产品设计中基于质量功能配置的需求转化过程

吴若仟,江 屏,卢佩宜,张焱焱

(1.河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300401;2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300401；3.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401)

1 问题的提出

随着社会的进步与经济的发展，市场中的产品种类越来越多，用户需求也变得多种多样。企业要在激烈的市场竞争中脱颖而出，增加产品竞争优势，就要准确分析和把握用户需求，进行产品设计创新。因此，设计师应站在消费者角度，运用科学、技术、审美等手段，深入了解用户需求，同时注重产品的功能性与制造的便利性，采用商业策略和技术满足人们的需求，这样生产出来的产品才是真正符合用户需求、具有综合竞争力的产品。

在工业设计理论中，以人为本是工业设计的核心，其中的“人”则代表了用户需求。工业设计关注用户的操作流程和方式，通过研究人类行为需求指导产品功能设计。然而，功能与形式的经典辩证法导致设计师通常只将语义与产品的美学外观相关联。语义是设计师对用户的情感沟通，用户对产品的需求不仅是形式上的，还包括对产品的功能满意度或使用方式以及使用过程中的感受，这种需求被定义为用户对产品的情感需求。在图1的坐标轴中，“分析—工程”轴按人类活动的性质对其进行分类，分析性活动指人类大脑中的思维活动，是人们对自然世界的理解和思考；工程性活动指人类从事的物理活动，包括设计制造一些产品来解决人类遇到的问题。“象征—现实”轴根据人类活动的内容和领域分类，上半部分涉及抽象思维和象征符号，下半部分与现实世界物理环境中的人工制品或系统有关。用户的情感需求即产品的语义，是一种同时包括象征性和现实性的工程性需求。功能需求是产品为了实现情感需求所应具备的功能，它只在坐标轴的现实性和工程性部分。因此同时将产品的功能和形式与用户相连，才能设计出真正符合市场需求的产品。面对产品创新设计需要研究以下问题：在获取用户需求时，如何获取明晰化、层次化的用户需求，如何将用户的有效需求处理得更加明确；如何根据用户需求进行推导，有效地将用户需求转化为产品设计参数。基于以上认识，建立基于质量功能配置(Quality Function Deployment, QFD)的产品需求转化分析模型，辅助设计师分析目标用户的需求，得出产品的各个设计参数，进而指导产品设计。

2 以需求为中心的产品设计

2.1 产品创新过程中需求调研的重要性

设计领域涉及人类所有有目的的活动，合理地运用现有的条件材料和技术，并研究人的生理、心理特征及社会结构和趋势，提出人类生产和生活的理念，并将这一计划付诸实践[1]。设计本身就是改造人类世界，设计的价值倾向于与人类和环境需求相关联，这些需求是由人类行为创造或产生的。从这个意义上说，设计的存在源于人类对生活环境和社会文化多样性的需求。

如图2所示，在一个新产品创新过程中，“功能”和“语义”是产品设计两个进步的方向。功能由技术推动，指产品实现用户特定目的所发挥的有利作用；语义作为产品的语言，由设计驱动并成为设计师和消费者之间的一种交流方式。创新基于对社会文化模型中微妙动态变化的理解，将用户需求知识与新技术有机结合。技术推动和设计驱动方法重叠的领域是新产品开发的核心[2]。产品设计需要3个层次知识来源：①技术，是提供实用功能的基础；②语义，是产品被设计出来的“原因”；③用户需求，为来自市场的输入[3]。在产品设计中，用户关注的是产品是否满足需求，设计师关注的是设计产品所运用的技术，并通过实现产品的功能来满足用户的需求。优良的设计应该综合语义、功能和需求，并将其嵌入产品，如图3所示。

2.2 工业设计中的需求转化分析

在工业设计理论中，用户情感需求是用户期望产品不仅可以达到一定目标，完成某些任务，还可以与其产生心理上的共鸣，它不仅包括用户在产品性能、用途上的需求，还期望产品向用户传达一些情感，这种情感是一种精神语言，可以表达产品的内涵与真谛。用户的情感需求一般分为基本情感需求和特殊情感需求，基本情感需求是一个产品中所有用户的共性需求，对消费者进行定位可以概括出用户的基本特征，并通过调研这些基本特征和需求可以得到用户的基本情感需求，基本的情感需求分为生理性需求、安全性需求、社会性需求、尊重性需求和自我实现需求[4]。以儿童玩具为例，除生理性需求外，用户的基本情感需求还包括安全性需求、社会性需求、尊重性需求和教育性(自我实现)需求。特殊的情感需求是产品为不同用户分类的不同设计要求。例如，在儿童玩具中，根据使用对象将用户分为玩具的购买者(监护人)和使用者(儿童)，购买者的需求为性价比需求，使用者的需求为娱乐性需求。

