基于評(píng)論挖掘和TRIZ-AHP 的電動(dòng)牙刷改良設(shè)計(jì)研究

羅峰，吳正仲,2，潘國(guó)慶

（1.福建工程學(xué)院，福州 350118；2.福建省高校人文社會(huì)科學(xué)硏究基地設(shè)計(jì)創(chuàng)新硏究中心，福州 350118）

齲齒口腔疾病已被世界衛(wèi)生組織列為第三大非傳染性疾病，人們愈來(lái)愈重視口腔衛(wèi)生健康。電動(dòng)牙刷因較傳統(tǒng)手動(dòng)牙刷更能有效清潔牙周的細(xì)菌和污物而廣受大眾青睞，2020 年我國(guó)電動(dòng)牙刷市場(chǎng)規(guī)模同比增長(zhǎng)22%，至2022 年將可突破200 億元[1]；相比歐美國(guó)家電動(dòng)牙刷滲透率（近40%），我國(guó)僅有10%，綜上，我國(guó)電動(dòng)牙刷產(chǎn)業(yè)具有相當(dāng)可觀的發(fā)展前景。

隨著互聯(lián)網(wǎng)電商的蓬勃發(fā)展，數(shù)以千計(jì)的產(chǎn)品評(píng)論所形成的海量網(wǎng)絡(luò)評(píng)論文本向?qū)W術(shù)研究界提供了一種低成本、高效率、大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘方式[2]。Ren[3]采用NVivo 分析法通過(guò)對(duì)如家酒店的網(wǎng)絡(luò)評(píng)論，獲取消費(fèi)者對(duì)酒店的聚焦點(diǎn)和潛在需求。Sohns 等[4]為了分析顧客對(duì)郵輪旅游的關(guān)注焦點(diǎn)，運(yùn)用文本挖掘工具獲取郵輪評(píng)論，從而為旅游產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)提供決策。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)分析是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文本分析的一種方法，可透過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖從中發(fā)現(xiàn)價(jià)值點(diǎn)[5]。在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)（關(guān)鍵詞）表示對(duì)象、概念，邊表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，從而可將產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)的形式連接為一個(gè)整體，直觀地呈現(xiàn)出此評(píng)論網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系，并且通過(guò)觀察某一結(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中的中心程度，提煉其重要度，從而可以掌握該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)、重點(diǎn)等信息[6-9]。因此，本文將python 網(wǎng)絡(luò)爬蟲所獲取的電動(dòng)牙刷評(píng)論通過(guò)文本分析創(chuàng)建語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)[10]，從而進(jìn)一步分析并提取該產(chǎn)品領(lǐng)域的研究主題、設(shè)計(jì)目標(biāo)及需求準(zhǔn)則。

TRIZ 理論目前被諸多學(xué)者廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的功能、造型等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。張建敏等[11]通過(guò)挖掘消費(fèi)者對(duì)旋耕機(jī)的感性意象來(lái)確定功能需求，并結(jié)合TRIZ 對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新改良。Renaud 等[12]運(yùn)用TRIZ 針對(duì)汽車嬰兒座椅安全性的功能進(jìn)行優(yōu)化；Hartono 等[13]通過(guò)TRIZ 理論進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效降低了設(shè)計(jì)解決方案與消費(fèi)者需求之間的量化誤差。層次分析法（AHP）是一種用于評(píng)價(jià)多方案最優(yōu)者的決策方法，可對(duì)備選方案進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和定量排序，從而進(jìn)行優(yōu)劣等級(jí)定性評(píng)價(jià)，將得到的最優(yōu)方案作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)[14]。吳儉濤等[15]將AHP-QFD 和TRIZ 相結(jié)合研究清掃車的外觀設(shè)計(jì)；ROSLI 等[16]運(yùn)用AHP-TRIZ 方法對(duì)汽車門板進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究；辜俊麗等[17]也將AHP 與TRIZ 相結(jié)合，用來(lái)研究殘障人輪椅的設(shè)計(jì)。因此，本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)文本分析得到用戶需求后提取解決指標(biāo)，再運(yùn)用TRIZ 理論結(jié)合物-場(chǎng)模型、物理矛盾等方法進(jìn)行電動(dòng)牙刷創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最終通過(guò)AHP 對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論所得方案進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估。因此，評(píng)論挖掘與TRIZ-AHP 相結(jié)合的集成研究，不僅可精準(zhǔn)定位用戶產(chǎn)品需求，更有利于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)施和評(píng)價(jià)，亦是本研究的一大亮點(diǎn)。

