基于AHP-FCE的光伏遮阳伞可持续设计评价研究.pdf

46设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.3 2023基于AHP-FCE的光伏遮阳伞可持续设计评价研究*Evaluation of Sustainable Design of Photovoltaic Sunshade Basedon AHP and FCE黄晓蔓HUANGXiaoman杨冉冉YANGRanran安徽财经大学，安徽蚌埠 2 3 3 0 0 0（Anhui University of Finance and Economics，2 3 3 0 0 0 Be n g b u A n h u i）摘要：可持续设计是减少能源消耗的有效途径，依据该理念提出可持续设计评价新方法，是促进光伏遮阳伞可持续发展的重要手段。以实例验证该评价方法在光伏遮阳伞可持续设计方案评价中的应用具有积极意义。首先，根据层次分析法，主要从经济、技术、环保等六个方面及权重值来构建可持续设计评价指标体系；其次，在模糊理论指导下构建光伏遮阳伞可持续设计模糊综合评价模型；最终，通过对光伏遮阳伞五款不同设计方案进行评价，得到最佳方案及最优指标选项。关键词：光伏遮阳伞；可持续设计评价：层次分析法；模糊综合评价法Abstract:Sustainable design is an effective way to reduce energy consumption,and the new method of sustainable design evaluation proposedaccording to this concept is an important means to promote the sustainable development of photovoltaic sunshade.Firstly,according to the analytichierarchy method,the sustainable design evaluation index system is mainly constructed from six aspects such as economy,technology and environmentalprotection and the weight value.Secondly,a Fuzzy comprehensive evaluation model for sustainable design of photovoltaic sunshade is constructedunder the guidance of Fuzzy theory.Finally,by evaluating five different design schemes of photovoltaic sunshade,the best scheme and optimal indexoptions are obtained,and the application of the evaluation method in the evaluation of sustainable design schemes of photovoltaic sunshade is verified byexample.Key words:photovoltaic sunshade;sustainable design evaluation;analytic hierarchy process;Fuzzy comprehensive evaluation method中图分类号：TB472文献标识码：Adoi:10.3963/j.issn.2095-0705.2023.03.010一、引言目前，由于我国对城市空间利用率不当，从而导致城市能源消耗的不合理现象极为严重，因此国家推出了节能减排与低碳环保政策。而光伏发电作为一种可持续利用的清洁能源，是一个极为重要的突破口，且产品的可持续设计可以有效地减少能源消耗与促进社会的可持续发展。