家用火灾逃生产品创新设计研究.pdf

Dec.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年12 月No.:12Vol.40第40 卷第12 期机设计械家用火灾逃生产品创新设计研究*余森林，卜令恒，杨怡，刘晓妍，赵安琪（湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉430068)摘要：为满足人们对家庭火灾逃生产品的实际需求，提出结合整合新产品开发法（IntegratedNewProductDevelop-ment,INPD）和产品语义提取法的产品创新设计方法。运用社会-经济-技术分析法（Socicty-Economy-Technology，SE T）寻找产品机会点，并对用户及利益相关者进行问卷调研，结合产品语义提取法对调研结果进行客观修正，获取用户真实需求；通过基于模糊Kano模型的综合性用户需求优先级确定方法，计算用户需求的综合重要度函数；根据用户需求综合重要性排序，将优先级高的要素作为设计重点，提出家用火灾逃生产品的设计方案。研究结果表明：结合INPD法、产品语义提取法和综合性用户需求优先级确定方法，可有效获取用户真实需求，并对用户潜在需求进行洞察，为同类产品的创新设计提供参考。关键词：产品设计；家用火灾逃生产品；整合新产品开发法；产品语义提取法中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354（2 0 2 3）12-0 149-0 7Innovative design of household fire escape productsYU Senlin,BU Lingheng,YANG Yi,LIU Xiaoyan,ZHAO Anqi(School of Industrial Design,Hubei University of Technology,Wuhan 430068)Abstract:To meet the practical needs of people for home fire escape products,a product innovation design methodcombining Integrated New Product Development(INPD)and product semantic extraction is proposed.Using the Socio EconomicTechnology(SET)analysis method to identify product opportunity points,conducting questionnaire surveys on users andstakeholders,and combining product semantic extraction method to objectively revise the survey results to obtain the true needs ofusers;Calculate the comprehensive importance function of user requirements by using a comprehensive priority determinationmethod based on the fuzzy Kano model;Based on the comprehensive importance ranking of user needs,prioritize the elements withhigh priority as the design focus,and propose a design scheme for household fire escape products.The research results indicatethat combining the INPD method,product semantic extraction method,and comprehensive user demand priority determinationmethod can effectively obtain the real needs of users and provide insights into their potential needs,providing reference forinnovative design of similar products.Key words:product design;household fire escape products;integrated new product development method;product semanticextraction method在城市灾害事故中，火灾是常见的发生频率较高且破坏性强的突发性灾害之一。