基于有序LOGISTIC和模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计研究.pdf

学研探索产品122设计DESIGN2023年8月 第36卷 第16期基于有序LOGISTIC 和模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计研究DESIGN AND RESEARCH OF PUBLIC TRANSPORT WINDOW BREAKER BASED ON ORDERED LOGISTIC-FUZZY MODEL引言随着现代技术的快速更新，我国的公共交通系统变得更加强大，越来越多人针对公共交通工具安全性提出了更高需求。在全球气候变化和城市化进程双重因素影响下，城市雨洪灾害风险成为考验公共交通系统安全的一大挑战。1除此之外，公共交通还存在着火灾、恶性事件等安全隐患，这些安全隐患让人们逐渐关注到传统破窗器作为公共交通工具中保障安全的工具之一，存在着破窗费力、使用受空间限制等缺点，此类破窗应急产品仍需不断改善。在公共交通破窗器的产品设计方面，张琳钊2等人提出了基于气体爆破动力的自动破窗装置，此装置考虑到了大客车落水的紧急情况，从破窗器的内部动力结构方面做出了创新，但在理论上的创新性不足，主要聚焦的是产品装置的研发，而忽略了设计前期以及设计评估优化阶段。在有序Logistic和模糊综合评价理论应用上，周冉3利用有序 Logistic 模型确定对社区菜市场呈现正向、负向影响的构成变量，形成了社区菜市场空间服务设计策略的可靠依据。杨琨钰4等人基于模糊综合评价对输出的多功能行军凳设计方案进行设计评估，从而得到了符合用户需求的最佳设计方案。两种理论虽然在设计学研究上均有应用，但还没有结合使用的案例。本研究从设计学角度出发，聚焦公共交通破窗器安全性问题，以城市公共交通破窗器为对象，结合有序 Logistic 和模糊综合评价理论的优势，构建有序 Logistic-模糊综合评价模型，从用户需求获取、设计评估角度尽可能消除人为误差，从而为公共交通破窗器提供优化设计方案。基于有序Logistic-模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计（一）公共交通工具破窗器设计原理1.有序 Logistic 模型原理Logistic 模型属于多重变量范畴，常用于社会学、心理学、生物统计学、临床等学科的实证分析。逻辑回归共分为二元Logistic回归、多分类 Logistic 回归、有序 Logistic 回归三种，其区别在于因变量 Y的数据类型。有序逻辑回归目的是研究有序分类因变量与一些影响因素之间的关系，有序逻辑回归要求其因变量 Y 为定类且有序，例如因变量为不幸福、比较幸福和十分幸福。有序 Logistic 回归模型的表达式如下5：121121kjjxxk xjjlogit P Yjln（1）公 式（1）中，j为 常 数 项，1j为 1 级 到 j 级 的 概 率，1+2+.+j为因变量有序取值的累计概率，1k为自变量回归系数。在 Logistic 模型中，自变量 xk和因变量 Y 的关系是非线性的，因此利用 OR 值（优势比）判定自变量变化后对因变量的影响，公式如下所示：OR=em （2）对于连续自变量的 OR 值的意义为：该变量每升高一个单位，有序因变量提高一个或一个以上等级的概率变化了（em-）100%。62.模糊综合评价原理模糊综合评价就是借助于模糊数学这一概念为实际综合评价问题提供评价方法。作为一种综合性评价方法，模糊综合评价以模糊数学为基础，运用模糊关系合成原理，达到将一些不易定量的因素定量化的目的。7模糊综合评价的步骤通常包括：（1）确定评价指标和评语集；（2）确定权重向量矩阵 A 和构造权重判断矩阵 R；（3）计算权重并进行决策评价。8模糊综合评价的模型表达式如下：摘要：为公共交通破窗器提供优化设计方案。使用访谈法和问卷法确定公共交通工具破窗器的设计需求及其重要度；进行有序Logistic分析，得到影响用户满意度的关键设计需求，以此为依据进行产品设计；使用实验法验证破窗器功能模块的可行性；采用模糊综合评价对设计方案进行评估，确定优化方向，输出优化设计方案。得到公共交通破窗器优化设计方案。有序Logistic-模糊综合评价的集成运用能够筛选出关键设计需求，量化设计方案评估结果，针对性地为产品设计提出方向。该研究的评估结果与实验结果验证了该研究框架在公共交通破窗器设计中具有可行性。