基于LDA和A-Kano模型的戶外凈水器優(yōu)化設計研究

李奮強 朱強 徐婭男

摘? 要：基于LDA和A-Kano模型的戶外凈水器優(yōu)化設計研究立足用戶多樣化需求特征對當前戶外凈水器展開優(yōu)化設計研究，以提升用戶滿意度。該研究主要運用LDA主題模型從在售戶外凈水器的在線評論中自動化獲取用戶需求，并基于A-Kano模型對需求展開量化分析，確認需求的類別和優(yōu)先級關系。依據需求分析結果，提出戶外凈水器優(yōu)化設計策略并進行設計實踐，以期提升現有戶外凈水器的用戶體驗，并為相關領域研究提供參考依據。

關鍵詞：戶外凈水器；LAD主題模型；A-Kano模型；在線評論

當下，隨著社會節(jié)奏的加快，越來越多的人們傾向于通過徒步、登山、野營等戶外活動，以親近自然的方式緩建生活和工作壓力。而戶外凈水器是作為一種便攜式飲水保障設備，能夠將河水、湖水、溪水等天然水轉化成可直接飲用的干凈水，使用者無需額外攜帶大量飲用水，進而減少戶外活動時的負荷[1]。因此，戶外凈水器成為人們在從事戶外活動時就地獲取安全飲用水的最佳選擇。關于戶外凈水的研究，最初產生于歐美等發(fā)達國家，主要被用于資源勘測、軍事訓練等活動中。我國起步相對較晚，較早有關戶外凈水器的文獻記載，是在一篇由葉建榮等人于2007年申請的一項實用新型專利當中[2]。早期的戶外凈水器研究側重于如何提升凈水的效果，隨著凈水技術的不斷完善，現有戶外凈水器幾乎可以過濾水中99%有害物質，凈水效果不斷提升[3]。然而，伴隨消費市場的逐步升級，僅強調凈水效果的戶外凈水器已經無法滿足用戶對產品的多樣化需求。

為此，本文以“需求驅動設計”這一理念為出發(fā)點，對現有戶外凈水器進行優(yōu)化升級，進而提升用戶滿意度。首先，借助LDA主題模型從商品的在線評論文本中挖掘用戶潛在需求，由于在線評論是用戶關于商品使用感受的真實表達，從這些表達中所獲取的用戶需求信息也更加真實。其次，運用A-Kano模型對需求進行心理學建模，分析不同需求對用戶滿意度的影響關系，依據分析結果識別用戶核心需求。最后，以核心用戶需求為基礎，提出戶外凈水器優(yōu)化設計策略并進行設計實踐。

一、研究方法

（一）LDA主題模型

獲取準確的用戶需求是進行需求分析的基礎，也是識別核心需求的關鍵。當下結合主題模型對在線評論進行主題建模，挖掘有效的需求信息是提升需求識別準確性和時效性的關鍵技術[4]。主題模型的典型代表是LDA（Latent? Dirichlet? Allocation），該模型是由BLEI等人提出的一種文本主題生成模型[5]，通過采用基于詞袋的方法把復雜的、非結構的用戶在線評論轉化為數字信息。其核心思想是在建模過程中忽略文檔中詞語出現的順序，簡化了預測文檔主題的復雜程度。其生成過程如表1所示。

LDA主題模型的結構是一種包含詞（N）、文本（M）和主題（K）的三層貝葉斯概率模型，其本質就是根據給定的文本，通過狄利克雷分布和吉布斯采樣，推測其主題分布的過程。其中，α和β稱為符合Dirichlet分布的超參數；α表示“文本-主題”的密度，α越高，文檔包含的主題更多，反之包含的主題更少；β表示“主題-詞”的密度，β越高，主題包含的單詞更多，反之包含的單詞更少。LDA主題模型的實現過程如下：