因此，市面上已经出现了多种光伏产品，如太阳能光伏板、光伏电池、光伏照明灯、光伏遮阳伞等，其中光伏遮阳伞作为一种新产品在制作成本、外观设计、功能配置等方面还需进一步提高。因此，需要通过对光伏遮阳伞可持续设计评价，找出设计中的不足，以此来优化光伏遮阳伞的设计方案。在工程领域设计评价方法有很多，经典的设计评价方法主要有：肖小朋、周述璋等人提出的基于云模型的智能冰箱设计评价；李争、王金凤提出的模糊评价法在文化创意产品造型设计中的应用研究2 ；刘政等人提出了采用正交实验和综合评价法的机床立柱优化设计3 等。随着工程技术的不断更新，出现了一些复合型评价方法，如罗婕等人提出的基于德尔菲法和FAHP的特种车辆设计评价体系研究，其中FAHP是层次分析法与模糊综合评价法的结合应用4。但收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 9*基金项目：2 0 2 0 年省级质量工程项目“产品设计专业卓越工艺美术师培养创新项目”（2 0 2 0 zyrc009）。作者简介：黄晓蔓（19 7 2 一），女，安徽财经大学艺术学院副教授，主要研究方向为产品设计；杨冉冉（19 9 9 一），女，安徽财经大学艺术学院硕士研究生，主要研究方向为产品设计。47Vol.13No.32023DESIGNRESEARCH设计艺术研究是，具体到可持续设计领域中对设计评价方法应用还需进一步的研究与拓展5，将以上这些经典的设计评价方法应用于可持续设计领域中，有利于可持续设计的发展。因此，光伏遮阳伞可持续设计评价可作为一个重要的突破口来进行验证。经过前期调研发现，光伏遮阳伞在经济、技术、环保、功能、制造与感观等方面都存在着诸多模糊因素，而层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，A H P）多适用于具有指标繁多，较为复杂的情况；模糊综合评价法（FuzzyComprehensiveEvaluation，FCE）较适用于具有诸多模糊因素的情况，且它的评价结果不是确切的肯定或否定，而是通过模糊集来表示6 ，而采用AHP与FCE相结合的方法，能够有效克服多因素的影响，对各评价因素进行合理的量化处理，使评价结果更加科学、合理。因此，本文拟通过AHP和FCE“两者”相结合的方法来对光伏遮阳伞可持续设计进行评价研究二、构建光伏遮阳伞可持续设计评价指标体系1.评价指标体系的构建光伏遮阳伞可持续设计评价属于产品设计评价的一部分，其重点在于光伏遮阳伞的可持续性。如经济的可持续性、材质的环保性、材料的安全性、绿色性以及是否可循环使用等方面，由于材料的不同从而导致防护性能的不同，以及光伏板面积的大小与受光时长的差异从而导致发电量和蓄电量的不同等，都是所要考虑的问题17)。因此对光伏遮阳伞可持续设计评价主要从社会、消费者和自然资源三大角度出发，对其进行深度讨论和分析，从而制定出光伏遮阳伞可持续设计评价体系。首先，针对2 1位专业相关人员及114名用户，分别进行光伏遮阳伞可持续设计评价指标的问卷调研。问卷主要内容主要包括三个方面：第一，对接受调研人员的基本信息行统计，如：年龄、性别、学历、职业等；第二，对光伏遮阳伞的基本信息进行统计，如：遮阳伞的材质、颜色、功能等；第三，对光伏遮阳伞的可持续设计方面进行统计，如：它的环保性能、制造过程中所产生的污染、产品所采用的材料是否绿色健康等。本次调研共发出140 份调研问卷，回收有效问卷13 5份。该问卷采用李克特量（Likert-type scale）的方法进行设计，目的是为方便后期数据的采集与统计。其次，对调查问卷所得的影响因素进行整理，用AHP将影响光伏遮阳伞可持续设计因素分为3 个层次来构建模型，即目标层、准则层、指标层。依据社会、消费者、自然资源三个大方面将光伏遮阳伞可持续设计的准则层划分为经济指标A1、技术指标A2、环保指标A3、功能指标A4、制造指标A，与感观指标A6，共6 个准则指标，再依据这6 个准则指标进行细分，获得材料成本A、加工成本A12、安装成本A13等2 4个指标层指标。