关键词：有序Logistic 模糊综合评价 公共交通 破窗器 应急避险中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2023）16-0122-04Abstract：To provide an optimal design scheme for public transport window breaker.Interview and questionnaire were used to determine the design requirements and importance of window breakers in public transport vehicles.Carry out ordered Logistic analysis to obtain key design requirements that affect user satisfaction，and then conduct product design according to them；Experimental method was used to verify the feasibility of the window breaker function module.Fuzzy comprehensive evaluation is used to evaluate the design scheme，determine the optimization direction，and output the optimal design scheme.To obtain an optimal design scheme of public transport window breaker.The integrated application of ordered Logistic fuzzy comprehensive evaluation can screen out the key design requirements，quantify the evaluation results of design schemes，and put forward the direction of product design.The evaluation results and experimental results of this study verify the feasibility of the research framework in the design of public transport window breakers.Keywords：Ordered logistic regression Fuzzy comprehensive evaluation Public transport Window breaker Emergency avoidance昆明理工大学艺术与传媒学院 段 霞 王坤茜丝路视觉科技股份有限公司 周晓璐学研探索产品123设计DESIGN （3）1112121222121212,nnmnmmmnrrrrrrBA Ra aab bbrrr公式（3）中，a1，a2，.，am 是为每个因素所分配的权重，rij 则表示被评价的对象从因素ui来看对于vi等级模糊子集的隶属度。bi 表示被评级对象从整体上看对 vj 等级模糊子集的隶属程度。3.有序 Logistic-模糊综合评价模型根据有序 Logistic 模型的特点，可以利用有序 Logistic 模型来对各个需求重要度对用户满意度的影响进行分析，得到会对用户满意度产生显著影响的关键设计需求，以此得到各个设计需求之间的优先级，有针对性地进行破窗器的产品设计。而模糊综合评价方法能够量化设计评估的结果，使设计评估更加科学可靠。针对公共交通工具破窗器设计课题，设计小组整合了有序 Logistic 与模糊综合评价的关键优势，构建了如图 1 所示的有序 Logistic-模糊综合评价模型。（二）用户需求获取1.需求展开针对用户需求，利用访谈法与问卷调查法确定乘客对于公共交通工具破窗器的需求，然后利用 KJ 法对用户需求进行梳理，确定了n 项需求，记为，在对访谈得到的需求信息进行整理、归纳、分组、命名之后，得到了 8 项用户需求，将所获得的用户需求转化为产品设计要素，并按照“功能设计”“造型设计”“人机设计”三个部分整理转化出的产品设计要素，得到如表 1 的公共交通工具破窗器用户需求和设计要素展开表。设计小组通过线上平台发放公共交通工具破窗器认知程度与需求调研问卷，共回收有效问卷 152 份。对所获问卷数据进行Cronbach 信度检验，得到标准化 Cronbach 系数为 0.952，说明问卷的信度较高，数据可以采用。对问卷数据进行效度检验，得到KMO 的值为 0.908，Bartlett 球形检验的结果显示，显著性 P 值为0.000，说明此问卷数据非常适合做因子分析。2.构建有序 Logistic 模型问卷中针对C1-C8设置有重要程度打分题，打分规则为：1表示“非常不重要”、2 表示“不重要”、3 表示“中立”、4 表示“重要”、5 表示“非常重要”。