集成AHP/QFD/FBS的老年洗浴輔助設備創新設計及評價

■黃勁松，劉 琳，李曉英

(湖北工業大學工業設計學院，湖北武漢 430000）

我國已經進入深度老齡社會，隨著社會發展越來越多的老年人追求更高的生活質量，注重豐富的物質和精神生活。抽樣調查結果顯示90.8%的老年人在獨立完成洗浴活動方面有困難，洗浴作為基本的日常活動亟需得到幫助[1]。養老機構環境中介助型老人所占的比例較大，介助型老人日常行為依靠拐杖、輪椅、扶手等輔助設施，其行動以及各項操作技能緩慢甚至笨拙[2]，提高這類老年群體的無障礙照護水平，是實現老年群體高質量生活的重要指標。

目前，我國大部分養老機構的適老化洗浴輔具為功能較為單一、產品靈活度較差的浴椅和助力輔具，適合低齡健康老人，洗浴形式為普通的花灑式淋浴，在調節水流方向和水溫方面不利于老年群體的使用。針對洗浴過程中的適老化和安全性問題，借助設計理論模型整合設計流程可以得到產品的最優功能結構配置。QFD和FBS在解決設計問題時具有各自的特點，本研究將兩種設計理論模型的優勢進行融合，以老年洗浴輔助設備為實例進行應用，得出滿足適老化、獨立性、安全性和智能化需求的設計方案，驗證了集成AHP/QFD/FBS模型的產品設計方法在解決類似設計問題上的可能性。

1 AHP/QFD/FBS集成理論基礎

AHP將問題的因素按層級關系兩兩比較構造判斷矩陣，然后求出各層次判斷矩陣的特征向量和最大特征值，計算各層次中各因素的權重[3]，將復雜的問題評價分解成量化的評價對象合集[4]。該方法定性定量結合，對問題決策有較強的導向性[5]。

QFD是一種需求分析方法，將設計需求轉化為產品的質量特性，從而幫助設計人員或工程人員更好地從事產品的創新設計。根據用戶需求得出與其相關的產品質量特性，并研究用戶需求與質量特性之間的關系,從而量化設計語言[6]。

FBS模型研究“功能—行為—結構”三個變量之間逐級映射的關系。實施FBS模型的映射時，一個確定的功能可以推導相應的行為和結構，同理，一個確定的結構也可以逆推出相應的行為和功能[7]。“行為”作為聯系功能與結構之間的紐帶，一般由用戶旅程圖來研究表現出預期行為。

QFD與FBS作為常用的設計理論模型，在解決設計問題時具有各自的特點：QFD能夠指出設計方向，但無法推導出具體的設計解決方法；FBS可以進行用戶需求的轉化與映射，但在前期無法對用戶需求進行分析。對QFD和FBS進行融合應用能夠更科學有效地解決設計問題[8]。

2 集成AHP/QFD/FBS模型的構建

2.1 基于AHP的用戶需求權重分析

將調研獲取的用戶需求進行整理分類并構建層次判斷矩陣。用前一層次的用戶需求作為比較標準，對同一層次的各項用戶需求進行兩兩比較，用aij表示用戶需求URi與URj的相對重要性。運用層次分析法計算獲得需求權重，計算過程如下[9]：

(1)根據比較結果得到同一層次n個評價指標的判斷矩陣。

(4)根據式④計算出最大特征根λmax。

判斷矩陣的最大特征根對應的特征向量（歸一化后）作為因素的權重向量，其中根據式⑤計算出最大特征根λmax。

(5)為保證相對重要度打分評價的準確性，應進行一致性檢驗，計算各判斷矩陣的一致性比率CR，即：

其中：CI表示一致性檢驗的指標；n表示為判斷矩陣A的階數；RI的取值見表1。當計算得出的CR＜0.1時，則判斷矩陣通過一致性檢驗，否則應對判斷矩陣的數值進行修正。

表1 隨機一致性指標

2.2 基于QFD的質量特性分析

(1)根據調研獲取的用戶需求和相應產品特性來分析確定產品的各項質量特性(Quality Characteristic，QC)，設βij表示用戶需求URi與質量特性QCj之間的相關關系大小，則質量特性QCj的權重Qj為：

其中：i=1,2,…,n, j=1,2,…,m; m代表質量特性的數量。Qj表示各項質量特性的權重。

(2)通過計算得到質量特性后，將結果利用公式⑨進行歸一化處理。

其中：qj表示相對權重。

2.3 FBS映射轉化

通過FBS的“功能—行為—結構”映射轉化，可以將QFD模型得出的質量特性轉化為結構特征，FBS模型的三個變量分別定義為：

(1)功能（Function）：由用戶需求得出的設計目標，本文中是指應用QFD模型得出的質量特性。

(2)行為（Behavior）：設計對象達到設計目標所產生的用戶預期行為[10]，本文通過用戶旅程圖分析用戶預期行為。

(3)結構（Structure）：包括產品設計方案的結構，也包括由功能和行為映射得到結構。

3 集成AHP/QFD/FBS的設計方法應用實踐

3.1 老年洗浴輔助設備的用戶需求獲取

通過設計5W2H訪談問卷，對山東省寧陽縣某養老院進行用戶訪談。按照各人員所占比，采訪60歲至75歲介助型老人30名及養老院工作人員（護工）3名。在不限制硬件產品和記錄洗浴過程中出現的任何需求的前提下，得到基于老年洗浴輔助設備的需求信息。借助親和圖法（KJ法）合并與簡化相同及相似的原始需求項指標[11]，得出15項指標層需求項，如圖1所示。

