基于SGS模型與AHP的偵測無人機造型設計研究

尹項迎，常瑜，劉寶順

基于SGS模型與AHP的偵測無人機造型設計研究

尹項迎，常瑜，劉寶順

（天津商業大學，天津 300134）

為了滿足無人機用戶需求，完善偵測無人機造型設計方法，進一步拓展產品設計路徑。將管理學中的門徑管理模型（SGS）融入產品系統開發設計流程；調研用戶需求并結合層次分析法（AHP）構建判斷矩陣，計算各個設計指標權重并排序，以此促進設計決策，完成偵測無人機造型設計方案；采用7點量表法進行初步方案設計評價，驗證設計模型和過程的科學性。以偵測無人機造型設計為例，通過構建SGS產品系統開發模型，運用AHP分析方法進行設計方案指標決策，為偵測無人機造型設計拓展設計路徑，為相關產品的設計提供新思路。

產品設計；門徑管理模型（SGS）；層次分析法（AHP）；偵測無人機

隨著無線通信、圖像處理等技術的迅猛發展，偵測無人機的應用領域迅速擴展，其測繪、監視、尋找等工作功能被越來越多地應用于農業、礦業、服務體驗、救災等多個領域[1-3]。特別是在險情救災時，偵測無人機可在未知環境中無需人為干預而實現工作準備，彌補無法第一時間獲取災情信息的不足[4]，因此對偵測無人機的研究意義重大。

目前針對偵測型無人機的研究主要集中在技術系統[5-6]、硬件融合[7]、結構力學[8]和研究方法[9-11]等方面。盡管這些研究從不同應用類型和不同研究角度進行了分析，但針對偵測無人機造型的研究較為缺乏，且研究方法較為單一，缺少創新方法模型的融入來拓展產品開發設計路徑。因此，文中在偵測無人機產品開發流程中，以多維的視角闡述跨學科整合和創新特性，引入管理學中的SGS模型，并結合AHP層次分析法，對用戶使用需求和方案指標進行權重分析，依據用戶感性意向量化分析進行偵測無人機造型設計。

1 SGS模型與產品系統設計

1.1 SGS模型

SGS是Stage-Gate-System的簡稱，即門徑管理系統[12]，形成于20世紀80年代，由營銷學專家Cooper通過對近60家企業的成熟產品設計實例進行分析的基礎之上，構建的一套完整的產品創新開發設計流程，其核心理念是階段和門徑。因此，SGS模型又稱階段–關卡流程模型[13]，該流程旨在幫助企業獲得高效、完整的階段性設計模式，以進行突破性、概念性的產品設計，見圖1。將設計流程分為5個關鍵階段，即闡釋問題—建立產品框架—設計開發—設計測試與評價—生產上市，完成了從發現問題到形成成熟產品的過程，其中，發現問題為整個過程的邏輯起點。可以看出，通過SGS模型的介入，產品系統設計流程中的關鍵不再是單一、具體的產品設計層面，而是更加注重產品所能營造的價值層面[12]。

圖1 SGS模型

SGS模型以階段式工作的完成來推進整個設計流程，圍繞概念產品創新開發的關鍵點，每個階段都由指定的若干設計活動組成，成果需進行評價并通過驗收才能遞進至下一階段。因此，線性的組織設計步驟是建立SGS模型的關鍵點，步驟間銜接呈現高效、緊密的狀態，一個步驟的完成點是下一個步驟的起始點。工作流程中的步驟可理解為階段，階段性設計完成時，需及時實施設計評價與驗證，以相應的評價結果判定階段性工作的進退，如此形成步驟間的遞進發展關系，最終完成產品的創新開發設計。

1.2 產品系統設計的重構

SGS模型的介入，對傳統的產品系統設計而言是一種重構。在傳統的產品系統設計中，設計的中心點是有形的產品，運用SGS模型則更新為有形與無形相結合，能夠將只是關注生產和銷售有形產品的經濟模式轉變為關注能滿足顧客需求的產品和服務的整合，成為更全面的設計系統。具體而言，SGS模型的介入可協調產品系統開發設計過程中的矛盾，幫助分解設計流程，主要分為4個關鍵階段，見圖2。研究與觀察階段，目的在于闡釋用戶需求；分析階段，在量化用戶需求的基礎上，整合具體的產品設計技術要求；創意階段，包含構建設計概念、選擇概念；開發和執行階段，主要為細節與服務設計。其中，每個階段的履行需不斷進行設計評價與反饋，直至產品投入市場，由此重構為一個循環式的產品系統開發模型。

