基于DEMATEL模型的智能家居系統(tǒng)設(shè)計研究

姚善良 劉少立

關(guān)鍵詞：智能家居；設(shè)計策略；DEMATEL；系統(tǒng)設(shè)計；家居系統(tǒng)

引言

智能家居的定義始于配備有智能化技術(shù)的住宅，這些技術(shù)可以幫助檢測居民活動、促進獨立生活能力以及提高生活質(zhì)量[1]，而智能家居系統(tǒng)則是在智能家居基礎(chǔ)上提出的具有系統(tǒng)性創(chuàng)新技術(shù)解決方案和服務(wù)的住宅系統(tǒng)[2]。目前，有關(guān)智能家居系統(tǒng)的研究主要從工程技術(shù)角度和產(chǎn)品設(shè)計角度出發(fā)，缺乏對產(chǎn)品間交互關(guān)系和家居場景體驗的研究[3]。由于智能家居的快速發(fā)展，其產(chǎn)品種類和數(shù)量已經(jīng)極其龐雜，傳統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)逐漸開始不適應(yīng)如今的智能家居系統(tǒng)現(xiàn)狀。因此，本研究從智能家居系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā)，結(jié)合用戶場景化體驗，運用決策實驗室分析法研究智能家居系統(tǒng)中各構(gòu)成要素的影響關(guān)系和運行機制，并提出智能家居系統(tǒng)設(shè)計策略和建議，為智能家居系統(tǒng)完善提供可行路徑。

一、智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素分析

隨著5G、WiFi6 等技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的完善[4]，智能家居系統(tǒng)從原先單個產(chǎn)品的組合變成了綜合性產(chǎn)品服務(wù)解決方案，全屋無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及多設(shè)備接入使得智能家居系統(tǒng)的多設(shè)備聯(lián)動更加容易落實，系統(tǒng)構(gòu)成要素也在不斷衍變，空氣凈化器、掃地機器人等新式家電在智能家居系統(tǒng)中的滲透率不斷增長，新興產(chǎn)品的出現(xiàn)使得系統(tǒng)整體的復(fù)雜性快速增加，有必要對智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素及其內(nèi)部交互關(guān)系進行系統(tǒng)的梳理與分析。

為了探究智能家居系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成的交互關(guān)系，在分析市場上主流智能家居品牌推出的系統(tǒng)解決方案的基礎(chǔ)上，通過研究相關(guān)文獻資料[5] 以及運用人機工程學(xué)中觀察法和實測法對智能家居系統(tǒng)中用戶實際使用體驗過程進行調(diào)研，并咨詢了智能家居行業(yè)的專業(yè)設(shè)計師和相關(guān)領(lǐng)域的教授，從安保防護、環(huán)境調(diào)節(jié)、影音游戲、生活起居等多個家居子系統(tǒng)歸納智能家居系統(tǒng)中的代表性要素，經(jīng)篩選完善后最終確定16 個構(gòu)成要素，具體見表１。

二、智能家居系統(tǒng)要素分析DEMATEL模型構(gòu)建

（一）模型理論基礎(chǔ)

決策實驗室分析法（DEMATEL）是美國Battelle 實驗室學(xué)者A.Gabus 和E. Fontela 于1971 年在日內(nèi)瓦的一次會議上提出的一種可以分析現(xiàn)實世界中復(fù)雜問題的方法論，通過矩陣或可視化復(fù)雜因果關(guān)系的結(jié)構(gòu)建模分析系統(tǒng)各組件之間的因果關(guān)系[6]。DEMATEL 方法可以判斷系統(tǒng)中各要素間的邏輯關(guān)系，借助各種影響矩陣計算出系統(tǒng)中單個要素對于其他要素的影響程度，并且把要素間的相互依賴關(guān)系轉(zhuǎn)化為因果群，最終通過有限關(guān)系圖發(fā)掘復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。DEMATEL 在復(fù)雜系統(tǒng)中要素間的非線性關(guān)聯(lián)分析和中心度分析等方面具有顯著優(yōu)勢，近年來已成為復(fù)雜系統(tǒng)、管理科學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者研究與應(yīng)用的熱點方法[7]。在將DEMATEL 方法應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)要素分析有利于幫助挖掘其中的非精準(zhǔn)和不確定信息，對于系統(tǒng)內(nèi)部各要素的相互影響過程予以深入剖析。因此，本研究選擇DEMATEL模型作為智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素的分析模型。