■圖1 用戶需求項整理

準則層中，U3配置需求是指老年用戶在洗浴過程中為提高安全和健康水平配置功能元件的需求。指標層中，U12人機尺寸舒適是指細部的尺寸設計合理，為保證老年人操作準確性的指標；U21可選擇洗浴方式是指以不同的產品形式適應不同的洗浴行為特點，并提供可自主選擇的空間；U32包括用戶在洗浴過程中感到不適及時報警，以及氧氣濃度過低和洗浴時間過長的警示等。

3.2 用戶需求權重分析

邀請10名專家按照1-9標度法對指標層需求項進行兩兩比較評價（1/9至1/2重要程度依次遞增，1/9表示及其不重要，1/3表示稍微不重要，1-9重要程度依次遞增，1表示同樣重要，9表示及其重要），構造出各指標層需求項的判斷矩陣。利用（3）、（4）計算各矩陣的權重wi及權重向量W，并根據式（5）計算出最大特征值λmax。準則層相對目標層的權重見表2，同理可以計算出指標層相對于準則層的權重及排序，計算結果見表3至表6。

表2 用戶需求判斷矩陣及權重

表3 人機需求判斷矩陣及權重

表6 收納需求判斷矩陣及權重

為檢驗判斷矩陣的一致性，確定權重系數的最終值[12]，由（5）、（6）計算可知，表2至表6的一致性比率CR值均小于0.1，故各判斷矩陣滿足一致性檢驗。

指標層需求項權重排序由高到低為：U11材料安全防滑、U41方便移動和收納、U22休息支撐、U31借力輔具、U12人機尺寸舒適、U42節省空間、U24干濕分區、U34保持恒溫環境、U32出現異常報警功能、U21可選擇洗浴方式、U35水溫可視化調節、U33按摩功能、U23造型色彩親和、U37洗浴時間提醒、U36方便調節水流方向。由此排序可以得出用戶需求的重要程度大小，在后續設計中優先考慮重要程度靠前的需求項。

經計算，λmax=4.03，CI=0.01，RI=0.89，CR=0.013<0.1,滿足一致性檢驗（表2）。

經計算，λmax=2，CI=0，RI=0，CR=0<0.1,滿足一致性檢驗（表3）。

經計算，λmax=4.13，CI=0.04，RI=0.89，CR=0.05<0.1,滿足一致性檢驗（表4）。

表4 造型需求判斷矩陣及權重

經計算，λmax=7.14，CI=0.02，RI=1.36，CR=0.017<0.1,滿足一致性檢驗（表5）。

表5 配置需求判斷矩陣及權重

經計算，λmax=2，CI=0，RI=0，CR=0<0.1,滿足一致性檢驗（表6）。

3.3 基于QFD的產品質量特性問題分析

3.3.1 用戶需求與產品質量特性之間的映射

基于QFD中“需求是什么”和“怎么來滿足”的基本思想，將用戶需求轉化為老年洗浴輔助設備的質量特性，保證產品設計生產與用戶需求匹配一致。由圖2可知，共映射出9條質量特性，可以得出需求項符合的相關設計標準。

■圖2 需求項與質量特性之間的映射

3.3.2 HOQ模型構建及質量特性權重值計算

邀請10名專家對老年洗浴輔助設備用戶需求與質量特性的相關關系進行確定，將其兩兩比較，逐一進行打分，最終得到評價結果，并通過矩陣形式直觀表現出來。評價打分規則： 5分認為“強”相關，用◎表示；3分認為“中”相關，用○表示；1分認為“弱”相關，用△表示；0分認為無相關，用空格表示。

HOQ（質量屋）模型可以構建出用戶需求與質量特性之間的關系矩陣，通過（8） 、（9）計算出各項質量特性的權重并進行排序放在HOQ模型的下方，反映了質量特性與用戶需求的關系，即排序越靠前，其與15項需求項的關聯越緊密[13]，如圖3所示。

3.4 基于FBS的產品問題解決

將質量特性權重系數均值以上的質量特性定義為上級特性，均值以下的定義為下級特性，再將上級特性單獨計算出均值，這個均值以上的上級特性為Ⅰ級特性，以下的上級特性為Ⅱ級特性，同理可以得出Ⅲ級和Ⅳ級特性（見圖3）。將QFD得出的前三級即前8項關鍵質量特性（C1地面材質防滑性、C2功能區域收納性C3尺寸合理性、C4產品可調節性、C5保持支撐與平衡、C6視覺交互、C7濕區與干區隔離和C8呼救信息傳遞）作為老年洗浴輔助設備的功能庫，進行“功能—行為—結構”的映射?！靶袨椤笔侵竿ㄟ^用戶旅程圖得出的用戶預期行為，挖掘預期行為下的問題和設計機遇，如圖4所示。

