基于QFD與ARIZ的適老化廚房家具設(shè)計(jì)

■宋端樹，白道靖，李 英，劉 立 Song Duanshu & Bai Daojing & Li Ying & Liu Li

(1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221000；2.中國(guó)殘疾人輔助器具中心，北京 100050）

隨著人口老齡化的加劇和居家養(yǎng)老形式的普及，適老化廚房家具產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展[1]。然而現(xiàn)有針對(duì)老年人的廚房家具產(chǎn)品相對(duì)粗糙，并且廚房家具設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，如何將老年用戶的需求與廚房家具設(shè)計(jì)特點(diǎn)相結(jié)合也成為適老化廚房家具設(shè)計(jì)必然面對(duì)的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題的解決需借助設(shè)計(jì)理論從方法論的層面構(gòu)建設(shè)計(jì)流程對(duì)適老化廚房進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)及成本的優(yōu)化配置[2]?，F(xiàn)階段常用的理論方法包括質(zhì)量功能布置（Quality Function Deployment簡(jiǎn)稱QFD）、層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡(jiǎn)稱AHP）、根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）的發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，簡(jiǎn)稱TRIZ）等。這些方法在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其自身的缺點(diǎn)也十分明顯；QFD的優(yōu)點(diǎn)在于能夠確定客戶需求，但是缺乏解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的具體實(shí)施方法[3]；TRIZ理論里的ARIZ（發(fā)明問(wèn)題解決算法，Algorithm for Inventive-Problem Solving)可以提供解決方法，但是問(wèn)題分析不明確，所以在解決設(shè)計(jì)流程中的問(wèn)題時(shí)，QFD與ARIZ有著天然的結(jié)合點(diǎn)。通過(guò)QFD與ARIZ的集成，可以將老年人在廚房家具交互中的真實(shí)需求及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行挖掘和梳理，進(jìn)而指導(dǎo)適老化廚房家具設(shè)計(jì)[4]。

1 QFD與ARIZ算法集成設(shè)計(jì)方法

1.1 理論現(xiàn)狀分析

QFD通過(guò)深入市場(chǎng)并結(jié)合矩陣圖解來(lái)挖掘用戶需求，但在設(shè)計(jì)前期獲取用戶需求方面缺少必要的“抓手”；針對(duì)這一點(diǎn)，王震將AHP與QFD結(jié)合對(duì)分揀設(shè)備質(zhì)量評(píng)估方法進(jìn)行了研究，大大提高了分揀設(shè)備的效率[5]；唐琳基于QFD與AHP相結(jié)合的方法從老年人真實(shí)需求的角度出發(fā)對(duì)健身器材造型進(jìn)行了優(yōu)化[6]，以此來(lái)彌補(bǔ)QFD在設(shè)計(jì)前期需求獲取上的不足。AHP是利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算反映每一層次元素的相對(duì)重要性次序的權(quán)值并進(jìn)行排序的方法[7]。無(wú)論是AHP還是QFD都是對(duì)用戶需求的獲取與分析，二者在將用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素的過(guò)程中都顯得相對(duì)弱。因此蘇建寧將AHP、QFD、TRIZ相結(jié)合進(jìn)行了玫瑰花蕾采摘機(jī)的設(shè)計(jì)，以解決玫瑰花蕾采摘工藝復(fù)雜化的問(wèn)題[8]；李軍在應(yīng)急救援車概念設(shè)計(jì)中運(yùn)用QFD、TRIZ、AD集成的方法，通過(guò)精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和功能綜合提高了救援車的性價(jià)比[9]；楊勤基于TRIZ理論對(duì)行李箱進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)[10]，TRIZ理論里的ARIZ可以提供解決方法，該算法主要針對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中的遇到的用戶需求不明或相關(guān)部件十分復(fù)雜的情況。它是將復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題不斷拆分，重新定義并最終轉(zhuǎn)化為物理矛盾并得出最優(yōu)解的過(guò)程。陳媛等將QFD、TRIZ、AHP 集成，提出了一個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式，并通過(guò)智能衛(wèi)浴產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。

