層[16]。具體將可替換、可延展歸為延展性方面；將造型選擇、人機(jī)設(shè)置、材料選擇歸為舒適性方面；將結(jié)構(gòu)耐磨不易折斷、信息反饋準(zhǔn)確、造型圓潤(rùn)、緊急情況處置歸為安全性方面；將局部可更換、材料造價(jià)低、技術(shù)常態(tài)化歸為經(jīng)濟(jì)性方面；將高度的容錯(cuò)性、簡(jiǎn)潔的操作方式，以及清晰的界面布局視為易用性方面。由此，基于層次分析法的原理構(gòu)建出導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)模型

3.1.1 構(gòu)建判斷矩陣及確定各指標(biāo)權(quán)重

通過(guò)比較準(zhǔn)則層與子準(zhǔn)則層的全部要素之間的相對(duì)重要性，合理構(gòu)建出判斷矩陣[7]。在此步驟中，通過(guò)確定相對(duì)比例尺度來(lái)提高精準(zhǔn)度。導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)判斷矩陣構(gòu)造方法，如表1 所示。

表1 判斷矩陣構(gòu)造方式

表2 判斷矩陣標(biāo)度含義

Aij所代表的準(zhǔn)則層A1，A2，…，An對(duì)目標(biāo)層A的重要性，以及Ai對(duì)Aj各個(gè)要素的相對(duì)重要性均以Aij表示，反之則以1/Aij表示。Aij元素的判斷矩陣采用 1——9 的標(biāo)度方法，標(biāo)度如表 2 所示。

導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案目標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重，如表3 所示，A 代表了目標(biāo)層，而A1、A2、A3、A4、A5五項(xiàng)指標(biāo)分別代表了安全性、延展性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性、易用性這5 個(gè)要素。在子準(zhǔn)則層中，可替換為A11，可延展為A12，造型選擇為A21，人機(jī)設(shè)置為A22，材料選擇為A23，結(jié)構(gòu)耐磨不易折斷為A31，信息反饋準(zhǔn)確為A32，造型圓潤(rùn)為A33，緊急情況處置為A34，局部可更換為A41，材料造價(jià)降低為A42，技術(shù)常態(tài)化為A43，容錯(cuò)性高為A51、操作方式簡(jiǎn)單為A52、界面布局明確為A53。選擇20 名目標(biāo)用戶，其中5 名是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，5 名是研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域的教師，5 名是視障人士，設(shè)計(jì)學(xué)方向碩士研究生5 名，使用評(píng)分方法來(lái)評(píng)估所有因素，延展性、舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和易用性準(zhǔn)則的判斷矩陣和權(quán)重，如表4～8 所示。

表3 最優(yōu)方案目標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重

表4 延展性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表5 舒適性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表6 安全性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表7 經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表8 易用性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表9 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

表10 目標(biāo)權(quán)重排序

3.1.2 一致性檢驗(yàn)

通過(guò)分析判斷，數(shù)據(jù)通過(guò)一致性檢驗(yàn)。在具體的計(jì)算過(guò)程中，使用CI表示判斷矩陣的一致性指標(biāo)，CR表示一致性比率，兩者需要滿足如下要求：

文章運(yùn)用層次分析法分析了導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)各指標(biāo)的權(quán)重值，得出對(duì)導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)影響較大的要素是人機(jī)設(shè)置。除此之外，緊急情況處置、材料選擇、可替換、結(jié)構(gòu)耐磨不易折斷所占的權(quán)重值相對(duì)較高，是評(píng)價(jià)導(dǎo)盲杖好壞較為重要的因素。

3.2 基于TOPSIS 法的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

研究通過(guò)AHP 法所得出各個(gè)元素的權(quán)重分析結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)，以此提高設(shè)計(jì)評(píng)估的科學(xué)性和效率。基于計(jì)算出的各個(gè)要素權(quán)重值的排序結(jié)果，運(yùn)用TOPISIS 法對(duì)導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)案例優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了排序，并初步提出了3 個(gè)合理可行的導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)方案。

方案1，如圖2 所示。對(duì)于視障人士來(lái)說(shuō)，在行走過(guò)程中，可以通過(guò)敲擊、觸覺(jué)來(lái)對(duì)盲道與障礙物進(jìn)行判斷，但對(duì)一定高度的店鋪招牌、欄桿等未知事物的認(rèn)知能力及識(shí)別能力不足，不能夠準(zhǔn)確地理解并識(shí)別清楚，導(dǎo)致視障人士經(jīng)常會(huì)撞到。設(shè)計(jì)一款具有紅外線識(shí)別功能的導(dǎo)盲杖，紅外線分布在產(chǎn)品上、中、下三個(gè)方向。通過(guò)手柄內(nèi)設(shè)置的振動(dòng)模式提醒視障人士。三個(gè)紅外線形成的紅外線網(wǎng)，在前行的方向上避免了視障人士的盲區(qū)，降低摔倒、撞擊產(chǎn)生的可能性。

