叢揚(yáng)帆 張可然

摘要：解決抗擊新型冠狀病毒肺炎背景下N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)優(yōu)選問題?；谀：龑哟畏治龇?，建立了N95口罩方案層級(jí)評(píng)價(jià)模型，通過依次建立模糊比較判斷矩陣，計(jì)算要素權(quán)重，為N95口罩方案的選擇與決策提供依據(jù);通過綜合評(píng)價(jià)法對(duì)待評(píng)價(jià)方案進(jìn)行排序，通過歸一化將設(shè)計(jì)方案的單項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行排序比較，最后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行選擇決策。以某企業(yè)緊急加量生產(chǎn)N95口罩為例，應(yīng)用該評(píng)價(jià)決策方法選出最適合投入生產(chǎn)的方案，證明其可行性，發(fā)揮其現(xiàn)實(shí)意義?？梢詮南到y(tǒng)與層次等多個(gè)角度進(jìn)行定性與定量的分析，從而為設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問題提供清晰適合的決策方案。

關(guān)鍵詞：模糊層次分析法 N95口罩設(shè)計(jì) 方案優(yōu)選 評(píng)價(jià)決策 新型冠狀病毒肺炎

中國(guó)分類號(hào)：TP47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 03-0078-04

引言

著新型冠狀病毒肺炎疫情的迅速擴(kuò)散傳播，感染人數(shù)出現(xiàn)了急劇攀升的狀況。N95等具有高過濾效能的口罩，能有效過濾飛沫和氣溶膠[1]，所以一度出現(xiàn)售罄斷貨的情況。但是隨著需求仍在提升，價(jià)格也隨之翻倍。為了緩解供求緊張的局面，工人陸續(xù)返廠復(fù)工，2020年2月底我國(guó)實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)各類口罩近1.8億只。目前市面上有關(guān)于N95口罩的設(shè)計(jì)方案不止一種，面對(duì)現(xiàn)在的特殊時(shí)期，可以購(gòu)買到口罩幾乎成為消費(fèi)者的唯一要求。作為設(shè)計(jì)決策者，可以在方案決策階段，預(yù)先對(duì)眾多N95口罩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選，優(yōu)選出幾款方案進(jìn)行集中生產(chǎn)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以直接剔除較差的方案，為消費(fèi)者提供更好的選擇。層次分析法的出現(xiàn)為幫助決策者解決難以定量描述的復(fù)雜問題帶來極大的方便，目前應(yīng)用已普及到眾多領(lǐng)域，如經(jīng)濟(jì)計(jì)劃、管理和教育等。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前已開始將其應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)中，本文采用層次分析法來輔助N95口罩設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)和決策，并借助三角模糊數(shù)模擬人在判斷時(shí)思維的模糊特征，提高評(píng)價(jià)的科學(xué)性與可信度，無論在理論上還是應(yīng)用中，這都具有重要意義。

一、N95口罩設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

N95口罩是美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所（NIOSH）認(rèn)證的9種防顆粒物口罩中的1種。“N”是指適合油性顆粒;“95”是指在NIOSH標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)條件下，過濾效率達(dá)到95%。所以，N95不是特定的產(chǎn)品名稱，只要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，就可以稱之為N95口罩。N95口罩的最大特點(diǎn)是可以有效預(yù)防體液和血液飛濺引起的傳染圓。

正因?yàn)镹95口罩不是某一款特定的口罩，所以在設(shè)計(jì)方案上沒有統(tǒng)一的范式，會(huì)存在一定的異同。不同的設(shè)計(jì)方案，從不同的角度去評(píng)價(jià)，都會(huì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。企業(yè)在生產(chǎn)之前，通常會(huì)在若干設(shè)計(jì)方案中，由決策人員選擇出最終投入生產(chǎn)的方案。在新型冠狀病毒肺炎疫情嚴(yán)峻的特殊時(shí)期，口罩作為極為重要的生活必需品，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中更應(yīng)該得到相應(yīng)的重視，堅(jiān)決杜絕粗制濫造。因此，基于快速、科學(xué)的算法，合理科學(xué)地預(yù)先決策出最優(yōu)的方案，再投入生產(chǎn)，可以事半功倍，提高產(chǎn)品質(zhì)量，利于生產(chǎn)的合理化，也可以一定程度上保證消費(fèi)者的使用感受，使產(chǎn)品更加細(xì)節(jié)化、人性化。