最终，得出光伏遮阳伞可持续设计评价指标体系（见表1）。表1光伏遮阳伞可持续设计评价指标体系目标层准则层指标层指标因子说明材料成本A产品生产材料成本加工成本A12产品生产时除材料之外的加工成本安装成本A13产品组合安装费用经济指标维修成本A14产品后期的维修护理费用A包装运输成产品安装前包装运输成本本A15使用成本A16消费者购买使用的成本回收成本A17回收再利用时所耗费的费用运行安全性产品的材质、设计结构安全、A21稳固技术易操作性A2产品操控简单，易上手指标技术成熟成产品制造是否有成熟技术支持A2度A23太阳能发电产品光伏板的尺寸与发电量量A24产品所用材质是否环保，无污光伏遮材质因素A31染阳伞可废弃及回收持续设废弃产品是否能再利用或做成环保A32新产品计评价指标A指标A;能源消耗A3产品在制造过程中所消耗的能源噪音污染A34制造过程中的噪音污染水污染A35制造过程中的废水污染产品的防护指数UPF防护功能A440+,UVA0，它代表着人们在感知时所存在的差异程度，但是这种度量受评价对象数量与差异程度的影响。当这两项影响素较大时，的取值可相对高一些。同时，也可通过控制值的大小来获取不同的权重向量，从而得到最理想的权重向量(wi，W 2,，w m)。一Lagrange 乘子三、建立模糊综合评价模型FCE是一种综合性评价方法，起源于模糊数学理论。它能够将评价目标中所含有的定性因素定量化分析，该方法较好的解决具有诸多模糊性因素的问题和难以量化的问题，且系统性较强19 1.建立模糊评语集（1)设最终目标层指标集为A=A，A 2，A m)，其中Am=Aml，A m，A mml，则相对应的权重集分别为:W=Wj,W2,Wm),Wm=(Wml,Wm2,Wm)。（2)定义评语集为V=Vi，V2，V)，其中Vj=（j=1，2，k）表不同等级的评语。而光伏遮阳伞的可持续设计评价等级为五级，即k=5，评语等级为：很好（v）；较好（v2）；一般（v）；较差（v 4）；很差（vs）；则所确立的评语集为V=Vi，V2，V3,V4,Vslo2.评价矩阵的确定矩阵C表示A和V合成的模糊关系，其中ci表示第i个评价因素获得第j级评语，即v(j=1，2，3，4，5）评语的比率，它是以单因子评价形式出现的如公式（2）所示：C(2)n1nm式中：C,(i=l，2,m;j=1，2,n),其取值范围：0 Cj1。因评价总目标中的各项评价指标所占的相对重要性程度不同，所以采用专家评判法来对各项指标赋予权数，这些权数在A上的形成模糊子集W，如公式（3）所示：mW=(wi,W2,.,wm),其中 Zw=1(3)3.综合评价模糊运算方式有很多种，如主因素突出型、加权平均型、不均衡平均型等，由于光伏遮阳伞可持续设计评价具有综合性、复杂性，且又受各指标因素权重的制约，因此在选用模糊算子进行计算时，可依据实际情况选择最佳计算方法，计算结果用B，表示，B=w,Ci，其中“”表示模糊算子。具体过程如下：在整个评价指标集合A上，模糊子集W通过模糊关系A转化为评语集V上的模糊子集B，此过程被称为模糊综合评价I0)。当已知模糊评判矩阵C和权重W时，则综合评价模型B为公式（4）：B=WxC=Wi,W2,(bi,b2,bm)imCnm(4)n149Vol.13No.32023DESIGNRESEARCH设计艺术研究四、光伏遮阳伞可持续性设计评价流程光伏遮阳伞可持续设计受到诸多因素影响，合理的可持续设计评价可在一定程度上促进光伏遮阳伞可持续设计的发展，且在环境保护、减少能源消耗等方面都有推进作用。通过对AHP和FCE的相关文献研究，提出科学的可持续设计评价流程（见图1）。层次分析法模糊综合评价法-专家评价光伏阳伞可持续设计评价究现状专家咨询研确定评价指标建立指标层次模型构建刻斯矩阵数性检验计算各指标权业确定评语等级论域建立模型头系矩阵选加叔平均算子得出模潮评判结果向量瑞定最优方案个结果汇总现有标准图1光伏遮阳伞可持续设计评价流程五、实例验证运用专家评价法和模糊综合评价法对五款光伏遮阳伞设计方案进行评价（见图2）。