3 功能需求和质量功能配置原理的结合与应用

3.1 质量功能配置理论的基本原理与功能需求的含义和表达方式

QFD是20世纪60年代，由Akao等[5]日本学者提出的一种由客户需求驱动产品设计和生产过程的多层次演绎分析方法。QFD的核心思想是通过增加客户满意度来提高市场占有率，以用户为出发点，将目标客户的主观需求信息转化为产品设计质量要求。QFD有多种分解配置模式，包括日本综合QFD模式、美国供应商协会(American Supplier Institute, ASI)的四阶段模式和劳伦斯成长机会联盟/质量与生产力中心(Growth Opportunity Alliance of Lawrence, Massachusetts/Quality Productivity Center, GOAL/QPC)的创立者鲍勃提出的QFD模式，其中比较常用的是ASI四阶段模式和GOAL/QPC模式[6]。ASI模式由于结构简明、抓住了QFD的实质，能够更好地连接公司设计和制造过程，成为理论研究和生产实践的主流模型，其过程包括产品规划、零部件配置规划、工艺规划和制造规划四个阶段。质量屋是QFD的主要分析工具，其从客户需求出发，分析与用户需求相关联的工程特性，用可视化矩阵反映用户需求与产品开发中技术信息和技术规范之间的内在联系，将客户的需求语言转换为设计师的技术语言[7]。质量屋的结构一般为二维关系矩阵，通常包括(1)左墙、(2)右墙、(3)天花板、(4)房间、(5)屋顶、(6)地下室等，如图4所示。每个质量屋采用矩阵形式完成how-what转换，并根据先后的分解和实现构成QFD方法的瀑布分解模型。从结构上来看，各阶段的分析过程有很大的相似性，但绝不是简单的重复，而是一个不断上升的螺旋式前进过程。

QFD致力于在产品设计的初始阶段就将用户需求完全融入产品的概念设计中，其成功实施的关键在于准确合理地构建质量屋[8]。作为质量屋中关键的输入信息，用户需求竞争性分析可能对QFD的整个过程产生直接影响[9-10]。目前，有关质量屋中用户需求竞争性的研究成果比较丰富，除了已经获得充分研究的层次分析法[11-12]外，针对用户信息评估过程中的模糊性以及不完整和不确定性，广泛应用了模糊理论、灰色理论、粗糙理论和信息公理等理论，例如王增强等[13]提出基于直觉模糊数的顾客需求动态分析方法，通过综合用户的偏好信息和权重以及时间段权重获取需求重要度的动态向量，并结合平衡系数得到最终的顾客需求动态向量；耿秀丽等[14]根据模糊信息公理计算定性功能需求的信息量，选择信息量较小的功能需求来配置产品方案。对于质量屋的合理构建，另一个重要的输入是用户需求与工程特性的关联度矩阵。德尔菲法采用数字表征关联度的强弱，目前在评估信息和专家经验中应用较多[15-16]。一些研究通过用模糊理论分析用户需求和工程特性的关联度[17-18]来提高判断的精确度，然而模糊理论使用的模糊数边界的固定区间

与评估成员的真实感知有冲突，而且确定模糊隶属函数同样是个难题。而李延来等[19]提出的基于粗糙集思想的关联度确定方法，可能会在专家信息离散化处理过程中出现信息丢失等情况。

基于上述研究成果，作为一种用户驱动的产品开发方法[20]，QFD可以有效地将产品的形式和功能与用户的情感需求结合，在多个行业中得到了广泛应用[21-23]。然而在一般的工业设计过程中，设计者通常在得到产品的功能需求后就开始进行画草图寻求创意等概念性设计，忽略了对产品设计参数的定义。本文通过构建“情感需求—功能需求”、“功能需求—设计参数”质量屋，进行用户需求的多级转化。情感需求阐述了设计任务，是产品设计的依据与动力；功能需求既是描述产品实现用户情感需求的效果，又是产品结构中设计参数的源头，承接了用户情感需求与设计参数的转化，在设计过程中起承上启下的作用。QFD以用户情感需求为出发点，可以找出设计中缺乏竞争力的功能需求和设计参数约束条件，并识别它们之间的相互矛盾，明确产品创新设计的思路，为新一轮产品研发提供指导。

