基于QFD—PUGH的人機界面評價方法研究

李 惠，王時英，李娟莉

基于QFD—PUGH的人機界面評價方法研究

李 惠1，王時英2，李娟莉2

(1. 太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024； 2. 太原理工大學工業設計系，山西 太原 030024)

人機界面的設計優化包括用戶需求轉化為設計需求的準確性和設計需求形成最優方案2部分，設計評價是界面設計優化的重要手段。在當前的評價方法中，上述兩者是分階段進行，數據共享性差。針對該問題，提出一種基于質量功能展開(QFD)和PUGH決策矩陣融合的人機界面評價方法。首先運用層次分析法確定人機界面的用戶需求權重，結合界面產品特性將對應的用戶需求映射為相關設計需求；接著基于QFD構建質量屋模型，根據用戶需求和設計需求相關程度的矩陣得出界面設計需求要素的權重，實現了將用戶主觀描述的需求轉化為界面優化的設計需求；最后將QFD模型得出的設計需求及其權重作為PUGH決策評價的標準，選出最優界面設計方案，完成對人機界面設計的綜合評價。以家用跑步機的人機界面評價為例，驗證了QFD和PUGH融合的人機界面評價方法的有效性，為完整的人機界面實現過程提供了決策方法和優化思路。

質量功能展開；PUGH決策矩陣；用戶需求；人機界面評價

人機界面設計是一個以獲取用戶需求為出發點，完成用戶需求到設計需求的轉化、設計需求指導最優設計方案形成的完整過程[1]。最優化的設計方案以符合人機界面的設計原則為前提，更重要的是最大限度符合用戶需求。人機界面的設計評價為界面設計提供了方案決策依據，指明了優化方向，對于指導界面設計具有重要意義。

人機界面的設計評價通常包括用戶需求評價和界面設計方案評價2個方面，國內外學者對此開展了大量的研究和分析工作。

在需求評價方面，單鴻波和李淑霞[2]根據用戶需求調查結果采用模糊矩陣對各用戶需求進行表達，用熵處理簡化用戶需求模糊矩陣，獲取用戶需求重要度排序；高涵和許繼峰[3]通過構建老年人健康監測需求指標體系，利用層次分析法計算各需求指標的權重，結合現狀對需求重要性評價結果進行了分析，指導了健康監測產品設計；TOMDIECK等[4]使用親和力圖和映射方法分析可穿戴智能眼鏡的用戶需求，結果表明內容要求、功能要求、舒適性、體驗和阻力在開發和實施可穿戴AR應用時的不同重要度等級，為設計實踐指明了方向。

在界面設計方案的評價研究方面，文獻[5-6]使用用戶體驗方法分別評估官方商店和手機移動應用程序的用戶界面，包括性能指標、自我報告指標、行為指標和基于問題指標，評估用戶在交互時所產生的績效、感知、行為和問題，根據結果完成策略評價和界面設計建議；趙彩云等[7]從提高界面造型與企業文化融合度出發，提出基于企業意象風格、美度評價、績效測評3方面融合的健身器材界面評估標準，運用模糊層次分析法完成了多目標意向下方案的最優決策評價；袁樹植等[8]通過將灰色關聯分析法引入群層次分析法得出感性評價體系中感性指標權重，建立了一種直覺模糊集理論和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)相結合的綜合評價模型，提供了有效評價方法。

在上述相關評價方法的研究中，關于用戶需求評價與設計方案評價是相互割裂的狀態，較少關注如何以設計需求作為用戶需求與設計方案評價的結合點，將需求轉化和評價決策2部分進行融合。本文結合質量功能展開(quality function deployment，QFD)和PUGH決策矩陣(PUGH decision matrix)方法的特點提出一種人機界面評價方法，在分析用戶對于人機界面的需求前提下，將QFD方法得到的設計需求及權重作為PUGH決策評分的標準，形成了從用戶需求到最優方案的系統評價方法，并以某企業的跑步機人機界面設計方案為例驗證了該方法的完整性和可用性。

1 基于QFD-PUGH人機界面評價方法研究框架

用戶需求分析是設計評價的基礎，質量屋(the house of quality，HOQ)模型通過將主觀評價轉換為定量評價實現用戶需求到設計需求要素的轉化。本文方案評價模型主要分為QFD完成需求轉化和PUGH決策評分2部分。

(1) QFD需求轉化。為了避免信息偏差，獲取用戶需求時只對核心用戶和專業研發人員進行訪談和問卷調查，根據獲取的用戶需求進行分類整理后，首先構建用戶需求層次[9]，確定用戶需求權重值，其次基于QFD構建質量屋模型，實現需求的量化轉換。