设计小组将收集到受访者对的 C1-C8八项需求的重要程度打分作为自变量，将整体满意度这一项的打分作为因变量，构建有序 Logistic 模型，进行有序 Logistic 分析9。对于所构建的模型，首先需要进行似然比卡方检验，判断模型是否构建有效。在此次分析中，似然比卡方检验结果显示显著性 P 值为 0.000，水平上呈现显著性，拒绝原假设，说明放入的自变量具有有效性，此次所构建的模型有效。模型伪 R 平方值为 0.154，意味着自变量能够解释因变量变化 15.4%的原因。3.有序 Logistic 模型分析结果得到有序 Logistic 分析结果后，通过 C1-C8的 P 值，判断 C1-C8是否具有显著性，即 C1-C8是否会对用户满意度产生显著性影响。表2 为有序 Logistic 分析结果。从表 2 可知：C1、C2、C4、C7这四项因子 P 值均小于 0.05，水平上呈现显著性，拒绝原假设，因此 C1、C2、C4、C7这四项因子会对用户满意度产生显著性的影响；而 C3、C5、C6、C8这四项因子 P值均大于 0.05，水平上不呈现显著性，不能拒绝原假设，因此 C3、C5、C6、C8这四项因子不会对用户满意度产生显著性影响。通过具有显著性的因子的 OR 值，可以判断因子对因变量的影响程度。根据 OR 值大小，可知在 C1、C2、C4、C7四项需求中，按照影响程度排序，分别是 C1 C2 C4 C7。由此可知，顶部冲击力大、快速破窗、危险情况检测、安全性这四项用户需求会对用户满意度产生影响，在设计时，要优先考虑这 4项用户需求所对应的设计要素，即 D11顶部结构、D12启动速度、D13危险情况检测、D31安全性。其余的设计要素在设计过程中可结合实际剔除。（三）设计方案输出与实验1.产品设计方案：本次设计的主要内容为自动破窗器外部控制装置以及内部结构。基于有序 Logistic 分析结果，设计小组对转化出的设计要素进行了筛选，剔除了部分优先级靠后且实际不需要的冗余项。公共交通工具破窗器设计用户需求获取用户需求获取方法 结构式访谈法 问卷调查法 语义分析法有序Logistic分析P值 0.05设计阶段概念设计与实验验证 根据需求的优先级 输出概念方案 使用实验法进行 概念方案的验证P值 0.05根据实际剔除部分设计需求设计评估模糊综合评价法 将评估对象拆解为若干设计因子 构建评价指标集，进行打分 生成评价矩阵并得出结论完成设计表 1 公共交通工具破窗器用户需求和设计要素展开表 2 有序 Logistic 分析结果图 1 有序 Logistic-模糊综合评价模型一次水平设计需求需求说明设计要素二次水平编号功能C1顶部冲击力大D1顶部结构D11启动速度D12C2快速破窗（破窗速度快）危险情况检测D13C3破窗提醒警示破窗警示功能D14C4危险情况检测（水位、气体浓度等）取消按钮D15造型C5轻量化D2配色D21材质D22C6造型适应车体结构外观造型D23尺寸大小D24人机C7安全性（不容易取下作为他用）D3安全性D31C8远程控制（连接控制台）远程控制D32用户需求编号需求内容回归系数 标准误差z 值P 值OR 值C1顶部冲击力大1.0570.3163.348 0.001*2.879C2快速破窗（破窗速度快）0.6420.2772.3170.020*1.901C3破窗提醒警示0.2330.2221.0460.2961.262C4危险情况检测（水位、气体浓度等）0.4790.2162.2190.027*1.614C5轻量化0.1750.1780.9870.3241.192C6造型适应车体结构-0.0450.224-0.1990.8420.956C7安全性（不容易取下作为他用）0.4080.1852.2030.028*1.504C8远程控制（连接控制台）0.0490.2040.240.8111.05段霞等：基于有序LOGISTIC和模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计研究学研探索产品124设计DESIGN2023年8月 第36卷 第16期上电系统初始化系统是否故障调用故障检测程序Y存取故障代码并点亮故障报警灯调用水位传感器程序将取得的水位值与危险阈值进行比较是否超过阈值Y调用危险持续时间程序及控制黄色警示灯亮危险阈值是否超过设定时间Y控制蜂鸣器响M秒控制继电器闭使气体发生器点火破窗器击碎车窗NN图 3 破窗器系统自动控制工作模式原理图 4 自动控制工作模式实验装置图 2 公共交通工具破窗器设计方案一针对“顶部结构”与“启动速度”两项设计要素，设计小组将内部结构设计成为伸缩式动力结构，该结构包括弹射件、容置腔以及触发组件10。这种结构在提供足够冲击力的同时，大大节省了内部结构空间，能够实现快速弹出破窗钻头的效果。