二、基于模糊層次分析法的N95口罩評(píng)價(jià)決策體系

模糊層次分析法，主要是在考慮到人的思維模糊性的基礎(chǔ)上，通過確定準(zhǔn)則權(quán)重，將原本復(fù)雜的評(píng)價(jià)問題分解為有條理的若干可以量化評(píng)價(jià)的目標(biāo)，最后再匯總評(píng)價(jià)、輔助決策。在N95口罩研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與優(yōu)選是一項(xiàng)涉及多方面因素的工作?；谀：龑哟畏治龇?，可建立出衡量口罩設(shè)計(jì)方案的多層次分級(jí)模型[3-4]，進(jìn)而建立多準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)決策體系，使用科學(xué)有效的量化方法進(jìn)行分析。通過模糊判斷矩陣的建立以及權(quán)重的衡量，不僅可以最終評(píng)選出綜合評(píng)價(jià)最好的口罩設(shè)計(jì)方案.在計(jì)算過程中也可以得到單項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則最優(yōu)的方案，為N95口罩方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選提供有理有據(jù)的參考。模糊層次分析法不是用來尋找“正確”的決策方案，而是輔助決策者挑選出最合適的設(shè)計(jì)方案，提供全面且理性的方案優(yōu)選思路。

（一）N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型

1）目標(biāo)層。目標(biāo)層為N95口罩方案綜合評(píng)價(jià)Q，該層的要素是唯一確定的。

2）準(zhǔn)則層。通過對(duì)N95口罩的關(guān)鍵要素進(jìn)行較為全面的考慮之后并結(jié)合專家訪談，將一級(jí)準(zhǔn)則設(shè)為用戶體驗(yàn)、實(shí)際生產(chǎn)和造型功能，構(gòu)建一級(jí)準(zhǔn)則集合。

3）子準(zhǔn)則層。繼續(xù)進(jìn)行分解準(zhǔn)則層的每一個(gè)準(zhǔn)則，共得到13個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則，共同構(gòu)成子準(zhǔn)則層。從用戶體驗(yàn)B1分化出5個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則，包括材質(zhì)舒適M1、形狀貼合M2、眼鏡用戶友好M3、松緊適中M4和摘戴方便Ms;從實(shí)際生產(chǎn)B2分化出3個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則，包括成本適中M6、結(jié)構(gòu)合理M7、材料環(huán)保Ms;從造型功能B3分化出5個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則，包括外觀簡(jiǎn)潔M9、過濾效率高M(jìn)10、重復(fù)使用率高M(jìn)11、呼吸阻力低M12和泄露率低M13[5]。由此得到二級(jí)準(zhǔn)則集合Bi= {Mi，M2，M3，M4，M5），B2= {M6，M7，M8），B3={M9，M10，M11，M12，M13）。至此，基于模糊層次分析法構(gòu)建出N95口罩設(shè)計(jì)方案的層級(jí)評(píng)價(jià)模型，如圖1。

（二）N95口罩設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)過程

1.構(gòu)造評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的模糊判斷矩陣

在確定各層次各準(zhǔn)則之間的權(quán)重時(shí)，如果只定性評(píng)價(jià)，會(huì)缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性與說服力。通過構(gòu)造判斷矩陣，采用定量分析盡可能克服不同因素之間因性質(zhì)不同導(dǎo)致的評(píng)價(jià)困難，從而更高效地完成評(píng)價(jià)與決策。首先，構(gòu)造初始模糊判斷矩陣，它是針對(duì)目標(biāo)層在一級(jí)準(zhǔn)則之間進(jìn)行比較與打分;其次，針對(duì)一級(jí)準(zhǔn)則，構(gòu)造其二級(jí)準(zhǔn)則之間的模糊比較矩陣。依據(jù)兩兩比較法和1-9比率標(biāo)度建立矩陣，由專家、設(shè)計(jì)人員進(jìn)行打分裁定。三角模糊數(shù)的確定通過采集三個(gè)數(shù)點(diǎn)來完成，可以克服在準(zhǔn)則兩兩比較過程中因無法準(zhǔn)確度量而只能用自然語言變量進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)的困難[6]。

以目標(biāo)層要素A與其對(duì)應(yīng)的下一準(zhǔn)則層Y中的準(zhǔn)則Y1，Y2，...，Yn為例，構(gòu)建模糊判斷矩陣A=（aij）nxn，構(gòu)建方式見表1。