(2) PUGH決策評分。通過構建PUGH決策矩陣對界面方案進行綜合評分排序，完成界面設計方案的最終評價。評價方法研究框架如圖1所示。

2 基于QFD確定設計需求重要度

2.1 用戶需求權重值計算

QFD是產品設計過程中實現需求轉化的重要方法，而質量屋模型是QFD方法的核心工具，通過構建質量屋模型得到設計需求相對重要度的關鍵前提為獲取用戶需求權重值，借助層次分析法的計算原理[10]求得用戶需求權重值，進而依據QFD的賦值原理完成用戶-設計需求的定量轉換。用戶需求權重計算流程如下：

(2) 計算判斷矩陣的最大特征根

其中，()為向量的第個元素；max為一致性檢驗的重要元素。

圖1 人機界面設計評價框架

(3) 避免指標相對重要度出現自相矛盾的情況，需進行一致性檢驗，＜0.10時，矩陣具有一致性，權重值有效，確定用戶需求的權重值為，一致性檢驗計算為

表1 矩陣的RI值

2.2 構建質量屋確定設計需求相對重要度

將計算得出的用戶需求權重值代入到質量屋模型(圖2)中，借助質量屋模型實現用戶需求的傳遞，通過關系程度比例賦值形成用戶-設計需求的相關矩陣，確定對應的設計需求要素及其相對重要度[12]，本文采用可用于表征用戶需求與產品特性關系最有效的0，1，3，5比例標度，表示用戶需求U與設計需求N的相關度R，其數字分別代表無相關、弱相關、中相關、強相關[13]。

設計需求N，重要度n和相對重要度v計算為

其中，為用戶需求的數量。

其中，為設計需求的數量。

圖2 質量屋模型

3 構建PUGH矩陣進行方案評價

3.1 PUGH矩陣評價原理及方法

PUGH矩陣又稱概念決策矩陣，是一種定量決策分析工具，適用于評估決策的各個階段，對設計概念進行高效、系統評估[14]。其保留了明確、有記錄的篩選過程，實現了多因素綜合評價下從大量備選方案中快速識別明顯優勢概念的目標[15]。

PUGH矩陣用于人機界面方案的選擇評價主要分為4步：

(1) 由專業評估小組成員根據QFD中分析得出的界面設計因素及權重從待評價方案中確定一個基準方案。

(2) 建立人機界面評價矩陣。其列由界面評價指標、各項評價符號的得分以及方案總得分組成，行由界面設計方案組成。

(3) 采用“+”“–”和“S”符號對方案進行評分?！?”表示可選方案在該指標下優于基準方案，“–”表示劣于基準方案，“S”表示相同[16]。

(4) 在構建好的矩陣結構表中，依照評價標準將每個界面方案的每一項評估準則與設定的基準方案一一比較。對所有方案的評分符號進行統計，并得出方案評價總分，從而獲得設計方案的優劣次序，完成方案的初步篩選[14]。

3.2 人機界面設計方案概念評分及排序

對通過初步篩選的設計方案進行綜合概念評分，完成進一步客觀詳細決策。

(1) 構建PUGH評分決策矩陣。從參與評價的方案中確定一個為參照標準，按照1～5分的評分標準對各個方案的每項指標進行評價。將通過QFD構建質量屋得出的第個設計需求的指標權重值v與第個方案的第個指標評分等級d相乘，計算不同方案每項指標的得分P，將每個方案的項指標加權得分進行求和計算，得出方案綜合評分S，即

(2) 將人機界面方案按照綜合評分進行從高到低排序，得出最佳界面設計決策及優化方向，完善設計評價流程，為新的人機界面設計提供優化理論基礎，節約設計研發時間。

4 跑步機人機界面設計實例評價

隨著全民健身理念和智能數字技術的興起，跑步機作為人們追求健康生活的首選，在發展過程中其功能也變得多樣化，主要體現在復雜的人機界面操作中，只有準確了解用戶需求才能夠提高用戶在交互過程中的滿意度。為驗證本文方法在人機界面評價的可行性，以某企業跑步機人機界面設計項目方案為例進行評價驗證。

4.1 確定跑步機人機界面用戶需求及權重

為了確保獲取的跑步機人機界面用戶需求信息具有針對性和有效性，本文選取了有長期健身經驗和跑步機使用經驗的52名資深用戶，為了減少長期使用經驗導致的習慣行為對于數據造成的主觀性影響，同時選取了28名初次使用跑步機的新手用戶進行了用戶訪談和問卷調查，其中男女性別比例為43∶37，年齡段為25～45歲。

