基于FBS擴展模型的適老化產品易用性設計研究

楊梅，鐘吳誠，舒天駱

基于FBS擴展模型的適老化產品易用性設計研究

楊梅，鐘吳誠，舒天駱

（山東科技大學，山東 青島 266500）

為改進適老化產品易用性問題，提出一種融合需求分析和外觀編碼的產品概念設計擴展模型。首先運用文獻分析法了解適老化產品易用性設計研究和經典概念設計模型的發展現狀，同時結合產品語義學中外觀具備的傳達產品功能和操作方式的價值，提出將產品外觀編碼應用于改進適老化產品易用性的新思路。其次對傳統FBS模型進行擴展，構建一個包含“需求–功能–行為–結構–外觀”多種要素的概念設計擴展模型。以需求分析和外觀編碼為重點，具體闡述模型推導過程。進而通過老年用戶判斷產品功能和操作方式的正確概率和反應時間量化產品易用性，從而優選出最佳的適老化產品設計方案。最后在設計應用中，以家用電動護理床智能遙控的易用性改進設計為例，驗證了NFBSA模型的可行性。NFBSA模型能有效改進產品易用性，有助于縮小老年用戶與適老化產品之間的使用鴻溝，進一步增強老年用戶對新興產品的信心，同時給予設計師與相關產品的易用性設計研究以參考價值。

適老化產品設計；易用性；FBS擴展模型；產品語義學；外觀設計

根據國新辦關于最新人口普查數據的報道，我國60歲及以上人口約2.6億，占全國總人口的18.70%，老年人口數量持續增長的態勢下適老化產品受到更多關注[1]。在適老化產品設計中，產品的易用性尤其受到老年用戶和設計師的重視。易用性是衡量產品是否真正適老的關鍵因素，設計核心在于方便老年用戶理解和使用[2]。個體步入老年階段后，認知能力會出現不同程度的老化，直觀表現為學習理解能力、記憶力的顯著衰退，這對產品的易用性提出了更高的要求[3]。當前市場上新興的適老化產品層出不窮，然而部分產品在開發過程中對老年用戶的認知特征考慮不足，產品功能花樣堆砌、外觀高度簡約帶來了不會用、學得慢、用不慣等使用鴻溝問題，最終導致老年用戶對新興適老化產品的消極甚至抵觸心理[4]。作為產品開發的第一階段，概念設計基本決定了產品大部分的功能及屬性。研究表明，產品存在的易用性問題往往源于概念設計階段的缺陷，一旦形成在后續的開發過程中便難以彌補[5-6]。因此，針對概念階段產生的產品易用性問題，優化概念設計模型從而改進適老化產品的易用性就顯得尤為重要。

1 適老化產品易用性設計研究及FBS模型的發展現狀

1.1 適老化產品易用性設計研究

近年來隨著老齡化趨勢的加速發展，產品如何高質量賦能于老年群體已經成為工業設計領域面臨的一個重要問題。在此背景下，適老化產品的易用性設計研究越來越受到關注與重視。張為威等[2]從設計倫理的視角探討了數字時代老年智能產品和服務的包容性設計策略，為適老化產品發展提供了新的視角和思路；楊小靜[7]為改善智能產品的適老性，通過對老年用戶生理及心理特征的描述性分析，提出了適老化智能產品的設計原則；姜霖和王勇彬[8]為探索更適合老年群體的產品設計方法，融合老年生活狀態和溝通方式提出了基于良好溝通的設計策略，有效提升了適老化產品的用戶體驗；張寧和王倩穎[9]為解決圖標設計與老年人認知能力的不匹配問題，通過構建老年能力需求匹配模型得到了相對客觀且普適的老年圖標設計方法。

由上述文獻可知，面向適老化產品易用性的研究多以定性描述為主，并仍停留在設計理念及原則策略的探討上。雖然有學者在適老化智能產品的圖標研究領域進行了易用性設計的具體實踐，但數量寥寥，相關研究有待深入。

1.2 傳統FBS模型

由于概念設計過程直接影響了產品易用性的設計結果，所以適老化產品易用性設計研究需結合概念設計模型分析。FBS模型（FunctionBehaviorStructure,FBS）是概念設計中的經典模型，架構了“功能—行為—結構”逐層級推導產品設計方案的邏輯[10]。目前，已有眾多學者對該模型進行了相關探討并取得了顯著的成果，主要包括2個研究方向。

