基于QFD與ARIZ的適老化廚房家具設計

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

(1.江蘇師范大學機電工程學院，江蘇徐州 221000；2.中國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老形式的普及，適老化廚房家具產業也在不斷發展[1]。然而現有針對老年人的廚房家具產品相對粗糙，并且廚房家具設計具有較強的專業性，如何將老年用戶的需求與廚房家具設計特點相結合也成為適老化廚房家具設計必然面對的問題。針對這一問題的解決需借助設計理論從方法論的層面構建設計流程對適老化廚房進行研究，以實現功能、結構及成本的優化配置[2]。現階段常用的理論方法包括質量功能布置（Quality Function Deployment簡稱QFD）、層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡稱AHP）、根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）的發明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，簡稱TRIZ）等。這些方法在設計領域應用廣泛，但其自身的缺點也十分明顯；QFD的優點在于能夠確定客戶需求，但是缺乏解決設計問題的具體實施方法[3]；TRIZ理論里的ARIZ（發明問題解決算法，Algorithm for Inventive-Problem Solving)可以提供解決方法，但是問題分析不明確，所以在解決設計流程中的問題時，QFD與ARIZ有著天然的結合點。通過QFD與ARIZ的集成，可以將老年人在廚房家具交互中的真實需求及相應的設計參數進行挖掘和梳理，進而指導適老化廚房家具設計[4]。

1 QFD與ARIZ算法集成設計方法

1.1 理論現狀分析

QFD通過深入市場并結合矩陣圖解來挖掘用戶需求，但在設計前期獲取用戶需求方面缺少必要的“抓手”；針對這一點，王震將AHP與QFD結合對分揀設備質量評估方法進行了研究，大大提高了分揀設備的效率[5]；唐琳基于QFD與AHP相結合的方法從老年人真實需求的角度出發對健身器材造型進行了優化[6]，以此來彌補QFD在設計前期需求獲取上的不足。AHP是利用數學方法計算反映每一層次元素的相對重要性次序的權值并進行排序的方法[7]。無論是AHP還是QFD都是對用戶需求的獲取與分析，二者在將用戶需求轉化為設計要素的過程中都顯得相對弱。因此蘇建寧將AHP、QFD、TRIZ相結合進行了玫瑰花蕾采摘機的設計，以解決玫瑰花蕾采摘工藝復雜化的問題[8]；李軍在應急救援車概念設計中運用QFD、TRIZ、AD集成的方法，通過精簡結構和功能綜合提高了救援車的性價比[9]；楊勤基于TRIZ理論對行李箱進行了創新設計[10]，TRIZ理論里的ARIZ可以提供解決方法，該算法主要針對現實設計過程中的遇到的用戶需求不明或相關部件十分復雜的情況。它是將復雜設計問題不斷拆分，重新定義并最終轉化為物理矛盾并得出最優解的過程。陳媛等將QFD、TRIZ、AHP 集成，提出了一個產品創新設計模式，并通過智能衛浴產品進行了驗證[11]。

綜上所述，本文將AHP、QFD、ARIZ相結合，以彌補單一設計理論方法的缺陷，來解決在具體設計中由真實的用戶需求到設計要素之間的轉化，并以此指導適老化廚房家具的設計。

1.2 集成創新具體流程

首先，將唐納德·諾曼（Donald Arthur Norman）對情感設計提出的感知、行為、體驗三層次作為AHP理論中用戶需求研究中的準則層，并將其與具體實踐相結合，得出需求層并以此制作問卷進行調研[12]。調研結果運用AHP進行權重分析，構造判斷矩陣并進行一致性檢驗[13]。

其次，根據AHP獲得的用戶需求權重與產品特性相結合構建功能質量屋，由此得出用戶的綜合需求權重并指導適老化廚房家具的設計實踐，在質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 的原理進行用戶需求之間與產品特性之后沖突的消除，首先將質量屋頂部與左墻中為有害影響的需求或特性組代入ARIZ來區分技術矛盾或物理矛盾或復雜設計問題。若問題屬于技術矛盾，則將其歸結為39個參數并運用40個發明原理進行解決；若問題屬于物理矛盾，則運用4個分離原理進行解決；若問題屬于復雜問題，則需構建物場模型進行分析并運用76個標準解來解決問題。集成創新流程如圖1所示。

■圖1 集成創新設計流程

隨著智能化與互聯網的發展和老年產業的不斷完善，傳統的家居產業也在不斷的提高智能化水平以適應用戶不斷發展的需求，而在適老化產品的研發中，智能化設計則更為復雜與困難，需借助設計理論方法建構集成創新方案對具體設計流程進行指導，從而在形成真正從老年用戶需求出發的設計方案。因此本文以適老化廚房家具的概念設計為例，進行集成創新設計模式的具體步驟演示。

