基于AHP-QFD-FBS模型的小型除雪设备用户需求分析与设计

User requirement analysis and design of small snow removal equipment based on AHP-QFD-FBS model

摘要

为解决北方冬季城市街巷积雪场景中设备功能与用户需求脱节的问题，融合（analytic hierarchy process-house of quality—fuction-behavior structure）模型，设计了小型除雪设备。首先，采用AHP层次分析法调查并计算用户需求权重；然后，通过QFD质量屋模型将用户需求转化为设计需求权重；最后，利用FBS模型进行结构化映射，形成设计方案。结果表明，该模型有效指导了设备创新设计，显著增强了对用户需求的响应性，提高了除雪处理效率。所提出的设计流程有效解决了设备设计与用户需求的匹配问题，使方案更符合功能预期，同时降低了机械损耗和操作复杂性，提升了用户满意度。

Abstract

To address the problem of disconnection between equipment functions and user needs in the context of snow accumulation in urban alleys and streets in northern winters， a functionally optimized small-scale snow removal device was designed by integrating the AHP-QFD-FBS model. The method involved investigating user needs， establishing a user needs analysis model using analytic hierarchy process （AHP）， and calculating demand weights. The weights of user demands were introduced into the quality function deployment （QFD） quality house model to convert them into design demand weights. The function behavior structure （FBS） model was used for structured mapping of design requirements to form the final design solution. The results of the design verification of small-scale snow removal equipment show that the AHP-QFD-FBS model effectively guided the innovative design of the equipment， especially in enhancing the responsiveness of the design to user needs. It also successfully improves the equipment's snow treatment efficiency. This method not only improves snow removal efficiency， but also reduces mechanical losses and user operational complexity， enhancing overall user satisfaction.

Graphical abstract

关键词

小型除雪设备 / 用户需求 / AHP / QFD / FBS

Key words

small snow removal equipment / user needs / AHP / QFD / FBS

在我国北方寒冷地区，由于冬季降雪具有持续时间长、次数多的特点，城市道路积雪现象较为普遍^［1］。如果不及时清理，大量积雪经过汽车碾压、行人踩踏后会迅速消融、冷冻结冰，给市民出行带来了极大的安全风险。

本文根据调研得出用户的使用和设计需求，采用AHP-QFD-FBS系统模型理论建立设计流程。AHP、QFD和FBS各自具有独特的优势，近几年，AHP-QFD-FBS在产品创新和开发、规划和决策等方面得到了广泛的应用^［2］。郑林欣等^［3］构建了QFD-AHP的应用模型；熊婷婷等^［4］构建了AHP-QFD理论集成流程；李晓杰等^［5］采用层次分析法，建立了基于用户需求和品质特征的“质量屋”模型，以指导防震救灾机器人^［6-7］的研制。

许多学者对除雪设备进行了研究，一般的除雪方法有两种，即溶解法与清除法，而清除法则有手动与机械两种方式^［8-9］。Lysyannikov等^［10］提出除雪车刀片切削力成分、刀片尺寸与安装角度、切割深度和雪层物理性能等参数，用进化策略来优化除雪车刀片性能； Kinable等^［11］提出冬季道路积雪故障的约束规划公式，帮助高效管理除雪作业及冬季道路养护^［12］。

1 AHP-QFD-FBS设计流程

1.1 AHP、QFD、FBS简介

层次分析法可以将复杂的问题拆解为多个层级，确定各个因素的权重，并且最终形成决策模型。在小型除雪设备的设计研究中，应用AHP可以分析不同因素之间的层级关系，给决策提供科学依据。

QFD是质量功能展开，将顾客对产品的需求进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零部件特性的质量工程工具，指导产品的稳健设计及保证产品质量。

FBS 模型运用在产品概念设计阶段，此模式有益于产品功能细分，更准确地挖掘产品特性，便于后续产品设计的分析与评价。

1.2 AHP、QFD、FBS整合设计流程

为了将用户需求转换成产品设计需求，本文提出了一种基于AHP-QFD-FBS的设计流程，如图1所示。首先，通过层次分析法将用户需求作为最高层级，产品特性和设计需求作为下一级的子层级，建立层次分析模型；在此基础上，找出产品设计的关键点与方向。利用FBS模型细分特定的功能需求，协助设计者充分了解产品。

2 AHP用户需求分析

2.1 用户需求层次

本文首先选择10名具有相关专业背景和经验的设计师进行分组测试和头脑风暴，将获取的20项用户需求进行整理。

对上述20项用户需求进行归类整理，根据它们之间的相互关联性和相似程度整理成组，得到了12组具有高度代表性的用户需求，将小型除雪设备用户需求列为最高层，称之为目标层A；把合理性、功能性、实用性、经济性列为中间层，称之为准则层B；将使用安全、结构合理、设备环保、除雪效率高、操作简单、功能齐全、使用耐用、维护便捷、储存方便、造价低、维修成本低、运行成本低12个指标作为准则层C。

