基于AHP-TRIZ 理論的紡織機械裝備人性化設計研究

摘要：通過對紡織機械裝備人性化設計過程進行系統分析，闡述了機械裝備設計過程中存在的人機體驗、視覺造型、制造成本等人性化設計問題與應用設計理論進行設計的過程。運用AHP-TRIZ理論在紡織機械人性化設計過程中基于用戶需求和矛盾提出解決方案的設計流程。通過以拉幅定型機設計實踐得出，該理論組合對于紡織機械裝備人機體驗等人性化設計方面具有一定的應用價值。該方法為之后紡織裝備的設計提供了新的思路和工具。

關鍵詞：層次分析法（AHP）；TRIZ理論；紡織機械；人性化設計；造型設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）23-0090-04

引言

隨著市場競爭的加劇和需求的多樣化，紡織機械裝備不僅要滿足功能需求，還應更注重人性化設計，對操作者的舒適性、便捷性、安全性提出新的需求。目前，我國紡織機械裝備設計水平還存在一定不足，缺乏人性化和創新思維，難以滿足市場以及操作者的需求。介于，層次分析法（AHP）能夠將問題分解為多層次指標，實現紡織裝備人性化設計要素的權重評價和排序。運用TRIZ 理論的系統化創新思維方法，可以對裝備人性化設計過程中的技術矛盾進行突破和解決。因此，本文將AHP-TRIZ 理論應用于紡織機械裝備人性化設計過程中，實現紡織裝備的設計優化。并以某型紡織機械裝備為例，進行理論應用與設計實踐。為紡織機械裝備的創新設計提供了一種新的思路和參考。

一、理論概述與設計流程

對研究涉及的設計目標、理論方法進行概述總結，明確設計方向和理論應用的步驟，進而梳理針對設計實踐的主體流程，使設計方案與結果達到最佳的優化。

（一）人性化設計概述

人性化設計是在設計中充分考慮行為、心理、環境等因素情況[1]，運用分析方法與技術對產品進行改良，滿足使用者生理和心理需求的創新設計過程。使最終的產品富有情感，協調人機環境之間的關系，創造良好的使用氛圍。

（二）AHP 層次分析法

AHP 層次分析法是一種定性與定量相結合的多準則決策方法，可以通過多層次、多維度的分析以達到解決和處理問題的作用[2]?？梢蕴幚韽碗s問題內部各部分潛在的關聯性，并通過各個層次之間的判斷與比較，建立判斷矩陣，并對其進行權重結果計算，最后對計算結果進行排序和檢驗。

（三）TRIZ 理論創新設計

TRIZ 理論是一種基于系統分析的創新設計方法。該方法通過分析技術系統的發展規律和矛盾解決原理，尋求最佳的解決方案[3]。根據技術要求及設計規律來指導整個設計過程，可以在產品設計階段高效率地抓住矛盾沖突問題，提出解決方案。

（四）針對紡織機械裝備的設計流程

基于兩種方法的特點，將AHP 和TRIZ 理論相結合，可以有效地將用戶需求轉化為明確的設計要素，并解決設計中的矛盾問題。針對紡織機械裝備的人性化設計流程，首先，明確設計目標和用戶需求，然后運用AHP 方法對用戶需求進行權重分析，再運用TRIZ 方法對需求要素進行矛盾轉化和方案推演，最后得出最優設計方案[4]。其設計研究思路如圖1 所示：

1. 建立評價體系：根據用戶調研得到基本的紡織機械裝備功能需求與人性化要求，確定設計目標和評價指標，構建AHP 層次結構模型。

2. 要素量化評價：利用專家打分法和問卷調查法，對各層次的要素進行比較，計算各要素的權重，確定各評價指標的相對重要性和準確性，之后進行綜合排序確定重要的設計要素。