第一步，α隨機生成文本對應主題的多項式分布θ；

第二步，θ隨機生成一個主題Z；

第三步，β隨機生成主題對應詞語的多項式分布；

第四步，綜合主題Z和主題對應詞語分布情況，生成詞語W；如此循環(huán)，生成一個包含N個詞語的文檔；最終生成K個主題下的M篇文檔[6]。

（二）A-Kano模型

A-Kano模型是XU和JIAO等人[7]在傳統Kano模型理論基礎上，綜合運用多種統計方法，用于研究用戶需求和用戶滿意度關系的數學模型[7]。與傳統Kano模型僅從滿意度單一因素分析用戶需求不同，A-Kano模型通過在問卷中增設“用戶對需求的重要性感知”這一評價指標，并引入Kano指數、Kano分類器、配置系數對傳統Kano模型進行擴展，從而實現用戶需求分析當中用戶滿意度的定量計算。模型中相關數學算子及其計算方式如下：

1.Kano指數

如果用戶需求集為F={fi|1，2，..，I}，受訪者集為T={tj|1，2，…，J}，那么，受訪者tj對于需求fi的評價為eij=（xij，yij，wij），其中，xij表示不具備該需求時的用戶的評分，yij表示具備該需求時的用戶評分，wij表示該需求對用戶的重要性評分。根據受訪者對需求fi的評分情況，可以計算需求不具備時的評分均值和需求具備時的評分均值 ：

公式中“j”表示答卷人的數量，因此也可以理解為分別計算wijxij和wijyij的算數平均數，但這種方法容易受到極端值的影響，造成數據計算的誤差。為減少這種誤差，這里采用宋明亮等人修正過的公式[8]，即：

A-Kano模型用向量表征用戶對需求fi的偏好，即。其中，ri為向量的大小，表示重要性指數；αi為向量與橫軸的夾角，表示滿意度指數；ri和αi統稱需求fi的“Kano指數”。Kano指數由、的值計算得出：

2.Kano分類器

需求fi的種類是由其在二維坐標系中的位置決定的，fi的位置由一組有序數對唯一確定，見圖1，其中橫軸為值的計算結果，縱軸為值的計算結果。

A-kano模型將用戶需求分為興奮型（Attractive）、一維型（One-dimensional，國內研究習慣稱其為“期望型”）、必備型（Must-be）和無差異型（Indifferent）四類，分別對應圖1中區(qū)域ABHI、區(qū)域BCDGH、區(qū)域DEFG和扇形區(qū)域OFI。區(qū)域的劃分是通過一組常數的值確定的，因此這組常數也稱為“Kano分類器”，且當時，模型的信息提取的有效性達到最大。基于此，需求fi的分類屬性也可以通過以下關系式確定：

3.配置系數

一般來講，不同屬性的用戶需求意味著不同的優(yōu)先級，這一點，A-Kano模型與傳統Kano模型一致，即：必備型>期望型>興奮型>無差異型。但傳統Kano模型并不能有效區(qū)分同類用戶需求的優(yōu)先級，這就使得在設計實踐過程中，它能夠為設計師提供的決策支持是有限的。針對這一問題，A-Kano模型通過“配置系數”進行解決：

公式中，ρi為需求fi的配置系數，其值大小由Kano指數αi和ri共同決定。配置系數ρi的值越高，表示需求fi在設計中被選用的概率越高，則該需求在其歸屬的類別中優(yōu)先級也更高。

二、基于LDA主題模型的戶外凈水器用戶需求獲取

（一）在線評論獲取

借助“八爪魚采集器”從京東商城采集銷量排名靠前的三款戶外凈水器板塊下，截至 2022年10月30日的在線評論作為實驗數據集，最終得到初始在線評論268條。為減少噪音數據對實驗結果的影響，還需剔除數據集中存在短評論、重復評論、系統默認評論以及與產品屬性本身無關的評論，清洗后最終獲得203條用戶關于戶外凈水器的評論文本數據，具體結果見表2。

