基于FDM/FAHP/U-TRIZ理論的居家多功能康養(yǎng)護理床設計研究

■李翠玉，陳智恒

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院，湖北武漢 430068）

近20年來我國人口老齡化程度明顯加快，老年人的護理需求也在不斷上升。在未來，居家養(yǎng)老會成為大多數老人養(yǎng)老的首選，而護理床作為一種常見的、依據病人臥床生活習性進行設計的護理產品，多見于醫(yī)院或療養(yǎng)機構內，很少有人購買至家中進行使用[1]。目前我國針對此類產品進行的研究主要集中在產品結構方面，而對家庭環(huán)境下護理床的相關設計研究較少。張欣[2]等人在養(yǎng)老護理床的結構優(yōu)化設計上采用的是TRIZ功能裁剪法；趙芳華[3]等人在護理床人機工程學上進行的優(yōu)化設計則是從JACK虛擬仿真設計出發(fā)。以上研究主要針對護理床的結構以及人機進行優(yōu)化完善，而如何從功能創(chuàng)新的角度進行設計則相對研究較少。在人機、結構優(yōu)化完成的基礎上，新功能的加入會使得優(yōu)化后的產品更好地進行呈現(xiàn)，尤其在康養(yǎng)、護理領域，創(chuàng)新性的功能會大幅提高護理人員的工作效率；對于用戶來說，新功能會更好地滿足他們的使用需求，同時更好地配合護理人員進行護理工作。因此，本文將基于FDM問卷分析的結果以及FAHP的層級分析數據來更精準地把握用戶對于產品功能需求的優(yōu)先級，保證產品的創(chuàng)新功能貼合用戶的使用需求，讓用戶在使用過程中能夠感受到產品為其提供的便捷性以及舒適性。

1 研究理論與流程

1.1 感性工學與模糊德爾菲法(FDM)

感性工學主要從人的感性角度來設計產品，可在設計過程中將設計與用戶的感官、情感相結合，將用戶情感轉化為設計要素。FDM由傳統(tǒng)的DM演化而來。傳統(tǒng)DM被用作是一種行業(yè)專家意見調查方法，但當設計指標模型過于復雜時，專家的判斷則無法被很好地解釋，在面對這一情況時，模糊德爾菲法（FDM）能夠有效地處理復雜的設計度量模型，同時也能夠降低專家在評估過程中的模糊不確定性[4]。因此，利用FDM法來處理感性工學得到的設計要素則會更加的科學、精準。

1.2 模糊層次分析法(FAHP)

模糊層次分析法(FAHP)作為一種綜合量化方法，綜合運用了模糊數學與層次分析法(AHP)，對于模型中各項指標權重關系的判斷以及重要性程度的判斷會更加系統(tǒng)，以更加完備的形式輔助決策者做出更合理的評估[5]。

1.3 統(tǒng)一發(fā)明問題解決理論(U-TRIZ)

由于傳統(tǒng)的TRIZ理論體系十分龐大，在運用上并不足以通過一種相對簡潔的形式進行呈現(xiàn)，因此，傳統(tǒng)TRIZ理論的優(yōu)化也在不斷發(fā)展。張武城[6]等人通過研究提出了以屬性為核心、功能作為導向的統(tǒng)一TRIZ理論（U-TRIZ），利用屬性可連接物質與功能，進而建立起SAFC分析模型。物質屬性創(chuàng)新是產品設計過程中的重點，在模型各參數的展示中，U-TRIZ理論通過圖形的方式來表達不同參數的優(yōu)缺點，增強了可讀性并提高了分析效率。因此，在居家多功能康養(yǎng)護理床設計過程中引入U-TRIZ理論能夠對問題進行有效解決[7]。