綜上所述，本文將AHP、QFD、ARIZ相結(jié)合，以彌補(bǔ)單一設(shè)計(jì)理論方法的缺陷，來(lái)解決在具體設(shè)計(jì)中由真實(shí)的用戶需求到設(shè)計(jì)要素之間的轉(zhuǎn)化，并以此指導(dǎo)適老化廚房家具的設(shè)計(jì)。

1.2 集成創(chuàng)新具體流程

首先，將唐納德·諾曼（Donald Arthur Norman）對(duì)情感設(shè)計(jì)提出的感知、行為、體驗(yàn)三層次作為AHP理論中用戶需求研究中的準(zhǔn)則層，并將其與具體實(shí)踐相結(jié)合，得出需求層并以此制作問(wèn)卷進(jìn)行調(diào)研[12]。調(diào)研結(jié)果運(yùn)用AHP進(jìn)行權(quán)重分析，構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[13]。

其次，根據(jù)AHP獲得的用戶需求權(quán)重與產(chǎn)品特性相結(jié)合構(gòu)建功能質(zhì)量屋，由此得出用戶的綜合需求權(quán)重并指導(dǎo)適老化廚房家具的設(shè)計(jì)實(shí)踐，在質(zhì)量屋的屋頂與左墻以“●”表示特性或需求之間為有益影響，以“○”表示特性或需求之間為有害影響。

最終，利用 ARIZ 的原理進(jìn)行用戶需求之間與產(chǎn)品特性之后沖突的消除，首先將質(zhì)量屋頂部與左墻中為有害影響的需求或特性組代入ARIZ來(lái)區(qū)分技術(shù)矛盾或物理矛盾或復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題。若問(wèn)題屬于技術(shù)矛盾，則將其歸結(jié)為39個(gè)參數(shù)并運(yùn)用40個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行解決；若問(wèn)題屬于物理矛盾，則運(yùn)用4個(gè)分離原理進(jìn)行解決；若問(wèn)題屬于復(fù)雜問(wèn)題，則需構(gòu)建物場(chǎng)模型進(jìn)行分析并運(yùn)用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解來(lái)解決問(wèn)題。集成創(chuàng)新流程如圖1所示。

■圖1 集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

隨著智能化與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和老年產(chǎn)業(yè)的不斷完善，傳統(tǒng)的家居產(chǎn)業(yè)也在不斷的提高智能化水平以適應(yīng)用戶不斷發(fā)展的需求，而在適老化產(chǎn)品的研發(fā)中，智能化設(shè)計(jì)則更為復(fù)雜與困難，需借助設(shè)計(jì)理論方法建構(gòu)集成創(chuàng)新方案對(duì)具體設(shè)計(jì)流程進(jìn)行指導(dǎo)，從而在形成真正從老年用戶需求出發(fā)的設(shè)計(jì)方案。因此本文以適老化廚房家具的概念設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式的具體步驟演示。

2 運(yùn)用QFD確定設(shè)計(jì)要素

2.1 AHP獲取用戶需求權(quán)重

步驟1：構(gòu)建需求層次結(jié)構(gòu)（圖2）。運(yùn)用調(diào)查問(wèn)卷以及情境化訪談的形式對(duì)老年用戶真實(shí)需求進(jìn)行收集整理。以適老化廚房家具設(shè)計(jì)為例，第一層為目標(biāo)層：中國(guó)老年人廚房家具交互體驗(yàn)需求，然后將唐納德·諾曼的情感設(shè)計(jì)三層次作為AHP理論中用戶需求研究中的準(zhǔn)則層，即：感知層、行為層、體驗(yàn)層 。再由準(zhǔn)則層進(jìn)一步分化出需求層，即：外形美觀、色彩自然、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單感知層；安全衛(wèi)生、操作省力、學(xué)習(xí)成本低、功能多樣行為層；價(jià)格適中、維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)體驗(yàn)層。

■圖2 客戶需求層次遞階結(jié)構(gòu)

步驟2:構(gòu)建判斷矩陣。逐一將遞階層次結(jié)構(gòu)里的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，將其按照重要程度由高到低進(jìn)行排序，指標(biāo)對(duì)比標(biāo)度含義（表1）。

