基于AHP、FCE 和DSM-SOM 模型的家用冰箱殺菌器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一款功能豐富、外觀精致、產(chǎn)品使用人性化的家用冰箱殺菌器。首先，獲取歸納用戶需求類別，利用層次分析法計(jì)算各項(xiàng)需求權(quán)重，并對(duì)各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，依據(jù)需求對(duì)冰箱殺菌器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；其次，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與決策；最后，優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣、自組織映射網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)模塊劃分，結(jié)合聚類結(jié)果完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成一款家用冰箱殺菌器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。基于AHP、FCE、DSM-SOM模型對(duì)冰箱冷藏專用殺菌器進(jìn)行外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)和方案決策更加科學(xué)化、合理化、高效化，并對(duì)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AHP；FCE；DSM-SOM模型；家用冰箱殺菌器；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2024）23-0111-05

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的穩(wěn)步提升和人們生活品質(zhì)的持續(xù)改善，對(duì)于家庭電器的要求已經(jīng)不再僅僅滿足于基本的使用功能，而是更加注重產(chǎn)品的設(shè)計(jì)感、功能性以及使用的舒適度。在這樣的背景下，家用冰箱殺菌器這一產(chǎn)品領(lǐng)域逐漸受到廣大消費(fèi)者的重視和青睞。在過去，雖然市面上已經(jīng)存在部分冰箱殺菌器產(chǎn)品，但普遍存在著外觀設(shè)計(jì)簡陋、功能相對(duì)單一、操作不夠便捷等問題，這些因素極大影響了用戶的實(shí)際使用體驗(yàn)和產(chǎn)品滿意度。因此，隨著消費(fèi)者對(duì)健康生活的追求和對(duì)家電產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高，對(duì)于一款外觀精美、功能豐富、操作便捷的家用冰箱殺菌器的需求變得日益迫切。

一、文獻(xiàn)綜述及研究框架

（一）相關(guān)理論研究

1.AHP 和FCE 的相關(guān)應(yīng)用：層次分析法（AHP）和模糊評(píng)價(jià)法（FCE）已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)、指標(biāo)體系建立等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用并和其他設(shè)計(jì)方法相結(jié)合使用。AHP 通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，將復(fù)雜問題分解為多個(gè)層次和子問題，并通過比較子問題之間的相對(duì)重要性來確定其權(quán)重。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的某些指標(biāo)（如用戶體驗(yàn)、性能表現(xiàn)等）往往難以用精確的數(shù)字來衡量，因此模糊評(píng)價(jià)法（FCE）顯得尤為重要。FCE 基于模糊數(shù)學(xué)理論，能夠處理具有模糊性和不確定性的評(píng)價(jià)問題，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更加全面和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)依據(jù)。羅曉慶等人[1] 就成功運(yùn)用AHP 建立了塔機(jī)智能駕駛室設(shè)計(jì)需求的層次分析模型，為智能駕駛室的設(shè)計(jì)提供了有力支持。楊昕妍等人[2] 基于AHP 層次分析方法設(shè)計(jì)一款衛(wèi)浴水龍頭，王子翔等人[3] 基于AHP 層次分析法、包裝設(shè)計(jì)理論、數(shù)學(xué)模糊模型，進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。王媚雪[4] 等人將AHP- 模糊評(píng)價(jià)分析法應(yīng)用于老年人售藥機(jī)設(shè)計(jì)。劉覽宇[5] 等人基于KJ-AHP 法對(duì)便攜制氧機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。胡昊琪[6] 等人運(yùn)用AHP 層次分析法完成鐵路文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2. 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（DSM）與自組織映射網(wǎng)絡(luò)（SOM）的相關(guān)應(yīng)用：DSM 作為一種描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)中各元素之間關(guān)系的矩陣工具，有助于識(shí)別設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元素和依賴關(guān)系。而SOM作為一種無監(jiān)督的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠自動(dòng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。將DSM 與SOM 相結(jié)合，可以更加深入地理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的模塊化和聚類問題，為優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供有力支持。例如，王亞鵬[7] 基于用戶感性意象評(píng)價(jià)提出一種SOM 模型聚類的整合產(chǎn)品族典型外形基因優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。Anand K[8] 等人將自組織映射網(wǎng)絡(luò)首次用于多孔介質(zhì)中組合模式傳導(dǎo)－輻射傳熱的決策。李穎等人[9]提出針對(duì)數(shù)值型DSM 采用SOM 算法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊劃分及其評(píng)價(jià)方法，并借助摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件案例說明使用。

