基于AHP 法和TOPSIS 法的導盲杖優選設計研究

金翎子 郭怡然 艾萍

（青島理工大學藝術與設計學院，青島 266000）

失明和視力障礙是經常出現的人類殘疾，影響著世界各地的人們。根據世界衛生組織的數據，全球范圍內有超過22 億人存在視覺障礙的問題。中國盲人協會的統計數據顯示，中國約有1 700 萬盲人[1]。視障人士的衣食住行存在著諸多不便，且存在一定的安全隱患。目前我國對于導盲杖的研究較少，再加上視障人群有一定的特殊性，因此文章基于AHP法與專家問卷評分[2]，并在對部分視障人士問卷調查的基礎上，優先考慮產品的功能需求，將它作為產品設計與優化的依據，從而為視障人士的出行提供新的設計思路。

1 相關概念解析

1.1 AHP 法

美國運籌學家匹茨堡大學教授Saaty 所提出的AHP 法（層次分析法）能夠將研究元素劃分為多個層次，包括目標、準則和方案等，并對它們進行定量和定性分析，以實現對研究對象的全面評估[3]。至今，該技術在眾多領域中得到了廣泛地應用[4-7]。AHP 法可以客觀科學的將復雜的要素進行分層解析，計算出各個層級、要素之間的權重數值[3]，幫助設計者對產品設計要素進行優先級排序[8]。從而構建模糊判斷矩陣，以權重結果為參考依據，便于設計者決策[9]。

1.2 TOPSIS 法

TOPSIS 法（逼近理想解排序法）是一種綜合的評估方法，通過計算評價方案與正理想解、負理想解的距離進行排序，若評價方案離正理想解最近，離負理想解最遠則為最優解，這種方法經常被用于建立評估模型，從而解決復雜的多元指數分析問題[10]。同時，通過TOPSIS 法構建初始化矩陣，對原始數據進行標準化處理，對現有的設計方案進行比較，找出方案中的最優解，計算出它與正理想解的相對貼近度，并對各個方案進行排序和評估，從而得出合理、有效的解決方案[11]。

2 導盲杖設計存在的問題

2.1 手杖類導盲杖存在的問題

目前，市場上涌現出眾多專為盲人出行設計的輔助產品，其中廣泛使用的為手杖類產品。手杖作為一種輔助裝置，在視障人士出行時起到了重要的作用。視障人士可將手杖視為自身觸覺的延伸，通過抓握手杖不斷地敲擊前方地面，以判斷路面的高低起伏及是否存在障礙物阻擋，并及時調整行進狀態，以達到導盲的目的。另外，一些帶有警示功能的手杖還能起到一定的提示作用。盡管手杖的品類和式樣千差萬別，但它們的基本構造卻高度相似，由杖體、杖柄和杖底三個部分構成。拐杖分為木制、不銹鋼結構、塑料結構等幾種類型。杖體的延展長度通常約為1 米，它的選擇或定制主要基于盲人自身的身高。為了探究前方道路的暢通情況，一些手杖產品采用特殊材料制成的杖底進行敲打，這種杖底通常呈上細下厚的形狀，方便盲人行走時使用敲打地面來探索。此類導盲杖應用較早，以敲打的方式判斷前方路面是否暢通，但是在某種程度上會加大產品的磨損度[12]。

2.2 電子類導盲杖存在的問題

電子導盲杖的款式和普通盲杖基本相同，只是增加了電子信息技術等相關技術以幫助盲杖實現其他功能。在電子導盲杖設計方面，國外的設計師Rms A 通過超聲波傳感器、蜂鳴器和振動器的新連接來實現[13]。當導盲杖感應到障礙物時，蜂鳴器和振動馬達被激活，用戶會收到警報。警報分別以蜂鳴器和振動器的聲音和振動的形式發出。俞國華等人在結構安全的同時，增加了環境探測功能[14]。宋玉娥等人針對視障人士出行，設計引導避障功能，提醒行人及車輛避讓視障人士[15]。電子類導盲杖的外觀設計別出心裁，具備出色的便攜性，但功能相對單一，目前主要集中于障礙物探測方面，因此在實際出行中的應用場景相對較少。

