基于評論挖掘和TRIZ-AHP 的電動牙刷改良設計研究

羅峰，吳正仲,2，潘國慶

（1.福建工程學院，福州 350118；2.福建省高校人文社會科學硏究基地設計創新硏究中心，福州 350118）

齲齒口腔疾病已被世界衛生組織列為第三大非傳染性疾病，人們愈來愈重視口腔衛生健康。電動牙刷因較傳統手動牙刷更能有效清潔牙周的細菌和污物而廣受大眾青睞，2020 年我國電動牙刷市場規模同比增長22%，至2022 年將可突破200 億元[1]；相比歐美國家電動牙刷滲透率（近40%），我國僅有10%，綜上，我國電動牙刷產業具有相當可觀的發展前景。

隨著互聯網電商的蓬勃發展，數以千計的產品評論所形成的海量網絡評論文本向學術研究界提供了一種低成本、高效率、大數據的數據挖掘方式[2]。Ren[3]采用NVivo 分析法通過對如家酒店的網絡評論，獲取消費者對酒店的聚焦點和潛在需求。Sohns 等[4]為了分析顧客對郵輪旅游的關注焦點，運用文本挖掘工具獲取郵輪評論，從而為旅游產品的創新研發提供決策。語義網絡分析是利用計算機進行文本分析的一種方法，可透過網絡圖從中發現價值點[5]。在語義網絡中，節點（關鍵詞）表示對象、概念，邊表示節點之間的關系，從而可將產品評論數據以網絡的形式連接為一個整體，直觀地呈現出此評論網絡中關鍵詞之間的聯系，并且通過觀察某一結點位于網絡中的中心程度，提煉其重要度，從而可以掌握該領域內的熱點、重點等信息[6-9]。因此，本文將python 網絡爬蟲所獲取的電動牙刷評論通過文本分析創建語義網絡[10]，從而進一步分析并提取該產品領域的研究主題、設計目標及需求準則。

TRIZ 理論目前被諸多學者廣泛應用于產品的功能、造型等設計領域。張建敏等[11]通過挖掘消費者對旋耕機的感性意象來確定功能需求，并結合TRIZ 對其進行創新改良。Renaud 等[12]運用TRIZ 針對汽車嬰兒座椅安全性的功能進行優化；Hartono 等[13]通過TRIZ 理論進行產品改進設計，有效降低了設計解決方案與消費者需求之間的量化誤差。層次分析法（AHP）是一種用于評價多方案最優者的決策方法，可對備選方案進行權重計算和定量排序，從而進行優劣等級定性評價，將得到的最優方案作為設計指導[14]。吳儉濤等[15]將AHP-QFD 和TRIZ 相結合研究清掃車的外觀設計；ROSLI 等[16]運用AHP-TRIZ 方法對汽車門板進行創新設計研究；辜俊麗等[17]也將AHP 與TRIZ 相結合，用來研究殘障人輪椅的設計。因此，本文通過網絡文本分析得到用戶需求后提取解決指標，再運用TRIZ 理論結合物-場模型、物理矛盾等方法進行電動牙刷創新設計，最終通過AHP 對創新設計理論所得方案進行優化評估。因此，評論挖掘與TRIZ-AHP 相結合的集成研究，不僅可精準定位用戶產品需求，更有利于創新設計的實施和評價，亦是本研究的一大亮點。

1 研究框架

首先通過pthon 在京東商城爬取以“電動牙刷”為關鍵詞的用戶評論，在文本分析方面，本文借助ROST CM 6.0 工具，進行共詞分析，將共現矩陣生成共詞語義網絡，進一步分析提煉研究主題和功能需求，并提取相關指標，作為AHP 層級結構模型中的目標層、準則層；然后采用TRIZ 理論，對目前產品技術等領域進行功能分析、因果分析，利用技術矛盾、物-場模型、物理矛盾等方法進行系統分析，形成初步解決方案，提取為方案層；層次結構模型構建后，邀請國家二級創新工程師和教授等專家，通過AHP法對解決方案進行評價，以尋求最優方案解，最終確定設計方案并進行產品建模[18]。研究框架見圖1。

圖1 研究框架圖Fig.1 Research framework

2 基于評論挖掘的產品功能需求分析

2.1 評論采集

在京東商城以“電動牙刷”為關鍵詞進行搜索，針對飛利浦、歐樂B、小米等20 個品牌，每個品牌按照評論量降序排列，分別爬取前10 個產品，總計200 款產品鏈接，抓取到真實的評論條數為21.582 7萬條，并建立評論語料庫，以用于接下來的數據分析。

2.2 文本分析

在文本分析中主要進行詞頻統計、共詞矩陣和語義網絡的生成，根據量化后的數據進行定性分析。運用ROST CM 6.0 工具對網絡評論txt 文本進行詞頻統計分析。將得到的詞頻降序排列，取前15 個關鍵詞，得到高頻詞表，見表1。可得：高頻詞匯主要有清潔效果、外觀、使用體驗、功能等。其中“清潔”“效果”“干凈”等關鍵詞在評論文本中占比最大，因此清潔效果集中反映了消費者對牙刷的核心需求。