因此，针对家庭火灾逃生产品进行设计研究可有效减少人员和经济的损失。在进行产品开发时，INPD法是以用户为中心，通*收稿日期：2 0 2 2-11-2 1;修订日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：湖北省教育厅人文社科青年项目（16 Q109）过对社会、经济及技术因素的分析获取产品设计机会点，根据用户群体的潜在需求对产品进行设计研究的方法2 。陈宁峰等3 运用INPD法结合权法进行了居家适老护理床的设计研究，为此类产品的创新研究150机第40 卷第12 期计设械提供了新的设计参考；胡康等4 结合INPD法和层次分析法的创新设计模型，进行了老年人多功能陪护产品的创新设计研究。当前，单独采用INPD方法缺少了用户需求分析的过程，而模糊Kano模型可用于用户需求分析过程。陈香等5 构建模糊Kano模型与逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Simi-laritytoIdealSolution，T O PSIS）结合的理论模型，进行了智能割草机的设计研究,并验证了该方法的可行性；刘大帅等6 结合模糊Kano模型、TOPSIS法及熵权法对用户需求进行综合重要度评估，并进行了高端数控机床的设计研究。上述文献在评价用户需求时都对其进行了筛选，但仍难以消除用户的模糊描述对调研结果产生的影响。杨雯丹等7 基于依存词的语义和词性特征，识别了关键短语中的用户需求；王军等8 收集在线评论文本并对其进行关键词提取，构建了用户需求模型；邓昭等9 采集用户语义，并进行自然语言处理和访问结果量化，获取了用户真实需求。上述文献表明，采用产品语义提取法，能获取到更准确的用户需求要素。因此,文中构建了基于INPD法的产品设计开发方法，结合产品语义提取法修正用户需求，运用模糊Kano模型进行需求分类，并对需求重要度优先级进行排序，获取产品设计要素并进行设计方案的产出，为家庭环境使用的火灾逃生产品的设计研究提供设计参考。1基于INPD法的综合性用户需求分析方法1.1基于INPD法的综合性用户需求获取流程从发掘新产品到开发落地，INPD方法包括识别机会、理解机会、基于产品机会将产品概念化及实现机会4个阶段【10 。该方法对现代产品开发的综合系统规划指导具有重要意义。产品语义提取一般包括语义素材收集、语义处理及语义提炼3个步骤，旨在获得设计研究所需的语义信息。用户访谈是产品语义收集的重要手段之一，文中将传统口语调研替换为半结构化访谈的方式，即按照粗线条式的访谈提纲进行非正式的访谈在产品语义提炼时，将TF-IDF（词频-逆文本频率指数）与K-Means算法结合，运用TF-IDF算法对语义文本进行分词处理，提取出高频关键词；采用K-Means算法对关键词进行聚类分析，得到用户需求的初始数据。其中,TF-IDF算法是一种基于统计学的关键词提取算法12 ，而K-Means算法是一种常用的聚类方法，通过迭代的方式，逐次更新各聚类中心的值，直至标准测度函数开始收敛为止13文中基于INPD法，采用SET分析法获取产品机会点，并进行用户调研，以此明确目标人群及用户需求；用产品语义提取法对调研得到的用户需求进行修正，获取初级用户需求；采用模糊Kano模型进行用户需求分类，并结合TOPSIS法和熵权法确定用户需求的重要度优先级，将优先级较高的需求转化为设计要素，以指导家用火灾逃生产品的创新设计。家用火灾逃生产品设计流程如图1所示。家用火灾逃生产品设计研究SET因素分析市场调研半结构访谈建立初始用户需求文本文本数据整理与分类提取用户文本语义语义聚类分析获取用户需求层次模型1基于模糊Kano模型的用户1构建用户需求专家决策矩阵需求属性分析基于TOPSIS法的用户需求摘权法计算用户需求的值满意度决策摘权法计算用户需求的摘权值用户需求满意度值用户需求综合重要度排序用户需求转化为设计要素完成设计方案制作产品模型图1家用火灾逃生产品设计流程1.2模糊Kano模型模糊Kano模型以区间O,1间的某个模糊满意度值表示用户对产品各调查项的满意度14。