3.2 产品需求转化过程研究

基于QFD的产品需求转化过程的主要步骤如图5所示。首先确定需要设计产品的目标用户，分析目标用户的特点，并按性别、年龄、收入水平等方式定位，为确定目标用户情感需求提供依据；通过访谈法、调查问卷法等调研获得用户的情感需求，将需求按层次结构分级，并确定其相对重要性；而后通过评估竞争对手，发现设计中的创新点或提取可用的设计创意；最后根据QFD原理，将用户需求通过构建质量屋转化为产品设计参数，并通过提高与用户的交互性获取动态用户知识，用于之后的产品概念设计。

3.2.1 确定目标用户

在绝大多数设计中，一种产品拥有多种顾客，其中最重要的顾客是购买产品消费者，他们不但是产品的购买者和使用者，而且会将使用体验和产品优缺点告诉其他客户。然而有时产品的购买者和使用者是不同的，如健身器材、学校座椅和教学用具等。消费者定位是产品定位最基本的方向，在大多数产品设计中，用户被分为许多类，不同人群由于年龄、所处社会地位和自身经历不同，看待同一事物得到的情感体验不同，其情感需求与消费方式、消费水平均不相同[24]。同时，任何消费者都从属于一个群体，受多个同等或类似因素的影响，同一群体中的人在情感需求上又有一定的相似性。消费者按年龄、性别、收入水平等定位，定位越具体，设计出的产品越具有针对性，越可能在激烈的市场竞争中脱颖而出。例如，消费者按性别可分为男性消费者和女性消费者。男性产品多为简洁硬朗的直线，装饰极少，色彩一般为冷色和深色，以此体现男性沉稳低调的特点；相比之下，女性的感情更加丰富、细腻，喜欢具有美感或气氛温馨的产品，且线条柔和、装饰精致，色彩多明亮鲜艳、清新活泼。消费者按年龄可分为儿童消费者、青年消费者、中年消费者和老年消费者。儿童消费者由14岁以下的消费者组成，尚未形成成熟的自我意识和思维能力，色彩和造型是儿童关注的首要事物，因此适宜儿童的产品一般色彩鲜艳或带有卡通形象，通过可爱的装饰和造型来吸引儿童[25-26]；青年消费者追求时尚并富有想象力，他们更喜欢个性化产品，通常是新产品的首批尝试者和推广者；中年消费者更加理性，通常以实用性和价格为优先，注重产品的方便性和经济合理性，他们更愿意选择稳重、成熟、含蓄的产品；老年消费者除了注重产品的实用性以外，由于身体机能的下降，还期望产品易学易用、方便操作、购买手续简单、服务热情周到。中老年消费者注重传统，其偏好带有怀旧、优雅、朴素等情感元素的产品。根据收入水平，消费者分为富裕型、普通型和贫困型[27]。富裕型消费者指经济收入和生活水平较高的人群，他们身上或多或少地表现出较强的优越感、虚荣心和一定的炫耀心理，对产品有着可体现其一定地位的情感需求；普通型消费者是规模较大的群体，他们经济收入居中等水平，消费心理比较稳定，其存在追求高品质、低价格产品的同时追求美感、寻求新奇的情感需求；贫困型群体指经济收入低微的一群人，其生活水平低下，自卑心较强，这类人群使用的产品应更注重性价比和人性化设计。在完成每个类别的定位后，将这些特点综合起来可以缩小目标用户范围，得到较详细的用户定位，例如富裕型男性中年消费者群体的特点为成熟稳重，低调含蓄的同时希望产品有一定内涵和品味，可以体现他们的社会地位；普通型女性青年消费者群体的特点则为喜欢时尚、具有美感、造型和配色富有个性、与众不同的产品。

3.2.2 确定用户需求与相对重要性

不同类型的用户需求都不同，一般来说，消费者对产品有能够正常工作、持续时间长、易于维护，以及在观察或使用产品时有愉快的情感体验，希望被产品吸引或能够引起共鸣等情感需求。在确定用户需求这一步中，需要首先对用户情感需求进行调查，统计、分析、整理后将这些需求形成层次分级，最后采用粗糙数确定相对重要性。