1 研究框架

首先通過(guò)pthon 在京東商城爬取以“電動(dòng)牙刷”為關(guān)鍵詞的用戶評(píng)論，在文本分析方面，本文借助ROST CM 6.0 工具，進(jìn)行共詞分析，將共現(xiàn)矩陣生成共詞語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步分析提煉研究主題和功能需求，并提取相關(guān)指標(biāo)，作為AHP 層級(jí)結(jié)構(gòu)模型中的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層；然后采用TRIZ 理論，對(duì)目前產(chǎn)品技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行功能分析、因果分析，利用技術(shù)矛盾、物-場(chǎng)模型、物理矛盾等方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，形成初步解決方案，提取為方案層；層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建后，邀請(qǐng)國(guó)家二級(jí)創(chuàng)新工程師和教授等專家，通過(guò)AHP法對(duì)解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，以尋求最優(yōu)方案解，最終確定設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行產(chǎn)品建模[18]。研究框架見(jiàn)圖1。

圖1 研究框架圖Fig.1 Research framework

2 基于評(píng)論挖掘的產(chǎn)品功能需求分析

2.1 評(píng)論采集

在京東商城以“電動(dòng)牙刷”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，針對(duì)飛利浦、歐樂(lè)B、小米等20 個(gè)品牌，每個(gè)品牌按照評(píng)論量降序排列，分別爬取前10 個(gè)產(chǎn)品，總計(jì)200 款產(chǎn)品鏈接，抓取到真實(shí)的評(píng)論條數(shù)為21.582 7萬(wàn)條，并建立評(píng)論語(yǔ)料庫(kù)，以用于接下來(lái)的數(shù)據(jù)分析。

2.2 文本分析

在文本分析中主要進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)、共詞矩陣和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的生成，根據(jù)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析。運(yùn)用ROST CM 6.0 工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)評(píng)論txt 文本進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)分析。將得到的詞頻降序排列，取前15 個(gè)關(guān)鍵詞，得到高頻詞表，見(jiàn)表1。可得：高頻詞匯主要有清潔效果、外觀、使用體驗(yàn)、功能等。其中“清潔”“效果”“干凈”等關(guān)鍵詞在評(píng)論文本中占比最大，因此清潔效果集中反映了消費(fèi)者對(duì)牙刷的核心需求。

表1 詞頻統(tǒng)計(jì)Tab.1 Word frequency count

接下來(lái)統(tǒng)計(jì)共現(xiàn)詞頻（一對(duì)詞兩兩統(tǒng)計(jì)其在同一文本內(nèi)容中出現(xiàn)的次數(shù)），從大到小依次排列，取前15 個(gè)共詞，得到共現(xiàn)詞頻表，見(jiàn)表2。根據(jù)共詞分析法，在15 對(duì)高頻共現(xiàn)關(guān)鍵詞中，7 對(duì)關(guān)鍵詞直接體現(xiàn)了清潔效果這一主題，因此可將其作為該產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

表2 共現(xiàn)詞頻統(tǒng)計(jì)Tab.2 Co-occurrence word frequency statistics

在共詞語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)分析中，根據(jù)共現(xiàn)矩陣生成語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖2。由網(wǎng)絡(luò)分析可得，在網(wǎng)絡(luò)圖的中心區(qū)域周圍分布有清潔、效果、操作、外觀等關(guān)鍵詞。相對(duì)邊緣的位置分布有設(shè)計(jì)、性價(jià)比、時(shí)間等。從共詞網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中心性和凝聚子群兩個(gè)方面分析可得，清潔仍是電動(dòng)牙刷產(chǎn)品領(lǐng)域反映的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