由15名設計專業的研究生和7名教師組成設計小組，對問卷結果進行整理篩選，獲取的有效用戶需求包括按鍵形態便于運動時操作、不同跑步模式的快捷切換、實時反饋訓練效果等15項。根據親和圖法(affinity diagram,又稱KJ法)，的分類準則將初始需求作為基礎樣本分別制作成15張單獨的卡片，將內容相似的卡片劃分為一組，并制定適當的標題卡，再將內容相似的標題卡進行同組劃分并賦予標題，依次重復上述步驟，直到無法再進行合并。最后15項用戶需求分為形態、色彩、功能、情感和美學[17]5大類需求，獲得遞階層次化結構的用戶信息，見表2。

根據用戶需求的層次結構，借助層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的評分原則與矩陣構建方法，確定用戶需求的綜合權重。根據式(1)計算每一層元素相對上一層次的需求權重值，式(2)和(3)進行一致性檢驗，對形態需求1、色彩需求2、功能需求3、情感需求4和美學需求5中的各個子評價指標：1={11,12,13}，2={21,22}，3={31,32,33}，4={41,42,43}，5={51,52,53}分別進行成對比較，計算得出用戶需求權重，即

最后將第三層次需求的權重值分別與之對應的第二層次需求權重值相乘，得到各項用戶需求的綜合權重，見表3。經計算其中計算值均符合一致性檢驗。

表2 跑步機界面設計用戶需求結構表

表3 跑步機界面設計用戶需求權重

4.2 跑步機界面的設計需求需求分析

將用戶需求轉化為設計需求是構建質量屋的目標，設計小組成員結合用戶需求與界面使用特性，對家用跑步機人機界面設計需求進行映射分析和分類。以形態需求映射為例(圖3)，按鍵形態應便于在運動時操作，11的用戶需求則在設計時需考慮按鍵本身的尺寸大小是否符合人機工程學的相關對應數據，按鍵與按鍵之間的間距是否會影響跑步時操作的準確性，以及按鍵的形態在跑步時觸摸是否舒適。同理分析得出功能需求、按鍵特性、顯示屏特性和整體布局4項一級設計需求和多模式功能、數據反饋及時、觸感舒適等10項二級需求，如圖4所示。

圖3 需求映射圖

圖4 設計需求遞階層次圖

將用戶需求、綜合權重值和設計需求按照圖2的配置方式帶入質量屋，根據式(4)和式(5)計算出各項設計需求的相對重要度即設計需求權重，如圖5所示。

4.3 基于PUGH家用跑步機人機界面設計方案選擇

4.3.1 設計方案初步評價及選擇

為了確保該評價具有一定參考價值及評價結果的客觀性，邀請該企業中健身器研發項目中的8名設計師、4名技術工程師共12名專家組成決策小組，選取在相同設計需求背景下，造型風格和市場定位一致的8款家用跑步機人機界面作為待評價方案，并由12名專家小組成員經過討論、對比、綜合分析，完成對方案的初步評價，構建PUGH決策矩陣見表4。

圖5 用戶需求與設計需求相關關系矩陣

表4 跑步機界面設計方案粗篩PUGH決策矩陣

注：優于“+”；相同“S”；劣于“-”

12名專家組成員投票結果選出方案B作為基準方案，將其他方案與方案B進行比較評價，得出各方案的綜合凈分數并從高到低排序。篩掉排名最后的4個方案，最終方案A，B，F和H進入綜合概念評分階段，進行詳細的量化評價。

4.3.2 設計方案綜合評價

將問卷信息進行整理、分析和歸納，對初步篩選的4款界面設計方案，統計其在功能需求、按鍵特性、顯示屏特性和整體布局4個方面的評價數據。以方案B為評價標準方案(B的評價得分均為3)，根據5級評價標準對方案A、D、F進行評級，構建概念評分PUGH決策矩陣，結合每一指標相應的權重數值，根據式(6)和(7)計算每個方案指標對應的加權評分，見表5。