(1)调查用户需求与需求层次分级

如今大多数产品设计都是现有产品的改良设计，观察法是一种收集用户需求的常用方法，它可以通过观察和研究用户对现有产品的使用流程与使用方式来获得一些有用的信息；调查问卷法是另一种常用方法，非常适合收集需要改良的产品或全新的、易于理解的产品领域的要求。调查问卷一般收集针对某一特定主题的特定信息，通过网络、电话或当面散发来填写，用户根据自身情况和需要填写问卷，由产品设计团队收回分析，得出用户对产品特征和性能的需求。例如，汽车设计师到购物中心的停车场观察顾客如何将购买的商品放入汽车，得到用户对车门设计的功能需求；通过观察不同外观汽车的销售情况，也可以得到不同用户群体偏爱的造型风格和情感需求信息。调查问卷可以将这些汽车设计师主观总结出来的功能和情感需求交由顾客选择，调查用户对汽车某些功能及造型颜色的满意度或重要程度，然后通过统计分析得到更加客观的结果。

(2)确定相对重要性

对各个情感需求设置重要性评分，重要性通过用户采用1～9的单数分制标度评定,可以较好地量化用户评价结果[28]，分数越大的需求项越重要。由于不同用户的个人喜好不同，而且不同产品使用方式有所区别，在确定用户需求相对重要性的过程中，这些因素可能导致客户需求重要度之间有较大差距。对于质量屋内的模糊性和不确定性问题，采用模糊集不容易获得隶属度或隶属函数[29]，而粗糙理论具有绝佳的客观性，其不需要外界提供其他信息就可以直接从知识库数据中得到研究对象的隶属函数值。另外，粗糙集在知识表达过程中可以表达模糊或清晰的概念，在信息处理过程中能够有效减少人为因素的影响，使得到的结果更加客观。因此，在确定用户需求相对重要性时，采用粗糙数的方法对用户需求重要度进行排序。将调查用户需求的结果评分RN带入式(1)，对每一项情感需求的RN求平均值，获得平均粗糙数(i表示第i个功能要求)

(1)

根据粗糙数的排序规则，在比较两个粗糙数RN(Ka)和RN(Kb)时，取其中间值RNM(Ka)和RNM(Kb)、上极限U(Ka)和U(Kb)、下极限L(Ka)和L(Kb)进行比较：若RNM(Ka)>RNM(Kb)，则RN(Ka)>RN(Kb)，反之亦然。若RNM(Ka)=RNM(Kb)，则当U(Ka)>U(Kb)，L(Ka)

3.2.3 质量屋的构建与用户知识的动态映射

(1)构建质量屋

(2)根据动态用户知识得出结论

为了增加QFD过程中“需求—功能—参数”三级映射的准确性，降低用户需求与设计参数转化过程之间的模糊性和不确定性，需要增加设计者与产品用户之间的互动沟通，获取和测试所有影响用户购买产品的相关参数的变化。而在进行QFD时，用户知识通常是从设计者和用户之间单向收集和传递，难以反映知识的频繁更新，需要通过建立设计者与用户之间的连接来提高双方的交互性，使用户可以直接向设计者传达其信息知识。例如通过互联网交互，虚拟用户社区可以促进设计者与用户在整个新产品开发过程中的沟通和协作；或者采用“引导用户”的协作方法，通过从具有引导用户特征的用户处收集知识来感知前沿市场趋势和创新解决方案，促进用户积极参与新产品开发，促使设计者为产品创造独特的价值。这些方法有助于设计者和用户之间的沟通，从而得到影响用户购买产品的相关参数的变化情况，将其总结归纳得出组织性结论，用于之后的概念设计，以设计出更加符合用户需求的产品。

4 案例分析

本文以四合一太阳能儿童拼装玩具为例，研究如何转化儿童拼装玩具的设计需求。如图7所示，这款太阳能玩具让儿童使用相同的零件按照不同的拼装顺序和方法自己组装，可以出现小恐龙、昆虫、机器人和钻孔机4种不同的形态，每一个完整模式均由一个小型太阳能电池板供电。

4.1 确定目标用户

本次案例的目标用户定位为6岁以上12岁以下普通型家庭的儿童。儿童产品的一个显著特征是产品的购买者和使用者通常不是一个人。少年儿童没有独立的经济来源，其消费通常依赖于其他人，购买商品时父母、老师或其他人的意见对其有很重要的影响。因此，在分析儿童玩具的目标用户时，应考虑儿童和监护人两个方面。

