基于AHP-TOPSIS法的儿童卧房家具设计研究_谭雨婕.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（04）：69-74基于AHP-TOPSIS法的儿童卧房家具设计研究谭雨婕1,3 杨昕妍1,3 张仲凤1,2,3,4*张继娟1,2,3（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心，湖南 长沙 410000；3.湖南省绿色家居工程技术研究中心，湖南 长沙 410000；4.东阳市家具研究院，浙江 东阳 322100）摘 要：针对儿童卧房家具设计的方法和评价，采用层次分析法（AHP），构建儿童卧房家具设计要素的判断矩阵，确定各要素的权重并应用实例，采用逼近理想解排序法（TOPSIS），通过对方案评分求得的初始评价矩阵进行加权标准化处理，计算评价对象的正负理想解及相对贴进度，对方案进行优劣排序。结果显示：结构安全、材料环保性、尺度可调、学习、储物是儿童卧房家具设计主要影响要素。在根据要素权重排序设计的3个方案中，方案1为最优设计方案。结合层次分析法与逼近理想解排序法构建的评价模型，能够尽可能减少设计决策的主观性影响，使决策中的设计方案更加科学合理，对儿童卧房家具设计方面有一定实用价值。关键词：层次分析法；逼近理想解排序法；儿童卧房家具；设计；评价模型中图分类号：TS664.01 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）04-0069-06DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202304012Research on the Design of Childrens Bedroom Furniture Based on AHP-TOPSIS MethodTAN Yu-jie1,3 YANG Xin-yan1,3 ZHANG Zhong-feng1,2,3,4 ZHANG Ji-juan1,2,3(1.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,P.R.China;2.Green Furniture Engineering Technology Research Center of National Forestry and Grassland Administration,Changsha 410000,Hunan,P.R.China;3.Green Home Engineering Technology Research Center in Hunan,Changsha 410000,Hunan,P.R.China;4.Dongyang Furniture Institute,Dongyang 322100,Zhejiang,P.R.China)Abstract:On the purpose of gaining methods and evaluations of furniture design for childrens bedrooms，the analytic hierarchy method(AHP)was used,the judgment matrix of the design elements of childrens bedroom furniture was constructed,the weights of each element were determined and the examples were applied,and the approximation ideal solution sorting method(TOPSIS)was used to weight the standardization process through the initial evaluation matrix obtained by the scheme score,and the positive and negative ideal solutions of the evaluation object and the relative paste progress were calculated,and the scheme was sorted by virtue and disadvantage.The results showed that structural safety,material environmental protection,scale