圖2 SGS產品系統開發模型

作為準備階段的重要步驟，SGS產品系統開發模型使具體的用戶體驗成為各階段設計工作完成的重要評級指標，能夠積極識別目標用戶深層次需求。客觀、有效的用戶需求量化指標將極大地推進SGS模型與產品系統開發設計的融合。具體來說，闡釋用戶需求應結合實際條件，采取問卷調查、需求層次分析法進而完成用戶感性意向分析，捕捉用戶對產品的需求與喜好，進而構建設計概念，完成最終設計評價與測試，具體SGS產品系統開發流程見圖3。

圖3 SGS產品系統開發流程

2 用戶需求分析

2.1 偵測無人機市場調研分析

在SGS模型的觀察與研究階段，著重基于用戶需求分析進行設計問題的提出與闡釋。市場調研主要針對專業的相關人員與用戶從多個方面展開。選取了30位專業用戶，其中20位高校科研人員，10位專業偵測人員，通過調查問卷方式對目標專業用戶展開設計調研。調研內容主要圍繞偵測無人機造型設計方面展開。通過調研匯總了專業用戶感性意向數據，見圖4。結果表明，專業用戶對偵測無人機造型的主要需求表現為可靠性、易用性和美觀性的期望。

圖4 用戶意象需求市場調研數據

2.2 偵測無人機造型設計層次分析模型

根據上述調研結果，構建層次分析法決策模型，展開對偵測無人機造型設計需求的權重分析。該層次結構模型分為目標層、準則層、方案層。

1）目標層：即符合專業用戶需求的偵測無人機造型設計；

2）準則層：偵測無人機造型研究屬于無人機造型領域，而對于無人機造型設計評價主要是從其經濟性、穩定性、審美性等層面展開設計評價的[11]；其次，無人機產品本身存在一定操作門檻，著重考慮用戶操作的易用性，提高安全性，避免用戶無意識誤操作而產生損壞，影響用戶使用積極性[3]。另外，對產品造型設計而言，外觀是一大設計要素，無人機設計還要符合一定的美學原則，考慮外觀造型藝術性的同時，要體現出現代審美特征[14]。基于此，對同類產品造型設計進行了針對性的調研、分析，將偵測無人機造型設計實踐中層次分析法的準則層指標定義為“可靠的、易用的與美觀的”3個意象形容詞。

3）方案層：基于層次分析法基本建構原理，將方案指標層進一步細分為子準則層。由于功能、結構、行為三者構成產品造型設計的重要因素[3]，所以偵測無人機造型設計方案指標也是圍繞三者展開的。

高俊杰等[11]在無人機造型設計層次評價中提到，無人機飛行穩定性可以從減輕機身重量、對稱的結構形態等設計中保持飛行穩定性和可靠性；張雄雄等[8]提出一種柔性變形機翼的設計方法來改善飛行性能和適應性。據此，針對準則層中的可靠性指標可解析為“對稱結構”“輕量化結構”“柔性結構”3個方案指標。其次，偵測無人機的易用性依賴于用戶行為方式。姚湘等[15]認為用戶行為分析視角下的產品人機優化設計是對傳統人機方法的補充，更有效引導用戶使用產品。白仲航等[16]通過將功能引導等造型要素對應結合，建立起可供性對產品造型設計的指導方法，優化產品造型，減小產品屬性傳達與用戶獲取的偏差，輔助用戶易于操作。綦曉倩等[4]提到為降低用戶的無人機學習成本，滿足安全使用要求，可以簡化用戶操作方式等。據此，針對準則層中的易用性指標可解析為“功能引導”“人機優化”“簡潔操作”3個方案指標。最后，無人機造型設計評價中審美性指標在形態、色彩和社會因素中作了詮釋[13]，一是形態視覺要均衡穩定，風格整體統一；二是色彩要符合目前審美趨勢，合理規律搭配；三是審美要符合當下審美特點和認知。因此，針對準則層中的美觀性指標可解析為“形態均衡”“色彩明確”“科技感”3個方案指標。AHP構建的偵測無人機造型設計分析的層級模型，見圖5。

2.3 判斷矩陣構建與權重分析

1）由于偵測無人機用戶的專業性，為保證權重分析的一致性，依然選取設計調研的30位專業用戶，其中20位高校科研人員，10位專業偵測人員進行指標評價，判斷矩陣標度，見表1。