■圖3 老年洗浴輔助設備質量屋圖

■圖4 用戶旅程圖

介助型老人坐下與起身時動作均有不便，上身前傾易導致重心不穩而摔倒；浴室內地面濕滑是很大的安全隱患，老人一般會借助扶手或者防滑拖鞋等防止意外發生；洗浴時間過長時，老人因自身身體原因或者室內氧氣不足會發生危險，需要及時呼救以及洗浴時間提醒；洗浴過程中人的體表溫度變化較大，老年人免疫力低下更加需要采暖功能；坐姿洗浴前提下人的靈活性和活動范圍有限，需要更方便快捷的操作。通過用戶旅程圖得到預期行為后，繼續執行“功能—行為—結構”的映射轉換，映射出產品結構（Structure），映射過程如圖5所示。

■圖5 功能—行為—結構映射

4 老年洗浴輔助設備的創新設計實踐

4.1 功能定義

老年洗浴輔助設備在功能定義上，方便行動不便的介助型老人至浴區，將載運用戶移動部分與浴槽較巧妙地結合在一起，載運部分與浴槽組合在一起就是一個干濕分離的浴區。解決介助型老人包括輪椅老人、助行器老人在到達浴室、起身、坐下和洗浴后離開時的安全隱患問題和監護人員高效安全的運轉行為，如圖6所示。

■圖6 老年洗浴輔助設備設計方案

4.2 各配置結構說明

封閉浴區的推入式浴椅作為最主要的設計主體，同時滿足U21可選擇洗浴方式、U22休息支撐、U24干濕分區和U31借力輔具的用戶需求，利用電子封閉，保證浴槽的封閉性；采暖功能利用紅外燈泡的熱輻射來實現；可旋轉的橫式花灑方便用戶坐姿調節水流方向；具有手推圈的移動輪椅可以滿足老人獨立移動進入浴區的需求；用戶在使用中右手邊的報警器連接智能終端，可以實現一鍵報警、氧氣濃度警示以及洗浴時間超時警報等，如圖7所示。

■圖7 老年洗浴輔助設備各配置結構說明

4.3 不同洗浴場景切換

用戶可以根據自身需求選擇不同的洗浴模式，可旋轉的橫式花灑和注水孔結構提供了淋浴、泡浴兩種不同的洗浴場景。用戶在淋浴場景中，水控系統通過橫式花灑，浴槽底部的排水閥開啟；用戶在泡浴場景中，水控系統經過注水孔流入浴槽，浴槽底部的排水閥關閉。

5 設計方案模糊綜合評價

對于產品的設計結果進行方案評價是檢驗設計合理性的一個重要步驟[14]，設計方案需利用模糊綜合評價法進行綜合評價佐證其合理性。

應用李克特量表法的評級方法，設評價等級集：T={很滿意，滿意，一般，不滿意，很不滿意}，分值分別為1至5分：5分表示很滿意，1分表示很不滿意。依據老年洗浴輔助設備的指標層需求項，邀請10名專家對方案進行評價，經過匯總歸一化后得到各準則層需求下的指標層需求相應的模糊綜合評價矩陣。

S1指準則層人機需求下的指標層對老年洗浴輔助設備的模糊綜合評價矩陣，同理可以得出S2、S3、S4的模糊綜合評價矩陣：

根據表2中的權重值，目標需求層次的權重向量為WA=（0.497 0.068 0.313 0.121）；根據表3至6中的權重值，準則需求層的權重向量分別是WA1=（0.667 0.333），WA2=（0.177 0.533 0.041 0.249），WA3=（0.340 0.197 0.057 0.239 0.106 0.022 0.039），WA4=（0.667 0.333）。由此可以計算出老年洗浴輔助設備準則需求層4個方面的評價模型：

由上可得整體評價模型：B=WA×S=(0.4176,0.35,0.1394,0.0742,0)，對整體評價模型結果進行歸一化處理后得到B=（0.426,0.357,0.142,0.075,0）。認為該方案為很滿意、滿意、一般、不滿意、很不滿意的評估者分別為 42.6%、35.7%、14.2%、0.75%和0。按照最大隸屬度原則，此方案的綜合評級結果為5級，總體評價較好，但相對隸屬度較低，仍有改進的必要[15]。

6 結語

本文以養老機構中針對介助型老人的老年洗浴輔助設備的設計為例，集成AHP-QFD-FBS設計理論模型得出設計方案，并利用模糊綜合評價法對設計方案的可用性進行評價，佐證了設計方案的合理性。應用AHP獲得用戶需求權重及排序，經過QFD得出質量特性，最終運用FBS映射得出關鍵設計結構。設計方案在創新性、多功能性和獨立操作性等方面提升了產品的整體使用效率和用戶體驗，證明了融合的設計理論模型彌補單一設計理論的不足，可以為老年洗浴輔助設備的設計提供更具科學邏輯的設計流程[16-17]。但文中對智能化以及自動化洗浴的研究較少，尚需在今后的研究中進一步完善，使老年洗浴輔助設備在使用中更高效和智能。