（二）LDA主題建模

本文的LDA主題模型的生成過程是通過計算機編程實現的。首先，運用 Python中較為成熟的Jieba分詞工具ww和哈工大停用詞表[10]對戶外凈水器的在線評論進行分詞和去停用詞處理，并結合dictionary.doc2bow詞向量模型將分詞文本轉換為機器能夠識別的語料庫。其次，通過計算困惑度和一致性大小，得出本次戶外凈水器在線評論最適合的文本主題個數為5。最后，借助gensim庫中的models.LdaModel模型對處理好的語料庫進行LDA主題建模，并使用Python中交互式工具包pyLDAvis對結果進行可視化。分詞及語料庫生成結果見表3，LDA主題建模及可視化結果見圖2。

在可視化圖譜中，左邊是主題分布視圖；而右邊是“術語柱狀圖”，即每個主題中最有可能出現的前30個特征詞[11]。從主題分布視圖來看，氣泡之間并未出現重疊，意味著每個主題之間的相似性很小，說明本次基于LDA主題模型，對戶外凈水器的在線評進行主題建模是有效的，所得數據也適合作進一步的分析研究。

（三）主題評價與需求獲取

依據圖2生成結果，選取每個主題下20個最有可能出現的特征詞及其概率值，構建“主題與特征詞”概率分布表，具體結果見表4。

從表4中每個主題下的特征詞分布來看，部分特征詞同屬幾個主題，為了更好的觀察每個主題下用戶談論的內容，需要將每個主題下共有的詞但概率較低的詞和對主題分析沒有意義的詞進行篩選。例如，特征詞“過濾”雖然分屬于5個主題，但根據其主題—概率分布式（0.023，0.009，0.009，0.011，0.027）來看，“過濾”一詞屬于主題5的概率最高，為0.027，因此只保留主題5下的特征詞“過濾”，刪除其它主題下的特征詞“過濾”。而諸如“東西”“現在”這類特征詞，對主題分析并無多大作用，也需要從對應主題下進行刪除。經過篩選后，得到每個主題下的特征詞，再根據每個主題下的特征詞語義，分析其背后隱含的需求信息。為獲取準確的用戶需求信息，通過咨詢6名行業(yè)內專家（包括3名從業(yè)兩年的工業(yè)設計師、3名從業(yè)十年的結構工程師）對篩選后的特征詞語義進行解讀，最終從戶外凈水器的用戶在線評論當中獲取14項潛在用戶需求，具體結果見表5。

三、基于A-Kano模型的戶外凈水器用戶需求分析研究

（一）用戶需求編碼

運用LDA主題模型從戶外凈水器的在線評論中最終獲得“操作簡單”等在內的14項戶外凈水器的用戶需求。為方便后續(xù)需求分析中數據計算和圖表繪制，采用一般歸納法，對采集的14項用戶需求進行編碼，編碼索引見表6。

（二）用戶需求調研

根據表6編碼結果，構建戶外凈水器的用戶需求集F={f1，f2，…，f14}，在此基礎上制作用戶需求調查問卷。A-Kano模型使用標準化問卷獲取用戶評價信息，問卷設置3個問題，包含用戶對需求具備與否的滿意度評價以及該需求對用戶自身的重要性評價，不同評價結果代表不同的計算分值，問卷形式見表7所示。

根據設定目標，通過中文在線網站問卷星平臺將表7編制為網絡問卷。本次調研共發(fā)放51份電子問卷，收回51份，回收率100%。為保證本次實驗數據的準確性和有效性，需要對本次收集的問卷數據進行效度和信度分析[12]，只有通過效度和信度檢驗的數據，才能進行后續(xù)的數據處理與計算。本文借助社會科學統計工具SPSS進行效度和信度計算，計算結果見表8。

從計算結果來看，問卷的綜合效度指標KMO值為0.89，大于檢測值0.7，且p 值為0；而問卷的綜合信度α值為0.91，大于檢測值0.8，依據效度與信度檢測標準，說明此次進行的問卷調研效度與信度很好，非常適合進一步的科研數據的提取與分析。