綜上，集成了FDM—FA H P—U-TRIZ[8]多種方法的綜合理論模型與單一的設計研究方法相比，這種模式以一種更科學、更完整的形式來全面地量化設計指標，從而將需求轉化為功能，為之后的設計與實踐提供了一個多維的分析角度，具有較強的系統(tǒng)性和科學性。設計流程如圖1所示。

■圖1 集成FDM/FAHP/U-TRIZ理論的設計流程

2 居家多功能康養(yǎng)護理床設計指標分析

2.1 分析調查問卷

分析調查問卷，構建出居家多功能康養(yǎng)護理床設計的指標模型：（1）收集居家多功能康養(yǎng)護理床設計的功能需求進行歸類并確定準則層指標要素；（2）運用FDM法對所搜集的問卷數據進行分析與計算，當所分析的結果達到一致時，則完成分析過程。反之，被訪對象則需要利用優(yōu)化后的問卷再次進行二次調研，直到所有數據分析的檢驗結果均為通過；（3）設立門檻值，對設計指標要素進行篩選，制定居家多功能康養(yǎng)護理床設計指標層級模型[9]。

在居家多功能康養(yǎng)護理床設計過程中，產品的多樣性功能會作為設計的衡量指標，即居家多功能康養(yǎng)護理床會具備一定的創(chuàng)新性功能、輔助性功能以及常用功能，同時也要考慮老年人對事物的接受程度，兼顧產品的可操作性能。因此，選取養(yǎng)老院、社區(qū)等地點進行問卷調研，調研對象主要包含以下幾類人群：（1）養(yǎng)老院的半失能老年人；（2）養(yǎng)老院的照護人員；（3）需要照護家中老人的社區(qū)居民；（4）想要購買此類產品的人員。本次調研問卷發(fā)放總量為200份，回收有效問卷184份，問卷信度分析克隆巴赫系數為0.824，效度分析KMO值為0.87，說明問卷信度不錯，因子分析有效。調研問卷的結果表明此次調研的這類人群都擁有相對統(tǒng)一的用戶需求，都表達了對該設計產品的功能預期：（1）在照護老人過程中會攙扶老人上下床，對于一些半失能老人來說，護理人員的一個失誤可能就會導致老人受傷，希望產品能夠輔助或自動完成這一步驟；（2）如果能夠對老人的身體機能數據進行監(jiān)測并提醒，那么將會極大地改善照護環(huán)境；（3）對于普通家庭來說，可能他們會更愿意購買高性價比的產品，那么按照用戶自身的照護需求來選購、配置產品不失為一種更為合理的設計；（4）可以設計一些康養(yǎng)、關懷性功能部件，讓產品更好地服務于用戶。結合問卷以及用戶對產品的功能預期，通過多輪德爾菲法（DM），結合專家們的討論以及判斷意見之后，得到了居家多功能康養(yǎng)護理床設計的創(chuàng)新功能、輔助功能、常用功能和操作性能等四項一級準則層指標以及十八項二級準則層指標，這些功能分別是輪椅—床轉換、穴位按摩、自動溫控調節(jié)報警、功能運行可視化、遠程輔助醫(yī)療、起夜燈、起夜升降、安全扶手、生理數據監(jiān)測、產品自潔、輔助餐板、便捷儲物、臥床排便、助起翻身、輸液桿、可移動、模塊化設計、易于維修。傳統(tǒng)的DM法無法對如此多的設計指標因素進行客觀的處理。因此，本文采用完善后的FDM法對這18項指標因素進行優(yōu)化處理，流程采用0到10個級別進行評分，分值越高則證明分值對應指標的重要性程度也就越高。根據專家反饋的結果，對這18項初始指標因子進行綜合統(tǒng)計分析，并對其重要性程度可接受的最大值及最小值賦值，剔除兩倍標準差之外的數據。用Ci代表行業(yè)專家對這一指標認知的保守認知值；用Oi代表行業(yè)專家對這一指標認知的樂觀認知值。在這18項指標的綜合分析處理中，引入雙三角模糊函數，通過運用“灰色地帶定檢法”來對其結果進行驗證，并對這18項二級設計指標進行優(yōu)化篩選[10]。