1）以文獻[10]與[11]提出的在傳統模型中融入用戶需求和設計要求為基礎，探討新要素融入的具體方法。張青等[12]將用戶模糊需求引入FBS模型，結合彈性界限和自然交互技術獲取了用戶需求的最優解，并在無線終端的設計中證明了方法的可行性；蘇珂等[13]針對產品設計前期效率問題在FBS模型推導流程中引入了模糊層次分析法與三角模糊矩陣，最終求解得到產品關鍵設計要求；許艷秋等[14]在坐便器設計中通過質量功能展開方法將用戶需求轉化為產品設計要求并引入FBS模型，實現了產品表現與用戶需求的精準匹配。

2）面向FBS模型在應用過程中的不足探討擴展模型的構建或與其他方法的結合。盧曼澤等[15]探討了機械裝備概念設計過程中FBS模型與基元模型融合的方法，為復雜機械產品的人機交互設計提供了新的思路；孫利等[16]通過構建融合了用戶需求和原理空間兩要素的FBS拓展模型，優化了可穿戴式康復機械手設計的用戶體驗。

由此可知，現有的FBS模型研究多側重于產品實現過程的推理，忽視了產品基本的易用屬性的表達。同時，對產品外觀的求解仍處于模糊的黑箱狀態，由設計師個人主觀確定，且更多聚焦于外觀的視覺效果，忽略了對其多元價值的發掘。

1.3 產品外觀設計

產品語義學提倡外觀應盡可能誠實直觀地反映產品功能和操作方式，認為外觀設計的實質在于通過造型、顏色等符號的編碼達到產品功能的不言自明、操作方式的自教自學[17-18]。由此可見產品外觀在改進適老化產品易用性方面的價值。從語義學的觀點出發，使用鴻溝是產品外觀失效的表現，根本原因在于設計師與老年用戶對符號語義的認知偏差。因此，若要將外觀的傳達作用應用于適老化產品，則首先須構建符合老年用戶語義認知的產品外觀編碼。老年用戶語義認知指的是在多年產品使用過程中老年用戶積累形成的對產品符號的認識，主要包括符號象征的意義和指向的操作行為，如旋鈕表示可調節和轉動。此類有關產品符號的經驗知識構成了老年用戶語義認知的主體[19]。符合老年用戶語義認知的外觀編碼可以輔助老年用戶解碼產品功能和操作，方便老年用戶的理解和使用。

綜上，為解決概念設計階段產生的產品易用性問題，通過分析傳統概念設計模型的缺陷，在語義學的指導下提出以產品外觀改進適老化產品易用性的新思路，對傳統FBS模型進行擴展。在模型中融入需求和外觀2個新要素，通過老年用戶需求分析來優選產品功能，從而符合老年用戶語義認知的外觀編碼表征產品的功能和操作，以達到改進適老化產品易用性的目的。

2 FBS擴展模型

2.1 NFBSA模型構建

針對概念設計階段出現的產品易用性問題，提出一種融合需求分析和外觀編碼的產品概念設計擴展模型（Need Function Behavior Structure Appearance, NFBSA），見圖1。

擴展模型主要由認知源、模型要素和中間要素3部分構成。（1）認知源：CU表示老年用戶認知，CD表示設計師認知；（2）模型要素：Ne表示老年用戶需求，Fw表示功能，B表示行為，Sw表示產品內部結構，Aw表示產品外觀；（3）中間要素：Nt表示需求類型，Nw表示需求權重，Si表示關鍵交互結構，So表示其他輔助結構，Ai'表示關鍵交互結構的預期外觀符號，Ai表示關鍵交互結構外觀，Ao表示其他輔助結構外觀。

2.2 擴展模型推導過程求解

NFBSA模型形成了以老年用戶需求分析為起點、以符合老年用戶語義認知的產品外觀編碼為終點的概念設計流程。以新要素需求分析和外觀編碼為重點，將模型推導過程劃分為5個關鍵步驟。求解框架見圖2。

2.2.1 老年用戶需求分析

通過對老年用戶的需求分析明確各項功能的需求類型和權重。KJ法用于匯總和整理信息，依據親和性進而歸納整合大量復雜資料，便于梳理信息層級[20]。KANO模型是用戶需求分析中的經典方法，將影響用戶滿意度的產品質量要素分為必備（）、意愿（）、魅力（）、無差別（）、逆向（）5類，通過計算要素對用戶的滿意度指標SI的影響和不滿意度指標DSI的影響，精確表示用戶需求權重f[21]。老年用戶需求分析具體步驟如下。