（三）用戶需求分類

將收集的A-Kano問卷數據進行整理，根據公式、公式、公式計算每項需求不具備和具備時的評分均值和，以及Kano指數ri、αi值，計算結果見表9。

表9中每項需求對應一個數據點，將數據點繪制在二維坐標系中，得到戶外凈水器用戶需求A-Kano分類圖，具體結果見圖3。

從A-Kano分布圖來看，14項用戶需求被劃分為3類，必備型需求3項，期望型需求10項，興奮型需求1項。但受限于企業(yè)成本和制造工藝，這些需求無法全部滿足用戶，因此還需要結合配置系數對每個屬性下的用戶需求作進一步的研究，確認其優(yōu)先級。

（四）用戶需求優(yōu)先級計算

配置系數是指某項需求包含在產品配置中的概率，系數越高的需求，在設計中越要優(yōu)先考慮。將表9中數據代入公式中，計算每項需求的配置系數，并根據數值進行排序，計算結果見表10。

（五）確認用戶核心需求

在產品設計實踐當中，用戶對產品的滿意度與需求的實現程度并不是線性相關的，在這一點上，A-kano模型遵循傳統Kano設計原則[13]，即：

必備型需求為用戶的基本需求，雖然這類需求的改進不再影響用戶對產品的總體滿意度，但當這類需求的實現程度較低或者得不到滿足，用戶的滿意度將顯著性下降，因此這類需求在設計實踐中應全部滿足。本次實驗獲得3項必備型戶外凈水器用戶需求，分別為“f10：有效過濾水體”“f14：材料安全無毒”“f4：濾芯可更換”。

期望型需求與用戶滿意度成正相關，這類需求的實現的越好，用戶對產品總體的滿意度則越高。針對這類需求，應綜合考慮企業(yè)的材料成本和制造工藝，適當取舍。本次實驗共獲得10項期望型戶外凈水器用戶需求，根據配置系數大小，選取排序靠前的3項用于設計實踐，分別為“f11：手動過濾”“f9：無異味”“f3：體積小”。

興奮型需求為用戶意想不到的需求，這類需求的改進將極大提升用戶對產品的總體滿意度，即便未能滿足用戶，也不會降低用戶對產品的總體滿意度。此外這類需求也是與同類產品產生差異、構成差異化競爭的關鍵。因此，這類需求設計師應根據企業(yè)戰(zhàn)略和市場導向，進一步滿足用戶。本次實驗獲得1項興奮型需求，為“f6：消毒功能”，而當前市場中還未有消毒殺菌功能的戶外凈水器，因此，有必要將這一需求用于本次戶外凈水器的設計實踐當中。

綜上所述，根據Kano設計原則和配置系數優(yōu)先級，最終從14項需求中，識別出7項作為本次戶外凈水器設計實踐的核心用戶需求，具體結果見表11。

四、戶外凈水器優(yōu)化設計與滿意度評價

（一）優(yōu)化設計策略匹配

1.有效過濾水體

采用三級濾水工藝：原水→粗濾+功能濾芯+精濾→凈水。（1）粗濾：采用成本較低的PP棉作為一級外置濾芯進行粗濾，主要是去除水中的大顆粒雜質，防止因泥沙等沉積而堵塞凈水器內部管道。（2）功能濾芯：二級濾芯的選材為載銀活性炭，銀離子具有殺菌消毒功能，活性炭能夠去除水中的異味，改善水質口感的作用；在不增加額外結構的前提下，還能滿足用戶對“消毒功能”和“水質無異味”的需求。（3）精濾：三級濾芯采用中空纖維超濾膜，其過濾精度為0.01μm，能徹底濾除水中的細菌、膠體等有害物質，保留水中對人體有益的微量元素和礦物質。

