基于QFD与ARIZ的适老化厨房家具设计

■宋端树，白道靖，李 英，刘 立 Song Duanshu & Bai Daojing & Li Ying & Liu Li

(1.江苏师范大学机电工程学院，江苏徐州 221000；2.中国残疾人辅助器具中心，北京 100050）

随着人口老龄化的加剧和居家养老形式的普及，适老化厨房家具产业也在不断发展[1]。然而现有针对老年人的厨房家具产品相对粗糙，并且厨房家具设计具有较强的专业性，如何将老年用户的需求与厨房家具设计特点相结合也成为适老化厨房家具设计必然面对的问题。针对这一问题的解决需借助设计理论从方法论的层面构建设计流程对适老化厨房进行研究，以实现功能、结构及成本的优化配置[2]。现阶段常用的理论方法包括质量功能布置（Quality Function Deployment简称QFD）、层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP）、根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）的发明问题解决理论（Theory of the Solution of Inventive Problems，简称TRIZ）等。这些方法在设计领域应用广泛，但其自身的缺点也十分明显；QFD的优点在于能够确定客户需求，但是缺乏解决设计问题的具体实施方法[3]；TRIZ理论里的ARIZ（发明问题解决算法，Algorithm for Inventive-Problem Solving)可以提供解决方法，但是问题分析不明确，所以在解决设计流程中的问题时，QFD与ARIZ有着天然的结合点。通过QFD与ARIZ的集成，可以将老年人在厨房家具交互中的真实需求及相应的设计参数进行挖掘和梳理，进而指导适老化厨房家具设计[4]。

1 QFD与ARIZ算法集成设计方法

1.1 理论现状分析

QFD通过深入市场并结合矩阵图解来挖掘用户需求，但在设计前期获取用户需求方面缺少必要的“抓手”；针对这一点，王震将AHP与QFD结合对分拣设备质量评估方法进行了研究，大大提高了分拣设备的效率[5]；唐琳基于QFD与AHP相结合的方法从老年人真实需求的角度出发对健身器材造型进行了优化[6]，以此来弥补QFD在设计前期需求获取上的不足。AHP是利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值并进行排序的方法[7]。无论是AHP还是QFD都是对用户需求的获取与分析，二者在将用户需求转化为设计要素的过程中都显得相对弱。因此苏建宁将AHP、QFD、TRIZ相结合进行了玫瑰花蕾采摘机的设计，以解决玫瑰花蕾采摘工艺复杂化的问题[8]；李军在应急救援车概念设计中运用QFD、TRIZ、AD集成的方法，通过精简结构和功能综合提高了救援车的性价比[9]；杨勤基于TRIZ理论对行李箱进行了创新设计[10]，TRIZ理论里的ARIZ可以提供解决方法，该算法主要针对现实设计过程中的遇到的用户需求不明或相关部件十分复杂的情况。它是将复杂设计问题不断拆分，重新定义并最终转化为物理矛盾并得出最优解的过程。陈媛等将QFD、TRIZ、AHP 集成，提出了一个产品创新设计模式，并通过智能卫浴产品进行了验证[11]。

综上所述，本文将AHP、QFD、ARIZ相结合，以弥补单一设计理论方法的缺陷，来解决在具体设计中由真实的用户需求到设计要素之间的转化，并以此指导适老化厨房家具的设计。

1.2 集成创新具体流程

首先，将唐纳德·诺曼（Donald Arthur Norman）对情感设计提出的感知、行为、体验三层次作为AHP理论中用户需求研究中的准则层，并将其与具体实践相结合，得出需求层并以此制作问卷进行调研[12]。调研结果运用AHP进行权重分析，构造判断矩阵并进行一致性检验[13]。

其次，根据AHP获得的用户需求权重与产品特性相结合构建功能质量屋，由此得出用户的综合需求权重并指导适老化厨房家具的设计实践，在质量屋的屋顶与左墙以“●”表示特性或需求之间为有益影响，以“○”表示特性或需求之间为有害影响。

最终，利用 ARIZ 的原理进行用户需求之间与产品特性之后冲突的消除，首先将质量屋顶部与左墙中为有害影响的需求或特性组代入ARIZ来区分技术矛盾或物理矛盾或复杂设计问题。若问题属于技术矛盾，则将其归结为39个参数并运用40个发明原理进行解决；若问题属于物理矛盾，则运用4个分离原理进行解决；若问题属于复杂问题，则需构建物场模型进行分析并运用76个标准解来解决问题。集成创新流程如图1所示。

■图1 集成创新设计流程

随着智能化与互联网的发展和老年产业的不断完善，传统的家居产业也在不断的提高智能化水平以适应用户不断发展的需求，而在适老化产品的研发中，智能化设计则更为复杂与困难，需借助设计理论方法建构集成创新方案对具体设计流程进行指导，从而在形成真正从老年用户需求出发的设计方案。因此本文以适老化厨房家具的概念设计为例，进行集成创新设计模式的具体步骤演示。