圖2 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Semantic network diagram

2.3 提取設(shè)計(jì)目標(biāo)及需求準(zhǔn)則

通過(guò)以上詞頻分析法、共現(xiàn)詞頻分析法及共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析法可得，人們對(duì)牙刷的根本功能需求還是在于清潔效能，因此在這里將清潔指數(shù)作為AHP 層次結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)層；同時(shí)，共現(xiàn)詞頻分析顯示，“清潔-效果”和“清潔-干凈”“簡(jiǎn)單-操作”和“操作-方便”“牙刷-舒服”等詞對(duì)的詞頻較高，反映了廣大用戶對(duì)于該產(chǎn)品的潛在需求，由此可提取出高效性、舒適性、易用性三大準(zhǔn)則，作為AHP 層次結(jié)構(gòu)模型中的準(zhǔn)則層。

3 基于TRIZ 理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 問(wèn)題描述

通過(guò)對(duì)電動(dòng)牙刷市場(chǎng)進(jìn)行線上線下的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如今電動(dòng)牙刷市場(chǎng)主要分為旋轉(zhuǎn)式和震動(dòng)式。其中以O(shè)ral-B 為主導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)式牙刷，其主要采用普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)，存在頻率、扭力不高，噪音大的缺點(diǎn)，同時(shí)在人為使用中，由于刷頭360°旋轉(zhuǎn)作用于牙齒表面，接近于橫刷刷牙方式，這不僅會(huì)在一定程度上對(duì)牙齒造成磨損，嚴(yán)重的還可能會(huì)引發(fā)牙周病[19]。而以Philips品牌為首的市場(chǎng)主流式震動(dòng)式牙刷，其由電機(jī)驅(qū)使，使輸出軸上的偏心塊失去平衡，形成高頻機(jī)械振蕩從而帶動(dòng)刷頭產(chǎn)生振動(dòng)，但由于震幅受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般振動(dòng)頻率不高；而要想提高清潔效率，則需要提高震頻強(qiáng)度，這又會(huì)在一定程度上對(duì)牙釉質(zhì)造成磨損，甚至?xí)ρ例l而引發(fā)牙齦出血[20-21]。因此，針對(duì)上述市場(chǎng)中震動(dòng)式電動(dòng)牙刷所反映的一系列矛盾問(wèn)題，需以triz 理論結(jié)合物場(chǎng)模型、物理矛盾和技術(shù)矛盾等分析工具進(jìn)行科學(xué)合理解決。

3.2 TRIZ 應(yīng)用分析

3.2.1 物-場(chǎng)分析法求解

通過(guò)對(duì)電動(dòng)牙刷的技術(shù)分析和問(wèn)題描述，針對(duì)震頻問(wèn)題，首先將其轉(zhuǎn)化為物場(chǎng)模型（見(jiàn)圖3），其中S1 為電機(jī)馬達(dá)，S2 為刷頭，F(xiàn)1 為機(jī)械場(chǎng)，S1 對(duì)S2產(chǎn)生振動(dòng)作用。由于振動(dòng)裝置受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般振動(dòng)頻率不高，因此可確認(rèn)該模型為“作用不足”的物場(chǎng)模型。

圖3 物場(chǎng)模型圖Fig.3 Physical field model diagram

可采用標(biāo)準(zhǔn)解法體系中5 種標(biāo)準(zhǔn)解類型的第二類級(jí)別（增強(qiáng)物場(chǎng)模型）中的第四子級(jí)，即利用磁場(chǎng)和鐵磁材料，引入磁鐵物質(zhì)。圖4 為改進(jìn)后的物場(chǎng)模型。

圖4 改進(jìn)后的物場(chǎng)模型Fig.4 Improved object field model

具體設(shè)計(jì)方案為：采用磁懸浮聲波電機(jī)。其技術(shù)原理是將電磁線圈繞于定子，轉(zhuǎn)子作為純懸浮結(jié)構(gòu)，通過(guò)電磁場(chǎng)變化帶動(dòng)轉(zhuǎn)子往復(fù)式旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，以傳動(dòng)軸帶動(dòng)刷頭震動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子體積小，其頻率得以大幅提升，而且還能通過(guò)軟件控制電流來(lái)調(diào)整頻率，也可在一定程度上消除對(duì)牙齒的有害作用，更符合用戶需求及體驗(yàn)。