圖2 導(dǎo)盲設(shè)計(jì)方案

方案2，如圖2 所示。在需要轉(zhuǎn)彎或前進(jìn)后退的動(dòng)作時(shí)，盲人無(wú)法以靈敏的動(dòng)作告知路人自己前行的方向，使用傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖需要左右揮動(dòng)導(dǎo)盲杖，并敲擊地面以用于告訴路人自身的動(dòng)作意圖。在盲人前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的行動(dòng)中，通過(guò)三個(gè)轉(zhuǎn)向按鈕發(fā)出的聲音，告知其他盲人的行動(dòng)路徑及行動(dòng)目的。

方案3，如圖2 所示。視障人士并不能像正常人那樣公平地獲取信息資源，空間認(rèn)知主要依賴于非視覺(jué)感知的綜合感受。在日常生活中，視障人士往往通過(guò)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官獲取各種環(huán)境信息，如聲音大小、形狀位置和方向，以及其他相關(guān)因素。通過(guò)激光感應(yīng)技術(shù)，識(shí)別前方障礙并通過(guò)把手凸起盲文的變化來(lái)實(shí)時(shí)提示，對(duì)于前方突然出現(xiàn)的物體，利用把手的振動(dòng)及時(shí)反饋信息。

3.3 基于TOPSIS 法的設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

1）以圖 1 中的評(píng)價(jià)要素為參考確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為正向的可替換、可延展、造型選擇、人機(jī)設(shè)置、材料選擇、結(jié)構(gòu)耐磨不易折斷、信息反饋準(zhǔn)確、造型圓潤(rùn)、緊急情況處置、局部可更換、材料造價(jià)低、技術(shù)常態(tài)化、容錯(cuò)性高、操作方式簡(jiǎn)單、界面布局明確等 15 項(xiàng)正指標(biāo)。

2）為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性，邀請(qǐng)5 位按摩店的視障人士、3 位產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向教授與2 位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，對(duì)3 款設(shè)計(jì)方案Di（i=1，2，3）中的15 項(xiàng)指標(biāo)Fj（j=1，2，…，15）打分，以 10 分為滿分（0～3分表示極其不認(rèn)可，3～5 分表示相對(duì)不認(rèn)可，5～6分表示良好，6～8 分表示相對(duì)認(rèn)可，8～10 分表示極其認(rèn)可），建立初始評(píng)價(jià)矩陣，用A 表示，如表11所示。

表11 初始評(píng)價(jià)矩陣

表12 標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣

表13 加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣

在獲得初始評(píng)價(jià)矩陣后，利用公式（3）將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，以獲得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Bij，如表 12 所示。

根據(jù)表 10 計(jì)算出的權(quán)重，通過(guò)公式（4）得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣Zij，如表 13 所示。

3）求正負(fù)理想解，令：

則正理想解如下：

負(fù)理想解如下：

由公式（5）-（8）可得出評(píng)價(jià)對(duì)象的正理想解為X+=（0.741，0.634，0.791，0.666，0.621，0.78，0.77，0.64，0.667，0.703，0.696，0.802，0.765，0.607，0.683），負(fù)理想解為X-=（0.37，0.53，0.379，0.455，0.492，0.363，0.406，0.502，0.398，0.452，0472，0.401，0.412，0.545，0.442）。

4）計(jì)算每個(gè)方案與理想解之間的距離，以及相對(duì)貼近度，各方案得到正理想解X+和負(fù)理想解X-的距離分別是：

每個(gè)方案到理想解的相對(duì)貼近度為：

根據(jù)所得到的Ci值進(jìn)行排序，當(dāng)Ci值較大，說(shuō)明該方案更占優(yōu)；Ci值越小，表明該方案更劣勢(shì)，如表14 所示。

表14 歐氏距離及相對(duì)貼進(jìn)度

由表 14 可知，方案 3 明顯優(yōu)于其他兩款方案。

4 結(jié)語(yǔ)

文章提出了 AHP 法與 TOPSIS 法相結(jié)合的導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)方法，能夠有效解決導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)中前端主觀意向評(píng)估與后端設(shè)計(jì)方案不匹配的問(wèn)題。研究首先以文獻(xiàn)研究、專家問(wèn)卷為調(diào)研基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研篩查，通過(guò)AHP 法建立了較為全面、科學(xué)客觀的導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得出15 個(gè)子準(zhǔn)則層的權(quán)重值并進(jìn)行排序，以及對(duì)于視障人士來(lái)說(shuō)4 個(gè)較為重要的功能需求。其次，基于層次分析法得出權(quán)重值，并對(duì)3 個(gè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，采用TOPSIS 法對(duì)3 個(gè)方案的權(quán)重進(jìn)行排序。研究的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在AHP 法和TOPSIS 法的融合，在一定程度減少了決策者對(duì)于設(shè)計(jì)方案的片面性與主觀性。方案優(yōu)選評(píng)價(jià)方法相對(duì)其他產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段具有一定的普適性。但是，在設(shè)計(jì)方案調(diào)研問(wèn)卷中，會(huì)受到視障人士、產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究生們等主觀因素的影響，為了提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化度，后續(xù)可以采用如對(duì)導(dǎo)盲杖進(jìn)行產(chǎn)品匹配度檢驗(yàn)等方法，以便獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)論。