表1 指標(biāo)對(duì)比重要度含義

通過(guò)問(wèn)卷的形式對(duì)徐州普瑞康復(fù)醫(yī)院進(jìn)行集中調(diào)研，涉及對(duì)象共30位，其中包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究生5位、康復(fù)理療師5位、使用輪椅的老人10位、使用助行器的老人10位，最終有效問(wèn)卷26份。根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)構(gòu)建出權(quán)重判斷矩陣。并運(yùn)用判斷矩陣求解特征向量（W），再對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得出最大特征根（）判斷其合理性，具體過(guò)程為：

（1）首先正規(guī)化處理矩陣的各列，即：

正規(guī)化后，各列元素的累計(jì)均為1。（2）按行求出正規(guī)化后的各列之和，即：

（3）再正規(guī)化處理向量V=[V1, V2, …,Vn]T：

λ由此求出的[w1, w2, …, wn]T也就是權(quán)重向量。

（4）最后求解最大特征根 :

上式中（AW）i表示AW的第i個(gè)元素，n為階數(shù)。由于用戶打分可能存在差異較大而出現(xiàn)自相矛盾的情況，所以必須檢驗(yàn)一致性。

步驟3：一致性檢驗(yàn)，步驟如下：

（1）一致性指標(biāo)CI:

CI反映的是判斷矩陣偏離其主特征向量W的原矩陣的具體程度。

（2）定義隨機(jī)一致性指標(biāo)均值RI ：(表2)。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)

表中n=1,2時(shí)RI=0，是因?yàn)?,2階總是出現(xiàn)正互反矩陣一致。

（3）計(jì)算一致性比率CR:

當(dāng)CR值小于或者等于0.1時(shí)會(huì)出現(xiàn)（即CR＜0.10）即通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

結(jié)合前期對(duì)老年用戶調(diào)研的結(jié)果，運(yùn)用SPSSAU軟件求取特征向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果為W=（0.0236、0.0236、0.1602、0.1688、0.195、0.132、0.1086、0.0445、0.0629、0.0808）；且一致性指標(biāo)CR為0.0059，小于0.1, 因此計(jì)算所得權(quán)重具有一致性。

通過(guò)對(duì)需求層的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析，結(jié)果表明，在指標(biāo)重要性方面：操作省力(19.50%)、安全衛(wèi)生(16.88%)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(16.02%)、學(xué)習(xí)成本低(13.20%)、功能多樣(10.86%)、使用壽命長(zhǎng)(8.08%)、維護(hù)費(fèi)用低(6.29%)、價(jià)格適中(4.45%)、外形美觀(2.36%)與色彩自然(2.36%)的重要性逐次降低，其中重要性最高的指標(biāo)為操作省力，占比為19.50%；重要性最低的指標(biāo)為外形美觀、色彩自然，占比均為2.36%。

2.2 功能質(zhì)量屋的構(gòu)建

問(wèn)卷的第二部分是關(guān)于產(chǎn)品特性的調(diào)研，本文列舉了在適老化廚房家具設(shè)計(jì)中的29個(gè)產(chǎn)品特性，讓用戶對(duì)29個(gè)產(chǎn)品特性按照重要程度升序打分（打分范圍為1.2.3.4.5）并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取權(quán)重較高的十個(gè)作為設(shè)計(jì)的產(chǎn)品特性，結(jié)果為：A地柜下設(shè)容腿空間、B廚房適合單手操作、C廚房邊緣安裝支撐設(shè)備、D地柜設(shè)置容腳空間、E吊柜可升降、F廚房臺(tái)面高度可調(diào)節(jié)、G地柜采用趟門或抽屜、H材料易于清潔、I餐廚垃圾處理裝置、J更多的儲(chǔ)物空間。在得到需求權(quán)重與產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，將用戶需求與產(chǎn)品特性進(jìn)行兩兩比較得出綜合權(quán)重（表3）。

表3 適老化廚房家具概念設(shè)計(jì)QFD量表

經(jīng)過(guò)綜合權(quán)重分析以及產(chǎn)品特性重要程度排序可知：在需求方面，客戶對(duì)于行為層（A4，A5，A6，A7）的幾項(xiàng)指標(biāo)需求較高，說(shuō)明用戶更傾向于廚房體驗(yàn)中的操作性能；產(chǎn)品特性重要度方面廚房適合單手操作、廚房邊緣安裝支撐設(shè)備、吊柜可升降、廚房臺(tái)面高度可調(diào)節(jié)、材料易于清潔屬于核心技術(shù)措施。這說(shuō)明在進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)適老化廚房家具的操作體驗(yàn)結(jié)合核心技術(shù)措施進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