2.2 構建雙三角模糊數并計算相應數值

在排除部分數據后，需要計算出各項設計指標i保守認知值中的最小值CiL、最大值CiM與幾何平均值CiM；樂觀認知值中的最小值OiL、最大值OiU與幾何平均值OiM。為了更加全面地評估各項設計指標，還需構建各項設計指標i的保守認知雙三角模糊數：(CiL,CiM,CiM)以及樂觀認知雙三角模糊數：(OiL,OiM,OiU)。兩個模糊三角數重疊的部分稱之為灰色地帶。

函數圖中介于OiL和CiU之間的共識值Gi是依據各指標數據計算得出的，其數值越大，則說明它就越重要。如果在函數圖中發(fā)現(xiàn)兩個數值之間未發(fā)生重疊情況(CiU≤ OiL)，說明灰色地帶（Zi）不存在，則表示行業(yè)專家的意見一致，則

如果兩個模糊三角數之間存在重疊情況(CiU>OiL)，說明灰色地帶（Zi）存在；如果Zi≤Mi，其中Zi=CiU-OiL,Mi=OiMCiM，運用公式算出Gi，其數值等于函數圖中灰色地帶區(qū)域的兩個數值，并計算出最小值的模糊數集合Fi(Xj)。其中j屬于設計指標因子i。

如果Zi>Mi，則說明專家意見不一致，則需要重復2.1～2.2節(jié)，直至專家意見趨于一致且達到收斂狀態(tài)。雙三角函數圖如圖2所示。

■圖2 雙三角模糊數函數圖

2.3 對各指標進行計算并求取相應的門檻值

在一般情況下，門檻值的確定大多會由決策人員主觀制定，亦或者參考相關專家的意見進行設定，同時也可以計算待篩選評估指標共識值的幾何平均數來獲取門檻值[11-12]。通過比較Gi值與門檻值(S)，若Gi≥S，則保留該指標；若Gi＜S，則刪除該指標。為了有效分析專家們的調查問卷，引入FDM法進行處理，通過對結果的兩輪計算之后，專家們的意見漸漸達成一致，同時各項指標數據也達到了一定的收斂狀態(tài)，并且各指標的灰域值以及重要性程度的共識值也同步的計算了出來。通過對Gi的幾何平均數值進行計算，得到最終的門檻值S=7.12。問卷分析結果見表1。

表1 問卷分析結果

依據表1的分析結果，在篩選之后最終確定了十五個二級準則層指標，它們分別是：C11輪椅—床轉換、C12穴位按摩、C13自動溫控調節(jié)報警、C14功能運行可視化、C21遠程輔助醫(yī)療、C22起夜燈、C23起夜升降、C24安全扶手、C25生理數據監(jiān)測、C31輔助餐板、C32便捷儲物、C33助起翻身、C41可移動、C42模塊化設計、C43易于維修（圖3）。

■圖3 居家多功能康養(yǎng)護理床設計層級指標模型

3 基于FAHP判斷矩陣的構建及權重計算

以圖3所示的居家多功能康養(yǎng)護理床層級指標模型作為基礎，在此基礎之上進行層次分析問卷的設計并對10位專家進行調研，專家人員包括5位產品設計人員，在產品設計領域有多年的從業(yè)經驗；3位高校教師，主要研究方向為家居產品設計，并在該領域有建設性的成果；以及2位醫(yī)務、護理工作人員，能夠為本產品的設計提供相關參考性的建議。為使判斷定量化，縮小判斷思維不一致時產生的偏差，以SAATY提出的1～9數值判斷尺度表為參考依據[13]，如表2所示。