（二）模型構(gòu)建步驟

本研究在運用DEMATEL 模型研究智能家居系統(tǒng)要素的分析時，基于已經(jīng)確定的構(gòu)成要素生成調(diào)查問卷獲取數(shù)據(jù)，依據(jù)問卷數(shù)據(jù)依次構(gòu)建直接影響矩陣、規(guī)范化直接影響矩陣和綜合影響矩陣，最終生成影響關(guān)系圖[8]。具體步驟如下：

①問卷與數(shù)據(jù)收集。根據(jù)已經(jīng)確定的智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素F={F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n}，采用5 點李克特量表制作調(diào)查問卷，邀請決策小組的專家E={E1，E2，…，Em} 判斷要素Fi 對要素Fj 的直接影響，從0 ～ 4 分的進行打分，判斷標(biāo)準(zhǔn)為0 ～ 4 分別表示完全無影響、較低影響、中等影響、較高影響和非常高影響。

②構(gòu)建直接影響矩陣Ｚ。通過問卷獲取的原始數(shù)據(jù)制作第k 位決策專家判斷的直接影響矩陣Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s，其中所有主對角線元素值均為0，即當(dāng)i=j 時，zij=0，其中Zk=[zkij ]n×nzkij0≤xij<1，0≤Σnj=1xij≤1Σnj=1xij≤s代表決策者Ek 判斷要素Fi對Fj 的影響程度，通過綜合決策小組的意見，可得到直接影響矩陣Z=[zij]n×n：

（三）基于DEMATEL 模型的構(gòu)成要素分析

根據(jù)表1 中的智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素，采用0 ～ 4 的整數(shù)刻度為標(biāo)尺制作調(diào)查問卷，并向從事智能家居系統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)人員、設(shè)計師、工程師以及在家居設(shè)計領(lǐng)域從事科研與教學(xué)的教授和學(xué)者等發(fā)放調(diào)查問卷。本輪數(shù)據(jù)調(diào)研累計發(fā)放問卷100 份，回收有效問卷96 份，每一位被調(diào)查人員均擁有多種智能家居產(chǎn)品的使用經(jīng)歷或相關(guān)從業(yè)經(jīng)驗。為盡可能消除被調(diào)查人員主觀判斷對要素分析結(jié)果的客觀性影響，本研究選擇各受訪人士對各構(gòu)成要素打分的算術(shù)平均值作為該構(gòu)成要素的數(shù)值，由此構(gòu)建直接影響矩陣Z（表2）。在直接影響矩陣Ｚ的基礎(chǔ)上按照DEMATEL 模型構(gòu)建步驟的②～④，采用MATLAB軟件進行計算，即可獲得綜合影響矩陣T（見表3）。

三、智能家居系統(tǒng)構(gòu)成要素關(guān)系分析

（一）構(gòu)成要素相互關(guān)系分析

執(zhí)行DEMATEL 模型的構(gòu)建步驟⑤，可以獲得各構(gòu)成要素的影響度、被影響度、中心度和原因度（見表4）。從各構(gòu)成要素的相互關(guān)系來看，不同的家居產(chǎn)品在用戶體驗中具有不同的權(quán)重，影響度和被影響度的最大值達到9.254 和10.085 且均為傳感器，這表明傳感器對于家居系統(tǒng)中其他要素的影響程度最大[10]。智能家居系統(tǒng)實際運行過程中需要不同產(chǎn)品相互協(xié)作以保證智能家居系統(tǒng)的成立和運作，要素中心度越高則表明該要素參與了更多的交互合作，某個智能家居系統(tǒng)中各構(gòu)成要素的中心度越高，代表該系統(tǒng)具有更好的協(xié)同性和整體性。

（二）四象限圖要素分析

在獲得各要素的影響關(guān)系后，根據(jù)其在圖表中的位置將家居系統(tǒng)中的要素分為4 個象限，以中心度為橫軸、原因度為縱軸將智能家居系統(tǒng)影響關(guān)系繪制為四象限要素分布圖（見圖1）。