adjustability,learning,storage were the main influencing factors of childrens bedroom furniture design.Among the three schemes designed according to the weight of the elements,scheme 1 was the optimal design scheme.The evaluation model constructed by combining the analytic hierarchy method and the approximate ideal solution ranking method can minimize the subjective impact of design decisions,which could make the design scheme in the decision-making more scientific and reasonable,as well as had certain practical value for the design of childrens bedroom furniture.Key words:Analytic hierarchy;Approximation ideal solution sorting method;Childrens bedroom furniture;Design;Evaluation model20 世纪80 年代以来，随着中国经济的蓬勃发展，国内开始涉及儿童空间和儿童家具设计方面的研究1，主要有儿童房设计研究、多功能儿童家具的探究、可成长性家具研究等几大方向。儿童卧房空间是孩子生活、娱乐、学习、起居的空间，在儿童卧房家具设计方面，国外设计师开启先进的设计思维模式，准确定位儿基金项目：湖南省重点研发（2022NK2043）；湖南省科技创新领军人才（2021RC4033）；湖南省科技人才托举工程项目“中青年学者培养计划”（2020TJ-Q18）；国家林业绿色家具创新团队作者简介：谭雨婕，女，研究方向为家具设计工程、产品设计E-mail:*通讯作者：张仲凤，女，博士，教授，研究方向为家具制造技术E-mail:收稿日期：2022-08-15林 产 工 业70第60卷童生活需求，来指导其儿童家具设计2。在注重款式新颖、造型丰富和安全环保的同时，保持家具的实用性3。针对儿童及其卧房特征合理化设计家具，有助于启迪儿童智慧，促进儿童独立自主习惯养成，对儿童健康成长具有重要意义4。1 儿童卧房家具设计概述1.1 儿童生理特征概述03 岁为婴幼儿阶段，1 岁以内的儿童能够独立和在辅行下行走。23 岁的儿童开始可以独立行走，上下台阶，穿越简单的障碍物5。此阶段儿童卧房空间的安全性要求高，婴幼儿进行平面活动，需要空间宽敞，收纳的位置应在其触碰不到的高位。操作平台通常是在宽敞的地面，对于卧房空间的分区为玩学一体。36 岁为学龄前阶段，3 岁以后的儿童体力迅速提升，可以独立行走、跑、跳，穿越障碍物，有一定的行动控制力6。此阶段对儿童卧房空间的安全性要求较高，学龄前儿童有纵向活动且相对固定，收纳的位置应在其方便收纳的低位。操作平台大且较高，对卧房空间进行适当分区。612 岁为学龄期阶段，6 岁以后身体增长迅速，精力旺盛，能长时间进行一定的体力活动，有较好的自控力和平衡力7。此阶段儿童卧房空间的安全性与前两个阶段相比，要求一般，学龄期儿童有明确的活动范围，收纳空间相对固定8。操作平台较小且高，卧房空间分区明确。1.2 儿童卧房家具设计要素分析1.2.1 功能性对儿童卧房家具设计的影响依照功能用途的不同，儿童卧房家具主要可以分为坐卧式家具、凭依式家具和贮藏式家具。坐卧式家具包含床、凳子、椅子等。只要涉及到教育、饮食、娱乐和睡眠方面，都需要用到坐卧式家具来对身体各部位进行有力支撑。针对大多数孩子而言，全天至少有四分之三的时间需要使用到坐卧式家具。儿童家具的功能需求会随着儿童的成长而变化，儿童家具功能的转变则主要依靠尺寸的改变来实现9。1.2.2 安全性对儿童卧房家具设计的影响为确保家具及其工艺的高质量，需要选择正确合适的生产材料。实木、塑料、人造板材、皮革和织物都是儿童家具设计与制造中常见的选材，其中实木广受人们的青睐10。因儿童皮肤娇嫩，骨骼还在发育过程中，为避免在活动过程中磕碰跌倒，需要增加儿童卧房空间的安全性，对空间中的家具进行圆角处理11。1.2.3 成长性对儿童卧房家具设计的影响在身体快速成长的儿童时期，对家具的规格和需求相应发生变化，包括尺寸、配置和功能等12。