（二）整體研究框架

本文通過AHP 設(shè)計(jì)需求模型、FCE 方案評(píng)價(jià)模型、DSM-SOM 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊劃分模型相結(jié)合對(duì)冰箱殺菌器進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。主要步驟為：設(shè)計(jì)需求分析、概念方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)選擇、深入細(xì)化方案和基于DSM-SOM 模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖1。整個(gè)設(shè)計(jì)流程不僅確保了冰箱殺菌器產(chǎn)品的功能性和實(shí)用性，還充分考慮了用戶的個(gè)性化需求，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

二、家用冰箱殺菌器調(diào)研分析

（一）家用冰箱殺菌器研究意義

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到細(xì)菌與食物中毒的關(guān)系[10]。冰箱是儲(chǔ)存食物的重要場所，但由于冰箱內(nèi)部濕度較大、溫度較低，容易滋生各種細(xì)菌、真菌和病毒。這些微生物會(huì)通過食品或者手接觸傳播給人體，引起各種疾病。因此，冰箱殺菌器的研究和應(yīng)用對(duì)于提高食品的安全性至關(guān)重要。

目前，市面上冰箱專用殺菌器主要采用臭氧除菌，雖外觀造型各有差異，但主要可分為兩種：第一種為非掛耳式，產(chǎn)品沒有固定結(jié)構(gòu)，可按照需求在冰箱中隨意擺放位置；第二種為掛耳式，產(chǎn)品具有夾板結(jié)構(gòu)，需要掛在冰箱內(nèi)部擋板上使用。整體來說，目前市面上家用冰箱專用殺菌器外觀造型差異性不強(qiáng)，功能也較為單一。

（二）家用冰箱殺菌器使用痛點(diǎn)分析

基于調(diào)研結(jié)果，對(duì)家用冰箱殺菌器的使用全過程進(jìn)行了深入的歸納總結(jié)，整個(gè)使用過程被細(xì)分為使用前、使用中、使用后3 個(gè)階段。旨在通過分析用戶的行為與情緒，識(shí)別出使用全過程中的具體痛點(diǎn)，詳見圖2。

1. 使用前期：用戶往往因?yàn)闅⒕鞯臄[放和設(shè)備的操作設(shè)定感到困擾，這種復(fù)雜的準(zhǔn)備工作容易讓用戶產(chǎn)生無奈和苦悶的情緒。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮讓冰箱殺菌器更加易安裝、輕便化，并融入智能化技術(shù)，從而簡化用戶的操作流程，提升使用體驗(yàn)。

2. 使用中期：用戶可能面臨對(duì)殺菌器使用情況的不了解，以及需要頻繁移動(dòng)設(shè)備造成的疲憊和不耐煩。為了解決這個(gè)問題，可以設(shè)計(jì)更加直觀的用戶界面，讓用戶輕松了解殺菌器的工作狀態(tài)。同時(shí)，通過便捷的拿取結(jié)構(gòu)和智能提示功能，如低電量提示和除菌完成提醒，來減少用戶的操作不便。

3. 使用后期：清洗殺菌器表面成為用戶的另一個(gè)痛點(diǎn)。為了改善這一體驗(yàn)，我們可以采用易清潔的材料來設(shè)計(jì)產(chǎn)品外部，并考慮可拆卸的設(shè)計(jì)，使用戶能夠更輕松地清潔設(shè)備。