從圖1 可知，位于第一象限的要素在系統(tǒng)中具備支配作用，包括向其他要素發(fā)送任務(wù)指令或協(xié)同信息，受影響程度相對較小，在整個系統(tǒng)中擔(dān)任輸出型角色；位于第二象限的要素具備執(zhí)行作用，在系統(tǒng)中更多作為實際任務(wù)的執(zhí)行單位，這類要素對于家居環(huán)境的感知較為迅捷并且能夠及時作出反應(yīng)，對于提高用戶實際使用的舒適性往往具有直觀的促進作用；位于第三象限的要素具備相對獨立性作用，和其他產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)性相對較弱，但仍具有不可替代性，在系統(tǒng)中執(zhí)行其本身作用以保證系統(tǒng)的運行；位于第四象限的要素具備核心作用，參與了最多的系統(tǒng)協(xié)作和工作流程，串聯(lián)了最多的家居體驗，在系統(tǒng)中起到了節(jié)點作用，能夠有效串聯(lián)各要素間的交互關(guān)系。

（三）智能家居系統(tǒng)要素分布關(guān)系研究

評估要素間的影響程度，對于家居系統(tǒng)的量化評價會有很大的幫助。由于不同類型、不同受眾的智能家居系統(tǒng)其實現(xiàn)形式相差很大，構(gòu)成層次和系統(tǒng)復(fù)雜度也不具有可比性，因此一個具有可復(fù)制性的評價方式對于智能家居系統(tǒng)研究的作用就體現(xiàn)了出來。在智能家居系統(tǒng)中，同一產(chǎn)品在不同系統(tǒng)中承擔(dān)的角色和重要性也是各不相同的，通過判定其在系統(tǒng)中的影響關(guān)系，以中間值為錨點定位各要素，從個體到整體，從要素到系統(tǒng)，挖掘智能家居系統(tǒng)中更多的需求信息和設(shè)計建議。各要素在四象限圖中的分布關(guān)系見表5。

從表5 中可獲得以下多種信息：①安保防護子系統(tǒng)中，攝像頭、智能門鎖、傳感器、報警器均位于第四象限，即擁有較高的中心度且原因度為負值，在整個智能家居系統(tǒng)中屬于核心要素，這也表明安防類產(chǎn)品對于其他設(shè)備的狀態(tài)能夠及時反饋并有效完成其安防類職能。②空氣凈化器和加濕器擁有最高的原因度，其共同點在于可以對空氣造成明顯作用，而空氣在室內(nèi)環(huán)境中具有最高的流動性，排名第三的掃地機器人則自身可以在室內(nèi)不同場景間活動，活動度和相關(guān)介質(zhì)流動性越高的要素通常具有越高的原因度。③直接影響矩陣中不存在可約等為零的影響系數(shù)，表明不同產(chǎn)品間均存在不同程度的聯(lián)系性，且大多數(shù)要素集中在四象限圖的中部。

四、設(shè)計策略及實踐

（一）研究策略

研究結(jié)果顯示，智能家居系統(tǒng)中的要素分布較為集中，大多數(shù)要素的中心度和原因度集中在中位數(shù)附近，各要素的綜合地位較為平均，不存在單一要素具有顯著性支配地位，同時，大多數(shù)要素的中心度集中在中位數(shù)附近，說明智能家居設(shè)備間具有較強的聯(lián)系性，必須通過不同產(chǎn)品相互配合才能支撐起良好的用戶體驗，最終得出以下設(shè)計策略：

1. 增強智能家居系統(tǒng)中產(chǎn)品要素交互頻率，推進系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化。從產(chǎn)品要素分布緊密性來看，可以通過共享產(chǎn)品運行過程獲取的場景信息實現(xiàn)產(chǎn)品交互，同時利用傳感器等中心度較高的產(chǎn)品為節(jié)點，針對場景信息做出產(chǎn)品協(xié)同配合。這意味著對于傳統(tǒng)的場景化架構(gòu)是一種顛覆，即系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計由一對多的中心結(jié)構(gòu)變?yōu)橄嗷ミB接反應(yīng)的網(wǎng)狀分布式結(jié)構(gòu)。家居系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互有利于避免相同信息的二次獲取，從技術(shù)實現(xiàn)層面保障系統(tǒng)高效性。