模糊Kano模型对产品设计要素进行分类的步骤为：1512023年12 月余森林，等家用火火兆生创新设计研究假设满足实现条件与不满足实现条件的功能矩阵分别为P=0.50.30.200和N=000.20.60.2，则生成的模糊矩阵为：厂O00.10.30.1000.060.180.06S=PTN=000.040.120.04(1)00000LO0000将模糊矩阵与用户需求分类评价表对应，并计算出隶属度向量为：0.1 0.1 0.4 0.4 0T二(2)式中：fM一必备性需求频次；一fo一期望性需求频次；一魅力性需求频次；J一无差异性需求频次；JR一反向性需求频次。引人置信度水平进行筛选,取=0.4,当T，时，该要素用1表示，否则用0 表示,则T=（0,0,1,1，0）。将所有调查用户的修正值相加,得到用户需求的分类频次fAfo,fM,fi，以最高类别作为用户需求属性类型。根据模糊Kano模型问卷调查结果，计算产品具有某要素时的用户满意度并记为S.,不具有某要素时的满意度计为S,即：fA+fo(3)fo+fMS(4)f+fo+fM+fi1.3获取用户需求综合重要度1.3.1用户需求满意度决策TOPSIS法是一种多属性决策方法15】,具体计算步骤为：（1)建立用户满意度评价矩阵，假设有n项需求与m个评价者,第j个被调查对象对第i个需求因素的评分用x,表示，则评价决策矩阵X=（x s）n m，i=1.2.n:1=12,.,m表示为：X12X1mx21X22X2mX二(5)Xm2(2)计算加权归一化处理后的标准化矩阵和加权规范化决策矩阵Ai，即：A.i入,X/X2(6)i=1式中：入,一指标权重。（3）计算加权规范化矩阵的正负理想解，即：A*=lat,a2,.,at=(maxajlj Jt),(minajlje J)I(7)A=lai,a2,a,l=(maxa,ljeJt),(minayljeJ)/(8)式中：J效益型集合；厂一一成本型集合。（4)计算各要素的欧氏距离mD(aij-a,)2(9)j=mD(aij-aj)2(10)=1（5）计算各目标的相对贴近度值。DU=(11)D+D1.3.2确定用户需求初级重要度相较于专家打分法，设计者的主观性会对用户需求结果造成较大的影响，可采用熵权法运用数据本身的信息进行权重计算，以得到客观赋权结果【16 ，计算过程为：（1)建立初级重要度矩阵，假设有m个被调查对象对n个需求因素进行重要度评价，第个被调查对象对第i个需求因素的评分用z表示，矩阵为：211Z12Z1m22122222mZ二(12)22Znm（2）将初级重要度矩阵标准化：minzijmaxziiminzij(13)IinIinYqij(14)mY式中：Yi第i个评价单元第个需求的标准化值；qij加权后标准化矩阵的要素评比值。152机计设械第40 卷第12 期（3）计算评价指标的权值：H(z)=-kmqjln(qi,)(15)j=1调节系数目k三式中：h一调节系数，且k=1/lnm（4)将各评价指标的熵值转化为权重值，即基本重要度为：1-H(z,)(16)nnH(z,)1.3.3确定用户需求综合重要度通过初级重要度值，与贴近度值u；进行结合，得到用户需求综合重要度函数，再进行归一化处理，得到：f=U,XW;(u.0.)(17)i=1最后，得到综合重要度f=（f f 2，f），以规范化的综合重要度.对需求指标进行排序，将优先级高的需求作为重点设计要素。2需求指标提取及重要度排序2.1识别用户机会结合现有火灾产品的调研结果进行SET分析，SET分析图如图2 所示现有的高层火灾救援手段无法适应高层建筑的大发展趋势现有的高层火灾救援手段缺少对弱势群体的适用性高层火灾事件频发S用户的消费结构升级ET智慧消防系统的不断发展婴幼儿家庭用户购买力较高先进技术广泛应用于应急救援火灾逃生产品市场空缺图2SET分析图2.2确定目标产品机会2.2.1用户语义采集文中采用半结构访谈试验对用户进行采访，以获取初步产品语义信息。试验共邀请被试者8 3人，其中男性40 人，女性43人；家中有6 岁以下幼儿者6 1人；家中有6 0 岁以上老人者7 4人；家中有残疾人士或行动不便者13人；有救灾逃生经验者2 人。测试地点为某高校智能家居设计实验室，试验全程有3位测试员参与。试验分为3轮，每轮试验进行30 min且无重复人员。由测试人员对被试者进行轮流提问，期间进行答卷记录并全程录音。试验要求被试者结合个人知识储备描述遇火灾时会采取的逃生措施及期望的逃生产品应具有何种功能2.2.2基于TF-IDF的关键词提取将被试者的测试答卷整理为文本，并对其进行整合与筛除。经数据筛除、停用词去除及合并去重等工作后，采用TF-IDF对文本进行分词处理，提取其中的高频关键词，并对前50 个关键词进行权重排序。