表2 數值判斷量化的指標及其對應的含義

根據全部問卷分析的結果，分別構建判斷矩陣，利用SPSSPRO在線數據處理平臺計算所有指標的權重值并通過幾何加權平均算法獲取最終結果。當該判斷矩陣的數值結果符合要求時，表明該矩陣的一致性比率系數的數值(CR)是小于0.1的；反之，如果該系數(CR)的數值大于或者等于0.1,那么就要對判斷矩陣的結構進行一定的調整，直到結果滿足一致性要求。各層級分析數據詳見表3～表8。

表3 準則層各指標權重值

表4 創(chuàng)新功能各指標權重值

表5 輔助功能各指標權重值

表6 常用功能各指標權重值

表7 操作性能各指標權重值

表8 各層級指標權重綜合排序

通過上述研究分析，得到居家多功能康養(yǎng)護理床設計中的關鍵設計因素，結合目前居家護理床的使用情況以及問卷分析采集到的用戶對于居家多功能康養(yǎng)護理床預期功能的期望，專家組建議將排在前10的設計要素作為設計過程中需要解決的問題，并進行問題等級劃分，如表9所示。

表9 居家多功能康養(yǎng)護理床設計問題等級劃分

4 基于U-TRIZ理論的SAFC模型分析

從表9可以看出，居家多功能康養(yǎng)護理床創(chuàng)新設計中存在著一定的技術沖突，即產品的某個設計要素改進之后會導致該產品其他設計要素產生惡化。因此，針對此設計矛盾，本文利用U-TRIZ理論中的SAFC模型進行問題的解決。該模型整合了物質、功能、屬性和因果要素，提供了物質以及功能屬性的結構化表達形式，為功能創(chuàng)新的實現(xiàn)提供了依據[14]。

在居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案中，既要使得產品在日常使用中能夠滿足多樣性的功能、高效護理的需求，同時又要滿足操作性能。居家多功能康養(yǎng)護理床設計的矛盾分析如圖4所示。

■圖4 居家多功能康養(yǎng)護理床矛盾分析

物質S1（家用護理床）和物質S2（醫(yī)療護理床）都具有各自的屬性，兩者相互融合可以衍生出有用功能FU與物質S3；與此同時，有害功能FH與物質S4也可從中得以產生，利用屬性分析線作為鏈接物質與功能的媒介，從而為居家多功能康養(yǎng)護理床搭建SAFC模型。經過SAFC模型處理后，產品所面臨的實際問題則可以向技術沖突轉化，并通過沖突理論加以求解。

在通過SAFC模型處理分析之后，產品的多樣性功能與操作性的問題描述為：如加入穴位按摩、自動溫控調節(jié)報警、模塊化設計等問題，則會引入相應的零部件來增加產品的復雜性以達到預期功能。居家多功能康養(yǎng)護理床設計的多功能問題的理想解是在家庭環(huán)境中，滿足產品附加功能的情況下，降低產品復雜性和老年人學習過程的難度。因此，需要對產品的適應性以及其易使用性參數進行優(yōu)化，而產品的復雜性程度則會在一定范圍內上升。對應發(fā)明原理為（10）預先作用：形成方便的操作屬性；（15）動態(tài)特性：利用剛性、單鉸鏈、多鉸鏈、柔性等特有屬性實現(xiàn)功能，提高靈活性；（28）機械系統(tǒng)替代：運用光、聲、電、感官等新的替代屬性，高效執(zhí)行所需的功能；（35）物理或化學參數改變：運用變、增、減、測等方式改變物質屬性，高效執(zhí)行所需的功能。通過原理10、35：增加功能對應的按鍵，穴位按摩等功能的操作會更為簡便、高效；15：采用多鉸鏈、柔性材質，整體提升護理床的靈活性，就會使得模塊化設計的理念更容易實施；28：通過聲音以及光信號的快速傳遞，讓護理人員了解老人目前的情況并采取相應措施，那么產品自動報警功能便可得以實現(xiàn)。