表5 跑步機界面設計方案綜合評分

據表5的數據結果，家用跑步機人機界面設計方案排序為：方案F＞方案A＞方案B＞方案H，即方案F為最優設計方案。為了進一步優化設計方案，提高跑步機界面的操作效率和用戶需求滿意度，對方案F進行改進設計。通過表6可以看到，方案F在顯示屏特性的反饋及時和觸感舒適這2項設計指標的得分較低，分別為0.250和0.060，而方案A的2項設計指標得分最高，分別為0.500和0.120。同時從圖4中可知數據反饋功能和反饋及時2項設計需求權重值較高，即相對重要度高，因此選擇方案A為主要設計參考，針對數據反饋和觸感舒適相關設計需求對方案F進行方案優化和詳細設計。

5 結 論

(1) 依據層次分析法確定人機界面的用戶需求權重，結合人機界面的設計原則將對應的用戶需求映射為相關設計需求，基于QFD構建質量屋模型，根據用戶需求和設計需求相關程度的矩陣得出界面設計需求的權重值，完成了將用戶帶有主觀情感的需求轉化為界面優化的設計需求。

(2) 運用PUGH決策矩陣完成了人機界面設計方案的初步篩選，以設計需求、需求權重和需求評級構建PUGH評分矩陣用于決策，根據評分排序結果得出了設計的最優參考方案，通過分析需求的重要程度得出設計的優化重點。

(3) 提出了一種QFD和PUGH決策矩陣融合的人機界面評價方法，將需求映射和QFD得出的設計需求及相對重要度作為PUGH決策矩陣的設計評價標準，實現了以設計需求為結合點，用戶需求轉化為設計需求和設計需求指導決策評分2部分的有機結合，為進一步人機界面的設計優化研究提供了決策方法和理論依據。

[1] 吳曉莉, 薛澄岐, 王海燕, 等. 復雜系統人機交互界面的E-C映射模型[J]. 機械工程學報, 2014, 50(12): 206-212.

WU X L, XUE C Q, WANG H Y, et al. E-C mapping model based on human computer interaction interface of complex system[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(12): 206-212 (in Chinese).

[2] 單鴻波, 李淑霞. 基于模糊集表達和熵處理的產品用戶需求評價[J]. 工程設計學報, 2005, 12(6): 329-333.

SHAN H B, LI S X. Customer requirement retrieval for product based on fuzzy sets and entropy[J]. Journal of Engineering Design, 2005, 12(6): 329-333 (in Chinese).

[3] 高涵, 許繼峰. 基于AHP的老年人健康監測系統性需求評價研究[EB/OL]. [2021-04-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/ 50.1094.TB.20200728.1157.010.html.

GAO H, XU J F. Evaluating the systematic requirements ofelderly health monitoring based on AHP[EB/OL]. [2021-04-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1094.TB.2020 0728.1157.010.html (in Chinese).

[4] TOMDIECK M C, JUNG T, HAN D I. Mapping requirements for the wearable smart glasses augmented reality museum application[J]. Journal of Hospitality and Tourism Technology, 2016, 7(3): 230-253.

[5] LESTARI R A, MUSLIM E, MOCH B N. User interface evaluation of official store for FMCG (fast moving consumer goods) products in e-commerce website using user experiebce approach[EB/OL]. [2021-01-09]. https://iopscience.iop.org/ article/10.1088/1742-6596/1516/1/012024/pdf.

[6] MUSLIM E, LESTARI R A, HAZMY A I, et al. User interface evaluation of mobile application krl access using user experience approach[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 508: 012110.

[7] 趙彩云, 李娟莉, 任家駿, 等. 基于多因素融合的健身器材人機界面評價方法研究[J]. 圖學學報, 2019, 40(5): 932-935.

ZHAO C Y, LI J L, REN J J, et al. Research on evaluation method of human-machine interface of fitness equipment based on multi-factor fusion[J]. Journal of Graphics, 2019, 40(5): 932-935 (in Chinese).

[8] 袁樹植, 高虹霓, 王崴, 等. 基于感性工學的人機界面多意象評價[J]. 工程設計學報, 2017, 24(5): 523-529.

YUAN S Z, GAO H N, WANG W, et al. Multi-image evaluation for human-machine interface based on Kansei engineering[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2017, 24(5): 523-529 (in Chinese).

[9] 趙又群, 劉英杰. 基于改進模糊層次分析法的汽車操縱穩定性主觀綜合評價[J]. 中國機械工程, 2013, 24(18): 2519-2523.

ZHAO Y Q, LIU Y J. Research on subjective evaluation indexes for vehicle handling stability based on improved analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(18): 2519-2523 (in Chinese).

[10] CHATZIMOURATIDIS A I, PILAVACHI P A. Multicriteria evaluation of power plants impact on the living standard using the analytic hierarchy process[J]. Energy Policy, 2008, 36(3): 1074-1089.