三、家用冰箱殺菌器設(shè)計(jì)需求分析

（一）KJ 親和圖法

KJ 親和圖法是將處于混亂狀態(tài)中的語言文字通過其內(nèi)在相互關(guān)系加以歸納和整理，然后找出解決問題新途徑的方法[11]。由于冰箱專用殺菌器設(shè)計(jì)要素是一個(gè)多需求、多因素、多層次等諸多元素的問題集合。在設(shè)計(jì)的過程中，這些指標(biāo)因素如果不經(jīng)過處理將很難指導(dǎo)具體方案設(shè)計(jì)。本人同工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的老師、同學(xué)一起進(jìn)行頭腦風(fēng)暴后，利用KJ法對(duì)冰箱殺菌器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)。

（二）設(shè)計(jì)需求指標(biāo)層次化建立

通過上述的分析總結(jié)，最終可以確定目標(biāo)層為冰箱殺菌器總體設(shè)計(jì)需求。一級(jí)需求指標(biāo)為：A1 功能需求（針對(duì)用戶）、A2 外觀需求（針對(duì)產(chǎn)品）、A3 實(shí)用需求（針對(duì)用戶）、A4 心理需求（針對(duì)用戶）、A5成本需求（針對(duì)后期生產(chǎn)、制造、銷售）5 類需求指標(biāo)要素并將其作為準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)要素。二級(jí)需求指標(biāo)為：根據(jù)一級(jí)需求指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分類，共歸納篩選出共17 個(gè)二級(jí)設(shè)計(jì)需求指標(biāo)，如表1 所示。

（三）判斷矩陣的權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

1. 判斷矩陣構(gòu)建：本次調(diào)研過程選擇設(shè)計(jì)專業(yè)老師、學(xué)生以及企業(yè)人員（總計(jì)共50 名），組成設(shè)計(jì)決策群。對(duì)各設(shè)計(jì)需求按照1 到9 的指標(biāo)標(biāo)度進(jìn)行兩兩重要程度的比較，判斷矩陣M 如下：

其中，mij—表示Xi 相對(duì)于Xj 對(duì)m 的重要程度，mij 的賦值采用設(shè)計(jì)決策群的打分平均值給定，并且有mij×mji=1。根據(jù)判斷矩陣M 進(jìn)行計(jì)算，得到其最大特征根λmax，對(duì)于準(zhǔn)則層的各因素，經(jīng)方根法計(jì)算可得其權(quán)重，見表2。

由表2 可知，A1 和A3 所占的比重較大，因此對(duì)其子準(zhǔn)則層的判斷矩陣進(jìn)行詳細(xì)分析，如表3 和表4 所示。結(jié)果可知：在滿足冰箱殺菌器的實(shí)用需求方面，首要考慮的是確保產(chǎn)品能夠完全適應(yīng)日常家庭使用的場景，以滿足用戶對(duì)食品儲(chǔ)存和保鮮的高標(biāo)準(zhǔn)需求。鑒于冰箱內(nèi)部空間的緊湊性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須注重易用性，使得用戶在日常操作中能夠輕松便捷地使用，無需額外的復(fù)雜步驟或空間占用。

此外，在功能需求上，產(chǎn)品使用的安全性是最重要的考量因素。冰箱殺菌器應(yīng)確保在使用過程中不會(huì)對(duì)用戶或食品造成任何安全隱患，包括電器安全、材料無毒無害、操作過程穩(wěn)定可靠等。

2. 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：具體計(jì)算過程中，用CI 表示判斷矩陣的一致性指標(biāo)，CR 表示一致性比率，兩者需要滿足如下要求：

CI=λmax-n/n-1 （1）

CR=CI/RI （2）

式中：λmax—最大特征根；RI—隨機(jī)一致性指標(biāo)；n—指標(biāo)數(shù)量。一般來說，當(dāng)一致性比率CRlt;0.1 時(shí)，說明此判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。若不通過，需重新構(gòu)造判斷矩陣。

對(duì)于準(zhǔn)則層判斷矩陣，最大特征根λmax=5.2657，n=5，隨機(jī)指標(biāo)RI=1.12（查表得），通過公式（1）（2）計(jì)算可得CR=0.0593lt;0.1，通過一致性檢驗(yàn)。同理再依次計(jì)算子準(zhǔn)則層A1、A2、A3、A4、A5 的CR值分別為0.0157、0.0449、0.0797、0.0079、0.0462，均小于0.1。至此所有判斷矩陣均通過一致性檢驗(yàn)，最終得出各需求指標(biāo)綜合權(quán)重值，詳見表5。