3.2.2 物理矛盾分析

物理矛盾是指同一參數(shù)由于具有相異的要求，從而表現(xiàn)不利于理想需求而引發(fā)的矛盾。采用物理矛盾進(jìn)行描述：針對(duì)震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)而言，若震頻高，則清潔效率強(qiáng)；但要滿足對(duì)牙齒和口腔的傷害降至在合理范圍內(nèi)，則需要在一定程度上削弱震動(dòng)強(qiáng)度。

可采用系統(tǒng)級(jí)別分離中的組合原理。通過(guò)引進(jìn)旋轉(zhuǎn)式刷頭電機(jī)，將其作為子系統(tǒng)分離到超系統(tǒng)中，把原有技術(shù)中的震動(dòng)馬達(dá)作為系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)-超系統(tǒng)式分離。設(shè)計(jì)方案為：在機(jī)身原有的振動(dòng)電機(jī)的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)使圓形刷頭在牙齒上進(jìn)行微弱壓力的旋轉(zhuǎn)，可增強(qiáng)物理摩擦效果，達(dá)到提升清潔牙齒的效果。

3.2.3 技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾是指在某一技術(shù)系統(tǒng)中，兩個(gè)參數(shù)相互排斥，即當(dāng)某一個(gè)參數(shù)改善時(shí)，另一個(gè)參數(shù)引發(fā)惡化從而形成矛盾。以技術(shù)矛盾進(jìn)行描述：若要增強(qiáng)震頻，一方面可提高清潔效能，另一方面由于震動(dòng)強(qiáng)度帶來(lái)的力，勢(shì)必會(huì)在一定程度上對(duì)人體口腔中牙齒軟硬組織造成損傷而引發(fā)相關(guān)不適，因此，提取到的改善參數(shù)和惡化參數(shù)分別為聲波震動(dòng)形成的沖擊力和對(duì)牙齒的有害作用。

解決技術(shù)矛盾通常將歸納的改善和惡化兩個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為阿奇舒勒工程技術(shù)參數(shù)，再代入39×39 矛盾矩陣表查找對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理[22]，見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)轉(zhuǎn)化匹配表Tab.3 Parameter conversion matching

由矛盾沖突矩陣表可得，可適用于解決上述沖突的發(fā)明原理有：13.反向操作、3.局部質(zhì)量、36.相變、24.借助中介物。選擇13.反向操作和24.借助中介物作為技術(shù)矛盾分析法的發(fā)明原理，并參照原理解釋，進(jìn)行設(shè)計(jì)思路：

1）反向操作原理。引進(jìn)一種豎立旋轉(zhuǎn)式刷頭，即將傳統(tǒng)刷頭的平面橫向轉(zhuǎn)動(dòng)改為豎向順齒刷式，其在一定程度上類似于巴氏科學(xué)刷牙法。

2）借助中介物原理。牙垢在口腔醫(yī)學(xué)上稱之為牙結(jié)石，主要由磷酸鈣、碳酸鈣等無(wú)機(jī)物構(gòu)成，以此思路，提出在刷頭部件內(nèi)置細(xì)孔密網(wǎng)納物裝置，用以放置牙齒清潔物質(zhì)，在刷毛轉(zhuǎn)動(dòng)下，將中介物揮發(fā)至整個(gè)口腔中，從而起到清潔牙齒的效果。上述解決方案見(jiàn)表4。

表4 發(fā)明原理闡述及沖突解決方案Tab.4 Principle of invention and conflict resolution

3.3 方案提取

通過(guò)以上模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，所得方案匯總見(jiàn)表5，并將解決方案提取為結(jié)構(gòu)層次模型中的方案層，以用于后續(xù)對(duì)所有方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及決策。

表5 設(shè)計(jì)方案匯總Tab.5 Design scheme summary

4 基于AHP 法的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

4.1 層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

將提升清潔指數(shù)作為目標(biāo)層；根據(jù)消費(fèi)者需求，將提取到的高效性、舒適性、易用性作為準(zhǔn)則層；將TRIZ 理論所得解決方案作為方案層。具體層次結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。

圖5 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Hierarchical structure model