3. 要素矛盾識別：根據評價指標的權重值，找出設計要素中比較突出的技術矛盾，并轉化為工程參數。

4. 創新原理篩選：根據TRIZ 理論中的沖突矩陣，依據用戶需求參數的矛盾，找出相應的創新原理。

5. 初步方案生成：根據創新原理的含義和實例，結合紡織機械裝備的特點，運用類比、聯想、變形等思維方法，生成具有創新性和可行性的設計思路或方案。

6. 最終方案呈現：根據AHP 的評價指標和權重，對生成的概念方案進行評價和比較，選擇最優的概念方案。

二、 AHP用戶需求分析

在設計研究初期，運用AHP 方法結合設計目標對用戶需求進行搜集- 篩選- 分析- 排序，以便確定人性化設計過程中的主要設計要素。

（一）用戶需求層次獲取

通過問卷調查、實地考察、問詢訪談等方式，對紡織設備使用過程中相關群體人性化需求并進行整理。內容主要包括：設備造型、人機交互、結構優化、CMF。這些需求相互關聯，共同構成了紡織機械裝備人性化設計的基礎。根據不同需求分別按照：目標層、指標層、方案層3 層次來構建遞階層級結構模型（見表1），分別用A、B、C表示，并與產品設計要求D 一一對應[3]。

（二）用戶需求權重分析

確定用戶需求層次后，構建層次權重分析矩陣對各層次需求進行權重（W）分析。通過驗證一致性比率（CR）來檢驗判斷矩陣的一致性（CR ≤ 0.1）。最后，根據各層次需求在紡織機械裝備人性化設計中的重要程度進行排序，為后續通過TRIZ 理論尋找并解決需求矛盾提供重點方向。其詳細步驟如下：

1. 步驟1

邀請5 位行業專家和6 位用戶代表進行打分，采用（1-5）5 分標度對應不同的需求感覺重要程度，其中1 表示兩個因素同等感覺，5 表示一個因素比另一個因素更具有必要的感覺，中間的數字表示不同程度的感覺重要性（1-5 標度其含義見表2 所示）。

2. 步驟2

根據評價表對裝備人性化設計各要素的打分結果，采用幾何平均法求出用戶需求權重W，以及判斷矩陣的最大特征根。通過驗證一致性比率（CR）來檢驗判斷矩陣的一致性（CR ≤ 0.1），CR 越小，一致性越好。其計算方式和用戶需求層次中指標層與目標層需求權重結果以及一致性驗證，見表3- 表7 如下：

（1）計算每行各指標乘積Mi：

其中：n：判斷矩陣的階數。

3. 步驟3

根據表3-7 可得CR 值均小于0.1，由此可判定通過一致性檢驗。對準則層和指標層的目標權重進行綜合排序并分類來確定人性化設計中更突出的因素，詳見表8。

根據紡織裝備人性化設計各項需求綜合權重排序得出：罩殼、整體、配色、安全這4 方面為人性化設計需求中必須要重點體現的部分；材料、局部、操作、輔助一般重要，是人性化設計中的次要重點；檢修、散熱、表面、細節權重占比較低，在設計中，不需要過多關注，滿足基本功能即可[5]。

三、TRIZ理論需求矛盾分析

根據AHP 對于紡織裝備人性化設計的分析結果，梳理各設計要素之間存在的矛盾關系，提出可行的創新原理與方案，以便于后續通過對應的TRIZ 理論運用進行設計方案實施。

（一）需求要素矛盾提取

在紡織機械裝備的人性化設計中，通過AHP 權重綜合分析和現場專家交流可以發現用戶需求之間存在多種矛盾。結合實際生產情況調查，對12（D1-D12）項產品設計需求進行分析，并篩選出具體對應的人性化設計要素矛盾共3 對。3 個相互矛盾的設計因素：①（D5-D6）檢修便捷與安全的矛盾；②（D8-D10）設備散熱與材料選取的矛盾；③（D7-D1）整體造型與罩殼結構的矛盾。

（二）矛盾解決方案轉化

根據人性化設計需求矛盾的提取結果進行分析，將這3 對具體的要素矛盾抽象為通用工程參數，分別對應：NO.34 可維修和NO.27 可靠性、NO.27 可靠性和NO.31 有害因素、NO.32 可制造性和NO.35 適應性及多用性[6]。根據以上矛盾參數分析提出對應的解決方案，見表9。

四、拉幅定型機人性化創新設計實踐

基于AHP 對拉幅定型機人性化要素的分析，結合可用的TRIZ創新方法，對拉幅定型機的重點需求進行設計優化，做到功能與人性化的平衡，提高裝備操作體驗和生產效率[7]。