（四）設(shè)計(jì)需求總結(jié)

通過上述AHP 設(shè)計(jì)需求模型的結(jié)果可知：準(zhǔn)測層中的實(shí)用需求（A3）最為重要，其次是功能需求（A1）。因此在方案設(shè)計(jì)的過程中，要以滿足用戶日常使用為核心，重點(diǎn)關(guān)注冰箱殺菌器產(chǎn)品的日常操作功能和安全防護(hù)功能。在實(shí)用需求和功能需求得到滿足的基礎(chǔ)上，成本需求（A5）成為下一個(gè)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮材料成本、制造成本以及后期維護(hù)成本等因素，確保產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比。外觀需求（A2）和心理需求（A4）雖然在準(zhǔn)測層中的權(quán)重相對(duì)較低，但同樣不可忽視。在外觀設(shè)計(jì)時(shí)需要注重產(chǎn)品的美觀性和與家居環(huán)境的協(xié)調(diào)性，通過獨(dú)特的造型和色彩搭配提升產(chǎn)品的吸引力。同時(shí)，在心理需求方面，關(guān)注用戶的情感需求和使用體驗(yàn)，通過人性化的設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品滿意度。

四、概念設(shè)計(jì)與方案決策

（一）概念方案設(shè)計(jì)

通過層次分析法計(jì)算得出冰箱殺菌器的各設(shè)計(jì)需求占比后，基于分析結(jié)果和市場前景，進(jìn)行初步的概念設(shè)計(jì)。產(chǎn)生以下4 個(gè)創(chuàng)意構(gòu)思方案，旨在滿足用戶的多樣化需求，同時(shí)保持產(chǎn)品的創(chuàng)新性和實(shí)用性。方案1（見圖3a），主要在外觀、色彩設(shè)計(jì)上形成突破創(chuàng)新設(shè)計(jì)，流暢時(shí)尚的外觀搭配漸變色彩內(nèi)膽，更符合現(xiàn)代用戶審美需求。方案2（見圖3b），設(shè)計(jì)靈感來源于生活中常見的骰子，整機(jī)體積小巧，避免占用過多的儲(chǔ)物區(qū)域。同時(shí)，將紫外線殺菌燈巧妙地布置在骰子的3 個(gè)面上，確保殺菌器能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的殺菌效果。方案3（見圖3c），造型為膠囊形狀，機(jī)體外殼搭配磨砂材質(zhì)可以讓用戶看到內(nèi)部殺菌燈珠，給人一種簡約時(shí)尚之感。其次，多種長度可以搭配不同環(huán)境使用，可適用性更強(qiáng)。方案4（見圖3d），殺菌器主要分為上下兩部分，上部分為圓柱形殺菌燈柱，下部分為主機(jī)，包括操作界面和顯示屏幕，整體造型協(xié)調(diào)性高。搭配手柄，使得殺菌器不僅可以放置在冰箱內(nèi)部，還可以懸掛在擋板空隙處，節(jié)約冰箱內(nèi)部使用空間。

（二）模糊綜合評(píng)價(jià)法

FCE 作為一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的評(píng)價(jià)方法，特別適用于處理涉及模糊、不確定性或涉及多指標(biāo)的復(fù)雜決策問題。此方法的核心思想在于將定性評(píng)價(jià)通過模糊數(shù)學(xué)的理論轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，從而能夠?qū)δ切╇y以直接量化且受到多種條件制約的決策結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)和決策。針對(duì)上述4 個(gè)概念方案的具體決策步驟如下：

（1）將5 名專家的評(píng)審意見作為方案評(píng)估要素。用U={U1，U2，U3，U4，U5} 表示，分別代表功能需求、外觀需求、使用需求、心理需求、成本需求。確定評(píng)估要素子集為 Vi={Vij}（i，j=1，2，3，4）。

（2）確定專家評(píng)審意見和對(duì)應(yīng)分值。確定評(píng)語集用V={V1，V2，V3，V4}={ 優(yōu)秀，良好，中等，較差} 表示，為各評(píng)語集賦值，賦值后的評(píng)語向量α={90，80，60，50}T 。

