基于DEMATEL－ISM－TOPSIS的兒童坐姿改善產品設計研究

■周 祺，唐烽珩，朱 瑤

(湖北工業大學工業設計學院，湖北武漢 430068）

長時間的伏案書寫導致75%的學齡兒童出現錯誤坐姿，不良坐姿會對發育期兒童脊椎造成不可逆的損傷，嚴重者甚至會影響呼吸功能和神經系統［1－2］。錯誤坐姿一旦形成，會持續影響學齡兒童的學習、生活、工作，而姿態改善類產品能減輕坐姿問題導致的近視、駝背、以及相關的肌肉骨骼疾患發病概率［3-4］。在不良坐姿行為識別及改善領域，諸多學者展開了實踐，例如：孟彩茹［3］等以智能化監測機器人為研究對象，基于構型演繹法，提高了坐姿識別和坐時時長的準確率。董輝等［5］通過對人體脊柱生理結構的分析，結合姿態檢測技術，設計了可穿戴的智能矯姿系統，輔助用戶糾正不良坐姿。李帥［6］將傳感器與計時單元件運用到智能矯姿服裝系統的開發中，同時監測坐姿狀態脊柱變化和工作時長，減輕了不良坐姿對身體產生的負面影響。盧佩宜［7］等以坐姿矯正椅為實例，發現座椅腿部放置合理角度的支撐，能幫助用戶維持正確的坐姿狀態。

■圖1 學齡兒童坐姿改善產品的研究流程

但通過對坐姿改善產品的文獻整理及市場調研，發現目前設計中仍存在一些亟待解決的問題。武兆棟發現［8］矯姿坐具缺乏對人機適配性及用戶需求的研究，出現矯姿形式與兒童生理特征相違背、不同體型兒童坐姿改善效果不明顯等問題。吳建峰等［1］認為當前有關坐姿改善領域的研究，多集中于成年人在辦公環境下如何保持健康坐姿，鮮有關于兒童學習狀態下的姿態改善產品研究。本文針對上述問題，采用DEMATELISM-TOPSIS的理論模型，對該類型產品的影響因素進行層次劃分并篩選出關鍵影響因素，將其與用戶需求結合后，可提高坐姿改善方式的科學性，并據此設計契合用戶行為及心理感受的姿態改善類產品，以期為兒童坐姿改善產品的創新設計提供系統且科學的設計流程。

1 理論模型及研究流程

1.1 DEMATEL-ISM模型

決策實驗室分析法（DEMATEL），是一種利用圖論和矩陣工具，將設計要素影響程度的差異性轉化為加權有向圖的分析方法，專家依據影響因素間的邏輯關系打分并構建矩陣，通過計算各因素的原因度、中心度及權重，從多因素系統結構中識別根本影響因素。解釋結構模型法（ISM）可通過鄰接矩陣、圖形模型分析復雜系統內部層次的邏輯結構，構建出一個自下而上的多層遞階結構模型，但無法對每一層中影響因素的重要性進行判定[9-12]。為彌補這一缺點，故將ISM方法與DEMATEL方法結合，通過DEMATEL法獲取的綜合影響矩陣可對每一層因素的優先級進行劃分，再將其轉化為ISM的可達矩陣，將種類繁多、關系復雜的系統分解為若干個子系統并用簡潔明了的圖形模型展示出來，全面剖析產品設計方案中待完善的設計需求。目前DEMATEL-ISM模型已成功運用于復雜系統綜合評價、影響因素間相互作用機制分析等多個領域，可將其運用到產品設計領域中，探析用戶對坐姿改善產品的設計需求，研究影響兒童坐姿改善產品體驗性及功能性的各項因素之間的邏輯關系，增強后續設計方案的用戶滿意度。