方案一方案二方案三方案四方案五图2各方案效果图方案一：这款光伏遮阳伞的伞面采用亚克力布与光伏面板结合设计，因亚克力布为柔软材质，所以伞用卷帘式设计方便收纳，整个伞面主要依靠另一侧支撑骨架稳固；深灰色部分为光伏面板，虽面积相对较小，但结构稳定、成本较低方案二：光伏遮阳伞光伏板主要附于伞的顶面，且相对而言面积较大、蓄电量较多，可为其他小型电器提供电源，功能较多；顶面材质主要选用涤纶材质，且在此基础上在伞面涂上一层银胶，以此提高遮阳伞的防护性能；遮阳伞的收缩方式主要以电动为主。方案三：该款设计主要趋于机械化，整体造型属于工业风，结构稳固，易制造。顶面的光伏面板是由一个被分成八块的方形组合而成，每块中间都有伞骨连接，方便收缩使用，且以光伏面板做伞面增大了受光面积，也节省了一部分材料。底部结构全由金属组成，稳定性较好且经久耐用方案四：该款遮阳伞内设有LED灯管起照明作用，顶面的纺织布料主要选用麦克布复合材料，以环保为主，且防紫外线性能较好；伞骨以钢质为主，可收缩使用，主要以手动收缩为主，结构坚定稳固；使用方式简单便捷，且伞骨位于侧面，可增大伞内面积利用率。方案五：该款遮阳伞在造型方面简洁、时尚，设计感较强，它主要通过底板与地面固定来保持稳定性，顶面由四个支撑柱来支撑光伏面板，顶部倾斜可活动，以此来增加受光时间，提高电量储存能力由表1可知光伏遮阳伞可持续设计评价指标体系是由多层指标因素构成，因此，这里采取多级模糊综合评价的方法。首先进行一级模糊变换，即对各项评价指标进行模糊变换，并计算出各项评价因素的模糊综合评价结果；再通过二级模糊变换，将6 项评价因素作为评价指标来进行模糊变换，从而计算出光伏遮阳伞可持续设计最终评价结果1.确定评价等级即指标体系权重值依据表1评价指标体系，采用专家评价法分别对六种光伏遮阳伞的可持续设计方案进行评价，采取等级评价打分制，共分五个等级vi-vs，其中：v,记5分，表示很好；v2记4分，表示较好；v，记3 分，表示一般；v4记2 分，表示较差；vs记1分，表示很差。因此，获得向量V=v1，V2,V3，V4,v s IT，并邀请16 位专家进行打分，将打分结果带入公式（1)中计算各指标权重值，并对权重分配情况进行整合，汇总结果（见表2）。表2各方案权重汇总表方案一方案二方案三方案四方案五WiW2WW4W5W0.1760.1640.1660.1640.162W0.1680.1780.1670.1670.164W,0.1670.1660.1780.1630.167W40.1640.1650.1650.1650.163W,0.1650.1680.1620.1790.166W.0.1600.1600.1630.1610.1782.确定评价矩阵依据各位专家的评分细则可得出五种方案的模糊判断矩阵Cl、C、C、C、C，其中C1-6表示方案一下转第55页责任编辑曾进50设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.32023第1组至第6 组的准则层判断矩阵,Cl-51分别表示方案一至方案五的第1组准则层判断矩阵。以方案一为例，16 位专家中有10 位给予5分，则记10/16，由公式（2）可得方案一第一组准则层判断矩阵C1，如下所示：10/162/162/162/160/167/16 3/163/16 2/161/167/163/164/162/160/16C1=7/163/164/161/16 1/168/16 3/16 3/16 2/160/168/164/16 2/16 2/160/167/166/162/161/161/163.一级模糊变换方案一至方案五中各评价因素与其指标集的模糊关系表示为WAI-WA6，因素集与其评价等级的模糊关系表示为CA1-CA6，通过模糊变换可得到各项评价因素的模糊综合评价结果（B，），也可称为一级模糊变换。因光伏遮阳伞可持续设计评价受各指标因素权重的制约，所以采用加权平均算子M（，+）来进行计算。