（3）整理各個(gè)設(shè)計(jì)需求指標(biāo)的權(quán)重。從計(jì)算結(jié)果中可得，準(zhǔn)則層權(quán)重向量ωA={0.2908，0.1057，0.3971，0.0702，0.1362} 子準(zhǔn)則層權(quán)重向量ωA1={0.6250，0.1365，0.2385}，ωA2={0.3107，0.4393，0.1036，0.1464}，ωA3={0.3168，0.1204，0.1505，0.4123}，ωA4={0.1634，0.2970，0.5396}，ωA5={0.1396，0.3325，0.5278}。

（4）基于子準(zhǔn)測層，對(duì)于上面4 個(gè)方案建立模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。以設(shè)計(jì)方案一為例，5 名專家對(duì)冰箱殺菌器評(píng)價(jià)矩陣因素層中的各要素進(jìn)行評(píng)定。D1—D5 分別代表功能、外觀、實(shí)用、心理、成本需求對(duì)設(shè)計(jì)方案 1 的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。結(jié)果如下所示：

準(zhǔn)則層五個(gè)因素對(duì)于方案1 的評(píng)價(jià)權(quán)重向量為：

P1 = ωA1× D1 ＝ （0.1727 ，0.4，0.4273 ，0）

P2 ＝ ωA2 × D2 ＝ （0.2121 ，0.35 ，0.4379 ，0）

P3 ＝ ωA3 × D3 ＝ （0.1607 ，0.4，0.4393 ，0）

P4 ＝ ωA4 × D4 ＝ （0.1079 ，0.4，0.4921 ，0）

P5 ＝ ωA5 × D5 ＝ （0.1223 ，0.4944 ，0.3832 ，0）

按A 照P結(jié)果（，0.1建60立7二，0級(jí).40模76糊，評(píng)0.價(jià)431矩7陣，0：）

綜合評(píng)價(jià)權(quán)重向量為W=ωA×P（0.1607，0.4076，0.4317，0）：最后再對(duì)方案1 進(jìn)行百分制評(píng)價(jià)運(yùn)算，N=W×α=79.59 因此方案一的最終得分為79.59。對(duì)于方案2、方案3、方案4 按照上述所示依次進(jìn)行計(jì)算，可得：方案2 得分為74.28；方案3 得分為75.22；方案4 得分為83.76。因此，可知方案4 為最優(yōu)方案。

五、細(xì)化設(shè)計(jì)方案

為更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)和市場需求，對(duì)優(yōu)選方案4 進(jìn)行細(xì)致的深化設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)方面：

（一）外觀造型設(shè)計(jì)：考慮到保障冰箱殺菌器殺菌效率與產(chǎn)品造型的和諧統(tǒng)一，將頭部殺菌燈與底部主機(jī)設(shè)計(jì)為一體化造型，巧妙融入跑道圓的切口元素，既保證了殺菌燈口的合理位置，又增強(qiáng)了整體造型的流暢感與美觀度。在配色方面，選擇白色作為主體色彩，使其更易融入各種家居風(fēng)格。同時(shí)，為了凸顯產(chǎn)品的高端品質(zhì)，添加金屬色裝飾片和高光折射色面板，使得整個(gè)產(chǎn)品不僅功能實(shí)用，更展現(xiàn)出卓越的設(shè)計(jì)美感，如圖4 所示。

（二）功能設(shè)計(jì)：確保在不同條件下都能維持穩(wěn)定的殺菌效果，特別融入智能感應(yīng)功能，并采用停機(jī)保護(hù)的智能感應(yīng)機(jī)制。這一機(jī)制能夠智能檢測環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整殺菌器的運(yùn)行狀態(tài)。此外，為提升用戶產(chǎn)品體驗(yàn)感，殺菌器具備快充和強(qiáng)續(xù)航功能，確保用戶在使用過程中無需頻繁充電，享受便捷的使用體驗(yàn)。在安全防護(hù)方面，特別設(shè)計(jì)兒童誤操作保護(hù)功能，有效避免兒童誤觸造成的潛在危險(xiǎn)。同時(shí)，還具備延時(shí)運(yùn)行保護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)異常情況，將自動(dòng)關(guān)閉，全面保障產(chǎn)品使用安全。