1.2 優劣解距離法（TOPSIS）

優劣解距離法（TOPSIS）采用余弦法找出“靠近正理想解、遠離負理想解”的最優方案，將多因素影響的定性分析轉換為簡單明了的單屬性定量分析。TOPSIS是多屬性決策中的重要方法，它與DEMATEL法互為補充，能有效降低評價中因人主觀決策產生的不確定因素的影響。雖然TOPSIS法是由管理學引入并廣泛運用于產品設計的綜合評價中[13]，但基于DEMATEL-ISM-TOPSIS的研究方法尚未被運用到工業產品的設計流程中。文中利用DEMATEL-ISM法確定影響因素之間的相互作用權重并對復雜系統進行解構，再采用TOPSIS法進行載體選擇，通過設計實例進一步驗證理論模型的有效性。

1.3 兒童坐姿改善產品的研究框架

核心框架可分為三個步驟：影響因素的收集、影響因素的重要度排序、最優載體形式的推導，融合DEMATEL、ISM、TOPSIS三種理論方法對兒童坐姿改善產品進行優化設計，其流程圖如圖1所示。首先借助Citespace軟件對相關領域文獻進行整理歸納，邀請專家及用戶進行開放式訪談，收集用戶需求并構建出影響因素的指標體系；其次運用DEMATEL－ISM方法對設計要素進行結構層次劃分，提煉出關鍵影響因素，即潛在核心功能需求，進而獲取復雜系統的多層遞階結構模型；最后運用TOPSIS法對不同載體形式的設計方案進行理想度排序，結合功能需求展開設計實踐，實現科學改善學齡兒童不良坐姿并提高用戶舒適度的設計目標。

2 影響因素指標體系的建立

學齡期兒童具有年齡跨度大，生理發育速度快等特點，這一階段他們的體重和身高會出現突增現象[14]，因此對坐姿改善產品的可調節性及舒適性有較高要求，且兒童坐姿改善產品涵蓋尺寸、造型、功能等多方面的影響因素，各因素之間重要程度難以衡量。本文預借助Citespace軟件歸納出兒童坐姿改善產品的研究維度；并對相關專家學者、設計人員及潛在用戶進行開放式訪談，結合兒童生理、心理需求，對影響因素進行修改完善，建立兒童坐姿改善產品的指標體系，為因素間的重要性判斷奠定基礎。

2.1 產品研究維度的獲取

Citespace是基于Java平臺研發的一款將文獻定量分析并建立可視化知識圖譜的軟件，具備良好可視化功能[15]。通過Citespace軟件可梳理出相關研究文獻的全局特征，知曉研究方向的熱點、前沿及進展。本研究文獻數據源于知網，時間范圍限制為1993年至2023年，以“坐姿改善”“坐姿行為”“坐姿矯正”“人體坐姿”“產品設計”等為關鍵詞，檢索后有423篇文獻與主題高度相關，可用于知識圖譜的繪制和研究評述（圖2-圖3）。

對近30年高關聯度文獻根據發表時間和關鍵詞進行檢索，由其檢索結果可知：

（1）從文獻關鍵詞聚類的角度分析：坐姿改善產品聚焦于智能化的研究，涉及多學科交叉融合形成的滲透性知識。產品與人體尺度的合理性、約束腿部及大腿結構的安全性以及和材質的舒適性一直是該領域的研究重點。

（2）從關鍵詞時間線分析：坐姿改善類產品重合率最高的研究載體是座椅，應精確地細分不同用戶群體，重視差異化的用戶體驗需求?；谇嗌倌晟眢w發育特征，動態可調節的產品符合用戶預期及可持續使用原則。

（3）從產品研究維度分析：對相關文獻聚類分析后，獲取產品的高頻研究方向為：人機協調性、機械結構安全性、體感及視覺舒適性、坐姿改善系統的交互性等，可進一步提煉產品的4個研究維度，即人機維度、安全維度、交互維度、功能維度。用戶體驗、人體尺寸、系統設計一直是坐姿改善領域的重要主題，可調性、反饋提醒、坐姿監測則是該方向潛在主題。