1）在目標適老化產品功能需求的框架下以KJ法收集并梳理老年用戶需求信息，得到產品功能清單。

2）依據KANO模型計算老年用戶對清單中各項功能的需求類型和需求權重，見式（1）[22]：

式中：SR表示逆向（R）產品質量要素的需求度，T為調查總人數。

圖2 NFBSA模型求解框架

2.2.2 產品功能至結構的映射轉化

此過程是傳統FBS模型的主要內容，具體求解步驟如下。

1）根據老年用戶需求分析結果，在功能適度原則下進行目標適老化產品功能的篩選。

2）設計師依據專業經驗將優選的功能轉化為以行為表達的具體實現路徑和行為解一一獲得匹配的產品內部結構。

2.2.3 產品內部結構分解

以是否影響老年用戶產品使用為分解原則，區分關鍵交互結構和其他輔助結構，從而細化外觀求解的粒度。德爾菲法（Delphi Method）又稱專家意見法，針對所要處理的問題采用匿名方式發表意見，可靠性更高[23]。采用德爾菲法對產品內部結構進行分解具體步驟如下。

1）專家小組組建。結構分解任務較為簡單，邀請3～5位有相關經驗的設計師組成專家小組即可。

2）專家小組評估。研究人員介紹任務主題后，征求專家意見并歸納統計，若分解意見不一致，將小組意見匿名反饋給各位專家以便在第 2 輪評估中參考和修改，依此循環直至達成一致分解結果。

2.2.4 老年用戶語義認知獲取

此過程將老年用戶語義認知作為外觀編碼的符號來源庫，從根本上避免了設計師與老年用戶因符號語義認知偏差導致的使用鴻溝問題。詞頻逆詞頻算法（Term Frequency-Inverse Word Frequency, TF-IWF）是關鍵詞抽取任務中的典型方法，短時間內能夠精確量化同類文本中詞語的權重，以便抽取特征詞[24-25]。關鍵交互結構的預期外觀符號的具體求解步驟如下。

1）文本采集。在文本庫構建流程中，通過半開放式訪談采集老年用戶對于關鍵交互結構的預期外觀符號。半開放式訪談通常由研究人員在一個主題的大框架下預設訪談提綱，讓訪談對象自由思維發散，主題相關的同時具備高開放性、高靈活性的特點。正式訪談中全程以錄音記錄，后續由研究人員整合所有訪談資料構成原始預期外觀符號文本。

2）文本預處理。文本數據載庫，將訪談獲取的原始文本載入Python語言；Jieba分詞，將非格式化的原始文本切分為更細的粒度，轉化為計算機可識別的格式化文本，依據分詞效果決定是否執行自定義詞典等程序；去停用詞，刪除主題無關標點、人稱代詞、助詞等優化文本分詞效果，具體根據提取目標載入、更新、停用詞表；輸出格式化文本。

3）以TF-IWF算法量化預期外觀符號文本中各符號權值并排序。tf為詞頻，表示文本中某個詞的出現頻率，具體計算見式（2）。

式中：n表示預處理文本中的總詞數，∑n表示詞在文本中出現的總次數。

4）iwf為逆詞頻率，表示詞在文本庫中的鮮活度，具體計算見式（3）。

式中：n表示文本庫中所有文本的總詞數，∑表示詞在文本庫中出現的總次數。

TF-IWF表示詞語最終權重，詞最終權重記作x，具體計算見式（4）。

基于TF-IWF算法得到預期外觀符號文本中各符號的權值和排序，抽取高權重符號作為關鍵交互結構的預期外觀符號。

2.2.5 符合老年用戶語義認知的外觀編碼

此過程依賴設計師經驗審美，借助3D表現軟件生成產品外觀方案。具體步驟如下。

1）在關鍵交互結構預期外觀符號的范圍內篩選符號，組合編碼得到關鍵交互結構外觀。

2）整合關鍵交互結構外觀與其他輔助結構，進行外觀的綜合美化并輸出產品方案組。

3）邀請老年用戶基于外觀要素判斷產品功能和操作方式，通過判斷的正確概率和反應時間量化方案易用性，最終得到方案最優解。

至此，整個適老化產品概念設計過程結束。

3 設計案例應用

以典型適老化產品家用電動護理床智能遙控為例進行設計實踐。護理床以往多應用于醫院、養老機構，近些年隨著居家養老趨勢的發展，逐步受到更多家庭青睞。不同于醫養環境下護理員操作的模式，家用護理床主要操作人為老年，且一般而言居家老年身體狀況良好，對護理床功能需求較為簡單。而當前市場上的家用電動護理床普遍延續了智能遙控的操作模式和繁多冗雜的醫養功能。智能遙控作為護理床控制終端，其設計常為精簡按鍵數量的多功能按鍵或多數量的單一按鍵兩種形。前者易對老年用戶造成認知負荷，后者按鍵數量過多影響操作效率。基于此，應用NFBSA模型改進家用電動護理床智能遙控設計，以期降低老年用戶獨立使用家用電動護理床的難度。

