基于贝叶斯网络的用户需求分析方法研究_胡康.pdf

第 44 卷 第 6 期 包 装 工 程 2023 年 3 月 PACKAGING ENGINEERING 33 收稿日期：20221023 作者简介：胡康（1980），男，硕士，副教授，主要研究方向为工业设计及理论研究。通信作者：刘伊天（1998），男，硕士生，主攻工业设计及理论研究。基于贝叶斯网络的用户需求分析方法研究 胡康，刘伊天，艾险峰（武汉科技大学，武汉 430065）摘要：目的目的 尝试在设计研究中引入贝叶斯网络分析工具，结合案例的统计数据计算，分析用户需求与行为的映射关系，系统设计快递包装回收的解决方案。方法方法 通过调查问卷法、观察法、访谈法对用户行为进行数据采集，结合生活方式转变机制模型，运用贝叶斯网络进行用户研究，产出需求理解，指导产品服务系统设计工作的开展。结果结果 快递包装再设计的产品基础属性、使用便捷性、系统完整程度会在很大程度上影响用户行为可持续性以及设计认同度。结论结论 通过研究形成了可持续的快递包装使用系统，帮助引导用户可持续行为，从产品全生命周期的理论角度为快递包装回收的产品服务系统设计提供了面向用户研究的全新设计思考方法，证明了贝叶斯网络在用户研究中解决不确定性问题的积极意义。关键词：贝叶斯网络；用户需求；快递包装；产品服务系统；可持续行为 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)06-0033-09 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.06.004 User Requirement Analysis Method Based on Bayesian Network HU Kang,LIU Yi-tian,AI Xian-feng(Wuhan University of Science&Technology,Wuhan 430065,China)ABSTRACT:The work aims to introduce Bayesian Network as an analysis tool in the design research and analyze the mapping relationship between user requirement and behavior combined with the statistical data and calculation results of cases,so as to systematically design the solution for express packaging recycling.By means of questionnaire,observation and interview,data of user behavior were collected.Combined with the mechanism model of lifestyle change,user re-search was carried out by Bayesian Network to produce requirement understanding and guide the design of product ser-vice system.The basic product attributes,ease of use and system integrity of express packaging redesign greatly affected the sustainability of user behavior and design recognition.A sustainable express packaging use system is constructed which is conductive to guiding the sustainable behavior of users and provides a new design thinking method for user-oriented research in the design of product service system for express packaging recycling from the theoretical per-spective of the whole life cycle of products,thus proving the positive significance of Bayesian Network in solving the uncertainty problem in user research.KEY WORDS:Bayesian Network;user requirement;express packaging;product service system;sustainable behavior 近年来，工业设计与各专业领域的交融变得更加多元化，理论方法的运用对设计工作的逻辑性与严谨性发展具有积极意义1。Kano 模型能够针对产品功能与用户需求映射展开功能的定级分类，指导产品设计决策，文献2通过结合 Kano 模型修正用户需求信息权重来完善质量功能配置方法，为设计研究提供了从需求分析到产品特征产出的研究模型。层次分析法的定性定量分析同样在用户需求权重的研究中得到了成功的运用3。用户体验研究的理论方法日趋成熟，而寻找一个新的理论形式本身存在不稳定的冲突问题，但是新的探索也是体验设计中用户需求研究进步和拓展必须迈开的又一步，对用户需求的研究仍然34 包 装 工 程 2023 年 3 月 会是设计研究的重要方向4-5。值得一提的是在用户需求表现的用户满意度问题上，上述方法在对应的样本容量、个体偏差、相关性问题研究等方面仍存在可以优化的空间。