表1 詞頻統計Tab.1 Word frequency count

接下來統計共現詞頻（一對詞兩兩統計其在同一文本內容中出現的次數），從大到小依次排列，取前15 個共詞，得到共現詞頻表，見表2。根據共詞分析法，在15 對高頻共現關鍵詞中，7 對關鍵詞直接體現了清潔效果這一主題，因此可將其作為該產品設計領域內的研究熱點。

表2 共現詞頻統計Tab.2 Co-occurrence word frequency statistics

在共詞語義網絡分析中，根據共現矩陣生成語義網絡，見圖2。由網絡分析可得，在網絡圖的中心區域周圍分布有清潔、效果、操作、外觀等關鍵詞。相對邊緣的位置分布有設計、性價比、時間等。從共詞網絡的節點中心性和凝聚子群兩個方面分析可得，清潔仍是電動牙刷產品領域反映的設計重點。

圖2 語義網絡圖Fig.2 Semantic network diagram

2.3 提取設計目標及需求準則

通過以上詞頻分析法、共現詞頻分析法及共現網絡分析法可得，人們對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作為AHP 層次結構中的目標層；同時，共現詞頻分析顯示，“清潔-效果”和“清潔-干凈”“簡單-操作”和“操作-方便”“牙刷-舒服”等詞對的詞頻較高，反映了廣大用戶對于該產品的潛在需求，由此可提取出高效性、舒適性、易用性三大準則，作為AHP 層次結構模型中的準則層。

3 基于TRIZ 理論的創新設計

3.1 問題描述

通過對電動牙刷市場進行線上線下的調研發現，如今電動牙刷市場主要分為旋轉式和震動式。其中以Oral-B 為主導的旋轉式牙刷，其主要采用普通旋轉電機，存在頻率、扭力不高，噪音大的缺點，同時在人為使用中，由于刷頭360°旋轉作用于牙齒表面，接近于橫刷刷牙方式，這不僅會在一定程度上對牙齒造成磨損，嚴重的還可能會引發牙周病[19]。而以Philips品牌為首的市場主流式震動式牙刷，其由電機驅使，使輸出軸上的偏心塊失去平衡，形成高頻機械振蕩從而帶動刷頭產生振動，但由于震幅受限于機械結構，一般振動頻率不高；而要想提高清潔效率，則需要提高震頻強度，這又會在一定程度上對牙釉質造成磨損，甚至會傷害牙齦而引發牙齦出血[20-21]。因此，針對上述市場中震動式電動牙刷所反映的一系列矛盾問題，需以triz 理論結合物場模型、物理矛盾和技術矛盾等分析工具進行科學合理解決。

3.2 TRIZ 應用分析

3.2.1 物-場分析法求解

通過對電動牙刷的技術分析和問題描述，針對震頻問題，首先將其轉化為物場模型（見圖3），其中S1 為電機馬達，S2 為刷頭，F1 為機械場，S1 對S2產生振動作用。由于振動裝置受限于機械結構，一般振動頻率不高，因此可確認該模型為“作用不足”的物場模型。

圖3 物場模型圖Fig.3 Physical field model diagram

可采用標準解法體系中5 種標準解類型的第二類級別（增強物場模型）中的第四子級，即利用磁場和鐵磁材料，引入磁鐵物質。圖4 為改進后的物場模型。

圖4 改進后的物場模型Fig.4 Improved object field model

具體設計方案為：采用磁懸浮聲波電機。其技術原理是將電磁線圈繞于定子，轉子作為純懸浮結構，通過電磁場變化帶動轉子往復式旋轉擺動，以傳動軸帶動刷頭震動。由于轉子體積小，其頻率得以大幅提升，而且還能通過軟件控制電流來調整頻率，也可在一定程度上消除對牙齒的有害作用，更符合用戶需求及體驗。

3.2.2 物理矛盾分析

物理矛盾是指同一參數由于具有相異的要求，從而表現不利于理想需求而引發的矛盾。采用物理矛盾進行描述：針對震動強度參數而言，若震頻高，則清潔效率強；但要滿足對牙齒和口腔的傷害降至在合理范圍內，則需要在一定程度上削弱震動強度。

可采用系統級別分離中的組合原理。通過引進旋轉式刷頭電機，將其作為子系統分離到超系統中，把原有技術中的震動馬達作為系統，從而實現系統-超系統式分離。設計方案為：在機身原有的振動電機的基礎上，增加內置電機驅動使圓形刷頭在牙齒上進行微弱壓力的旋轉，可增強物理摩擦效果，達到提升清潔牙齒的效果。

3.2.3 技術矛盾分析

技術矛盾是指在某一技術系統中，兩個參數相互排斥，即當某一個參數改善時，另一個參數引發惡化從而形成矛盾。以技術矛盾進行描述：若要增強震頻，一方面可提高清潔效能，另一方面由于震動強度帶來的力，勢必會在一定程度上對人體口腔中牙齒軟硬組織造成損傷而引發相關不適，因此，提取到的改善參數和惡化參數分別為聲波震動形成的沖擊力和對牙齒的有害作用。