大多数家庭难以承担家具换新频率高带来的经济负担，该行为也不符合当下提倡的可持续设计原则。为实现可陪伴儿童一起成长的儿童卧房家具设计，可根据儿童不同时期的生理特征进行调整，让儿童家具的使用寿命更长，且更加绿色环保13。1.2.4 益智性对儿童卧房家具设计的影响儿童卧房空间的家具是儿童成长过程中探索世界的中介，需要兼具实用功能和益智性14。家长在期望孩子无忧无虑成长的同时，会注重儿童能力的提升与培养，尤其是影响儿童行为习惯养成和创造能力及智力发育的重要阶段。因此，儿童家具的寓教于乐理念应运而生，儿童家具的益智性即为儿童在使用家具时有助于开发儿童的智力15。2 儿童卧房家具设计的层次分析2.1 层次分析法层次分析法（AHP）由Scary于1971 年提出，是一种联结定量与定性的分析方法。在层次分析法的判断决策进程中，逻辑判断是非常科学和有条理的，很多涉及决策的领域都会运用层次分析法16-18。使用该方法能够科学地对复杂要素进行剖析，计算每个要素的权重值19，帮助设计人员对儿童卧房家具设计要素进行优先级排序。方法主要分为以下4 步：1）首先将儿童卧房家具设计要素进行层级划分，构建层次结构模型；2）将准则层和各类子准则层的要素分别两两比较给图1 层次分析法应用流程Fig.1 Analytic hierarchy application process谭雨婕，等：基于AHP-TOPSIS法的儿童卧房家具设计研究71第4期出分值，构建相应的判断矩阵；3）子准则层各要素的目标权重通过计算确定并排序；4）执行一致性检验后对目标权重结果进行解析，设计出3 款儿童卧房家具。层次分析法应用的具体流程如图1 所示。2.2 建立层次结构模型1）目标层。目标层的唯一要素是儿童卧房家具设计的最优方案。2）准则层。对于儿童卧房家具设计而言，功能、安全、成长和益智4 个要素能够产生最深刻的影响。因此，准则层由功能性、安全性、成长性和益智性构成。3）子准则层。根据Thomas L.Saaty率先提出的层级构造方法20，将功能性、安全性、成长性和益智性4个准则层分别细分为多个子准则层。具体将储物、娱乐、学习、功能可延伸归为功能性方面；将材料环保性、结构安全归为安全性；将尺度可调、造型可变换归为成长性；将启发性、寓教于乐归为益智性。由此，基于层次分析法的原理构建出儿童卧房家具设计的层次结构模型，如图2 所示。2.3 构建判断矩阵及确定权重准则层以及各类子准则层的要素之间相对重要性通过两两比较得出，构建目标判断矩阵和各准则判断矩阵21。在此步骤中，通过确定相对比例来提高精度。在需要进行比较的各准则层X1,X2,X3，.Xn对目标层 O的重要性中，Xi对Xj的要素相对重要性用Xij表示，反之Xj对Xi的相对重要性表示为1/Xij。将九分制标定法运用于判断矩阵的元素Xij，用19 标定方法给出，判断矩阵构造方式见表1，判断矩阵标度含义见表2。儿童卧房家具设计的最优方案目标判断矩阵及权重见表3，目标层用O表示。功能性、安全性、成长性与益智性这4 个要素属于准则层，用C1、C2、C3、C4表示。在子准则层中，储物为C11，娱乐为C12，学习为C13，功能可延伸为C14,材料环保性为C21，结构安全为C22，尺度可调为C31，造型可变换为C32，启发性为C41，寓教于乐为C42。选取目标用户20 名，包括儿童家具设计师5 名，研究方向为家具设计相关的老师 5 名，312 岁儿童的家长5名，机械专业工业设计工程方向硕士研究生5名，使用评分评估各要素。功能性准则、安全性准则、成长性准则、益智性准则判断矩阵及权重分别见表47。图2 儿童卧房家具设计层次结构模型Fig.2 Childrens bedroom furniture design hierarchy modelOX1X2X3.XnX1X11X12X13.X1nX2X21X22X23.X2nX3X31X32X33.X3n.XnXn1Xn2Xn3.Xnn表1 判断矩阵构造方式Tab.1 Judgment matrix construction method标度含义12个要素相比，具有同等重要性32个要素相比，前者稍重要52个要素相比，前者比较重要72个要素相比，前者很重要92个要素相比，前者非常重要2,4,6,8意为上述相邻标度的中值倒数为同一层次结构的2个要素重要性相反表2 判断矩阵标度含义Tab.2 Meaning of the judgment matrix scalingOC1C2C3C4权重wC111/2220.249 7C221350.491 4C31/21/3120.159 6C41/21/51/210.099 3表3 最优方案目标判断矩阵及权重Tab.3 