3.1 目標老年用戶需求分析

以社區為單位進行調研，為期一周走訪4個社區。考慮到家用電動護理床照護和日用的雙重屬性，綜合采集了3位專業護理工作者和65位有相關使用經驗或意向的老年用戶（60歲及以上）2類群體的意見及需求。在“家用電動護理床智能遙控功能”的主題框架下搜集受訪者需求，運用KJ法整合得到家用電動護理床智能遙控功能清單。清單中第二層級功能覆蓋已較為全面且區分度顯著。運用KANO模型對該層級指標進行問卷調研，邀請老年用戶參與需求評估，根據式（1）計算得到各項功能的需求類型和權重，見表1。

3.2 家用電動護理床智能遙控功能至結構的映射轉化

遵循適老化產品功能適度原則，選取必備型功能（f3、f5、f6、f7、f11、f12、f13）和部分高需求權重功能（f9、f14）作為家用電動護理床智能遙控功能，功能至結構的映射轉化過程，見圖3。

表1 家用電動護理床智能遙控功能的需求類型和權重

Tab.1 Demand type and weight of intelligent remote control function of household electric nursing bed

圖3 基于NFBSA模型的家用電動護理床智能遙控概念設計過程

3.3 家用電動護理床智能遙控內部結構分解

為保證分解結果的可靠性，邀請3位家用電動護理床設計師根據德爾菲法對產品內部結構進行分解，經兩輪匿名評估后分解意見一致，見表2。

表2 關鍵交互結構

Tab.2 Key interaction structures

3.4 目標老年用戶語義認知獲取

家用電動護理床智能遙控外觀由按鍵造型、顏色、材料、說明性圖文等符號構成，剔除操作指示性較弱的符號，最終以造型、顏色、圖文3種外觀符號采集為重點。在關鍵交互結構預期外觀符號的主題框架下，以6項關鍵交互結構的預期造型、顏色和圖文為訪談提綱，分2組對65位老年用戶進行半開放式集體訪談，構建原始預期外觀符號文本。將原始文本載入Python 3.6進行分詞、去停用詞等預處理后，以TF-IWF算法量化各符號權重并以降序排序，抽取權重排序前3的符號，同時過濾權值過低，不具備代表性的特征詞，結果見表3—8。

表3 緊急呼救/急停控制器預期外觀符號

Tab.3 Expected appearance symbols for SOS/stop controllers

表4 左/右翻轉角度調節控制器預期外觀符號

Tab.4 Expected appearance symbol for left/right roll angle adjustment controller

表5 抬/屈腿角度調節控制器預期外觀符號

Tab.5 Expected appearance symbol for raise/bend adjustment controller

表6 起背角度調節控制器預期外觀符號

Tab.6 Expected appearance symbol for back angle adjustment controller

表7 翻身/腿部/背部復位控制器預期外觀符號

Tab.7 Expected appearance symbol for roll-over/leg/back reset controllers

表8 一鍵復位控制器預期外觀符號

Tab.8 Expected appearance symbol for one touch reset controller

3.5 符合目標老年用戶語義認知的家用電動護理床智能遙控外觀編碼

依據預期外觀符號進行關鍵交互結構外觀的組合編碼。符號權值偏差過大時，取高權值符號。以緊急呼救/急停控制器預期造型為例，“按鈕”權值（0.956 2）遠大于“聲控”（0.297 8），優選“按鈕”作為其造型，6項關鍵交互結構外觀，見表9。

在關鍵交互結構外觀的設計過程中，應確保整體風格和諧統一，功能屬性相近或一致的結構可在前文求得的關鍵交互結構外觀中選取相同的符號進行優選。例如結構S2（左/右翻轉角度調節控制器）、S3（抬/屈腿角度調節控制器）、S4（起背角度調節控制器）功能屬性一致，則可取“滑鈕”“旋鈕”或“按鈕”作為其造型。需要說明的是，結構S2在使用過程中包含了S5（翻身復位控制器）的狀態。因此將其納入S2的外觀設計中，腿部復位與背部復位亦相同。