2.2 需求分析及關鍵因素的篩選

首先通過檢索文獻對坐姿改善行為的影響因素進行分析，其次在武漢、成都兩地不同區域的高校、學習椅門店、住宅區進行開放式訪談。由于學齡兒童認知處于發展階段，故將采訪對象限制為人體工效學和兒童認知領域專家、設計師、學齡兒童父母，訪談主要內容為坐姿改善產品在人機、安全、交互、功能等維度下的痛點問題及設計建議。將收集的信息進行初步整理分析，依據層次清晰、科學系統、簡明扼要的原則對影響因素進行修正，最終提取出14個影響因素，將其分類到不同研究維度后，結果如表1所示。

表1 學齡兒童坐姿改善產品影響因素的指標體系

3 基于DEMATEL-ISM方法的影響需求模型構建

3.1 直接影響矩陣的獲取

依據德爾菲法中選取專家人數宜以15-50名的原則，向20名人體工效學和兒童認知教育的專家通過線上郵件、線下訪談的形式發放問卷。采用5級標度法，對各個因素的影響強度進行打分，得到20組影響矩陣。為盡可能保證客觀性，減小專家間的意見分歧，將20位專家對每一項影響因素的評分結果計算出均值 ，根據公式（1）得到直接影響矩陣S[S=(sij)m×n] （表2）[16]。

表2 直接影響矩陣S

式中：表示第i個指標對j個指標的影響程度，假設i=j，則Sij=0。

對回收的問卷從專家積極系數、權威程度、協調程度3個方面進行分析，結果如下：積極系數即完成問卷的專家與邀請的專家數量的比值，本次回收的有效問卷20份，專家積極系數為100%＞0.7，表明專家積極程度極高。專家的權威程度（Cr）是對各項因素的熟悉度（Ca）與判斷依據（Cs）的算術平均數（Cr=(Ca+Cs)÷2）。指標熟悉度按照Likert五級表進行評分，判斷依據則包括：理論分析、設計實踐經驗、參考國內外學者文獻、直觀感覺四個方面，具體量化方式（表3）。將收集的數據通過公式計算出20位專家權威系數的平均數為0.86≥0.7，表明所邀請專家對研究領域有深入研究。專家協調系數主要由變異系數影響，變異系數由標準差與平均值的比值構成，計算后發現專家協調系數在0.12－0.23范圍內波動＜0.25，表明這批專家的意見離散程度低，一致性較高，結果可靠性高。

表3 判斷依據及其影響量化表

3.2 綜合影響矩陣的計算

初始影響矩陣只反映各影響因素之間直接關系的有無及強弱程度，按照數理公式進一步計算的得到的綜合影響矩陣能夠分析各因素間的間接影響關系。具體操作步驟如下：首先進行歸一化處理，令矩陣S中的每一項影響因素為Sij，其次根據公式（2）可以計算出直接影響矩陣S各行、各列和的最大值并得到規范后的直接影響矩陣T[T=(tij)m×n]。直接影響矩陣自乘后，矩陣內所有值會趨近于0，表示間接影響因素的累加，根據公式（3）可將直接影響矩陣T轉化為綜合影響矩陣B[B=(bij)m×n]（表4）。

表4 綜合影響矩陣B

式中：I代表綜合影響矩陣，T代表規范化影響矩陣，I代表單位矩陣（即對角線為1其他地方為0的矩陣），其中(IT)-1為(I-T)的逆矩陣。

3.3 影響因素中心度、原因度及權重計算

通過綜合影響矩陣B可計算出各項影響指標的影響度及被影響度，指標的影響度D是矩陣B的各行累加之和，即每一行影響因素對其它因素的綜合影響度。矩陣各列累加可計算出被影響度C，即每一列影響因素受到其它因素的綜合影響度。中心度M代表了該因素在影響因素指標體系中的位置及影響作用的大小，其計算公式為M=D+C；原因度R計算公式為R=D-C，當原因度大于0時表示該因素對其它因素有較大影響，稱為原因因素，反之則稱為結果因素。最后可根據公式（4）計算出各影響因素的權重值，進一步判斷該因素在系統中是否處于核心地位，具體結果（表5）。