■圖3 用戶需求沖突與產(chǎn)品特性沖突

3 應(yīng)用ARIZ算法解決矛盾沖突

3.1 矛盾沖突轉(zhuǎn)化

將用戶需求與產(chǎn)品特性指標(biāo)內(nèi)部進(jìn)行兩兩比較可以看出在用戶需求之間以及產(chǎn)品特性之間存在著矛盾，如圖3中所示。在需求上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與功能多樣呈負(fù)相關(guān)；學(xué)習(xí)成本低與功能多樣呈負(fù)相關(guān)。而在產(chǎn)品特性中，地柜設(shè)置容腿空間與更多的儲(chǔ)物空間呈負(fù)相關(guān)，地柜下設(shè)容腳空間與臺(tái)面高度可調(diào)節(jié)呈負(fù)相關(guān)。將四對(duì)矛盾代入到ARIZ流程中得出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與功能多樣是一對(duì)物理矛盾；學(xué)習(xí)成本低與功能多樣屬于技術(shù)矛盾；而地柜設(shè)置容腿空間與更多的儲(chǔ)物空間、地柜下設(shè)容腳空間與臺(tái)面高度可調(diào)節(jié)則可以歸結(jié)為一個(gè)大的物場(chǎng)模型里存在的沖突（表4）。

表4 沖突問(wèn)題的轉(zhuǎn)化與解決

3.2 物理、技術(shù)矛盾解決

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與功能多樣為一對(duì)物理矛盾，可以利用空間分離原理、條件分離原理來(lái)解決，采用將廚房模塊化的方式來(lái)解決這一對(duì)物理矛盾。其中空間分離原理可以表述為將矛盾雙方在空間上進(jìn)行分離，以保證在同一空間內(nèi)只出現(xiàn)矛盾一方，將整個(gè)廚房空間進(jìn)行分離、分區(qū)，在單獨(dú)分區(qū)內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)；條件分離原理可以表述為將矛盾雙方在不同層面上進(jìn)行分離，將整個(gè)廚房空間進(jìn)行功能分區(qū)以保證結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，在每個(gè)功能分區(qū)內(nèi)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)以保證廚房家具功能多樣。所以本設(shè)計(jì)將廚房家具模塊化，功能區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，只有備餐區(qū)、清洗區(qū)與烹飪區(qū)三個(gè)區(qū)域，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一定程度上減緩了功能多樣帶給老年人的壓力，模塊化分區(qū)如圖4所示。

■圖4 模塊化設(shè)計(jì)分區(qū)

學(xué)習(xí)成本低與功能多樣屬于技術(shù)矛盾，可以采用四十個(gè)發(fā)明原理中的NO.19（離散法）和 NO.35（性能轉(zhuǎn)化法）進(jìn)行解決。其中NO.19（離散法）可以表述為將連續(xù)作用轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谧饔?，將一個(gè)漫長(zhǎng)繁雜的學(xué)習(xí)過(guò)程離散為一個(gè)個(gè)小的學(xué)習(xí)階段；NO.35（性能轉(zhuǎn)化法）可以表示為目標(biāo)物形式的轉(zhuǎn)換，例如物體由固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)換，將說(shuō)明書的形式轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽，能夠激發(fā)用戶自主學(xué)習(xí)的興趣。所以本設(shè)計(jì)將過(guò)去傳統(tǒng)的說(shuō)明書拆分成一個(gè)個(gè)的小標(biāo)識(shí)，分別位于廚房的各個(gè)功能組件上，讓使用者在操作的過(guò)程中逐步學(xué)習(xí)，分散學(xué)習(xí)壓力，具體實(shí)施方法如圖5所示。

■圖5 功能組件標(biāo)識(shí)

3.3 復(fù)雜發(fā)明問(wèn)題解決

步驟1：產(chǎn)品問(wèn)題分析。地柜設(shè)置容腿空間與更多的儲(chǔ)物空間、地柜下設(shè)容腳空間與臺(tái)面高度可調(diào)節(jié)可以歸結(jié)為一個(gè)大的物場(chǎng)模型里存在的沖突，如圖6所示。