2 運用QFD確定設計要素

2.1 AHP獲取用戶需求權重

步驟1：構建需求層次結構（圖2）。運用調查問卷以及情境化訪談的形式對老年用戶真實需求進行收集整理。以適老化廚房家具設計為例，第一層為目標層：中國老年人廚房家具交互體驗需求，然后將唐納德·諾曼的情感設計三層次作為AHP理論中用戶需求研究中的準則層，即：感知層、行為層、體驗層 。再由準則層進一步分化出需求層，即：外形美觀、色彩自然、結構簡單感知層；安全衛生、操作省力、學習成本低、功能多樣行為層；價格適中、維護費用低、使用壽命長體驗層。

■圖2 客戶需求層次遞階結構

步驟2:構建判斷矩陣。逐一將遞階層次結構里的指標進行兩兩對比，將其按照重要程度由高到低進行排序，指標對比標度含義（表1）。

表1 指標對比重要度含義

通過問卷的形式對徐州普瑞康復醫院進行集中調研，涉及對象共30位，其中包括產品設計研究生5位、康復理療師5位、使用輪椅的老人10位、使用助行器的老人10位，最終有效問卷26份。根據相應的指標構建出權重判斷矩陣。并運用判斷矩陣求解特征向量（W），再對其進行一致性檢驗得出最大特征根（）判斷其合理性，具體過程為：

（1）首先正規化處理矩陣的各列，即：

正規化后，各列元素的累計均為1。（2）按行求出正規化后的各列之和，即：

（3）再正規化處理向量V=[V1, V2, …,Vn]T：

λ由此求出的[w1, w2, …, wn]T也就是權重向量。

（4）最后求解最大特征根 :

上式中（AW）i表示AW的第i個元素，n為階數。由于用戶打分可能存在差異較大而出現自相矛盾的情況，所以必須檢驗一致性。

步驟3：一致性檢驗，步驟如下：

（1）一致性指標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）定義隨機一致性指標均值RI ：(表2)。

表2 隨機一致性指標

表中n=1,2時RI=0，是因為1,2階總是出現正互反矩陣一致。

（3）計算一致性比率CR:

當CR值小于或者等于0.1時會出現（即CR＜0.10）即通過一致性檢驗。

結合前期對老年用戶調研的結果，運用SPSSAU軟件求取特征向量并進行一致性檢驗。計算結果為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CR為0.0059，小于0.1, 因此計算所得權重具有一致性。

通過對需求層的指標進行權重分析，結果表明，在指標重要性方面：操作省力(19.50%)、安全衛生(16.88%)、結構簡單(16.02%)、學習成本低(13.20%)、功能多樣(10.86%)、使用壽命長(8.08%)、維護費用低(6.29%)、價格適中(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為操作省力，占比為19.50%；重要性最低的指標為外形美觀、色彩自然，占比均為2.36%。

2.2 功能質量屋的構建

問卷的第二部分是關于產品特性的調研，本文列舉了在適老化廚房家具設計中的29個產品特性，讓用戶對29個產品特性按照重要程度升序打分（打分范圍為1.2.3.4.5）并對其進行統計，取權重較高的十個作為設計的產品特性，結果為：A地柜下設容腿空間、B廚房適合單手操作、C廚房邊緣安裝支撐設備、D地柜設置容腳空間、E吊柜可升降、F廚房臺面高度可調節、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更多的儲物空間。在得到需求權重與產品的基礎上，將用戶需求與產品特性進行兩兩比較得出綜合權重（表3）。

表3 適老化廚房家具概念設計QFD量表

經過綜合權重分析以及產品特性重要程度排序可知：在需求方面，客戶對于行為層（A4，A5，A6，A7）的幾項指標需求較高，說明用戶更傾向于廚房體驗中的操作性能；產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備、吊柜可升降、廚房臺面高度可調節、材料易于清潔屬于核心技術措施。這說明在進行創新設計時，需要對適老化廚房家具的操作體驗結合核心技術措施進行重點設計。