3 基于AHP 法和TOPSIS 法的導盲杖優選設計思路

3.1 建立導盲杖產品設計層次分析模型

1）目標層。目標層只有一個要素，通過對視障人士導盲杖產品設計要素分析得到一個最優的解決方案。

2）準則層。對于導盲杖產品設計來說，安全性、延展性、舒適性、經濟性、易用性5 個要素能夠產生深刻的影響。其中安全性是重要的影響因素，視障人士的日常活動中本來就存在許多未知因素，長時間使用產品就需要加強安全性能。視障人士的就業總是存在一定的困難，在確保導盲杖安全性的同時也要降低產品的經濟成本。

3）子準則層。根據層級構造方法，將經濟性、舒適性、安全性、延展性、易用性5 個準則層分別細分為多個子準則層[16]。具體將可替換、可延展歸為延展性方面；將造型選擇、人機設置、材料選擇歸為舒適性方面；將結構耐磨不易折斷、信息反饋準確、造型圓潤、緊急情況處置歸為安全性方面；將局部可更換、材料造價低、技術常態化歸為經濟性方面；將高度的容錯性、簡潔的操作方式，以及清晰的界面布局視為易用性方面。由此，基于層次分析法的原理構建出導盲杖設計的層次結構模型，如圖1 所示。

圖1 導盲杖設計的層次結構模型

3.1.1 構建判斷矩陣及確定各指標權重

通過比較準則層與子準則層的全部要素之間的相對重要性，合理構建出判斷矩陣[7]。在此步驟中，通過確定相對比例尺度來提高精準度。導盲杖的設計判斷矩陣構造方法，如表1 所示。

表1 判斷矩陣構造方式

表2 判斷矩陣標度含義

Aij所代表的準則層A1，A2，…，An對目標層A的重要性，以及Ai對Aj各個要素的相對重要性均以Aij表示，反之則以1/Aij表示。Aij元素的判斷矩陣采用 1——9 的標度方法，標度如表 2 所示。

導盲杖設計的優化方案目標判斷矩陣及權重，如表3 所示，A 代表了目標層，而A1、A2、A3、A4、A5五項指標分別代表了安全性、延展性、舒適性、經濟性、易用性這5 個要素。在子準則層中，可替換為A11，可延展為A12，造型選擇為A21，人機設置為A22，材料選擇為A23，結構耐磨不易折斷為A31，信息反饋準確為A32，造型圓潤為A33，緊急情況處置為A34，局部可更換為A41，材料造價降低為A42，技術常態化為A43，容錯性高為A51、操作方式簡單為A52、界面布局明確為A53。選擇20 名目標用戶，其中5 名是產品設計師，5 名是研究產品設計相關領域的教師，5 名是視障人士，設計學方向碩士研究生5 名，使用評分方法來評估所有因素，延展性、舒適性、安全性、經濟性和易用性準則的判斷矩陣和權重，如表4～8 所示。

表3 最優方案目標判斷矩陣及權重

表4 延展性準則判斷矩陣及權重

表5 舒適性準則判斷矩陣及權重

表6 安全性準則判斷矩陣及權重

表7 經濟性準則判斷矩陣及權重

表8 易用性準則判斷矩陣及權重

表9 一致性檢驗結果

表10 目標權重排序

3.1.2 一致性檢驗

通過分析判斷，數據通過一致性檢驗。在具體的計算過程中，使用CI表示判斷矩陣的一致性指標，CR表示一致性比率，兩者需要滿足如下要求：

文章運用層次分析法分析了導盲杖設計各指標的權重值，得出對導盲杖設計影響較大的要素是人機設置。除此之外，緊急情況處置、材料選擇、可替換、結構耐磨不易折斷所占的權重值相對較高，是評價導盲杖好壞較為重要的因素。

3.2 基于TOPSIS 法的設計方案評價

研究通過AHP 法所得出各個元素的權重分析結果進行導盲杖設計，以此提高設計評估的科學性和效率。基于計算出的各個要素權重值的排序結果，運用TOPISIS 法對導盲杖的設計案例優先級進行了排序，并初步提出了3 個合理可行的導盲杖設計方案。

方案1，如圖2 所示。對于視障人士來說，在行走過程中，可以通過敲擊、觸覺來對盲道與障礙物進行判斷，但對一定高度的店鋪招牌、欄桿等未知事物的認知能力及識別能力不足，不能夠準確地理解并識別清楚，導致視障人士經常會撞到。設計一款具有紅外線識別功能的導盲杖，紅外線分布在產品上、中、下三個方向。通過手柄內設置的振動模式提醒視障人士。三個紅外線形成的紅外線網，在前行的方向上避免了視障人士的盲區，降低摔倒、撞擊產生的可能性。