2.2 判断矩阵构建及权重确定

构建小型除雪设备的用户需求层次分析模型后，判断矩阵分析。本文邀请机械领域专家4名、机械产品设计师3名、除雪设备销售经理3名，共计10名与除雪设备研究领域高度相关的专家，并以1至9的评分方法，对4项评价级指标进行对比，比例标度表如表1所示。在理论上，根据专家的经验层次，采用各专家意见的几何平均值来构造评判矩阵。

根据构建的判断矩阵进行计算，计算公式如式（1）、（2）所示。

CI=\frac{{\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-n}{n-\mathrm{1}}(1)

CR=\frac{CI}{RI}(2)

在此基础上，得到了各个层级指标的权值W_i 、矩阵的最大特征值λ_max、一致性指数CI及一致性比率CR。在一致性比率CR<0.1的情况下，系统满足一致性要求，反之，则需要重新调整。

目标层-准则层（A-B）的判定矩阵为

A = \left[\begin{array}{cccc}\mathrm{1}& \mathrm{1.412}& \mathrm{1.429}& \mathrm{1.263}\\ \mathrm{0.708}& \mathrm{1}& \mathrm{1.792}& \mathrm{1.792}\\ \mathrm{0.700}& \mathrm{0.558}& \mathrm{1}& \mathrm{1.667}\\ \mathrm{0.792}& \mathrm{0.558}& \mathrm{0.600}& \mathrm{1}\end{array}\right]（3）

其单排序权重分别为1.230、1.190、0.876、0.705，λ_max=4.093，CI=0.031，CR=0.035<0.1，通过一致性检验。

构建B1合理性准则层对子准则层的判断矩阵，将使用安全、结构合理和设备环保进行综合分析。这3个变量两两对比后，给矩阵赋值，B1-C判断矩阵为

B₁= \left[\begin{array}{cccc}\mathrm{1}& \mathrm{2.551}& \mathrm{2.451}& \mathrm{1.635}\\ \mathrm{0.392}& \mathrm{1}& \mathrm{2}& \mathrm{0.832}\\ \mathrm{0.408}& \mathrm{0.500}& \mathrm{1}& \mathrm{0.534}\end{array}\right]（4）

其单排序权重分别为1.635、0.832、0.534，λ_max=3.060，CI=0.030，CR=0.057<0.1，通过一致性检验。

构建B2功能性准则层对子准则层的判断矩阵，将除雪效率高、操作简单和功能齐全进行综合分析，这3个变量两两对比后，给矩阵赋值，B2-C判断矩阵为

B₂= \left[\begin{array}{cccc}\mathrm{1}& \mathrm{1.818}& \mathrm{3.003}& \mathrm{1.537}\\ \mathrm{0.550}& \mathrm{1}& \mathrm{3.003}& \mathrm{1.038}\\ \mathrm{0.333}& \mathrm{0.333}& \mathrm{1}& \mathrm{0.425}\end{array}\right]（5）

其单排序权重分别为1.537、1.038、0.425，λ_max=3.040，CI=0.020，CR=0.038<0.1，通过一致性检验。

构建B3实用性准则层对子准则层的判断矩阵，将使用耐用、维护便捷和储存方便进行综合分析，这3个变量两两对比后，给矩阵赋值，综合目标层A、准则层B、子准则层C3个层级的加权系数，得到目标层A、准则层B、子准则层C各因子的权值。

3 QFD质量功能展开

3.1 QFD质量屋设计需求分析

根据小型除雪设备的用户需求，运用QFD质量功能对设计需求进行研究分析，得到如下的设计需求，即使用安全需求D1、除雪效率高E2和操作简单E3及3个需求下的具体设计需求。

3.2 基于QFD的设计需求权重分析

采用AHP方法获取目标使用者的需求权值，综合分析小型除雪装备的设计需求，构建小规模除雪装备的需求质量屋。其中，“●”“○”“△”表示使用者需求与设计需求的相关度。“●”表示关联程度较高，取值5；“○”表示中度关联，取值3；“△”表示弱相关性，取值1。如果两者之间没有关联，那么就不需要标注，取值0。

根据QFD质量功能理论，建立了小型除雪装备的质量屋模型，确定了其重要度权重。通过公式计算得出小型除雪设备质量特性权重，将小型除雪设备的用户需求权重转化成小型除雪设备的质量特性权重，构成质量屋地下室。相关计算公式为

W_j ={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^q}{W}_i{P}_{ij}（6）

W_k =\frac{W_j}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^q}{W}_j}（7）

式中：W_j 为质量特性绝对权重；q为需求数总和；W_i 为需求权重；P_ij 为相关性系数；W_k 为技术特性相对权重；W_k 为技术特性绝对权重。

经计算可以得出以下结论：在小型除雪设备设计中，组合式高效除雪装置权重为26.327，可替换除雪工具权重为25.740，操控按键简单明确权重为25.007，权重值最高，在设计过程中是重要的考察对象；模块化通用部件权重为15.659，结构链接合理权重为12.467，耐用材料权重为11.670，权重值其次，仍然是设计中的重要考察对象；驾驶防护装置权重为10.992，设备轻量化权重为9.594，自主规划检测权重为5.239，在设计中重要度相对较低，在设计中可以不作为重点。