（一）技術矛盾與人性化需求分析

1. 矛盾1 檢修便捷與安全

針對矛盾1，其主要解決原理為：預先作用原理、聯合原理，在設計初期統籌考慮拆卸步驟與安全隱患，預先將安全操作與拆卸流程有機結合，實現結構設計中單一步驟的雙功能化，進而達到操作便捷性與安全保障的統一。

2. 矛盾2 設備散熱與材料選取

對于矛盾2，可通過利用多孔原理、分割原理、局部改善原理進行綜合解決。通過分割以隔離其他部分，進而針對該區域實施局部優化策略。在結構設計上，適當引入開孔這一措施，在滿足設備散熱的同時，減少材料損耗和降低成本，從而實現散熱與材料經濟性的雙向提升。

3. 矛盾3 整體造型與罩殼結構

關于矛盾3，可采用：變害為利原理、拆出原理相結合解決。通過深入分析罩殼結構將阻礙整體造型的部分拆離，并做針對性設計，將有害部分變為整體造型設計的積極因素，使之成為整體造型的一部分。

4. 人性化需求分析

對拉幅定型機具體人性化需求進行分類，見表10。

根據定型機人性化需求分類表，若要提高裝備人性化水平，需要對操作步驟和空間進行符合人體尺寸的優化。鑒于定型機通常運行于封閉空曠的廠房環境，長時間噪音和重復操作易導致操作者的感官疲勞，進而產生安全隱患。因此，應強調裝備外觀造型的統一性，營造穩重堅實且充滿生機的視覺感受，以提升用戶的視覺與心理舒適度。此外，在確保罩殼結構可靠性的基礎上，還應提升操作人員拆裝和檢修的便攜性，并且進行構件兼容性和標準化設計，使之可廣泛應用于更多區域和設備，有效降低了人員操作難度和設備制造成本[8]。

（二）針對拉幅定型機的設計實踐

拉幅定型機組成結構主要包括：觀察孔、進布電機罩殼、高溫烘箱罩殼、出布牽引罩殼、控制臺樓梯、機柜擋板、警示擋板等。帶入TRIZ 理論的解決方法，對裝備整體和以上結構進行人性化設計實踐。相關解決方案如下：

1. 造型統一與制造標準化

（1）提高風格視覺統一：拉幅定型機的造型設計是在功能與人機關系之間尋求最優的平衡點。根據第12 條發明原理（形狀）對拉幅定型機的整機形狀進行區域劃分，對劃分區域進行統一的造型設計，選用多條折線排列形成強烈的運動感和張力。在罩殼設計的細節上要與整體節奏高度呼應，利用機身不同功能部分體現造型的銜接感，減少整機造型過于分散的缺點，從而保證裝備風格視覺一致性。

（2）標準化與通用性：利用第35 條發明原理（適應性），針對機柜門板、電機罩殼、散熱等部位，結合裝備實際情況，進行標準化處理。對以上構件尺寸信息進模糊處理，歸納出對應的寬、窄、高3 種尺寸模板，在實際制造過程中根據不同情況使用對應尺寸模板。提高裝備構件的多適應性，降低造型與設計只能在單一裝備使用而造成的浪費與后期維護的人員培訓難度。

（3）優化制造與設計周期：利用第32 條分明原理（可制造性）對拉幅定型機進行功能區域規劃。對功能相近或非特殊功能區域選擇統一厚度不銹鋼板作為設計材料，多以打孔、彎折、焊接等便捷加工方式來進行設計制造，既滿足設計研究目標同時也有效降低工藝、材料、時間多方成本，縮短裝備設計制造周期。

2. 色彩視覺提升

紡織機械設備不同于以往的工業設計產品，作業環境具有很強的不確定性，優秀的工業設備色彩設計應該做到與設備環境、外觀形態相統一。原拉幅定型機配色采用傳統的黑、藍、綠配色，飽和度較高顏色對比過于明顯，長時間的刺激視覺會造成較明顯的視覺疲勞和心理懈怠，且與其他企業配色相同無差異化。此次設計拉幅定型機整體顏色以藍灰色、深藍色作為主色調打破傳統機械配上色，灰色、白色為機身輔色，以深灰色為重色以壓制設備的重量感，提升設備的高級和安全感的同時整體穩重又不失活潑。緩解長時間操作下人員的視覺疲勞，提高視覺、心理舒適度和生產積極性。