TF-IDF权重排序前10 个关键词如表1所示表1TF-IDF权重排序前10 个关键词排序关键词权重排序关键词权重1逃生0.4736降落0.3522报警0.4537快速0.3393陪伴0.4288高空缓降0.3174效率0.4139防毒面具0.3075保护0.39710担架0.2742.2.3基于K-Means的用户需求聚合分析根据TF-IDF权重关键词排序，运用K-Means算法对前50 个关键词进行聚类分析，K-Means聚类分析结果如表2 所示表2K-Means聚类分析结果类别关键词逃生、高空缓降、报警、降落、定位、救援、灭火、自救、指功能引、自动、消防、烟雾、热源、易操作、位置、生存能力、定期维护陪伴、保护、效率、快速、照顾、陪同、压力、简单、儿童、老情感年人、残疾人、行动不便、家庭担架、防毒面具、多功能、变形、过滤、面罩、常备、灭火个性化器、维修、收纳、多人使用外观穿戴、安全感、防火、尺寸、携带、放置、耐高温、坚固2.2.4用户需求要素层次模型建立将上述选取的关键词作为用户火灾逃生产品需求的初始数据，采用焦点小组讨论法对其进行关键词至用户需求的转化描述，得到的家用逃生产品用户需求层次模型如表3所示。1532023年12 月余森林，等创新设计研究表3家用逃生产品用户需求层次模型1级指标2级指标3级指标指引逃生方向C,易维修保养C2差异化需求B自动报警C3实现高空缓降C4可携带婴幼儿Cs设计完善，符合期望需求B2可携带行动不便者C。用户需求快速穿戴使用C可折叠易收纳Cs基础需求B;多人多次使用C。配有应急逃生用具Cio结构坚固，富有安全感C1人机需求B4尺寸调节可贴合人体C22.3基于集成方法的设计需求指标分析2.3.1模糊Kano模型此次研究，共计发放了110 份问卷，调研对象为高层住宅居民、家中有弱势群体的居民及消防人员，剔除问题问卷10 份，问卷有效率约为9 1%，保证了问卷的有效性。以表3中C，为例,模糊Kano模型用户需求问卷调查结果如表4所示，表4模糊Kano模型用户需求问卷调查结果模糊Kano问卷调查结果用户需求很满意必须这样无所谓可以忍受不满意可以实现0.50.30.2不能实现0.30.60.12.3.2Kano模型用户需求分析根据表4得到P=0.50.30.2 0 0,N=000.30.60.1，生成的模糊评价矩阵为：00.150.30.05000.09 0.180.03ScI=PTN=000.06 0.120.0200000LO00000.050.050.45通过式（2）计算得到Tcl0.450，采用阈值=0.4对问卷调研的数据进行筛选,Tc=(0 0110）。并将每一份问卷重复此过程，最后采用式(3)和式(4)计算出S,和S。用户需求分类评价频次统计结果如表5所示表5月用户需求分类评价频次统计结果用户需求指标A0MRQ分类指引逃生方向C,72204202A易维修保养C22046502001自动报警C3186488200M实现高空缓降C472222022A可携带婴幼儿Cs1424418220M可携带行动不便者C。1625210200M快速穿戴使用C720401442200可折叠易收纳Cs2682141400多人多次使用C。20401442200配有应急逃生用具C102046502001结构坚固，富有安全感C12501242200尺寸调节可贴合人体C216210522001由表5可知,C,，C，及C。为必备质量要素；C2,C1o及C12为无差异设计要素。因此，文中选取表中的魅力质量要素及一维质量要素进行下一步分析。2.4用户需求综合重要度获取2.4.1TOPSIS法对调查结果进行决策根据式（5）式（8）得到归一化的用户需求加权规范化矩阵表，如表6 所示表6用户需求加权规范化矩阵表用户需求指标S,SCI0.0540.060C40.1790.065C0.0360.053C80.1440.212C。0.1470.033C0.1660.064根据式（9）式（11）计算出正负向理想解的欧氏距离及相对贴近度值，如表7 所示表7正负向理想解的欧氏距离及相对贴近度值用户需求指标DD排序C,0.3450.4050.5402C40.4130.3870.4843C70.4100.3400.4535Cs0.0800.5850.8791C。0.5090.3050.37460.4170.3670.4684154第40 卷第12 期机计设械2.4.2基于摘权法的用户需求的初级重要性计算采用7 级李克特量表收集设计要素的专家评价意见。邀请5位设计专家进行指标重要度打分，用户需求基本重要度专家评价结果如表8 所示。表8用户需求基本重要度专家评价结果专家CC4C7C:C。