[11] 陳蔚, 劉雪嬌, 夏瑩杰. 基于層次分析法的車聯網多因素信譽評價模型[J]. 浙江大學學報: 工學版, 2020, 54(4): 722-731.

CHEN W, LIU X J, XIA Y J. Multi-factor reputation evaluation model based on analytic hierarchy process in vehicle Ad-hoc networks[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2020, 54(4): 722-731 (in Chinese).

[12] 陳亮, 竇昊, 魏煌, 等. 基于質量功能展開、發明問題解決理論和仿生學的產品創新設計[J]. 中國機械工程, 2020, 31(11): 1285-1295.

CHEN L, DOU H, WEI H, et al. Product innovation design based on QFD, TRIZ and bionics[J]. China Mechanical Engineering, 2020, 31(11): 1285-1295 (in Chinese).

[13] 張妮, 趙曉冬. 基于改進QFD的產品可持續設計模塊重要度判[EB/OL]. [2021-04-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/ 11.5946.TP.20200623.1527.038.html.

ZHANG N, ZHAO X D. Importance degree determination for product sustainable design modules based on improved QFD[EB/OL]. [2021-04-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11. 5946.TP.20200623.1527.038.html (in Chinese).

[14] 李永斌. 可穿戴式智能血氧運動指環設計與研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2015: 44-48.

LI Y B. Design and research for wearable smart oximetry sport ring[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015: 44-48 (in Chinese).

[15] 曹國忠, 劉孟然, 萬子薇. 基于進化樹的碎紙機刀具變型設計[J]. 機械設計, 2019, 36(10): 121-126.

CAO G Z, LIU M R, WAN Z W. Variant design of shredder cutter based on phylogenetic tree[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(10): 121-126 (in Chinese).

[16] ULRICH K T, EPPINGER S D. Product Design and Development [M]. 3rd. Boston: McGraw-Hill, 2004: 154-156.

[17] 謝友柏. 論設計科學[J]. 上海交通大學學報, 2019, 53(7): 873-880.

XIE Y B. Design science[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2019, 53(7): 873-880 (in Chinese).

Research on human-machine interface evaluation method based on QFD-PUGH

LI Hui1, WANG Shi-ying2, LI Juan-li2

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Department of Industry Design, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China)

The human-machine interface design and optimization consists of the transformation from user demand to design demand and the formation of the best program based on design demand. Evaluation is significant for design optimization, while in the existing studies on evaluation method, the above two parts are performed in different stages, leading to inefficiency in data sharing. For this problem, an evaluation method of human-machine interface based on quality function deployment (QFD) and the PUGH decision matrix was put forward. Firstly, the Analytic Hierarchy Process was adopted to produce the weight of user demand, and corresponding user needs were mapped to relevant design requirements based on interface product features. Then a house of quality model was built based on QFD. According to the matrix of the degree of correlation between user requirements and design requirements, the weight was obtained, and the user’s subjective description was transformed into the design requirements. Finally, the design requirements and weights derived from the QFD were employed as the criteria for PUGH decision-making evaluation, the best scheme was chosen, thus completing a comprehensive evaluation of interface design. Taking the interface of the household treadmill as an example, it shows the effectiveness of the proposed method, and provides decision-making method andoptimization ideas for the whole process of human-machine interface implementation.

quality function deployment; PUGH decision matrix; user demand; human-machine interface evaluation

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021061043

A

2095-302X(2021)06-1043-08

2021-03-09；

2021-04-13

山西省研究生教育改革研究課題資助項目(2017JG30)；山西省自然科學基金資助項目(RZ19100134)

李 惠(1994-)，女，山西大同人，碩士研究生。主要研究方向為產品造型設計和人機界面交互設計。E-mail：2998379574@qq.com

王時英(1964-)，男，山西運城人，教授，博士。主要研究方向為齒輪精密超精密加工及功率超聲加工、工業設計工程。 E-mail：wsyabcde@163.com

9 March，2021；

13 April，2021

Shanxi Province Graduate Education Reform Research Project Funding Project (2017JG30); National Natural Science Foundation of Shanxi Province (RZ19100134)

LI Hui (1994-), female, master student. Her main research interests cover product styling design and human-computer interface interaction design. E-mail：2998379574@qq.com

WANG Shi-ying (1964-),male, professor, Ph.D. His main research interests cover gear precision ultra-precision machining and power ultrasonic machining, industrial design engineering. E-mail：wsyabcde@163.com