针对“危险情况检测”这一设计要素，在内部结构设计上需要考虑碰撞传感器、温湿度传感器、水位传感器等传感装置的空间，在外观造型上也要求设置气孔用于实现检测功能。针对“安全性”这一设计要素，所设置的车距调节按钮能够保证破窗器被牢固固定在车窗上。针对其余设计要素，设计小组剔除了“取消按钮”“配色”“材质”“尺寸大小”4 项设计要素，在经过进一步的市场调研之后，加入了“破窗警示”“外观造型”“远程控制”这三项设计要素。但由于这三项设计要素的重要程度较低，因此不用过度强调这三项要素，例如在造型上，无需特别突出破窗器的造型的设计感，造型要为实现较重要的设计要素所服务。“破窗警示”与“远程控制”属于功能层次的设计要素，破窗器属于功能性较强的产品，因此将这两项纳入设计范围内，但优先级要低于“顶部结构”“启动速度”“危险情况检测”与“安全性”这 4 项设计要素。图 2 为公共交通工具破窗器设计方案一。2.实验验证：考虑到实际使用需求，破窗器的工作模式被设计为系统自动控制破窗模式与人工介入破窗模式11。在系统自动控制破窗模式下，水位传感器用于实时获取车辆状况信号并通过信号调理电路将水位信号传输到电子控制器中，如果车辆在危险阈值时间之外，系统自动破窗；人工介入破窗模式和自动破窗模式既相互关联又各自独立，如果车内乘员主动发现险情，车内乘员就会通过利用车内的手动开关，按下破窗器按钮进行手动破窗。图 3 为破窗器系统自动控制工作模式原理。为了检验破窗器系统自动控制的可行性，实验小组按照所设计的系统自动控制工作模式原理，对破窗器的检测功能模块进行了实验，实验装置如图 4 所示。该装置包括直流升压模块、多个传感器、一键报警装置、Maga 单片机、GPS 模块、ESP8206 物联网模块、语音合成模块、蜂鸣器、电子锁芯、手机 App。在实验中，使用电子锁芯模拟破窗器的破窗装置，使用手机 App 模拟后台控制设备。通过对高温、高水位、高 CO2浓度三种情况进行模拟，发现实验装置能够在相应条件下触发报警装置，向控制系统推送消息提醒，在规定时间内无响应时，电子锁芯自动弹出，整个过程模拟了自动破窗系统的检测与响应流程，这表明小组所设计的破窗器自动控制原理是可行的。（四）设计评估1.确定模糊综合评价指标和评语集：对于所输出的方案一，采用模糊综合评价方法进行设计评估，第一步是确定评价指标和评语集。对评估对象进行解构可以确定评价指标。在用户需求获取阶段，设计小组将需求划分成为功能、造型、人机三种类型，在进行设计评估时，若只使用功能、造型、人机，并不能很好地描述所输出的设计，因此在评估阶段加入结构层面的描述，才能保证被评估对象能够得到全面的评价。初步确定好评价指标后，评估流程如下：首先，按照功能、造型、人机、结构的分类将评估对象划分出若干个主要设计因子，然后由十名乘客组成的评估小组对每一项设计因子进行打分，生成评价矩阵，对结果进行分析，总结出需要迭代的设计因子，完成评估。将公共交通工具破窗器设计作为评估对象进行设计因子解构，可以得到如表3所示的主要设计因子构成表，构建模糊综合评价指标集。DF=DFi=DF1，DF2，DF3，DF4，DF5，接下来，对得到的五个设计因子评分并构建评语集 v=vi=v1，v2，v3，v4，v5，其中 v1为“体验很差，需改进的项为 5 项以上”，对应分数段 0-3 分；v2为“体验较差，需改进的项为两项以上”，对应分数段为 4-6 分；v3为“体学研探索产品125设计DESIGN参考文献1 陈军飞，丁佳敏，邓梦华.城市雨洪灾害风险评估及管理研究进展J.灾害学，2020，35（02）：154-159+166.2 张琳钊，常旭，许天泽.大客车落水自动破窗装置研究与设计J.现代机械，2021，（02）：75-78.3 周冉.基于服务设计的社区菜市场空间设计研究D.南京理工大学，2021.4 杨琨钰，潘剑，罗显廷.基于模糊综合评价法的多功能行军凳设计方案评价J.工业设计，2022，186（01）：158-160.5 乔雨，范宸瑄，曹瀚予等.基于多元有序Logistic回归模型的消费者对品牌水果消费意愿的调查与分析析J.河北农业科学，2022，26（05）：19-25.6 C.F.Blanco Daz and A.F.Ruiz Olaya，A Novel Method based on Regularized Logistic RegressionAnd CCA for P300 Detection using a Reduced Number of EEG Trials，in IEEE Latin America Transactions，2020，18，（12）：2147-2154.7 郭皓月，杨梅，李雪瑞.基于模糊层次分析法的参与式儿童陪伴机器人设计研究J.设计，2021，34（11）：84-87.8 胡玉红，张明辉，鲍晓青等.基于有序Logistic回归与决策树的上海市中医家庭康复满意度调查及影响因素分析J.