（三）材料選用設(shè)計(jì)：選用ABS 作為基體材料，為進(jìn)一步提升其抗菌和自清潔性能，特別在材料表面添加了包含納米氧化鋅和納米二氧化鈦的復(fù)合抗菌涂層。同時(shí)，也在材料表面進(jìn)行了特殊處理，以增加其親水性和抗污性，使污漬不易附著，便于用戶清潔。

（四）交互界面設(shè)計(jì)：鑒于冰箱內(nèi)部空間緊湊，操作便捷性成為交互設(shè)計(jì)考量的重點(diǎn)。因此，在主要按鍵的設(shè)計(jì)上，特別強(qiáng)調(diào)功能按鍵的顯眼性和易用性，通過放大按鍵尺寸使用戶能夠更輕松、直觀地識(shí)別和操作這些關(guān)鍵功能。同時(shí)，為了堅(jiān)持整體界面的簡約，去除不必要的元素，讓用戶能夠一目了然地了解產(chǎn)品情況，給用戶帶來更為便捷和直觀的使用體驗(yàn)，產(chǎn)品使用場景圖如圖5 所示。

六、基于DSM-SOM模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化之前，為提高設(shè)計(jì)效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，故應(yīng)用DSM-SOM 模型對(duì)冰箱殺菌器產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚類劃分。

（一）建立數(shù)值型DSM 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

數(shù)值型DSM 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣是一種特殊的矩陣工具，用于表示和分析系統(tǒng)或產(chǎn)品中元素之間的相互作用和依賴關(guān)系。在數(shù)值型DSM 中，矩陣的行和列分別代表系統(tǒng)或產(chǎn)品中的元素，而矩陣中的每個(gè)元素（即交叉點(diǎn)）則是一個(gè)具體的數(shù)值，表示對(duì)應(yīng)的行和列元素之間的依賴關(guān)系或交互作用的強(qiáng)度。為了更清晰地表達(dá)這些零部件之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了3 個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（DSM）：幾何關(guān)系矩陣、結(jié)構(gòu)連接矩陣和功能相關(guān)性矩陣。

該產(chǎn)品主要零部件有8 個(gè)，如表6 所示。根據(jù)產(chǎn)品零部件之間的幾何關(guān)系、結(jié)構(gòu)連接、功能相關(guān)性分別構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，為簡明起見，兩部件完全沒有關(guān)系和影響的數(shù)值0 未標(biāo)識(shí)，如圖6a-c 所示。再將這3 個(gè)矩陣進(jìn)行疊加，得到冰箱殺菌器零部件的DSM，圖中數(shù)值1 ～ 3 分別表示零部件之間存在以上1-3 種關(guān)聯(lián)，如圖6d 所示。

（二）基于SOM 算法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)聚類劃分

基于自組織映射（Self-Organizing Maps，SOM）算法對(duì)數(shù)值型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行聚類劃分是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。聚類結(jié)果的可視化使得設(shè)計(jì)師能夠直觀地識(shí)別出產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的不同類別和層次，從而更好地理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和規(guī)律。此外，基于SOM 的聚類方法還能夠提供關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的指導(dǎo)，如識(shí)別關(guān)鍵模塊、優(yōu)化模塊間的連接關(guān)系等。

針對(duì)冰箱殺菌器的結(jié)構(gòu)劃分：首先，將零部件總DSM 矩陣通過歸一化處理得到SOM 輸入層矩陣Q：

緊*接著，將矩陣Q作為輸入數(shù)據(jù)借助python軟件編寫SOM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析，行號(hào)和表6 中的零部件編號(hào)相對(duì)應(yīng)。該算法按照以下步驟進(jìn)行：

（1）向量歸一化，初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)值向量，得到輸入模式向量X 和競爭層中各神經(jīng)元對(duì)應(yīng)的內(nèi)星向量Wj（j=1，2，…，m）并對(duì)輸入矩陣進(jìn)行歸一化處理。