2.食品級材料

殼體選用食品級ABS材料，該材料符合國標《GB4806》對食品級接觸材料的要求，在材料性能上還具有強度高、韌性好、耐磨性優(yōu)良，且易于加工成型等優(yōu)點。除此之外，其使用溫度在-40～100℃范圍之內，非常適合野外復雜多變的環(huán)境。

3.濾芯可更換

濾芯將采用模塊化設計，成為獨立的產品部件，當濾芯達到使用壽命時，只需購買獨立的濾芯替換即可，而無需購買新的凈水器。

4.無異味

功能濾芯，采用新型載銀活性炭作為二級濾芯的濾料，這種濾料內部具有發(fā)達的空隙構造，能有效去除水中的異味。

5.手動過濾

采用往復式活塞泵，無需電力，通過人力推動活塞桿運動，將需凈化的原水抽入泵室，再通過擠壓作用將泵室內的原水從濾芯內部擠出，變?yōu)橄鄬Π踩目娠嬘盟?/p>

6.體積小

對戶外凈水器內部結構優(yōu)化，將手泵置于產品中部，不同現有戶外凈水器將手泵側置的結構設計，中置手泵能夠降低產品體積。產品整體采用圓柱型的杯式構造，造型將更加規(guī)整，產品直徑控制在50mm左右，這一尺寸符合人體工程學對人體最佳握持尺寸的要求，操作和舒適性將大大增強。

7.殺菌消毒功能

載銀活性炭內部的納米銀離子能夠使蛋白質變性，迅速殺滅葡萄球菌、大腸桿菌等病菌，能夠有效抑制病菌在凈水器內部滋生，保障人體安全。由于載銀活性炭屬于二級濾芯的濾材，無需額外增加結構，且能滿足用戶“殺菌消毒”的需求，又能保證產品體積不變。

（二）優(yōu)化設計結果生成

基于LDA主題模型從在線評論中獲取14項用戶需求，再依據A-Kano模型的需求分析結果，確認其中的7項為核心用戶需求，依次為濾芯可更換、有效過濾水體、食品級材料、體積小、手動過濾、無異味、殺菌消毒功能。進一步以這7項需求對應的優(yōu)化設計策略為依據，對現有戶外凈水器進行優(yōu)化設計，結果見圖4。

設計說明：

1.尺寸及重量，產品通高183mm，直徑50mm，設計重量285g，體積小，重量輕，方便攜帶。

2.濾水工藝，采用三級過濾方式，PP棉→載銀活性炭→中空纖維超濾膜，其中pp棉為外置一級濾芯，載銀活性炭為二級濾芯，中空纖維超濾膜為三級濾芯。

3.過濾精度，0.01微米，能夠去除水中99.99%雜質和有害物質，并保留其中對人體有益的微量礦物質元素。

4.功能特點，二、三級濾芯為模塊化設計，設計有可拆卸結構（如圖5），當濾芯達到使用壽命，可進行替換。此外，得益于載銀活性炭中銀離子的對細菌的消殺作用，可有效抑制密閉空間厭氧菌的的滋生，延長濾芯使用壽命，提升使用者戶外飲水安全。

5.材料選擇，產品中必要的零部件均由食品級ABS注塑而成，且相對于普通ABS擁有更好的力學性能和耐磨性，能夠適應戶外苛刻的作業(yè)環(huán)境。

6.濾水方式，產品使用新型中置手泵設計，以手部為驅動力進行水體過濾，用戶在野外使用時，不用考慮用電煩惱。

（三）優(yōu)化設計結果比較

本文與當前京東平臺銷量靠前的某品牌戶外凈水器（產品A）展開比較，并通過NPS指數測量用戶對兩款戶外凈水器的滿意度情況，用以驗證優(yōu)化后的戶外凈水器是否更受用戶青睞。