中国康复理论与实践，2022，28（10）：1159-1168.9倪青山，刘小丹主编.SPSS应用实验教程M.长沙：湖南大学出版社，2007.05.10陈东明，熊斌，蔡礼森.带破窗器功能的手机P.广东省：CN216391079U，2022-04-26.11董晓琦，秦雅琴，刘元浩等.一种汽车落水智能检测破窗系统P.云南省：CN214728643U，2021-11-16.12张宁，马彧.基于AHP和感性工学的通风设备造型设计评价J.设计，2022，35（19）：105-108.13鞠清绘，黄杰，阮景奎.基于KE-AHP的电动概念车模糊评价J.湖北汽车工业学院学报，2021，35（03）：68-72+76.14王坤茜著.产品符号语意 第2版M.长沙：湖南大学出版社.2017.15张凌浩，娄明，何娟.产品符号感官体验中的艺术通感转译J.包装工程，2018，39（06）：14-19.图 5 公共交通工具破窗器设计方案二表 3 公共交通工具破窗器主要设计因子构成表设计要素设计因子分类编码破窗器破窗速度功能设计因子DF1破窗器检测效果功能设计因子DF2破窗器外观造型造型设计因子DF3破窗器的操作难度人机设计因子DF4破窗器内部结构结构设计因子DF5验一般，需改进的项为 1-2 项”，对应分数段 7-8 分；v4 为“体验较好，无明显需要改进的项”，对应分数段 9-10 分。2.模糊综合评价结果：整理评分后得到每一项设计因子分数选择比例，得到如公式（4）所示的权重判断矩阵 R12。对权重判断矩阵的数据进行熵权法的权重计算，构建权重向量矩阵。对5个指标（DF1，DF2，DF3，DF4，DF5）与4个评语（v1，v2，v3，v4）进行模糊综合评价。通过如公式（5）所示的加权平均型模糊算子隶属函数计算13，得到如公式（6）所示的模糊综合评价向量 B。计算得出 4 个评语隶属度分别为 0、0.274、0.497、0.229。00.10.60.300.20.70.100.10.80.100.20.60.200.10.90R（4）:11,1,2,.,kmMsj jkjminrkn，（5）0 0.274 0.497 0.229BAR,（6）由于 4 个评语集中“一般”的权重最高，集合最大隶属度法则可以得知，最终的综合评价的结果为“7-8 分”，按照评分对应标准，该设计存在 1-2 项需要改进的项。由权重向量矩阵 A 可以得出 DF3与 DF5这两项设计因子的权重最大，由此可确定后续设计迭代需要聚焦 DF3（破窗器外观造型）与 DF5（破窗器内部结构）这两项。在破窗器内部结构方面，需要结合更多结构力学知识与安全设备安装知识来进行结构的改良设计。在破窗器外观造型方面，评估小组反馈目前破窗器设计方案在造型上不具备足够的辨识度，不能很好地起到警示的作用，在突发情况发生时，公共交通现场情况会更加复杂，处于高度紧张状态下的乘客可能无法及时找到破窗器。针对这种情况，设计小组需要结合更多产品符号学的知识，对本产品造型的警示性进行优化设计。3.优化设计：根据评估小组的结论，最终将优化设计聚焦在破窗器内部结构与破窗器外观造型上。针对破窗器内部结构，评估小组反馈方案一内部结构分区不够清晰，对此设计小组将内部结构重新整合划分，形成破窗模块与检测控制模块。清晰的结构功能划分，可以使得后续针对不同公共交通更换不同强度的钻头变得便利。产品是功能的载体，形态是产品与功能的中介14，针对破窗器外观造型，设计小组排除了所有带有“取下”“可握”产品语义的造型15，使用了较为圆润的外观造型，避免人为拿取，此外，为了提高警示性，方案二增加了红色的配色，红色能够引发警告、禁止等联想，能够起到强调破窗器产品功能的作用。图 5 为作为优化设计的方案二。结语本研究提出了有序 Logistic-模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计的研究方法，对公共交通安全避险产品设计具有一定的参考意义。通过有序 Logistic 分析，确定了用户需求以及优先级较高的设计要素，有依据地进行公共交通工具破窗器的设计，结合实验法，对破窗器的自动破窗模式进行了流程设计，输出了公共交通工具破窗器的设计方案；采用模糊综合评价方法进行评估，得到评估分数，并以此作为依据输出优化设计方案。整个设计流程将定量分析与定性分析相结合，结合使用了多种研究方法，验证了有序 Logistic-模糊综合评价的研究框架在公共交通破窗器产品设计上的可行性。不足之处在于实验设计较为简易，针对各个检测危险阈值的设定比较简单，无法获取到十分准确的测试数据。对此需要通过进一步调研来优化实验流程，精确各个危险阈值的设定范围，使实验数据更加科学可靠。基金项目：云南省大学生创新创业训练计划项目（2021106740041）。段霞等：基于有序LOGISTIC和模糊综合评价的公共交通工具破窗器设计研究