在此基礎上，設計師對關鍵交互結構外觀和其他輔助結構進行綜合美化，借助CINEMA 4D R25平臺綜合生成A1、A2、A3、A4、A5、A6六種外觀方案。邀請老年用戶通過智能遙控外觀判斷其功能和操作方式，以正確概率和反應時間對六種方案進行易用性評估，見表10。由實驗數據可以發現，基于NFBSA模型生成的6種方案的老年用戶正確概率和反應時間綜合來看都遠優于原方案，易用性大大提升，驗證了NFBSA模型的可行性。其中方案A5的兩項指標表現最佳，可作為最優方案輸出。至此，家用電動護理床智能遙控概念設計過程結束。

表9 關鍵交互結構外觀

Tab.9 Appearance of key interaction structures

表10 方案易用性評估

Tab.10 Usability evaluation of the conceptual design schemes

4 結論

當今時代，智能化與老齡化交叉發展，可以說老年用戶與適老化產品之間的使用鴻溝是不可回避的。針對概念設計階段出現的產品易用性問題，將產品語義學中外觀傳達產品功能和操作的理念應用于適老化產品易用性的改進中，提出一種融合需求分析和外觀編碼的產品概念設計擴展模型，以期讓老年用戶通過適老化產品外觀快速理解產品有什么用、怎么用。NFBSA模型構建了從老年用戶需求分析到產品外觀編碼的概念設計流程，在需求層上，基于KJ法和KANO模型分析老年用戶對功能的需求類型和需求指數，解決功能堆砌問題；在功能層至結構層的映射轉化上，遵循傳統FBS模型推導邏輯，由專業設計師主導；在結構層上，通過德爾菲法分解得到關鍵交互結構和其他輔助結構，細化外觀求解粒度；在外觀層上，通過引入TF-IWF算法抽取老年用戶語義認知中關鍵交互結構的預期外觀符號，組合編碼得到關鍵交互結構外觀，同時綜合其他輔助結構外觀生成符合老年語義認知的產品外觀方案；最后，應用NFBSA模型對家用電動護理床智能遙控設計進行改良和易用性評估，實踐驗證了NFBSA模型的可行性。NFBSA模型能有效改進適老化產品的易用性，降低老年用戶認知負荷，進一步提升了老年用戶對新興適老化產品的自信心，為適老化產品設計提供了一定參考價值。

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Usability Design of Elderly-oriented Products Based on FBS Extended Model

YANG Mei, ZHONG Wu-cheng, SHU Tian-luo

(Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266500, China)

The work aims to propose an extended model of product concept design that integrates demand analysis and appearance coding to improve the usability of the elderly-oriented products. Firstly, literature analysis was used to understand the research on usability design of elderly-oriented products and the development status of classical conceptual design models. At the same time, combined with the value of appearance in product semantics to convey product functions and operation modes, a new idea was proposed to apply product appearance coding to improve the usability of the elderly-oriented products. Secondly, the traditional FBS model was extended to construct an extended conceptual design model of "Demands-Functions-Behavior-Structure-Appearance". The process of model derivation was elaborated with emphasis on demand analysis and appearance coding. Then, the usability of the product was quantified by calculating the correct probability and reaction time of the elderly users to judge the function and operation mode of the product, so as to optimize the best design scheme of the elderly-oriented products. Finally, in the design application, the feasibility of NFBSA model was verified by taking the improved design of the usability of intelligent remote control of household electric nursing bed as an example. NFBSA model can effectively improve the usability of products, help to narrow the use gap between elderly users and elderly-oriented products, further enhance the confidence of elderly users in emerging products, and provide reference value for designers and related product usability design research.

design of elderly-oriented products; usability; FBS extended model; product semantics; appearance design

J525.3

A

1001-3563(2023)14-0136-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.014

2023–02–19

山東省研究生教育質量提升計劃專業學位數學案例庫建設（SDYAL21064）；山東省研究生導師指導能力提升項目（SDYY18082）；山東省重點研發計劃（2023RKY01011）

楊梅（1973—），女，碩士，教授，主要研究方向為工業設計及理論。

鐘吳誠（1997—），女，碩士生，主攻工業設計及理論。

責任編輯：藍英僑