（2）尋找獲勝神經(jīng)元，計(jì)算X 與Wj 的歐氏距離，按照式（3）確定獲勝神經(jīng)元權(quán)向量值Wj *，其與X 的歐氏距離最小。

（3）網(wǎng)絡(luò)輸出與權(quán)值調(diào)整，在聚類塊鄰域范圍內(nèi)，按照式（4）調(diào)整獲勝神經(jīng)元的權(quán)值向量Wj *，其中α （（00，1，] 1]。

如此進(jìn)行循環(huán)訓(xùn)練，直到學(xué)習(xí)率α 衰減到規(guī)定的值。通過運(yùn)行代碼，設(shè)定α=0.5 時(shí)得到最終聚類結(jié)果，如圖7a 所示。顏色深淺和相鄰性反映了神經(jīng)元之間的相似度，冰箱殺菌器零部件主要可以分為3 個(gè)主要模塊：A 模塊（5，7）；B 模塊（2，4，8）；C 模塊（1，3，6）。最后結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)產(chǎn)品專利結(jié)構(gòu)[12]，完成冰箱殺菌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖7b 所示。

結(jié)論

在當(dāng)今消費(fèi)電子產(chǎn)品市場競爭日趨激烈的環(huán)境下，家用冰箱殺菌器產(chǎn)品憑借其獨(dú)特的健康理念與功能，受到了越來越多消費(fèi)者的青睞。然而，如何在這一領(lǐng)域脫穎而出，設(shè)計(jì)出既滿足市場需求又具備創(chuàng)新性的產(chǎn)品成為當(dāng)下的一大挑戰(zhàn)。本文深入探討了如何通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)流程，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，從產(chǎn)品需求分析到最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全面優(yōu)化冰箱殺菌器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程?；谙到y(tǒng)化、流程化的設(shè)計(jì)思維，將設(shè)計(jì)需求借助層次分析法，計(jì)算出各個(gè)需求因素的權(quán)重，再進(jìn)行針對(duì)性的方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)于產(chǎn)出的4 個(gè)概念方案做出合理決策，同時(shí)借助建立數(shù)值型DSM 并通過SOM 算法模型對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和科學(xué)性。在未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和市場的不斷變化，這種設(shè)計(jì)方法將有望為更多消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1]羅曉慶，張玉萍，楊一等.基于AHP的塔式起重機(jī)智能駕駛室設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2022，43（16）：144-152.

[2]楊昕妍，張仲鳳.一款基于AHP層次分析法的衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].包裝工程， 2021，42（04）：144-147，153.

[3]王子翔，徐佳.基于AHP與模糊模型的農(nóng)特產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[J].包裝工程， 2022，43（06）：213-219.

[4]王媚雪，鄺慶龍，王巍.基于AHP-模糊評(píng)價(jià)分析法的社區(qū)老年人售藥機(jī)設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2024，37（03）：82-85.

[5]劉覽宇，鄭剛強(qiáng).基于KJ-AHP法的便攜制氧機(jī)設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2023，36（17）：112-115.

[6]胡昊琪，劉博敏，黃媛媛.基于層次分析法的鐵路文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2023，36（21）：14-17.

[7]王亞鵬. 基于SOM模型的產(chǎn)品族外形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2022.

[8]Anand K，Bhardwaj A，Chaudhuri S，Mishra VK. Self-Organizing Map Network for the DecisionMaking in Combined Mode Conduction-Radiation Heat Transfer in Porous Medium. Arabian Journalfor Science amp; Engineering（Springer Science amp; Business Media BV ）. 2022；47（12）：15175-15194.

[9]李穎，應(yīng)保勝，容芷君等.基于SOM的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊劃分及其評(píng)價(jià)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，41（04）：301-306.

[10]陳紅機(jī).細(xì)菌性食物中毒的微生物學(xué)檢驗(yàn)探究[J].工業(yè)微生物，2023，53（04）：24-26.

[11]川喜田二郎. KJ法[M].北京：中共公論社，1996：1-6.

[12]廣州中航環(huán)?？萍加邢薰?一種紫外線殺菌裝置：中國，CN210656256 U[P]. 2020-06-02.