3. 罩殼人機與用戶心理優化

（1）減少操作與效率提升：經現場調研，發現儀表刻度盤位于裝備兩側高位，緊鄰傳動裝置，導致操作人員在采集生產數據時需依賴扶梯，增加了操作復雜度。為減少操作步驟，在保證安全情況下，利用第35 條發明原理（適應性），根據人眼仰視視野最佳的可視范圍對罩殼做開孔設計，通過調整罩殼正面開孔位置，形成上下2cm的開孔距離，擴大罩殼的可視角度，使操作人員可在地面順利讀取生產參數，提高生產效率。

（2）提高結構可靠性：利用第13 條發明原理（結構穩定性）針對原有裝備重量與使用環境的實際需求，考慮到操作員可能存在的依靠行為，因此，在關鍵部位采用半包圍或全包圍結構代替單層開放結構，以在不干擾操作的前提下增強結構穩固性。此外，罩殼的通風孔采用折線開孔進行設計，通過優化開孔尺寸抑制罩殼版面的晃動。同時，結合人體測量數據，將開孔寬度精確控制在1.5cm 以內，從而防止操作人員在作業過程中手指誤入等危險情況的發生。在保證操作效率的情況下提高結構的穩定性和用戶體驗。罩殼人機與結構優化示例如圖2 所示。

4. 高溫區域安全與便攜性改良

（1）降低安全隱患：烘箱作為高溫作業區域，原罩殼設計僅為簡單的金屬遮擋板，缺乏必要的側面防護措施，使得操作人員在近距離監看燃機燃燒情況時面臨高溫風險。為解決這一問題，結合第31 條發明原理（有害因素）對烘箱罩殼散熱孔造型、開孔尺寸、排列疏密等可以直接影響人員效率與安全的有害要素用過設計進行規避防護。罩殼采用多開孔的全包設計，考慮到烘箱的散熱、參數監看需求，對罩殼觀察面的開孔排列方式采用雙列開孔形式，從裝備左右兩側都可以完成監看操作，為了防止人員受到高溫影響，罩殼殼體尺寸與烘箱直線距離保持20cm 以上，同時控制散熱開孔尺寸控制在2cm，在盡可能增加散熱效率，便于觀察監看的情況下保證操作人員的安全。

（2）裝配與維修便攜：經現場測量，烘箱罩殼尺寸長1.5m，寬60cm 高40cm，整體體積偏大，導致裝備裝配及后期維護操作復雜，常需兩人協同作業。鑒于燃灶的安裝與維護主要發生在罩殼上方且無承重需求。于是對罩殼結構進行了優化設計，通過在罩殼頂部開設尺寸為長90cm、寬40cm 的大面積孔洞，不僅降低了罩殼的整體重量，還顯著提升了裝配與維修的便捷性。經現場驗證，此設計并未對罩殼結構安全造成任何不良影響，實現了效率與安全的雙重提升。高溫區域罩殼開孔設計示例如圖3 所示。

5. 傳動區域安全設計

紡織設備出布牽引區因傳動軋輥與皮帶輪眾多，其罩殼設計尤為關鍵。在保持整體風格統一的基礎上，安全因素成為設計的核心考量。為優化散熱性能并保障操作人員安全，本研究將原方形開孔改為直徑8mm 的圓形開孔，并按折線排列。此設計在確保罩殼結構可靠性的同時，顯著提升了操作安全性。傳動類罩殼開孔示例見圖4 所示。

6. 樓梯人機與擋板安全設計

（1）人機改良：機身控制臺部分包含樓梯與機柜擋板，此區域人員活動頻繁。原樓梯踏面采用鏤空金屬網狀結構，網格尺寸介于3-5cm 之間，存在物品掉落隱患，威脅生產安全?？紤]到裝配與維護的實際需求，將樓梯踏面改為凹凸花紋金屬板覆蓋，既防止物品掉落，又提升摩擦力。此外，原機柜擋板設計為矩形，因靠近樓梯轉角，人員走動時易發生碰撞。為優化人機交互體驗，本研究基于人體上半部分測量尺寸對機柜擋板進行改進，結合裝備斜線走勢實施矩形切角處理，有效減少碰撞，提升操作安全性。