C13745462462625336343644535345472626根据式（13）式（17）计算出初级重要度熵值及权值，结合式（14）得到各指标的综合重要度值。用户需求重要度结果如表9 所示。表9用户需求重要度结果用户需求指标H(z,)排序C0.8420.1620.0873C40.8290.2850.1381C70.4450.2910.1322Cs0.8280.0890.0784C,0.8640.0820.0316C0.8220.0920.0435表8 和表9 结果表明，用户需求综合优先顺序为：C4,C7,C1,Cg,C,Cgo3家用火灾逃生产品设计实例3.1设计要素转化根据综合优先度排序结果，得到需求指标汇总表如表10 所示，表10需求指标汇总表必备需求期望需求魅力需求快速穿戴使用C7;自动报警C3;可折叠易收纳Cg;指引逃生方向Ci；可携带婴幼儿Cs；多人多次使用Cg；实现高空缓降C4可携带行动不便者C6造型坚固富有安全感C3.2产品设计方案INPD法的最后阶段是实现机会，根据Kano模型分析和计算综合重要度确定逃生产品的功能设计要素，得出的3种逃生产品创新设计方案，如图3所示。通过焦点小组讨论法对3种设计方案进行讨论，最终选取方案2 作为设计原型，并对其进行改进设计，得到的逃生产品设计方案效果图，如图4所示。(a)方案1(b)方案2(c)方案3图33种逃生产品创新设计方案图4逃生产品设计方案效果图根据火灾现场情况，可正常行动的用户穿戴救生衣后，可选择配备缓降器进行逃生，产品使用场景如图5所示。婴幼儿逃生方式老人及行动不便者逃生方式图5产品使用场景考虑到婴幼儿不具有逃生能力的情况，在挡板后设计夹层，将幼儿固定于夹层中，在保证幼儿安全的同时，保障成年人的行动不受限制，婴儿背带展示如图6所示。1552023年12 月余森林，等创新设计研究外H图6婴儿背带展示为避免用户在穿戴过程中浪费过多时间，在救生衣侧面及腰带处采用卡扣进行固定，以达到快速穿戴的目的。产品细节如图7 所示。图7产品细节图逃生背包安置箱内设有温度传感器，采用投影箭头的形式引导用户逃生，通过指明求生路径来缓解逃生人员产生的恐慌心理。逃生背包安置箱如图8 所示。图8逃生背包安置箱4结论文中提出一种基于INPD法和产品语义提取法的产品开发方法，采用SET分析法获取产品机会点，通过半结构化访谈采集用户语义；运用产品语义提取方法提取出用户需求的关键词，并构建用户需求层次模型；结合综合性用户需求优先级确定方法，获取产品开发的设计要素。在确定产品机会阶段引人产品语义提取方法，避免了进行用户调研时忽略用户需求问题的出现，使设计方案能挖掘出用户潜在需求。文中主要考虑高层建筑中的家庭内部环境，并未对楼层场景进行分析,后续研究中将对不同楼层存在的逃生问题进行分类说明，对用户需求进行多维度综合分析，以提升受灾人员的逃生效率参考文献1颜兵兵，黄德臣，刘明亮，等。一种机械式高楼逃生装置设计方法研究J.机械设计与制造，2 0 11(12）：17 5-17 7.2李梦君,许开强.基于INPD与SD的角向磨光机造型设计J.机械设计,2 0 17,34(2)：115-118.3陈宁峰，章彰，戴宇轩基于INPD与嫡权法的居家适老护理床设计J.包装工程,2 0 2 2,43（14）：10 7-114.4胡康,邱杰,艾险峰.基于iNPD与AHP的老年人陪护产品创新设计J.包装工程，2 0 19,40（2 4）：17 9-18 6.5陈香，邱大鹏基于模糊Kano模型与TOPSIS法的产品设计研究J图学学报，2 0 19,40（2）：315-32 0.6刘大帅，杨勤，吕健，等融合用户满意度的用户需求综合重要性研究J图学学报,2 0 19,40(6)：1137-1143.7杨雯丹，曹国忠基于依存句法和语义网络的用户需求识别方法J机械设计，2 0 2 2,39（10）：154-16 0.8王军，刘思邑采用在线评论文本驱动的产品设计方法J.机械设计与研究,2 0 2 2,38(4)：1-5.9邓昭，张璇。基于产品语义分析的汽车仪表盘设计方法研究J机械设计,2 0 2 0,37（7）：132-137.10 李晓杰，梁健.基于INPD与KE的老年人辅助陪伴机器人造型设计J包装工程，2 0 2 0,41（2 4）：7 0-7 8.11李然，支锦亦，肖江浩，等产品语义提取方法及流程研究J包装工程,2 0 18,39(2 2)：132-137.125张国方，寇姣姣，陈令华网络评论文本驱动的汽车设计规划方法J机械设计，2 0 2 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