2. 推動交互端改革，提供靈活化交互方案。由于產(chǎn)品的硬件與軟件有較緊密的共生關(guān)系，因而產(chǎn)品硬件的相互聯(lián)系及其重要程度也應(yīng)當(dāng)在交互端界面顯示出來，但當(dāng)前的主流方案不同產(chǎn)品控制入口在交互軟件界面的位置是固定不變的，根據(jù)本文的研究結(jié)果，中心度較高的產(chǎn)品適宜放在交互界面更醒目及更易操作的位置，同時根據(jù)用戶擁有智能產(chǎn)品的不同自動調(diào)整其位置以適應(yīng)不同家庭的使用需求。

3. 增強系統(tǒng)動態(tài)適應(yīng)性，系統(tǒng)構(gòu)成要素靈活配置。由結(jié)論可知，不同產(chǎn)品間的相互聯(lián)系均不相同，而在現(xiàn)實的設(shè)計實踐中，不同的用戶所購買的智能家居產(chǎn)品是不同的，即可能存在的不同產(chǎn)品的排列組合有近乎無限的可能，對于不同產(chǎn)品的組成，都需要能夠組成合理可用的家居系統(tǒng)。對于擁有不同產(chǎn)品組合的用戶，需要在軟件交互界面予以輔助引導(dǎo)使用，幫助用戶快速適應(yīng)不斷發(fā)展進化的智能家居系統(tǒng)。

（二）設(shè)計實踐

由于智能家居系統(tǒng)設(shè)計硬件種類繁多，短時間內(nèi)無法在硬件層面進行改動和整合，設(shè)計實踐主要集中在軟件層面，其底層邏輯來自硬件交互關(guān)系決定軟件交互關(guān)系，根據(jù)本文歸納的智能家居產(chǎn)品要素關(guān)系，對于現(xiàn)有軟件的交互邏輯進行優(yōu)化，如圖2 所示。

1. 首頁要素動態(tài)化展示。傳統(tǒng)的智能家居交互設(shè)計中各個產(chǎn)品的位置是根據(jù)添加時間排列同時尺寸固定的，這對于快速尋找產(chǎn)品或完成特定操作增加了難度。本方案將不同產(chǎn)品在首頁交互界面的尺寸大小區(qū)分為兩種，以其原因度和中心度為劃分標(biāo)準(zhǔn)，原因度和中心度更高的產(chǎn)品將占據(jù)更大的可交互面積以方便用戶的操作，并且各個設(shè)備的位置應(yīng)該根據(jù)硬件產(chǎn)品間的聯(lián)系緊密性調(diào)節(jié)其在交互端的鄰近關(guān)系；同時，在詳情操作界面添加更多的可調(diào)節(jié)參數(shù)，從而適應(yīng)更加復(fù)雜產(chǎn)品的精細化控制，如圖2 所示。

2. 核心產(chǎn)品細化操作，保留操作日志。對于系統(tǒng)中心度和原因度高的產(chǎn)品，不僅在詳情界面提供更多的細化操作，由于其關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品更多，可能產(chǎn)生的影響更大，對于這類產(chǎn)品的每類操作都需保留產(chǎn)品日志以進行操作記錄，以便對智能家居的使用情況進行溯源分析。

3. 復(fù)雜方案自動排序，降低用戶操作門檻。由于智能家居的產(chǎn)品愈來愈多，搭建完整的自動化邏輯變得更加復(fù)雜。由于自動化搭建本身就是產(chǎn)品間相互觸發(fā)的過程，這一過程與本文研究的系統(tǒng)要素聯(lián)系高度契合。本文研究的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度可以為系統(tǒng)智能推薦方案提供基礎(chǔ)。根據(jù)不同用戶購買的產(chǎn)品搭配自動生成推薦方案，并由用戶在這基礎(chǔ)上稍作修改，極大減少了用戶需要完成的操作步驟，讓智能家居使用體驗更加便捷化。

結(jié)語

智能家居系統(tǒng)設(shè)計不應(yīng)再局限于對于傳統(tǒng)家居產(chǎn)品的智能化進程，需要擺脫家居系統(tǒng)設(shè)計研究只能從單一用戶群體視角出發(fā)的局限，推動智能家居系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)發(fā)展。家庭是人類生活的永恒話題，智能化的家居應(yīng)當(dāng)帶來全新的生活體驗和方式，創(chuàng)造溫馨和諧的家庭生活環(huán)境才是智能家居系統(tǒng)設(shè)計的價值所在。