4 FBS模型求解

4.1 小型除雪设备功能系统构建

经过以上质量屋矩阵运算，得到重点设计需求为组合式高效除雪装置、可替换除雪工具和操控按键简单明确。由此，设计需求重点归纳为除雪功能、替换功能和操控功能，作为FBS模型中的功能要素进行层级映射。

4.2 结构求解

功能-行为转化：根据QFD质量功能展开得到4项关键设计需求，在“功能-行为”的转化过程中，将其视为小型除雪设备的核心设计目标。这些预期行为可以并行或顺序进行，以满足设备在除雪过程中的各项功能需求。

行为-结构转化：基于前述功能行为关系的转化表达，接下来将用户的详细行为转化为实现这些功能所需的结构组件或模块。在充分考虑功能共性的基础上，对各个结构模块进行合理布局，明确行为和功能间的相似性和差异性，以实现结构的多功能性，减少设备体积。

5 设计实践

5.1 方案设计

为了提升除雪效率，本设备采用组合式高效除雪装置，集成了多种工作模式的切换能力。通过优化液压系统和电动驱动，设计更符合人机工程的控制面板，提升了设备的操作简便性和反应速度^［7］。

根据AHP-QFD-FBS质量功能展开理论得出的小型除雪设备设计的定量结论，着重从组合式高效除雪装置、可替换除雪工具、操控按键简单明确、模块化通用部件、结构链接合理和耐用材料等几个方面重点设计。对小型除雪设备的造型进行了全面的规划和组合设计^［8］，其规划图如图2所示。

该方案具有结构紧凑的特点，各部件布局合理，使其在各种环境中都能灵活作业。除雪效率高，可快速处理大量积雪，面对小型冰雪颗粒也能有效应对，还能将二者组合使用，充分适应不同雪况^［9］。在设计过程中，严格遵循优化设计原则，从整体架构到细节处理，都符合产品功能原理，能耗低，实现节能与高效作业的完美结合，为除雪工作提供有力支持。由于传统的除雪设备不能同时实现除雪与清扫的组合工作，需要进行拆卸并二次安装，才能实现功能的切换。此款小型除雪设备的设计可以实现除雪清扫功能一体化，其材质选择与构成图如图3所示，其设计尺寸规格如图4所示（单位：mm）。小型除雪设备整体侧面的长度设为4 583 mm；整体高度设定为2 029 mm；宽度设置为1 455 mm；组合除雪装置的宽度设为3 036 mm。

图5为小型除雪设备的作业效果图，文中方案是基于AHP-QFD-FBS理论的定性与定量结论进行的设计。小型除雪设备属小型环卫装备产品，进一步阐释了坚实、力量、安全的设计理念。此外，小型扫雪装置在一些细节上也体现出了人性化的设计理念，坚持了科学的人机互动原理，并且非常重视使用者的使用感受^［12-14］。在小型除雪设备的色彩设计中，选用橙色与黑色相结合的色彩搭配方案，黑色突显小型除雪设备造型的力量感与科技感；同时主色调橙色又能突显出小型除雪设备的环保性与安全性^［15-16］。

5.2 设计评价

通过Likert五级量表来验证此次小型除雪设备的设计方案，将用户满意度分为5个等级，选项中“不满意”到“很满意”对应分值为1分~5分，邀请10名小型除雪设备使用用户和5名专家，问卷统计各个问题结果的平均值和标准差，平均值大于3表示用户对此项设计满意度较高，达到设计要求；平均值小于3代表用户对该项设计点认可度较低，具有改进空间。标准差小于1证明评估对象意见基本一致，结果有效；标准差大于1证明评估结果需要进一步验证。设计评估结果如表5所示。所有设计点的平均满意度均高于4分，仅动力系统搭配项平均满意度为3.9分，表明用户普遍对设计方案持肯定态度。

6 结论

本文通过AHP-QFD-FBS集成模型的应用，完成了小型除雪设备从需求分析到方案实现的全流程设计。研究中，用层次分析法识别出合理性、功能性、实用性和经济性4个关键维度，质量功能的展开确定了组合式高效除雪装置、可替换除雪工具和操控按键简单明确3项核心设计要素，FBS模型则将这些要素转化为可实施的结构方案。最终设计的设备实现了除雪与清扫功能一体化，避免了传统设备需要拆卸更换的繁琐操作问题，整体尺寸紧凑，适用于城市街巷狭窄空间作业需求。本研究的局限在于专家样本量相对有限，虽已通过专业背景筛选保证评估质量，但结论的推广性仍需更大规模验证。未来可在此设计框架基础上，引入智能感知与自主导航技术，进一步拓展设备在复杂雪况下的适应能力，同时探索该方法在其他小型环卫装备设计中的应用潜力。

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基金资助

辽宁省住房和城乡建设厅软科学研究项目(LNSJSKJ-2025-018)