贝叶斯网络拥有更灵活的结构形式与分析方法，能够根据设计师需要的问题导向更有效地指导设计过程，并拥有较高的预测准确度6。基于贝叶斯网络对复杂系统问题的分析能力，本文拟通过构建概率模型的形式指导用户研究。1 贝叶斯网络 贝叶斯网络（Bayes Network,Bayesian Network）本质上是概率论与图论模型结合的产物，是基于贝叶斯公式解决不确定性问题的关联模型，表现形式上是经典的有向无环图模型，节点对应模型中的变量，有向边代表变量之间的依赖关系7。变量集合的联合概率分布与相互关系均可通过贝叶斯网络的学习和统计推断功能，实现预测、分类、聚类、因果分析等数据采掘8。概率论本质上是事件描述的一种数学表现形式，可以为人们的主观认知提供准确的评价方式。Pearl在 1986 年提出贝叶斯网络，提出构成人类知识的基本逻辑不是系列事物的联合概率，而是在小组命题中定义的低阶边缘概率和条件概率9，因此贝叶斯网络本身更像是人类思维逻辑的一种规范映射。在文献10-11中，贝叶斯网络将不同领域的知识抽象为概率模型，在定性定量研究中解决不确定性问题并进行推理预测，使各种应用中的问题都归结为计算概率模型中变量的概率分布，并给出了相关的网络构造方法以及网络学习的内容过程。国内关于贝叶斯网络的应用已经有了一定的研究基础，覆盖管理学、工程学、医学等多个领域，如毛子骏等12运用贝叶斯网络进行农业生产中农药问题相关的风险评估研究，分析相关风险因素，发现重要影响因子并展开风险规避研究；刘书庆等13将贝叶斯网络在处理不确定性问题上的适用性，应用于智慧城市信息安全风险评估的量化研究中，针对性地提出了关键问题与治理规划。2 基于贝叶斯网络的用户需求分析 在工业设计相关领域中，贝叶斯网络的应用研究源于神经网络、用户建模等相关跨学科技术运用研究，目前仍然处于探索阶段，相关的文献比较有限。Garces 等运用贝叶斯网络研究设计起始阶段的用户接受度问题，利用贝叶斯网络集合不同信息与数据的能力和推理性质，建立具有设计语言特征的评估体系，进而指导后续设计工作的进行14-15。同时期国内不少学者也开始关注基于贝叶斯网络的预测推理功能与机器学习的用户行为研究，包括用户行为的分类预测模型以及用户行为影响因素的路径分析16-17。用户行为分析中蕴含着用户需求研究的关键信息，因此在设计研究中贝叶斯网络的应用是具有研究价值与意义的。“以用户为中心”的设计原则，要求设计师对用户需求有准确的理解。设计师同样可以运用贝叶斯网络的因果推理，进行用户行为的调查研究分析，从统计学的角度思考不同影响因素节点与用户行为节点、用户体验节点的因果关系，同时判断影响程度，发掘用户行为中的设计点，优化用户体验。对比现有的典型设计方法，贝叶斯网络在设计活动中的运用同样具有优势：1）贝叶斯网络结构决定了方法的目的，而贝叶斯网络灵活的结构特点保证了贝叶斯网络对多种问题的应对能力，因此现阶段团队研究的贝叶斯网络更倾向于用户需求权重与满意度分析，对需求与产品特征的映射同样可以通过新的算法优化网络结构完成。2）贝叶斯网络本身是一种基于人类思维逻辑的规范映射形式，因此在网络节点确定的过程中需要对不同影响因素进行明确的分类，规范的贝叶斯网络本身在具备了 AHP 方法的优势的同时，能够有效补足AHP 方法中缺少的要素间的影响关系分析。3）贝叶斯网络的实质是概率图模型，个体偏差问题在贝叶斯方法中能够得到有效的界定，但是同样需要更庞大的样本容量来支持概率运算。4）相较于 Kano 模型依赖标准化问卷的绝对基础，贝叶斯网络的问卷调查会更加易于操作并能够进行大范围的数据分析。但与现有设计方法相同的是，贝叶斯网络仍然可以与多种方法或者算法结合进行使用，这样的复合方法同样具有很强的科学性与实用性6。其初步应用形式与方法流程见图 1。3 基于贝叶斯网络的快递包装可持续设计实例 后疫情时代，快递业的发展进一步加快，快递包装的可持续发展成为了国内外研究的热点。文献18指出消费者的心理因素对快递包装可持续使用的重要性，而从行为的角度考虑产品购买和回收，消费者的特征差异会对行为产生不同的影响。可持续行为的研究更关注用户行为与产品交互方式相关的自然环境19，同时文献20指出用户可持续行为问题在包装设计中涉及多方协调的复杂网络体系，引导相关群体行为互动的有效性与可持续性会具有更重要的意义。因此，通过产品、服务和系统的设计，实现产品策略与用户关系的动态平衡，引导用户的可持续行为会是一种解决问题的良好形式。3.1 贝叶斯网络结构构建 这一阶段贝叶斯网络方法的目标是通过估计解 第 44 卷 第 6 期 胡康，等：基于贝叶斯网络的用户需求分析方法研究 35 图 1 贝叶斯网络指导设计相关应用形式与方法流程 Fig.1 Application form and method flow of Bayesian Network guiding design 决方案概念的可接受性指数，帮助设计师确定该指数会受到哪些因素的影响，从而为概念验证过程作出贡献。根据变量之间的因果关系以及专家系统，设计师可以建立先验贝叶斯网络，进而有效结合先验知识与数据展开因果分析。3.1.1 确定贝叶斯网络节点变量 贝叶斯网络的构建需要确定变量集，也就是网络节点，这点需要在设计问卷时进行统一考虑。在用户研究中需要进行最基础的用户属性分类，这也是本次基础研究的核心。快递包装回收的设计涉及对用户行为的引导，是对用户现有生活行为方式的重构，基于生活方式转变机制模型5对用户属性进行分类，归纳出自身条件、外部环境、行为习惯、生活方式、反思属性五类用户属性进行用户研究，可将现有属性分为“用户基础属性”与“行为方式属性”两类，并针对性地进行适应性的内容调整：1）在用户基础属性中，自身条件属性可以表现为用户年龄、用户性别以及用户职业等多种表现形式；而外部环境属性的典型代表即社会政策，如表 1所示。表 1 用户基础属性 Tab.1 Basic attributes of user 属性分类节点节点属性 属性描述 A 年龄 用户年龄阶段差异 B