以方案一为例，依据公式（4）进行一级模糊变换，B,1表示方案一的一次模糊变换0.4830.2150.177 0.1070.0170.407 0.250 0.188 0.109 0.0460.4480.2760.2130.1540.045B,1=W1-6C1-6=0.376 0.271 0.166 0.104 0.0840.417 0.187 0.230 0.104 0.0620.3140.2800.1860.1890.0304.二级模糊变换同样以方案一为例，依据上述一级模糊变换结果，构建方案一准则层模糊综合评价矩阵C为：0.4830.2150.177 0.107 0.0170.407 0.250 0.188 0.109 0.0460.4480.2760.2130.15400.0450.3760.2710.1660.104.0.0840.417 0.187(0.230 0.1040.0620.314 0.280 0.186 0.18990.030并由表2 各方案权重汇总表可知方案一准则层权重集为W=0.176，0.16 8，0.16 7，0.16 4，0.16 5,0.160)，由此对方案一进行二次模糊变换（B），其中W表示准则层权重集，而Wi-Ws分别表示为方案一至方案五的准则层权重集；B表示二次模糊变换，B-B分别表示为方案一到方案五的二次模糊变换。具体情况如下：B=Wcl=0.409,0.246,0.193,0.127,0.047B=WC0.410,0.242,0.180,0.127,0.043B=WC=0.412,0.261,0.185,0.129,0.042B*=W*C40.409,0.262,0.186,0.111,0.031B=WCs=0.432，0.2 43,0.16 3,0.12 4,0.0 40 由此得出，方案五可持续设计评价模糊隶属度“很好”占比达到43.2%，相对于其它四个方案而言略优一些。若以“较好”及以上作为限定，方案一至方案五可持续设计评价模糊隶属度占比情况分别为65.5%、6 5.2%、6 7.3%、6 7.1%、6 7.5%，依旧是方案五稍好一些；但若依照“一般”作为标准，则方案四相较于其它方案稍好，因此不同的参考标准则会出现不同的结果。所以可以将五款设计方案进行整合设计，提取方案一至方案方案五中相对较好的指标因素进行整合设计，从而设计出一款可持续性较好的光伏遮阳伞，为后续光伏遮阳伞可持续性设计提供参考依据六、总结科学的光伏遮阳伞可持续设计，对减轻城市能源消耗与促进国民经济的发展有着重要的意义。可持续设计评价对产品的可持续发展具有极大的促进作用，为了对光伏遮阳伞诸多繁琐的模糊因素进行合理的评价，因此采用AHP与FCE相结合的方法，来构建光伏遮阳伞可持续设计评价模型，其过程系统、全面，且实用性较强，为后期光伏遮阳伞可持续设计提供一种较为科学的依据。在评价模型的基础上确定各指标的权重值，构建出权重集以及模糊判断矩阵，并根据模糊理论进行评判，从而实现了对光伏遮阳伞可持续设计多层次模糊评价。该方法即开发了光伏遮阳伞可持续评价系统，又丰富了可持续设计评价方法。最后通过对光伏遮阳伞五款不同的设计方案进行分析，验证了该评价方法可以有效地解决光伏遮阳伞可持续设计中定性影响因素定量分析的问题，该方法对光伏遮阳伞可持续设计方案的优化具有一定的指导意义。同时，本次评价结果也可为其他相关产品的可持续设计评价提供定量化的参考依据注释图1、图2、表1、表2 来源：作者自制上接第5 0 页上接第45 页责任编辑曾进55Vol.13No.32023DESIGNRESEARCH设计艺术研究五、结语我们依旧能在当代的这些设计形式中感受到与传统相似的形式与内涵，因此如果从文化心理与社会情感的角度把握题字民俗的“魂”，不再一味地只是注重文字产品的“形”，那么这种设计形式形成的设计文化就能够很好的培养人们的审美观，以及在使用产品的过程中满足消费者需要的社会情感，将设计融人到我们的生活中注释图1 来源：https:/ 来源：http:/ 0 1 9（2）：1-1 2.2兰芳.论造物学视阈下艺术设计研究的新理念J.南京艺术学院学报（美术与设计），2 0 1 8，（2)：1 31-1 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