6～12岁儿童已经具备一定的动手能力，但是观察能力和思考能力尚未发育成熟，其以直观表象的形式认识世界，缺乏逻辑思维，在看待一件事物时通常只停留于表面，不能深入思考挖掘其中的内涵。因此，儿童购买产品时只关注直观印象，不注意质量、性价比、品牌和生产厂家等，而监护人为孩子购买的产品均经过深思熟虑，其最关注产品的安全性，其次是质量、性能、使用寿命等。因为产品的外观造型通常由孩子选择，或由监护人按孩子的眼光喜好购买，所以儿童玩具宜用造型、色彩等直观印象吸引儿童，在进行概念设计前，应根据儿童的需求设计玩具的外观，而通常受父母关注的质量、使用寿命等性能因素，则根据监护人群体需求设计。

4.2 确定用户需求与相对重要性

本文采用观察法、访谈法和文献研究法调查多名6～12岁儿童及其监护人，并综合前人的拼装玩具设计经验得到15项儿童拼装玩具情感需求[30-32]。然后发布调查问卷，以6～12岁儿童家庭作为目标调查对象，在网络上通过调查问卷的形式对监护人的儿童拼装玩具情感需求进行调查。在调查问卷中对各个需求设置重要性评分，用1～9单数分制标度，被调查人觉得越重要的选项评分越高。收集的有效问卷共42份，将调查问卷的各项数据带入式(1)得到各项情感需求的重要性，重要性排序如表1所示。

表1 用户情感需求重要度及排序

续表1

4.3 构建质量屋

本文基于前人经验研究儿童拼装玩具的工程特性[33],应保证每一项工程特性都能满足一定的用户需求，使技术特征的选取具有针对性。根据以往的产品开发经验，在对用户情感需求处理结果的基础上，分别确定儿童拼装玩具的功能需求及其相关矩阵，以及情感需求和功能需求的关系矩阵。针对本文的研究案例，构建儿童玩具的“情感需求—功能需求”一、二级质量屋，如图8和图9所示。

由如图8和图9可见，儿童玩具的主要功能需求为“玩法多样”和“造型可爱”，拼装玩具的主要功能需求为形态部分的“形态多样”和“仿生形态”，例如小恐龙的卡通造型、昆虫的动物造型、机器人和钻孔机等机械造型，都是儿童感兴趣并在交互过程中可以收获一定乐趣的造型，拼装玩具可以将这4种造型融合在一起，采用通用性的零件根据不同的结构拼装出不同的造型。所构建的拼装玩具“功能需求—设计参数”质量屋如图10所示。

由图10可见，四合一儿童拼装玩具中的主要设计参数为支撑结构、位移结构与其他运动结构。在构建完成多级质量屋后，通过访谈法和互联网交互等形式与12位被调查的6～12岁儿童的监护人进行沟通，其中83.3%认为应该增加支撑结构、位移结构与其他运动结构的多样性，即相同价格下的形态越多，玩具的性价比越高，购买该玩具的几率越大；66.7%认为颜色的变化对购买该玩具的几率没有影响；58.3%认为拼装步骤的变化对购买该玩具的几率没有影响，41.7%认为拼装步骤过少(少于10步)会降低购买该玩具的几率。所得结论为，为满足6～12岁儿童及其监护人的需求，需要设计一款多形态儿童拼装玩具，使同一机构在不同组装方式下具有不同属性，在减少玩具成本的同时增加其可玩性，从而提高拼装玩具的购买几率，增强其竞争性。

5 结束语

用户需求分析在产品设计过程中占有相当重要的地位，在产品概念设计之前确定目标用户，从消费者定位着手，首先调查用户需求并对需求层次分级，然后分析归纳用户情感需求，应用粗糙数的计算方法处理调查数据，识别相对重要的需求项。本文基于QFD理论，对用户需求进行多级转化，通过构建“情感需求—功能需求”多级质量屋、“功能需求—设计参数”多级质量屋，将用户情感需求一步步转化为产品的功能需求和设计参数，从而获取动态用户知识，增强设计者与用户之间的交互，使用户的需求转化更加清晰准确。本方法为产品创新设计后续阶段提供了有效的设计依据，使产品设计有的放矢，使产品更具符合目标消费者需求的视觉美感与易用性，增强产品的市场竞争力。