Optimal solution target judgment matrix and weightsC1C11C12C13C14权重w1C11130.520.285 6C120.333 310.250.50.098C1324120.434C140.520.510.182 5表4 功能性准则判断矩阵及权重Tab.4 Functional criteria judgment matrix and weightsC2材料环保性结构安全权重w2材料环保性10.50.333 3结构安全210.666 7表5 安全性准则判断矩阵及权重Tab.5 Security criteria determines the matrix and weightsC3尺寸可调造型可变换权重w3尺寸可调130.750 0造型可变换1/310.250 0表6 成长性准则判断矩阵及权重Tab.6 Growth criteria judgment matrix and weights林 产 工 业72第60卷2.4 一致性检验对数据进行一致性检验来确保每个判断矩阵的兼容性，公式中max表示最大特征根，n为阶数，RI为随机一致性检验指标，CR为一致性比，通过计算若CR0.1，则通过一致性检验。如表8 所示，经过计算求得各判断矩阵的CR0.1，全部通过一致性检验。将子准则层所有要素的目标权重进行排序，为儿童卧房家具最佳设计方案提供更科学的数据参考，计算得出的目标权重排序见表9。C4启发性寓教于乐权重w4启发性120.666 7寓教于乐1/210.333 3表7 益智性准则判断矩阵及权重Tab.7 Puzzle criteria judgment matrix and weights1CInnmax=-m-CRRICI=OC1C2C3C4max4.040 74.045 8222CI0.013 60.015 3000RI0.8820.882000CR0.015 40.017 3000表8 一致性检验结果Tab.8 Consistency test resultsC11C12C13C14C21C22C31C32C41C42C10.285 6 0.098 0 0.434 0 0.182 5-C2-0.333 3 0.666 7-C3-0.750 0 0.250 0-C4-0.666 7 0.333 3 目标权重0.071 3 0.024 5 0.108 4 0.045 6 0.163 8 0.327 6 0.119 7 0.039 9 0.066 2 0.033 1 排序51047213869表9 目标权重排序Tab.9 Target weight sorting通过层次分析法对于儿童卧房家具设计要素进行深入分析，对儿童卧房家具设计影响最大的要素是结构安全。除此之外，材料环保性、尺度可调、学习、储物所占的权重值相对较高，是评价儿童卧房家具好坏较为重要的因素。3 应用实例3.1 基于TOPSIS法的设计评价对象将AHP确定的各要素权重分析结果应用于儿童卧房家具设计中，使得设计评价更科学有效。逼近理想解排序法（TOPSIS）常用于构建评价模型以求解多指标分析22。运用TOPSIS分析法规范化原始数据矩阵，对已有的设计方案，求得各指标的正负理想解，判断各方案与正理想解的接近程度，并对方案进行排序和评价23。方案一，如图3 所示。儿童卧房学习区的主要家具为书桌，书桌的设计应具备灵活收纳、自由存储的特点，日常学习用品均有各自合适的位置，满足孩子自由存储的需求；科学合理分区，养成收纳的好习惯，有助于快速取物，提升学习效率；科学视距为在线学习定制设计，科学用眼距离，儿童无须不舒适地低头翻书，不用的时候可以收起来；桌面高度可调整，桌板角度可根据儿童使用需求进行调整，找对合适角度，就能解锁更多乐趣，松手即停不摔板，保证儿童安全。书桌不止写字单个功能，开启更多技能；儿童书桌主体选择实木中的橡木为原材料，其具有优良的材质性能，力学强度高且握钉力强，用橡木制作的家具抗腐蚀能力强、耐久性高，同时安全环保，适合儿童使用；配有亚克力卡槽，可自由放置各种任务表、课程表，引导儿童学会计划管理，高效完成学习任务，提升成就感；沉静配色，饱和护眼色泽，让儿童能安心学习24。图3 方案1Fig.3 Scenario 1谭雨婕，等：基于AHP-TOPSIS法的儿童卧房家具设计研究73第4期1,2,1,2YXXim jn2ijijimij1=()方案二，如图4 所示。儿童卧房收纳区的代表家具有衣柜。儿童衣柜的设计不仅需要考虑儿童自身生活和玩耍的空间,并应尽可能引导儿童形成良好的存储习惯和分类整理技巧。