將產品的高效與易用性的問題描述為：實現(xiàn)移動、輪椅—床轉換、功能運行可視化等功能會出現(xiàn)操作不便的情況。如輪椅—床轉換過程會涉及護工手動轉換或者多個復雜按鍵使用的情況，功能運行顯示的圖標設計在用戶無法觀察到的位置。不合理的設計會影響用戶的使用體驗以及高效程度。居家多功能康養(yǎng)護理床設計的高效性理想解是，在不增加用戶操作難度的情況下，使產品可以便捷地切換使用狀態(tài)。因此改進參數為適應性、可操作性和自動化程度，惡化參數為裝置的復雜性和可制造性。對應的發(fā)明原理為（03）：局部具有特殊的屬性，確保相互作用中產生所需功能；（10）預先作用：形成方便的操作屬性；（15）動態(tài)特性：利用剛性、單鉸鏈、多鉸鏈、柔性等特有屬性實現(xiàn)功能，提高靈活性；（28）機械系統(tǒng)替代：運用光、聲、電、感官等新的替代屬性，高效執(zhí)行所需的功能；（35）物理或化學參數改變：運用變、增、減、測等方式改變物質屬性，高效執(zhí)行所需的功能。通過原理03、10、15：設計為輪椅—床相互轉換的形式，讓產品使用更加靈活，實現(xiàn)產品的可移動、輪椅—床轉換功能；原理28、35：在設計智能中控之后，用戶可以更直觀地看到運行中的產品并通過光、聲音等信號告知用戶當前產品的工作狀態(tài)，提高工作效率。

基于SAFC模型對產品的主要功能進行分析之后，認為產品還需兼具安全性能以及在造型和色彩上更加柔和。居家多功能康養(yǎng)護理床設計的安全及舒適度理想解是，產品在使用過程中，具備一定的安全部件，同時還可以實時監(jiān)測用戶生理數據以便更好地進行護理工作。改進參數為安全性和美觀，惡化參數為形狀和測量精度。對應發(fā)明原理為（03）：局部具有特殊的屬性，確保相互作用中產生所需功能；（10）預先作用：形成方便的操作屬性；（17）空間維數變化：空間屬性的協(xié)調轉化；（24）借助中介物：運用中介物的特有屬性作用實現(xiàn)功能；（28）機械系統(tǒng)替代：運用光、聲、電、感官等新的替代屬性，高效執(zhí)行所需的功能。通過原理03、10：會設計成隱藏式安全扶手，在作為床使用時就可以節(jié)省一定的空間；原理24、28：通過設計升降柱、隱藏式夜燈，打造起夜升降系統(tǒng)，提升用戶在使用產品過程中的舒適程度。

5 設計實例

5.1 方案設計

綜合上述分析流程，運用Rhino和Keyshot軟件，產出最終的居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案，如圖5所示。

■圖5 居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案

在產品一級設計問題方面，輪椅—床轉換功能為老年用戶帶去了極大的行動便利。對于行動不便的老年人來說，輪椅—床轉換可以在坐與躺之間便捷的切換，在無需護工的情況下就可實現(xiàn)室內行動；同時床墊內部內置按摩矩陣，矩陣點位對應人體穴位，通過中控即可選擇按摩功能，床墊的設計也十分的考究，選擇透氣性功能床墊，讓用戶在使用時不會感覺到背部悶熱，設計方案如圖6所示。

■圖6 一級功能指標優(yōu)化設計（穴位按摩、模塊化功能床墊）

在產品二、三級設計問題方面，護理床通過內置傳感器，可以實時監(jiān)測用戶生命體征，并將數據傳輸至子女及護工手機，當用戶體溫或者心率等關鍵數值異常時，護理床便會報警，監(jiān)護人就能夠及時采取措施；在床底兩側嵌入照明燈來應對老人起夜的情況，避免因夜間視線不好而踩到異物摔倒，同時床體還會自動降至合適高度來方便老人行動；同時，在輪椅設計上也會考慮對應的功能按鍵區(qū)域（圖7-圖8）。