圖2 導盲設計方案

方案2，如圖2 所示。在需要轉彎或前進后退的動作時，盲人無法以靈敏的動作告知路人自己前行的方向，使用傳統導盲杖需要左右揮動導盲杖，并敲擊地面以用于告訴路人自身的動作意圖。在盲人前進、左轉、右轉的行動中，通過三個轉向按鈕發出的聲音，告知其他盲人的行動路徑及行動目的。

方案3，如圖2 所示。視障人士并不能像正常人那樣公平地獲取信息資源，空間認知主要依賴于非視覺感知的綜合感受。在日常生活中，視障人士往往通過觸覺、聽覺等感官獲取各種環境信息，如聲音大小、形狀位置和方向，以及其他相關因素。通過激光感應技術，識別前方障礙并通過把手凸起盲文的變化來實時提示，對于前方突然出現的物體，利用把手的振動及時反饋信息。

3.3 基于TOPSIS 法的設計方案優選

1）以圖 1 中的評價要素為參考確定評價指標，分別為正向的可替換、可延展、造型選擇、人機設置、材料選擇、結構耐磨不易折斷、信息反饋準確、造型圓潤、緊急情況處置、局部可更換、材料造價低、技術常態化、容錯性高、操作方式簡單、界面布局明確等 15 項正指標。

2）為保證評價結果的有效性，邀請5 位按摩店的視障人士、3 位產品設計方向教授與2 位產品設計師，對3 款設計方案Di（i=1，2，3）中的15 項指標Fj（j=1，2，…，15）打分，以 10 分為滿分（0～3分表示極其不認可，3～5 分表示相對不認可，5～6分表示良好，6～8 分表示相對認可，8～10 分表示極其認可），建立初始評價矩陣，用A 表示，如表11所示。

表11 初始評價矩陣

表12 標準化評價矩陣

表13 加權標準化評價矩陣

在獲得初始評價矩陣后，利用公式（3）將上述數據進行了標準化處理，以獲得標準化矩陣Bij，如表 12 所示。

根據表 10 計算出的權重，通過公式（4）得到加權標準化評價矩陣Zij，如表 13 所示。

3）求正負理想解，令：

則正理想解如下：

負理想解如下：

由公式（5）-（8）可得出評價對象的正理想解為X+=（0.741，0.634，0.791，0.666，0.621，0.78，0.77，0.64，0.667，0.703，0.696，0.802，0.765，0.607，0.683），負理想解為X-=（0.37，0.53，0.379，0.455，0.492，0.363，0.406，0.502，0.398，0.452，0472，0.401，0.412，0.545，0.442）。

4）計算每個方案與理想解之間的距離，以及相對貼近度，各方案得到正理想解X+和負理想解X-的距離分別是：

每個方案到理想解的相對貼近度為：

根據所得到的Ci值進行排序，當Ci值較大，說明該方案更占優；Ci值越小，表明該方案更劣勢，如表14 所示。

表14 歐氏距離及相對貼進度

由表 14 可知，方案 3 明顯優于其他兩款方案。

4 結語

文章提出了 AHP 法與 TOPSIS 法相結合的導盲杖設計方法，能夠有效解決導盲杖設計中前端主觀意向評估與后端設計方案不匹配的問題。研究首先以文獻研究、專家問卷為調研基礎，結合實地調研篩查，通過AHP 法建立了較為全面、科學客觀的導盲杖設計評價指標體系，得出15 個子準則層的權重值并進行排序，以及對于視障人士來說4 個較為重要的功能需求。其次，基于層次分析法得出權重值，并對3 個方案進行了設計。最后，采用TOPSIS 法對3 個方案的權重進行排序。研究的創新之處主要體現在AHP 法和TOPSIS 法的融合，在一定程度減少了決策者對于設計方案的片面性與主觀性。方案優選評價方法相對其他產品開發設計階段具有一定的普適性。但是，在設計方案調研問卷中，會受到視障人士、產品設計研究生們等主觀因素的影響，為了提高產品設計方案的優化度，后續可以采用如對導盲杖進行產品匹配度檢驗等方法，以便獲得更加準確的結論。