其中，aij用來描述元素i與元素j之間的相對(duì)重要程度，aij的值可按照規(guī)定標(biāo)度進(jìn)行選擇，具體含義如表2。

在判斷矩陣中aii=（1，1，1），aij=1/aij。

更具體的，（ ），其中i和j表示進(jìn)行對(duì)比判斷的兩項(xiàng)準(zhǔn)則，上標(biāo)表示該數(shù)據(jù)由第t位打分人員給出。綜合Z位打分人員的模糊判斷矩陣，分別建立Q-B層和B-M層模糊綜合判斷矩陣。假定打分人員均具有相近的知識(shí)量和判斷水平，那么每位打分人員都取相同的權(quán)重，因此可以采用算術(shù)平均的方法綜合評(píng)分信息。上述示例中A-Y層的模糊綜合判斷矩陣如下：

4.一致性檢驗(yàn)

為了提高設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性、確保評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，有必要在計(jì)算出權(quán)重之后、綜合排序之前，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。首先完成判斷矩陣的最大特征值λmax的計(jì)算，然后檢驗(yàn)一致性，該檢驗(yàn)需要結(jié)合一致性準(zhǔn)則CI、隨機(jī)一致性準(zhǔn)則Rl和-致性比率CR來度量判斷矩陣的一致性。在這里，判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性準(zhǔn)則Rl是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，判斷矩陣的最大特征值λmax、1-9階判斷矩陣的Rl以及CI、CR的具體計(jì)算公式如下[7-8]：

4）計(jì)算矩陣的隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI

當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣具有良好的一致性，反之，則需要適當(dāng)修改取值，直到達(dá)到良好的一致性，則可以終止調(diào)整，完成單層次排序，檢驗(yàn)結(jié)果如見表8。

（三）計(jì)算綜合排序輔助決策

準(zhǔn)則層各權(quán)重值的一致性檢驗(yàn)完成后，需匯合各個(gè)層次單排序，見表9。若設(shè)綜合權(quán)重為wr，則wr=BpXMq，（p=1，2，3;q=l，2，3，L，13），計(jì)算得出層次總體排序，M1到M13的相對(duì)重要程度的綜合排序可作為最終N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的參照標(biāo)準(zhǔn)，見圖2。

四、應(yīng)用案例

以上各評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的排序果具有較高的可靠性，并具備科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，將其存入企業(yè)的數(shù)據(jù)庫，為以后的決策留作參考.也方便日后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。現(xiàn)以某公司新型冠狀病毒肺炎疫情期間N95口罩生產(chǎn)為實(shí)例，對(duì)8款口罩方案進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇。

（一）計(jì)算結(jié)果

在13項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中，M1-M9共9個(gè)準(zhǔn)則，需要將對(duì)其定性的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換成定量的數(shù)值，通過專業(yè)設(shè)計(jì)人員、專家組成的決策者集，對(duì)可供選擇的8個(gè)N95口罩設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)為10分制，并將打分結(jié)果匯總?cè)∑骄鶖?shù);M10-M13，共4個(gè)準(zhǔn)則，是確定的百分比數(shù)值，無需打分，但需要將其等比轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)值，方便計(jì)算與比較。待評(píng)價(jià)N95口罩設(shè)計(jì)方案匯總見表10，打分安排情況見表11，初始統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表12。

接下來采用綜合評(píng)價(jià)法，引入公式計(jì)算每個(gè)方案的綜合數(shù)R=∑En×Sn（n=l，2，…，13），其中E為每—具體準(zhǔn)則的得分，5為相應(yīng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重，n表示準(zhǔn)則的項(xiàng)數(shù)（共計(jì)13項(xiàng)），在以上的計(jì)算過程中，可以得到每個(gè)方案的各項(xiàng)準(zhǔn)則的加權(quán)得分以及排序結(jié)果，排序結(jié)果見表13。從圖3中可知，方案NO.5位列第一，綜合得分最高，可直接選擇N0.5方案投入大批量的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

為了更進(jìn)一步優(yōu)化方案，可以在剔除排名較為靠后的方案之后，選取排名靠前的方案進(jìn)行著重研究與優(yōu)化，以提高效率。在圖4中選取最終排名前四的設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)則數(shù)據(jù)，采用歸一化的處理方法，把數(shù)據(jù)映射到0-1范圍之內(nèi)，可以清晰地看到方案之間在不同準(zhǔn)則上的得分差距，結(jié)果見雷達(dá)圖3。

