摘要：為提升用戶對植保無人機的滿意度，基于Kano-AHP模型提出一種農(nóng)用植保無人機的創(chuàng)新設計方案。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)重進行功能分析和排序，得到各評價指標。最后對產(chǎn)品方案收集到的數(shù)據(jù)構(gòu)建判斷矩陣，完成檢驗與評估，確定了最佳設計方案。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計的有效反饋，這在一定程度上彌補了傳統(tǒng)產(chǎn)品設計依賴主觀經(jīng)驗進行設計的不足，使產(chǎn)品設計更具科學性與有效性。

關鍵詞：工業(yè)設計；農(nóng)用植保無人機；卡諾模型；層次分析法

中圖分類號：TB472

文獻標志碼：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：閩臺文化傳承與設計。

目前關于植保無人機的研究多集中在技術(shù)實現(xiàn)與作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建領域，對用戶需求和產(chǎn)品造型設計的相關研究比較少。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)合應用于電動代步車設計，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模型和人體測量學相結(jié)合進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)品設計。在產(chǎn)品設計創(chuàng)新中，梁浩等^[4]應用Kano模型構(gòu)建了血壓計的用戶需求矩陣，給出血壓計外觀與結(jié)構(gòu)的設計方案；劉付勤^[5]綜合運用了層次分析法（AHP）和功能分析法（FAST），降低了人為主觀因素的誤差影響，強化了定量分析的優(yōu)勢；邴媛^[6]在Kano模型的基礎上運用AHP法建立農(nóng)機造型構(gòu)成因子評價層次結(jié)構(gòu)體系，計算出權(quán)重向量，通過實例驗證了這兩種方法結(jié)合評價的可行性。因此，結(jié)合Kano模型和AHP法應用于植保無人機設計能有效識別出用戶需求，具有科學性和可行性。

1 基于Kano和AHP的模型構(gòu)建

Kano模型由日本學者家狩野紀昭于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)品設計開發(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）由美國運籌學家T. I. Saaty在上世紀70年代提出，該方法通過錨定系統(tǒng)目標，在明確決策規(guī)劃的準則和條件后，建立多層級的遞進結(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行定量描述，通過一致性檢驗后選擇合適的決策^[9]。但AHP法評價指標過多時，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進行歸納，以此將用戶需求屬性進行劃分，進而將二級指標歸納為一級指標，使其適用于AHP法進行數(shù)據(jù)分析與檢驗。以此為基礎構(gòu)建層次分析模型，通過構(gòu)建判斷矩陣對用戶需求指標進行權(quán)重計算，并對結(jié)果進行一致性檢驗，構(gòu)建的模型流程如圖1所示。

2 基于Kano模型的目標用戶分析

2.1 問卷調(diào)查

Kano問卷設計為了區(qū)分用戶對于產(chǎn)品/服務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置^[10]。而在做Kano模型分析前，需要對目標用戶進行需求調(diào)研，通過采用矩陣量表的形式讓用戶對功能進行正面和負面評價，問卷問題設置形式如表1所示。問卷數(shù)據(jù)采集后采用李克特量（Likert-type scale）評分進行賦值，將“喜歡”—“不喜歡”的選項由高到低依次標識為5～1分。

2.2 Kano模型的需求滿意度分析

在開發(fā)設計產(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，將每個功能需求進行統(tǒng)計，對功能屬性歸類后計算出Better-Worse系數(shù)，若該產(chǎn)品某功能實現(xiàn)后可以增加用戶滿意度，則該系數(shù)標識為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。

具備該項功能的Better系數(shù)：

不具備該項功能的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，應優(yōu)先考慮實施系數(shù)絕對分值高的功能需求。

算出每項功能需求的Better-Worse系數(shù)之后，求出所有項功能需求Better-Worse系數(shù)均值，以Worse0為橫坐標，Better0為縱坐標，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 植保無人機用戶需求展開

綜合目標用戶訪談與問卷調(diào)研結(jié)果分析的內(nèi)容，應用KJ（親和圖法）對用戶需求展開整理，確定i項需求，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，并篩除語義重復或相近含義的需求項；之后整理需求項，將同類的需求項歸為一組；對需求分組進行重命名。

整理后共得到用戶需求項23項，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)研問卷進行屬性統(tǒng)計，23項農(nóng)機設計需求質(zhì)量類型統(tǒng)計和分類如表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，構(gòu)建四象限圖對產(chǎn)品功能需求進行優(yōu)先級分析。確定了植保無人機設計必備屬性M包括：CR₁肥料飛播、播撒功能；CR₂₂旋翼帶有防護裝置；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搬運方便、CR₁₅仿生造型、CR₁₇色彩具有辨識度、CR₁₉流線型設計、CR₂₁大噴幅設計。植保無人機魅力屬性功能包括：CR₃病蟲害監(jiān)測、CR₆精準測量面積、CR₇手勢控制、CR₈智能作業(yè)、CR₁₆設計簡潔。

3 植保無人機設計因子的層次分析

3.1 基于AHP法的需求權(quán)重計算

在獲取評價指標后，采用1～9標度法對評價指標中各指標兩兩比較，以此構(gòu)建成對判斷矩陣，進而計算各層標度的乘積：

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

計算相對權(quán)重：

計算最大特征根：

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

式中，CR為判斷性矩陣的一致性比率；RI為隨機一致性指標。當CR≤0.1時，即認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)整后再次進行計算，1～9階的RI如表4所示。

3.2 AHP法評價

運用AHP法建立無人機機造型構(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，將評價指標歸結(jié)為準則層的共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打分，在此過程中邀請無人機設計師3人，職業(yè)飛手3人，設計專業(yè)教師4人，有植保無人機實際使用和操作經(jīng)驗的農(nóng)民10人共20人組成評價小組。采用1～9標度法對準則層的5個維度進行兩兩評價打分。

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：

目標層（O）對應的準則層（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，驗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，因此判定數(shù)據(jù)為有效。進一步代入數(shù)據(jù)計算各要素對目標層的總權(quán)重。

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

3.3 方案評估

對農(nóng)用植保無人機的設計方案C3進行1：1模型制作。隨后，邀請5位無人機工程師與11位機械設計研究者對該方案進行滿意度評分與人機尺寸驗證。對該設備進行主觀評分的評分區(qū)間設置為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”，各評分指標同上。最后，取綜合平均值作為評估參考，計算得出評分結(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)用植保無人機進行造型設計與方案評估，在對用戶需求分析的基礎上進行分類，判斷各設計目標間的優(yōu)先級，通過算法驗證了概念設計的合理性。在此基礎上有效地篩選出目標用戶的心理需求，并通過構(gòu)建層次分析模型進行方案評價，證明了設計方案C3是用戶的偏好目標。該模型促進了方案決策的科學性與客觀性，可為同類農(nóng)用植保產(chǎn)品的設計研發(fā)提供參考思路。本研究后續(xù)將進一步收集實機反饋數(shù)據(jù)，參考設計領域?qū)＜业慕ㄗh，以增加研究的科學性和完整性。

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（責任編輯：方素華）