（2）警示與安全：裝備危險區警示作用至關重要，原方案采用淡黃色警示且部分區域僅設警示帶，顏色對比度不足，警示效果不佳，易引發安全事故。本研究針對此問題，提出采用與裝備整體顏色對比度更高的橘黃色，并將所有警示區域均升級為警示擋板設計，顯著提升警示效果，確保操作安全。樓梯與擋板安全設計示例如圖5 所示。

（三）最終整機方案展示

此拉幅定型機人性化設計以AHP 分析為導向，應用TRIZ 的發明原理，摒棄以往以功能為主忽略用戶造型不統一的設計路徑，以提高設備的操作效率和用戶體驗為目標。在設備的整體造型上保持著設計元素的一致性，凸顯了工業設計美感，另外，兼具靈活的細節關注，盡量滿足不同作業環境中的情感體驗[9]。

經過概念構思、草圖繪制、效果圖呈現及樣機制作等階段，本研究根據甲方不同配色需求，推出了兩個主要設計方案。在CAD/RHINO 等工程制圖軟件的輔助下，結合當前加工條件、人性化需求及設計成本，對設備整體造型、罩殼、配色、開孔、樓梯等進行了全面設計。罩殼根據實際需求進行開孔處理，折線方形開孔適用于多數場景，而圓形開孔則更適用于高溫和傳動裝置。為滿足廣泛場景需求，罩殼尺寸進行了標準化處理，確保設計可靠且成本節約。樓梯部分采用凹凸防滑設計，并在臺階面開設元素孔，確保操作員安全的同時保持整機設計風格的統一。配色方案經過專家評價后選定，旨在實現設備穩重性與視覺效果的和諧統一。最終整機方案及配色示例見圖6 所示。

結語

本文基于AHP-TRIZ 理論，對紡織機械裝備的人性化設計進行了系統研究。通過AHP 方法分析用戶需求，利用TRIZ 理論轉化設計矛盾抽象成可以解決的工程參數，以拉幅定型機為例進行了實例應用。通過本文的設計表明，AHP-TRIZ 理論能夠有效指導紡織機械裝備的人性化設計，提高裝備的使用效率和操作者的人機體驗。但是，在設計過程中還是發現在設備運輸，到廠裝配等過程考慮不周全，后續應該做進一步的改進和深化。未來研究將進一步探索AHP-TRIZ 理論在不同類型紡織機械裝備人性化設計中的應用，進一步提升設計的人性化水平。

參考文獻

[1]史耀軍，孫悅美. 基于人性化設計的公共場所消毒產品設計研究[J]. 設計，2023，36（19）：97-99.

[2]張寧，馬彧. 基于AHP和感性工學的通風設備造型設計評價[J]. 設計，2022，35（19）：105-108.

[3]蔣典亨. 基于AHP/TRIZ理論的可拆卸孕婦裝創新設計[J]. 設計，2023，36（15）：128-131.

[4]支天宇，馬彧. 基于QFD及AHP的紡織裝備并條機造型設計[J]. 工業設計，2021（01）：151-152.

[5]賀晨曦，馬彧. 基于TRIZ理論的并條機造型創新設計[J]. 工業設計，2021（02）：152-154.

[6]嚴淑，許白云. TRIZ理論中40條創新原理的應用研究[J]. 科技創業月刊，2015，28（15）：117-120.

[7]康賽宇. 人性化設計在產品設計應用中的發展趨勢[J]. 陶瓷研究，2023，38（06）：74-76.

[8]敖進，車林仙，段勝峰，等. 工業設計主導下的非標裝備設計研究現狀及發展趨勢[J]. 機械設計，2023，40（S2）：214-219.

[9]白俊峰，王亞平. 人性化設計理念在產品設計中的應用[J]. 設計，2018（12）：144-145.