表5 影響因素的中心度、原因度及排名

由表5可知，中心度排名前五的因素分別是：科學管理坐姿（S13）、材料選擇（S7）、結構安全（S6）、游戲化互動（S9）、升降安全（S4），表明這5個因素作用對系統影響較大，處于指導地位[16]。原因度排名前五的因素為：數據采集（S11）、材料選擇（S7）、可調節功能（S1）、智能觸摸（S11）、游戲化互動（S9），表明這5個因素對其他因素影響較大，較少地受其他因素影響。

3.4 利用ISM方法構建多層遞階結構模型

3.4.1 可達矩陣的計算

建立多層遞階結構模型需先建立可達矩陣，為簡化系統結構，引入邊界閾值λ來篩選掉對系統影響程度偏小的因素，利用綜合影響矩陣T可以計算出矩陣的均值為0.096，標準差σ為0.080，（結果均保留小數點后3位），由此可確定閾值λ為0.176，再根據公式（5）可以構建鄰接矩陣L[L=(lij)m×n]。整體關系矩陣W［W=(wij)m×n］由鄰接矩陣L和單位矩陣I之和構成，其計算公式如（6）所示。

式中：Lij為鄰接矩陣L中的每一項元素；λ為邊界閾值，是綜合影響矩陣B中各因素的均值和標準差之和，計算公式為

借助MATLAB軟件對整體關系矩陣W進行冪運算，至到公式（7）成立，即可獲得可達矩陣H［H=(hij)m×n］，可達矩陣H能展示因素之間是否存在連接路徑；矩陣內元素數值為1，則表示某兩項因素間存在著路徑，若數值為0則表示兩元素間不存在路徑。

3.4.2 影響因素層次劃分及結果分析

依據可達矩陣H的計算結果，提取矩陣每行數值為1的影響元素為可達集合E,每列數值為1的元素為先行集合G,如公式（8）所示。依照ISM結果優先規則進行層級劃分，令可達集E與先行集G的交集為A,當可達集E中元素與其交集A中元素相等時，即為多層遞階結構模型的第一層級因素，如公式（9）所示。在可達矩陣H的行和列中分別刪除第一層級因素后，依照層級劃分原則即E(Hi)=A(Hi)繼續梳理結果,直至全部影響因素依次劃分歸類完畢，得到學齡兒童坐姿改善產品的多層遞階結構模型，再融入原因度與中心度的排序結果，繪制多層次ISM模型圖（圖4）。

層次分解的目的在于了解學齡兒童坐姿改善產品影響系統中各因素的邏輯關系，模型圖中如兩因素間存在雙向箭頭，連接方式被稱為回路。學齡兒童坐姿改善產品影響因素系統中存在3組回路：（受力均勻S2,契合脊柱曲線S3）、（升降安全S4；底盤穩定性S6，結構安全S7，材料選擇S8）、（游戲化互動S12，系統設計S13，智能觸摸S14，科學管理坐姿S16），該3組因素內部連接緊密、互相影響，在設計之初要對其進行整體研究。其次圖4呈現出同級或跨層級聯系較為復雜的關系，其中數據采集S11為本質影響因素，而游戲化互動S12、系統設計S13、智能觸摸S14、科學管理坐姿S16、按摩功能S17為臨近影響因素，能夠直接反映學齡兒童坐姿行為的改善情況。