儿童卧房空间的衣柜要做到合理分区，可将内部结构分为常用与不常用两大区域，常用区域放置当季日常需要穿的衣物；不常用区域为高度较高不利于频繁拿取的顶柜；第二天需要穿的衣服可以提前准备好，挂在带轮的可移动衣架上。儿童的身高不断变化，设计可调节的衣柜内隔，便于灵活收纳，并设有躲猫猫区，不同结构的组合，刺激儿童感官体验，从而激发儿童自主探索事物的积极性。方案三，如图5 所示。伴随儿童成长全过程，同时拥有最高使用率的是儿童卧房空间中的睡眠区，儿童床作为该最关键区域的代表家具。需要考虑到儿童床使用期限短且价格高昂，设计一款可供儿童012 岁整个长周期使用的可成长性儿童床。材料选择安全环保、没有刺激性的榉木。调整儿童床的挡板后，可以实现换尿布台、小桌板等功能，通过尺寸可调和功能延伸来延长儿童床的使用寿命25。3.2 原始数据依据图2 中子准则层的评价要素来定义10 项评价指标，并进行正负判断，确定为充足储物空间、可进行娱乐活动、利于学习、功能可延伸、材料具有环保性、结构安全、尺度可调、造型可变换、具有启发性、寓教于乐10项正指标。为保证评价结果的有效性。选择儿童家具设计师5名，儿童家长3 名，家具设计与制造方向的教授2 名，分别对3 款儿童卧房家具设计方案中的10 项指标打分，在010 分区间内进行评分，03 为很差，35 为较不认可，56 为良好，68 为相对认可，810 为很好。将数据计算得出的算术平均数作为初始得分结果，令设计方案种类为m，子准则层评价指标种类为n，初始评价矩阵X=(Xij)mn，见表10。3.3 数据的加权标准化处理对通过评分求得的初始评价矩阵X=(Xij)mn进行标准化处理，得到标准化矩阵Y=(Yij)mn。结合表9 所示目标权重值W，通过以下公式计算得到加权标准化矩阵Z=(Zij)mn，见表11。Zij=WjYij(i=1,2m,j=1,2n)图4 方案2Fig.4 Scenario 2图5 方案3Fig.5 Scenario 3评级指标方案1得分方案2得分方案3得分C118.89.27.6C125.15.98.9C139.14.17.2C148.94.39.2C217.67.98.2C228.28.68.1C319.23.69.3C325.16.38.4C416.17.86.5C427.97.35.6表10 初始评价矩阵Tab.10 Initial evaluation matrix评级指标方案1得分方案2得分方案3得分C110.0420.0440.037C120.0110.0120.018C130.0800.0360.063C140.0300.0150.031C210.0910.0950.098C220.1870.1960.185C310.0810.0320.082C320.0170.0220.029C410.0340.0440.036C420.0220.0200.015表11 加权标准化评价矩阵Tab.11 Weighted standardized evaluation matrix林 产 工 业74第60卷3.4 计算评价对象的正负理想解正理想解如下：负理想解如下：由以上公式可知评价对象的正理想解为Z=（0.044，0.018，0.080，0.031，0.098，0.196，0.082，0.029，0.044，0.022），负理想解为Z-=（0.037，0.011，0.036，0.015，0.091，0.185，0.032，0.017，0.034，0.015）。3.5 综合评价指标计算3 种方案的欧氏距离及到理想解的相对贴近度，C值越大，则越贴近理想解，可知方案1 明显优于方案2 和方案3，见表12。4 结语为尽可能减少儿童卧房家具设计最优方案选择的主观性影响，使决策中的设计方案更加合理科学26，本文结合AHP和TOPSIS分析法提出一种针对儿童卧房家具设计的综合评价方法。对儿童的生理特征和儿童卧房家具设计要素进行分析和研究，从功能性、安全性、成长性、益智性等4 个方面确定了子准则层的10 个二级指标，按照清晰的层次结构关联，提供定量评价的方法，建立完整的评价体系，将AHP的主观性和TOPSIS法对指标权重的缺漏进行互补，以促进儿童卧房家具设计方案的筛选，提升后续开发流程的先进性和可靠性。参考文献1 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2,CDDDimiiii=+-+()正理想解距离（D+）负理想解距离（D-）相对贴进度（C）排序方案10.0210.0680.7671方案20.069 0.018 0.210 3方案30.0240.0610.7192表12 欧氏距离及相对贴近度Tab.12 Euclidean distance and relative proximity