■圖6 沖突物場(chǎng)模型

對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析，定義系統(tǒng)存在的矛盾為：地柜的設(shè)置阻礙容腿空間；臺(tái)面的升降會(huì)壓迫容腳空間。

步驟2：建立問(wèn)題模型方式。根據(jù)兩對(duì)矛盾分析空間條件和時(shí)間長(zhǎng)短等來(lái)構(gòu)成條件來(lái)用于解決問(wèn)題。設(shè)置問(wèn)題模型：改變產(chǎn)品的組合形式和擺放位置，來(lái)解決沖突。

步驟3：確定理想解。解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題需要不斷向著最終理想解改進(jìn)設(shè)計(jì)思維，針對(duì)兩個(gè)矛盾的最終理想解IFR表述為：減小地柜體積且不落地以留出容腿空間與容腳空間。

步驟4：物理矛盾解決。IFR可以很好地表述問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn) IFR為目標(biāo)，對(duì)起主導(dǎo)作用的儲(chǔ)物地柜開展設(shè)計(jì)，基于兩個(gè)矛盾均為空間的沖突，其實(shí)質(zhì)為物理矛盾，可以采用空間分離法與時(shí)間分離法來(lái)解決這一問(wèn)題，具體實(shí)施如下：地柜懸空與地面保持最少30 cm的距離，以提供有效的容腳空間。地柜使用滑軌連接在臺(tái)面上，并且地柜不占滿臺(tái)面下的空間，留出40 cm的空間，可通過(guò)滑動(dòng)地柜來(lái)留出容腿空間（圖7）。

■圖7 懸掛地柜解決方案

4 概念設(shè)計(jì)方案

在前文需求分析、核心產(chǎn)品特性挖掘以及內(nèi)部矛盾解決的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性構(gòu)思，利用計(jì)算機(jī)輔助建模、渲染。如圖8所示。

■圖8 設(shè)計(jì)方案功能示意圖

（1）模塊化設(shè)計(jì)，按照功能可分為備餐區(qū)、清洗區(qū)和烹飪區(qū)，其中各區(qū)域中的臺(tái)面可電動(dòng)升降，各區(qū)域上方的吊柜可手動(dòng)升降，以適應(yīng)不同障礙程度的老年人。

（2）各區(qū)域臺(tái)面的升降由升降按鈕控制同步升降，升降按鈕造型簡(jiǎn)單，按鈕大，使老年人無(wú)需注視僅憑借觸覺即可進(jìn)行操控。

（3）地柜使用滑軌連接在臺(tái)面上，可通過(guò)滑動(dòng)地柜來(lái)留出容腿空間。同時(shí)，地柜懸空與地面保持最少30 cm的距離，提供有效的容腳空間。憑借上述措施讓使用輪椅的老年人更好地接近臺(tái)面區(qū)域。

（4）臺(tái)面邊緣均設(shè)有助力扶手，以此來(lái)為使用助行器的老年人在烹飪過(guò)程中提供必要的助力支撐。

（5）各個(gè)功能組件上都有醒目的功能標(biāo)識(shí)，讓使用者在操作的過(guò)程中逐步學(xué)習(xí)，分散學(xué)習(xí)壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將本文提出的適老化廚房家具設(shè)計(jì)方案實(shí)體化并邀請(qǐng)老年人來(lái)參與試用與評(píng)估，收集被試?yán)夏耆说母惺芘c建議，均得到了較為正向的結(jié)果，驗(yàn)證了QFD、ARIZ的集成設(shè)計(jì)模式指導(dǎo)具體設(shè)計(jì)實(shí)踐的可行性與有效性。其中應(yīng)用AHP 對(duì)前期用戶需求進(jìn)行收集與權(quán)重排序，再將其代入QFD進(jìn)行綜合分析，最終運(yùn)用ARIZ快速尋找解決辦法。QFD與ARIZ理論方法的集成對(duì)用戶需求分析，產(chǎn)品技術(shù)措施解決方案的形成具有指導(dǎo)意義，這種集成設(shè)計(jì)模式能夠在一定程度上彌補(bǔ)單一設(shè)計(jì)理論的不足，可為相關(guān)適老化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。