因此，在后續設計實踐中應以S11-S1-S4-S3-S16的路徑框架進行主導研究，并將影響系統中3組交叉融合的回路進行整體設計。由于坐姿改善效果受到多種影響因素的綜合作用，S3契合脊柱曲線涵蓋承上啟下的作用，應對過渡層原因度較高的因素進行干預控制，降低坐姿改善過程中存在的不良影響。綜合DEMATEL-ISM影響模型路徑分析的結果，設計實踐應選擇具有數據采集、坐姿識別、監測功能的載體為研究主體，具備適應青春期兒童生長發育特點的可調節功能，有效解決前文所述的傳統產品無法與用戶生理特征相匹配、坐姿改善不明顯等問題。

4 學齡兒童坐姿改善產品的設計實踐

4.1 基于TOPSIS的最佳載體形式選擇

結合用戶在實際使用時的需求和上述設計方法及研究結果，有針對性地提出三種不同載體形式的設計方案，并運用TOPSIS對各方案的理想度進行排序，選擇最合適的載體以達到科學改善坐姿的效果。

方案一：為提高產品的準確性，擬設計一款具備實時壓力監測功能并判斷學齡兒童坐姿正確與否的坐具，首先對身體數據進行采集，將學齡兒童的姿態與標準坐姿進行糾正、定位；其次，實時監控坐姿行為，臀部傳感器判斷其是否存在前傾、后仰、歪到等錯誤姿勢，背部光感識別器對背部長度采集能輔助提高對用戶姿態的判斷。最后，當用戶姿態與初始測量的標準體態模型偏差過大時，會提示糾正坐姿。

方案二：為增強產品的交互性，擬設計一款桌面式的檢測儀，利用AI技術輔助提高坐姿識別的精確性。監測兒童保持健康坐姿達到一定時間，會在桌面投影動物、植物等卡通化元素與兒童互動。并且可將儀器采集的數據同步至手機端形成可視化報告，持續改善兒童不良坐姿。

方案三：為增強坐姿改善過程中的舒適性，擬設計一款坐姿矯正背心，基于人體工效學分散背部壓力，并且契合學齡兒童脊柱曲線。當兒童處于久坐狀態時，啟動降溫按摩功能，提醒兒童起身活動，適合學齡兒童長期穿著。

首先，為保證有效性和一致性，邀請前中人體工效學領域、兒童認知研究領域的專家，針對上述三種方案（載體）的每一項影響因素進行賦分，按照TOPSIS模型中與理想方案相對接近度大小，將影響因數依照坐姿改善效果劃分為：較為優秀（9-10）、良好（7-9）、一般（3-7）、較差（1-3）、糟糕（0-1）五個等級。

其次，初始評判矩陣Q[Q=(qij)m×n]由m個評價方案和n個影響因素構成，依據公式（10）得到規范決策矩陣P[P=(pij)m×n]，將其與由DEMATEL法計算出的影響因素的權重相乘得到加權評判矩陣Z[Z=(zij)m×n]，進而通過加權矩陣確定正、負理想解，流程如公式（11）-（12）所示。

式中：pij為qij占初始評判矩陣中某列因素平方和的方根比例。

式中：zij為第i個方案的第j個影響因素的加權得分

式中：X+表示矩陣Z中每列最大值，X-表示矩陣Z中每列最小值。

最后，利用式（13）-（14）求得三個設計方案滿意度的正、負理想解的歐氏距離、相對貼近度Ni值[17]，并根據Ni的計算結果對評價方案進行排序，其計算結果如表6所示。篩選出最優設計方案，將用戶訴求與系統中的本質影響因素結合，指導產出能科學改善兒童坐姿的設計產品。

表6 三種方案的相對貼近度及其正、負理想解的歐式距離

■圖5 學齡兒童坐姿改善產品的細節圖

式中：0≤Ni≤1，Ni的值越接近1表明評價方案越理想。

將三種備選方案的正理想解、負理想解排序分析后可知：方案一更接近用戶理想中的科學化坐姿改善方案，即以輔助性坐具為載體，通過兒童身體數據的采集判斷兒童坐姿行為端正與否，具備可調節功能，減少學齡期兒童使用產品時的不適配問題。