面向層次分析法進行設計實踐，其關鍵性手段是生成判斷矩陣，然后可以運用計算機輔助軟件對矩陣中各項指標的權重值進行計算，表2—5所示為計算結果，均符合方法要求。

圖5 偵測無人機造型設計層次分析模型

表1 判斷矩陣標度

Tab.1 Judgment matrix scale

表2 目標層判斷矩陣計算結果

Tab.2 Calculation results of target layer judgment matrix

表31層判斷矩陣計算結果

Tab.3 B1 layer judgment matrix calculation results

表42層判斷矩陣計算結果

Tab.4 B2 layer judgment matrix calculation results

表53層判斷矩陣計算結果

Tab.5 B3 layer judgment matrix calculation results

2）根據各項準則層的方案指標權重值大小進行最終排序，為進一步偵測無人機造型設計創新與優化提供有效的參考，見表6。

表6 各指標權重排序

Tab.6 Weight order of indexes

3 偵測無人機造型設計應用實例

3.1 概念設計的展開

在SGS產品系統開發模型中，概念設計的展開主要為創意階段、開發階段和執行階段，主要目的在于構建并選擇設計概念，以及開展產品細節和服務設計創新。結合上述指標權重指數和排序情況，偵測無人機造型設計的可靠性、易用性尤為重要，將輕量化結構、對稱結構、功能引導、柔性結構作為設計實踐的主要參考指標，以此完成偵測無人機造型的創新開發設計方案，見圖6。

該主機的中空設計減輕了整體機身重量，并采用工藝性能較好的高強度碳纖維材料，達到質地輕且牢固的輕量化需求。同時，為增強偵測無人機的穩定性和可靠性，主要機體采用對稱結構，其穩定的矩形結構是機器可靠運行的基礎，機翼為柔性變形結構設計，起落架也以四足扁平的形式設計提高落地穩定性，為安全作業提供了基本保障。機翼螺旋槳及連接件可自主拆卸折疊，明亮黃色引導用戶使用這部分功能，在具有科技感的黑、灰深色為主色基礎上，也增強偵測無人機功能區的辨識度。此外，為進一步滿足用戶意象，設計也提供了三種基本的主體配色方案，見圖7。

圖6 偵測無人機造型設計方案

圖7 偵測無人機主體配色方案

3.2 初步設計評價

SGS產品系統開發模型階段性的成果需要完成相關設計測試與評價，因此，偵測無人機造型設計展開后，在實驗室條件下進行初步的專業用戶感性意向評價。從早期設計調研的30名用戶作為被測試對象，主要針對上述造型設計方案指標即“輕量化結構”“對稱結構”“功能引導”“柔性結構”進行評價。評價結果見圖8。軸表示設計評價指標，軸表示分值，高等級與用戶評價成正相關，評分等級越高用戶滿意度越高。

圖8 評價結果

4 結語

將SGS模型與傳統產品系統設計整合，形成SGS產品系統開發模型，實現多維視角跨學科領域整合，此方法在一定程度上彌補了偵測無人機造型設計方法的單一性，提供了更為客觀的用戶感性意向量化分析手段。基于SGS產品系統開發模型，在開發流程的準備階段以及設計概念展開階段，運用AHP層次分析法可快速有效量化用戶需求和方案指標，為設計提供決策依據，提高了偵測無人機造型設計的可靠性和科學性，并通過設計評價為下一個階段細節設計、生產工作的開展構建了理論和實踐基礎。其創新方法模型不僅為偵測無人機造型設計提供準確清晰、系統完善的設計決策和評價，也為同類產品設計提供新思路。

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Modeling Design of Detection UAV Based on SGS Model and AHP

YIN Xiang-ying, CHANG Yu, LIU Bao-shun

(Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

This paper aims to further expand the product design path, meet the needs of UAV users, and improve the detection UAV modeling design method.This paperintegrates Stage-Gate System (SGS) model in management into the product system development and design model; investigates user needs, combines tomographic analysis (AHP) to construct a judgment matrix, calculates the weight and ranking of various design indicators, promote design decisions, and completes detection UAV modeling design plan; the 7-point scale method is used to evaluate the preliminary plan design to verify the scientific nature of the design model and process. In conclusion, taking the detection of UAV modeling design as an example, through the construction of SGS product system development model, the proper use of AHP analysis method for the design scheme index decision, for detection of UAV modeling design to expand the design path, this paper provides a brand-new idea for the design of related products.

product design; Stage-Gate System (SGS); Analytic Hierarchy Process (AHP); handrail design; conceptual design

TB472

A

1001-3563(2022)14-0045-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.14.005

2022–02–10

天津市企業科技特派員項目（20YDTPJC00360）；哲學社會科學規劃課題（TJSR20-010）；教育部產學合作協同育人項目（202102150009）

尹項迎（1991—），女，碩士，講師，主要研究方向為產品設計。

常瑜（1986—），男，碩士，副教授，主要研究方向為產品創新設計。

責任編輯：陳作