■圖7 二、三級功能指標優(yōu)化設計（升降及夜燈系統(tǒng)、數據監(jiān)測及報警功能）

■圖8 二、三級功能指標優(yōu)化設計（輪椅移動、安全扶手）

同時，在居家多功能康養(yǎng)護理床的設計上，綜合考慮用戶自身實際需求，引入模塊化設計理念。扶手、多功能床墊、床頭智能中控、夜燈、升降系統(tǒng)等這一系列的功能部件，用戶都可以根據老人照護的實際情況進行選購、配置，讓用戶在最合適的價位購買到最合適的產品（圖9）。

■圖9 模塊化組合方案示意圖

5.2 模糊綜合評價

設計評價分析屬于一種主觀性較強的評價行為。不可避免的是，評價者會在整個評價進程中存在一定的主觀性，而所提出的模糊綜合評價的方法則可以在處理多個指標要素時更加準確地衡量評價結果，從而更加有效、合理地解決評價者因眾多評價要素而產生的模糊主觀判斷的問題[15]。具體執(zhí)行步驟如下：

（1）綜合查閱模糊評價相關理論，選擇邀請10位專家對居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案進行評價[16-17]。

（2）確定評語集與評價標準，使得結果的一致性與可比性更加統(tǒng)一[18]。將評價過程劃分為四個等級，即評語集：{優(yōu)、優(yōu)良、良、合格}，賦值后的評價向量=90，85，70，60，并對各評價等級賦值制定等級標準，其中：優(yōu)90分，優(yōu)良85分，良70分，合格60分。

（3）綜合運用評價系統(tǒng)，計算得出每一層級指標所對應的權重向量。

（4）根據上述步驟的結果，構建出設計方案所對應的模糊綜合評價矩陣。

其中，若某項指標被評為7次優(yōu)秀，則記為0.7，其他指標同理。通過此方法可以構建出準則層對設計方案的評價矩陣。用S來代表二級準則層的模糊綜合評價矩陣，B1對應S1，B2對應S2，B3對應S3，B4對應S4。

結合S1與B1層級下的二級準則層對應的指標權重進行混合運算，得到對應的評價權重向量P1。

同理得出P2、P3、P4。

以二級準則層的評價權重向量建立綜合矩陣，得出總評價權重向量P。

根據總評價權重向量結果，按照百分制進行計算，得出最終方案得分為91.26。根據評判等級可知，居家多功能康養(yǎng)護理床的評價結果處于優(yōu)秀范圍內，說明居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案可行性高，在臥床與輪椅兩種形態(tài)下能夠滿足老人的使用需求，同時也表明將產品設計為一種可改變使用形態(tài)的形式在居家護理領域更具有創(chuàng)新性[19-20]。

6 結語

本研究將居家多功能康養(yǎng)護理床作為研究對象，提出結合FDM、FAHP和U-TRIZ的設計方法。運用FDM定量地篩選居家多功能康養(yǎng)護理床的設計指標因素，通過FAHP計算、篩選各層級指標權重并確立最終的設計要素，并引入模糊評價來綜合評價居家多功能康養(yǎng)護理床設計方案。最后，結合U-TRIZ理論，通過SAFC模型來對產品進行解決并設計出最終方案。FDM、FAHP和U-TRIZ結合的方法以一種更加系統(tǒng)、科學的形式來優(yōu)化設計方案，減少設計過程中的主觀因素，使得產品更加科學、嚴謹和理性。同時，本次研究仍存在一定的局限性，在層析分析階段，各指標的賦值存在著一定的主觀不確定性，還可通過場景實驗來更好地分析賦值[21-22]。未來應設計出更加科學、客觀的評判標準和更多的實驗來驗證產品的完整性以滿足用戶群體的需求[23-24]。