1.NPS指數計算

凈推薦指數NPS（Net Promoter Score）作為一種調查分析工具，用于測量用戶向其他人推薦某個產品或服務的可能性有多大，由于NPS值的數據來源于現有用戶和現有用戶擴散的準用戶比例，這個比例可以直接反映出產品在用戶內心的認可程度和購買意愿。因此在管理學當中，NPS值除了衡量用戶的忠誠度之外，也用于間接測量用戶對產品或服務的滿意度，即NPS的計算值越高，意味著用戶對現有產品或服務的滿意度很好，向其他人推薦該產品的可能性也很大[14]。NPS通過11級等距量表衡量用戶愿意推薦的程度，依據評分結果，將參與評價的用戶分為三組：

（1）推薦者：評分在9～10分之間，是產品的忠誠用戶群，并有很大意愿將產品推薦給身邊的人。

（2）被動者：評分在7～8分之間，是產品的中立用戶群，這部分用戶并不是產品的主要群體，他們既不會主動推薦該產品，也不會貶損產品，在購買行為上容易被競爭對手的產品所吸引。

（3）貶損者：評分在0～6分之間，是對產品不滿意的用戶群，這類用戶并不會推薦產品給身邊的人，甚至阻止有使用意愿的用戶購買該產品。

依據上述參與推薦評價的人群分布，可以計算NPS值：

2.NPS調研

通過比較產品A和優(yōu)化后的戶外凈水器（產品B）之間的參數差異，詢問用戶“在價格相同的條件下，有多大意愿向身邊的人推薦產品A”，同理，詢問用戶“有多大意愿推薦產品B”，產品參數對比見圖6。

3.NPS值計算與結果對比

通過隨機訪問50名具有戶外凈水器使用經驗的用戶，進行NPS問卷調研。統計50名用戶對產品A和產品B的推薦評分結果，并依據NPS值計算公式，得到二者的凈推薦指數。用戶答卷情況和NPS計算結果見表12。

從凈推薦指數的計算結果來看，關于戶外凈水器，在產品A和產品B之間做推薦選擇，用戶對后者的NPS值達到30%，說明對比之下，用戶對改進后的產品具有較高的滿意度，更愿意將后者推薦給身邊的人。由此說明，在依據本文所提方法，從用戶需求角度考慮戶外凈水器的設計改良時，能夠改進現有產品的不足，由于更符合用戶實際訴求，能夠提升當前戶外凈水器的用戶滿意度。

五、結語

本文以用戶的多元化需求為基礎，對現有戶外凈水器展開優(yōu)化設計。首先，借助爬蟲工具從電商平臺高效采集戶外凈水的在線評論文本，并運用LDA主題模型進行特征詞抽取，經專家訪談和語義分析進行需求信息映射，由此獲取14項潛在用戶需求。其次，對獲取的需求進行編碼并制作A-Kano標準化問卷，根據調研結果，通過Kano指數、Kano分類器以及配置系數，確認每項需求的屬性和優(yōu)先級關系，并結合Kano設計原則識別出7項核心用戶需求。最后，以核心用戶需求為基礎對現有戶外凈水器展開優(yōu)化設計，并通過NPS凈推薦指數進行用戶滿意度驗證，從實驗結果來看，改良后的戶外凈水器相比現有戶外凈水器更受用戶青睞，擁有更高的用戶滿意度。但本文的研究仍存在局限性，在核心用戶需求確認過程中，僅從用戶滿意度視角選擇排序靠前的需求，并未考慮這些需求于企業(yè)而言的成本問題。因此，在后續(xù)的核心用戶需求確認過程中，將進一步考慮用戶滿意度和企業(yè)成本之間的博弈關系，以此對用戶需求進行更科學、更有效的優(yōu)選，為產品設計策略的生成提供更客觀的決策支持。

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作者簡介：

李奮強，蘭州理工大學設計藝術學院教授。研究方向：工業(yè)設計、產品系統設計等。

朱強，蘭州理工大學設計藝術學院設計學碩士研究生。研究方向：工業(yè)設計和大數據。

徐婭男，蘭州理工大學設計藝術學院藝術碩士研究生。研究方向：產品設計。