■圖3 用戶需求沖突與產品特性沖突

3 應用ARIZ算法解決矛盾沖突

3.1 矛盾沖突轉化

將用戶需求與產品特性指標內部進行兩兩比較可以看出在用戶需求之間以及產品特性之間存在著矛盾，如圖3中所示。在需求上，結構簡單與功能多樣呈負相關；學習成本低與功能多樣呈負相關。而在產品特性中，地柜設置容腿空間與更多的儲物空間呈負相關，地柜下設容腳空間與臺面高度可調節呈負相關。將四對矛盾代入到ARIZ流程中得出，結構簡單與功能多樣是一對物理矛盾；學習成本低與功能多樣屬于技術矛盾；而地柜設置容腿空間與更多的儲物空間、地柜下設容腳空間與臺面高度可調節則可以歸結為一個大的物場模型里存在的沖突（表4）。

表4 沖突問題的轉化與解決

3.2 物理、技術矛盾解決

結構簡單與功能多樣為一對物理矛盾，可以利用空間分離原理、條件分離原理來解決，采用將廚房模塊化的方式來解決這一對物理矛盾。其中空間分離原理可以表述為將矛盾雙方在空間上進行分離，以保證在同一空間內只出現矛盾一方，將整個廚房空間進行分離、分區，在單獨分區內進行系統功能設計；條件分離原理可以表述為將矛盾雙方在不同層面上進行分離，將整個廚房空間進行功能分區以保證結構清晰簡單，在每個功能分區內進行具體設計以保證廚房家具功能多樣。所以本設計將廚房家具模塊化，功能區域相對獨立，只有備餐區、清洗區與烹飪區三個區域，結構相對簡單，一定程度上減緩了功能多樣帶給老年人的壓力，模塊化分區如圖4所示。

■圖4 模塊化設計分區

學習成本低與功能多樣屬于技術矛盾，可以采用四十個發明原理中的NO.19（離散法）和 NO.35（性能轉化法）進行解決。其中NO.19（離散法）可以表述為將連續作用轉變為周期作用，將一個漫長繁雜的學習過程離散為一個個小的學習階段；NO.35（性能轉化法）可以表示為目標物形式的轉換，例如物體由固態到液態的轉換，將說明書的形式轉化為標簽，能夠激發用戶自主學習的興趣。所以本設計將過去傳統的說明書拆分成一個個的小標識，分別位于廚房的各個功能組件上，讓使用者在操作的過程中逐步學習，分散學習壓力，具體實施方法如圖5所示。

■圖5 功能組件標識

3.3 復雜發明問題解決

步驟1：產品問題分析。地柜設置容腿空間與更多的儲物空間、地柜下設容腳空間與臺面高度可調節可以歸結為一個大的物場模型里存在的沖突，如圖6所示。

■圖6 沖突物場模型

對上述問題進行分析，定義系統存在的矛盾為：地柜的設置阻礙容腿空間；臺面的升降會壓迫容腳空間。

步驟2：建立問題模型方式。根據兩對矛盾分析空間條件和時間長短等來構成條件來用于解決問題。設置問題模型：改變產品的組合形式和擺放位置，來解決沖突。

步驟3：確定理想解。解決現實問題需要不斷向著最終理想解改進設計思維，針對兩個矛盾的最終理想解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可以很好地表述問題，以實現 IFR為目標，對起主導作用的儲物地柜開展設計，基于兩個矛盾均為空間的沖突，其實質為物理矛盾，可以采用空間分離法與時間分離法來解決這一問題，具體實施如下：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面上，并且地柜不占滿臺面下的空間，留出40 cm的空間，可通過滑動地柜來留出容腿空間（圖7）。

■圖7 懸掛地柜解決方案

4 概念設計方案

在前文需求分析、核心產品特性挖掘以及內部矛盾解決的基礎上進行創新性構思，利用計算機輔助建模、渲染。如圖8所示。

■圖8 設計方案功能示意圖

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

（2）各區域臺面的升降由升降按鈕控制同步升降，升降按鈕造型簡單，按鈕大，使老年人無需注視僅憑借觸覺即可進行操控。

（3）地柜使用滑軌連接在臺面上，可通過滑動地柜來留出容腿空間。同時，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面區域。

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

（5）各個功能組件上都有醒目的功能標識，讓使用者在操作的過程中逐步學習，分散學習壓力。

5 結語

通過將本文提出的適老化廚房家具設計方案實體化并邀請老年人來參與試用與評估，收集被試老年人的感受與建議，均得到了較為正向的結果，驗證了QFD、ARIZ的集成設計模式指導具體設計實踐的可行性與有效性。其中應用AHP 對前期用戶需求進行收集與權重排序，再將其代入QFD進行綜合分析，最終運用ARIZ快速尋找解決辦法。QFD與ARIZ理論方法的集成對用戶需求分析，產品技術措施解決方案的形成具有指導意義，這種集成設計模式能夠在一定程度上彌補單一設計理論的不足，可為相關適老化產品設計提供參考。