解決技術矛盾通常將歸納的改善和惡化兩個參數轉化為阿奇舒勒工程技術參數，再代入39×39 矛盾矩陣表查找對應的發明原理[22]，見表3。

表3 參數轉化匹配表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明原理有：13.反向操作、3.局部質量、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矛盾分析法的發明原理，并參照原理解釋，進行設計思路：

1）反向操作原理。引進一種豎立旋轉式刷頭，即將傳統刷頭的平面橫向轉動改為豎向順齒刷式，其在一定程度上類似于巴氏科學刷牙法。

2）借助中介物原理。牙垢在口腔醫學上稱之為牙結石，主要由磷酸鈣、碳酸鈣等無機物構成，以此思路，提出在刷頭部件內置細孔密網納物裝置，用以放置牙齒清潔物質，在刷毛轉動下，將中介物揮發至整個口腔中，從而起到清潔牙齒的效果。上述解決方案見表4。

表4 發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

通過以上模型對問題進行求解，所得方案匯總見表5，并將解決方案提取為結構層次模型中的方案層，以用于后續對所有方案進行綜合評價及決策。

表5 設計方案匯總Tab.5 Design scheme summary

4 基于AHP 法的設計評價

4.1 層次結構模型構建

將提升清潔指數作為目標層；根據消費者需求，將提取到的高效性、舒適性、易用性作為準則層；將TRIZ 理論所得解決方案作為方案層。具體層次結構模型見圖5。

圖5 層次結構模型Fig.5 Hierarchical structure model

4.2 構造判斷矩陣及權重分析

將目標層用X表示，準則層用Yi（i=1,2,3,…）表示，方案層用Zj（j=1,2,3,…）表示，對層次結構模型中的各因素采用9 標度法進行賦值。為了使決策結果更具科學性，由國家二級創新工程師（1 位）、機械工程博士教授（2 位）、產品設計專業教師（3 位）和設計學科研究生（6 名），合計12 位專家進行賦值[23]，最終構造的判斷矩陣見表6—9。

表6 X 目標層判斷矩陣Tab.6 X target level judgment matrix

表7 Y1 準則層判斷矩陣Tab.7 Y1 criterion level judgment matrix

表8 Y2 準則層判斷矩陣Tab.8 Y2 criterion level judgment matrix

表9 Y3 準則層判斷矩陣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重值（見表11），其中方案C 權重最高。

表11 方案最終權值Tab.11 Weight of final scheme

4.3 產品方案設計

經上述分析，本研究形成最終的設計方案（見圖6），主要包含：采用立體豎式旋轉刷頭；刷頭蓋帽采用細孔密網裝置設計。具體分析如下：

1）技術原理。豎式順齒旋轉式刷頭主要由旋轉電機及傳動組件構成（見圖7），采用齒輪傳動結構，傳動組件包括與電機輸出軸連接的輸出齒輪、減速齒輪及連桿裝置。工作流程為旋轉軸通過帶動齒輪轉換成往復式轉動，從而使刷頭形成周期性豎旋。采用力矩檢測電路，實現超壓停機功能。

圖7 結構分解示意圖Fig.7 Structure decomposition diagram

2）人機分析。刷蓋（見圖6 細節放大處）設計基于擋板理念，即用戶在使用該豎旋刷頭進行順齒刷時，一方面可借助擋板減輕口腔外部肌肉對刷毛的阻力，另一方面能夠防止牙膏泡沫飛濺，以及防止刷毛對口腔內壁造成損傷。同時刷頭蓋帽采用細孔密網裝置設計，目的是可供用戶通過打開機蓋進行填充牙齒清潔物質，待深入口腔后，可經細網孔滲滿整個口腔。采用力矩檢測電路，為了防止用戶刷牙力度過大，通過減小扭矩，從而使電機自動衰減降速，降低對牙齒的傷害。

圖6 設計效果圖Fig.6 Design effect diagram

5 結語

產品設計的本質是以用戶為中心，本研究通過網絡評論挖掘和文本分析技術可高效地從大數據中定位人們對電動牙刷產品關注的焦點，從而精準挖掘用戶的功能需求；再以TRIZ 理論根據電動牙刷技術領域存在的問題矛盾對應發明創新原理進行求解，可更具邏輯性、科學性，從而實現對產品的創新優化設計；依據層次分析法，以客觀的定量分析來掌握解決方案的最優解，有利于設計者對產品的重點領域進行設計改良；最終設計出一款符合高效清潔、人機體驗的電動牙刷。綜上，本文的評論挖掘與TRIZ-AHP 結合的集成研究，為研究者快速聚焦產品熱點提供了借鑒，為電動牙刷功能性產品的改良設計提供了思路，同時也為相關產品創新設計研究提供了輔助與指導。