4.2 學齡兒童坐姿改善產品設計方案的確定

根據DEMATEL-ISM方法推導出應從數據采集準確性、產品調節功能的可控性以及坐姿改善效果科學性等維度進行設計實踐，而TOPSIS法篩選出產品的最佳載體形式為坐具，也與前文Citespace軟件研究頻次最高的載體-座椅相符合。針對學齡兒童的設計，在確定產品主要參數時，需參考兒童小腿加足高、坐姿肩高（背部長度）等數據，對座椅的座高、靠背高度有所限制。查閱國家標準GB/T 26158—2010《中國未成年人人體尺寸》[18]后可知：座椅最低高度以7～10歲男女性“小腿加足高”數據下限第五百分位為參考，加上鞋跟高度應增加心理余量到300mm左右；坐高上限為11～12歲男性“小腿加足高”數據第95百分位，即409mm，同理座椅靠背的高度下限為7～10歲男女性坐姿肩高數據448mm，而上限則為11～12歲兒童第50百分位509mm[19]。鑒于最新版本的《中國未成年人人體尺寸》發布已有十余年，數據存在滯后性，將座椅高度和靠背高度數據波動范圍分別劃定為：310mm-480mm、420mm-560mm。綜上，以S11-S1-S4-S3-S16的路徑框架展開研究，學齡兒童坐姿改善產品的細節圖、設計效果圖以及三視圖如圖5-圖7所示。

產品造型方面，兒童相比于成人更喜歡有趣幽默的造型，而卡通化設計是提升產品設計趣味性的重要方法，在椅背處融入卡通動物的平面圖案，采用鮮艷明亮的色彩，可提升用戶視覺、觸覺等感官通道的使用體驗。不規則的圓狀底盤增大了產品的接觸面積，提高了產品的穩定性[20-21]。

功能方面，強調了壓力識別監測坐姿的功能，壓力識別器均勻設置在坐墊承托板上，而數據處理模塊則位于承托板底部右側，實時測量兒童坐姿行為時臀部施加的壓力等數據，進而判斷用戶的坐姿與標準體態模型的偏差值，通過振動反饋傳遞坐姿矯正的信息給兒童[22-23]。壓力識別器采用磁扣連接方式放置于坐墊凹陷處，并將振動電機設置在坐墊內部距離發泡部分上表面向下10mm-20mm的范圍，利用采集的數據指導學齡兒童改善坐姿的原理圖如圖8所示。

交互方面，學齡兒童處于身體發育高峰期，對坐具的調節方式有較高要求，腳踏板可將兒童腿部抬升至合適高度，調整腿部與背部的角度，有助于培養兒童養成良好坐姿行為；可調節腰靠能讓兒童背部舒適穩定地倚靠在靠背板上，借助光感器對用戶背部數據進行采集，輔助用戶快速將坐姿調整到合適的角度；通過氣壓棒調節座椅高度以適應不同年齡階段兒童的身體尺寸，減小不良坐姿行為發生的頻率[24-25]。

5 結語

本文以改善學齡兒童不良坐姿為目的，運用DEMATEL法與ISM相結合的理論模型探析出因素間的邏輯關系，并基于TOPSIS方法篩選出最優方案，以科學系統的方法獲取了學齡兒童坐姿改善產品的各項設計因素之間的影響作用關系。最終設計的學齡兒童坐姿改善坐具，利用壓力識別器和光傳感器來提高兒童身體數據采集的精確度，通過與標準體態的對比來實現坐姿改善，相較于該領域傳統產品能為不同體型差的學齡兒童提供有效的坐姿調整，能較好地將用戶的生理需求以及審美偏好映射到功能及造型的設計實踐中。此外，針對用戶訪談階段，后續研究中可采用其他方法獲取更客觀的用戶需求并擴大樣本量。

■圖8 坐姿改善產品概念設計原理圖