（二）結(jié)果分析

從整體所有方案上來看，該公司的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案在數(shù)據(jù)得分方面都有著共同的走勢(shì)和特點(diǎn)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出如下方案優(yōu)化建議： 在過濾效率方面均達(dá)到了不錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)，這是N95口罩最基本也是最重要的功能。在形狀貼合方面均得分不高，防護(hù)型口罩無法100%地與人臉密合，這受臉形、皮膚光滑程度和是否有毛發(fā)墊在口罩下面等諸多因素的影響，防護(hù)型口罩靠頭帶和鼻夾施加一定壓力使口罩與臉緊密地貼合，設(shè)計(jì)師可以繼續(xù)深入考慮使口罩與人臉形狀貼合的更多可能性，以此增強(qiáng)口罩的防護(hù)性和安全性，也是整體提高該公司N95口罩產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在松緊程度方面，所有方案的得分均不是很讓人滿意，松緊程度不適中會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)勒耳朵的情況，造成佩戴不適，這個(gè)問題可作為下一步完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)目標(biāo)，著重優(yōu)化。

從方案與方案之間的比較來看，有關(guān)于轉(zhuǎn)化落地的選擇，提出如下生產(chǎn)建議：

排名前3的方案在各準(zhǔn)則之間差距不明顯，在新型冠狀病毒肺炎疫情緊張的情況下，可以考慮全部投入生產(chǎn)，但是可以按照排名前后來定奪生產(chǎn)數(shù)量的比例，為消費(fèi)者提供更多的選擇。因?yàn)榕琶谝坏姆桨覆豢赡軡M足每一位消費(fèi)者，適量生產(chǎn)其他排名靠前的方案，可以有效緩解嚴(yán)重新型冠狀病毒肺炎疫情下不同消費(fèi)者的需求。方案N0.4排在第4名，與前3方案相比，在各準(zhǔn)則之間數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，非緊急情況，不考慮投入生產(chǎn)。

結(jié)語

采用模糊層次分析法建立了層次分析模型，在考慮人的思維模糊性的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)與層次等多個(gè)角度將思維過程進(jìn)行定性與定量分析，提高了N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的科學(xué)性與可靠性;通過構(gòu)建模糊判斷矩陣，計(jì)算相對(duì)權(quán)重，為N95口罩設(shè)計(jì)方案的選擇決策提供參考，結(jié)合專家打分最終對(duì)N95口罩設(shè)計(jì)方案的單項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行整理排序，參考排序結(jié)果組優(yōu)選出最適合投入生產(chǎn)的方案，打破傳統(tǒng)的串聯(lián)工作流程，提高了設(shè)計(jì)工作的效率。通過在實(shí)際公司案例中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的可實(shí)施性。但該方法不能在優(yōu)選出方案后，直接給出相應(yīng)的優(yōu)化方案，只可搭配計(jì)算結(jié)果給出優(yōu)化建議，仍存在一定的局限性，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探究與完善。.

基金“山東省2018年研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力提升項(xiàng)目（編號(hào)：SDYY18082）”。

參考文獻(xiàn)

[1]文彬，賈曉東.常見自吸過濾式口罩的防護(hù)效果綜合評(píng)估[J]環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2018，35 （05）：428433+446

[2]俞嵇鵬，賴紅波.針對(duì)新型冠狀病毒肺炎防護(hù)口罩改良改進(jìn)[J]設(shè)計(jì)：1-12[20200309] http： //knsmkineUkcms/detail/ll5127.tb.20200225.1434.002 html

[3]劉哲.人因工程在N95口罩生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[D].上海交通大學(xué)，2017

[4]林楠，宋曉薇為每一次健康呼吸保駕護(hù)航[J]設(shè)計(jì)，2018 （02）：38-43

[5]周靜，郎楠，袁媛，孫承業(yè).新型冠狀病毒肺炎疫情呼吸防護(hù)及對(duì)策建議[J/OL] 職業(yè)衛(wèi)生與應(yīng)急救援：1-5[202003-09]https：//doi.ong/10 16369/j oberjssn 1007_1326 2020 02 005

[6]葉芳口罩分類及原理介紹[J]標(biāo)準(zhǔn)生活，2016 （02）：18-23

[7]劉靚靜，馬或基于模糊Kano模型的梳棉機(jī)造型設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)，2018 （03）：100-101

[8]魏真.基于AHP的上海食品包裝文化評(píng)價(jià)體系[J]設(shè)計(jì).2018 （01）：41-43

[9]戴一康，薛澄岐，王海燕基于AHP的界面美度評(píng)價(jià)方法探究[J]設(shè)計(jì)，2018 （08）：123-125

[10] SAATYT LAnalytic Hierarchy Process[J] Mathe-matical Models for Decision SUpport，2013 （4）：109-121