4.2 構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重分析

將目標(biāo)層用X表示，準(zhǔn)則層用Yi（i=1,2,3,…）表示，方案層用Zj（j=1,2,3,…）表示，對(duì)層次結(jié)構(gòu)模型中的各因素采用9 標(biāo)度法進(jìn)行賦值。為了使決策結(jié)果更具科學(xué)性，由國(guó)家二級(jí)創(chuàng)新工程師（1 位）、機(jī)械工程博士教授（2 位）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)教師（3 位）和設(shè)計(jì)學(xué)科研究生（6 名），合計(jì)12 位專家進(jìn)行賦值[23]，最終構(gòu)造的判斷矩陣見(jiàn)表6—9。

表6 X 目標(biāo)層判斷矩陣Tab.6 X target level judgment matrix

表7 Y1 準(zhǔn)則層判斷矩陣Tab.7 Y1 criterion level judgment matrix

表8 Y2 準(zhǔn)則層判斷矩陣Tab.8 Y2 criterion level judgment matrix

表9 Y3 準(zhǔn)則層判斷矩陣Tab.9 Y3 criterion level judgment matrix

表10 一致性比率Tab.10 Consistency ratio

最終得到各方案的權(quán)重值（見(jiàn)表11），其中方案C 權(quán)重最高。

表11 方案最終權(quán)值Tab.11 Weight of final scheme

4.3 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，本研究形成最終的設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖6），主要包含：采用立體豎式旋轉(zhuǎn)刷頭；刷頭蓋帽采用細(xì)孔密網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)。具體分析如下：

1）技術(shù)原理。豎式順齒旋轉(zhuǎn)式刷頭主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)組件構(gòu)成（見(jiàn)圖7），采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)組件包括與電機(jī)輸出軸連接的輸出齒輪、減速齒輪及連桿裝置。工作流程為旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)換成往復(fù)式轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使刷頭形成周期性豎旋。采用力矩檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)超壓停機(jī)功能。

圖7 結(jié)構(gòu)分解示意圖Fig.7 Structure decomposition diagram

2）人機(jī)分析。刷蓋（見(jiàn)圖6 細(xì)節(jié)放大處）設(shè)計(jì)基于擋板理念，即用戶在使用該豎旋刷頭進(jìn)行順齒刷時(shí)，一方面可借助擋板減輕口腔外部肌肉對(duì)刷毛的阻力，另一方面能夠防止牙膏泡沫飛濺，以及防止刷毛對(duì)口腔內(nèi)壁造成損傷。同時(shí)刷頭蓋帽采用細(xì)孔密網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)，目的是可供用戶通過(guò)打開機(jī)蓋進(jìn)行填充牙齒清潔物質(zhì)，待深入口腔后，可經(jīng)細(xì)網(wǎng)孔滲滿整個(gè)口腔。采用力矩檢測(cè)電路，為了防止用戶刷牙力度過(guò)大，通過(guò)減小扭矩，從而使電機(jī)自動(dòng)衰減降速，降低對(duì)牙齒的傷害。

圖6 設(shè)計(jì)效果圖Fig.6 Design effect diagram

5 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的本質(zhì)是以用戶為中心，本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)評(píng)論挖掘和文本分析技術(shù)可高效地從大數(shù)據(jù)中定位人們對(duì)電動(dòng)牙刷產(chǎn)品關(guān)注的焦點(diǎn)，從而精準(zhǔn)挖掘用戶的功能需求；再以TRIZ 理論根據(jù)電動(dòng)牙刷技術(shù)領(lǐng)域存在的問(wèn)題矛盾對(duì)應(yīng)發(fā)明創(chuàng)新原理進(jìn)行求解，可更具邏輯性、科學(xué)性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)；依據(jù)層次分析法，以客觀的定量分析來(lái)掌握解決方案的最優(yōu)解，有利于設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)改良；最終設(shè)計(jì)出一款符合高效清潔、人機(jī)體驗(yàn)的電動(dòng)牙刷。綜上，本文的評(píng)論挖掘與TRIZ-AHP 結(jié)合的集成研究，為研究者快速聚焦產(chǎn)品熱點(diǎn)提供了借鑒，為電動(dòng)牙刷功能性產(chǎn)品的改良設(shè)計(jì)提供了思路，同時(shí)也為相關(guān)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究提供了輔助與指導(dǎo)。