2 运用QFD确定设计要素

2.1 AHP获取用户需求权重

步骤1：构建需求层次结构（图2）。运用调查问卷以及情境化访谈的形式对老年用户真实需求进行收集整理。以适老化厨房家具设计为例，第一层为目标层：中国老年人厨房家具交互体验需求，然后将唐纳德·诺曼的情感设计三层次作为AHP理论中用户需求研究中的准则层，即：感知层、行为层、体验层 。再由准则层进一步分化出需求层，即：外形美观、色彩自然、结构简单感知层；安全卫生、操作省力、学习成本低、功能多样行为层；价格适中、维护费用低、使用寿命长体验层。

■图2 客户需求层次递阶结构

步骤2:构建判断矩阵。逐一将递阶层次结构里的指标进行两两对比，将其按照重要程度由高到低进行排序，指标对比标度含义（表1）。

表1 指标对比重要度含义

通过问卷的形式对徐州普瑞康复医院进行集中调研，涉及对象共30位，其中包括产品设计研究生5位、康复理疗师5位、使用轮椅的老人10位、使用助行器的老人10位，最终有效问卷26份。根据相应的指标构建出权重判断矩阵。并运用判断矩阵求解特征向量（W），再对其进行一致性检验得出最大特征根（）判断其合理性，具体过程为：

（1）首先正规化处理矩阵的各列，即：

正规化后，各列元素的累计均为1。（2）按行求出正规化后的各列之和，即：

（3）再正规化处理向量V=[V1, V2, …,Vn]T：

λ由此求出的[w1, w2, …, wn]T也就是权重向量。

（4）最后求解最大特征根 :

上式中（AW）i表示AW的第i个元素，n为阶数。由于用户打分可能存在差异较大而出现自相矛盾的情况，所以必须检验一致性。

步骤3：一致性检验，步骤如下：

（1）一致性指标CI:

CI反映的是判断矩阵偏离其主特征向量W的原矩阵的具体程度。

（2）定义随机一致性指标均值RI ：(表2)。

表2 随机一致性指标

表中n=1,2时RI=0，是因为1,2阶总是出现正互反矩阵一致。

（3）计算一致性比率CR:

当CR值小于或者等于0.1时会出现（即CR＜0.10）即通过一致性检验。

结合前期对老年用户调研的结果，运用SPSSAU软件求取特征向量并进行一致性检验。计算结果为W=（0.0236、0.0236、0.1602、0.1688、0.195、0.132、0.1086、0.0445、0.0629、0.0808）；且一致性指标CR为0.0059，小于0.1, 因此计算所得权重具有一致性。

通过对需求层的指标进行权重分析，结果表明，在指标重要性方面：操作省力(19.50%)、安全卫生(16.88%)、结构简单(16.02%)、学习成本低(13.20%)、功能多样(10.86%)、使用寿命长(8.08%)、维护费用低(6.29%)、价格适中(4.45%)、外形美观(2.36%)与色彩自然(2.36%)的重要性逐次降低，其中重要性最高的指标为操作省力，占比为19.50%；重要性最低的指标为外形美观、色彩自然，占比均为2.36%。

2.2 功能质量屋的构建

问卷的第二部分是关于产品特性的调研，本文列举了在适老化厨房家具设计中的29个产品特性，让用户对29个产品特性按照重要程度升序打分（打分范围为1.2.3.4.5）并对其进行统计，取权重较高的十个作为设计的产品特性，结果为：A地柜下设容腿空间、B厨房适合单手操作、C厨房边缘安装支撑设备、D地柜设置容脚空间、E吊柜可升降、F厨房台面高度可调节、G地柜采用趟门或抽屉、H材料易于清洁、I餐厨垃圾处理装置、J更多的储物空间。在得到需求权重与产品的基础上，将用户需求与产品特性进行两两比较得出综合权重（表3）。

表3 适老化厨房家具概念设计QFD量表

经过综合权重分析以及产品特性重要程度排序可知：在需求方面，客户对于行为层（A4，A5，A6，A7）的几项指标需求较高，说明用户更倾向于厨房体验中的操作性能；产品特性重要度方面厨房适合单手操作、厨房边缘安装支撑设备、吊柜可升降、厨房台面高度可调节、材料易于清洁属于核心技术措施。这说明在进行创新设计时，需要对适老化厨房家具的操作体验结合核心技术措施进行重点设计。

■图3 用户需求冲突与产品特性冲突

3 应用ARIZ算法解决矛盾冲突

3.1 矛盾冲突转化

将用户需求与产品特性指标内部进行两两比较可以看出在用户需求之间以及产品特性之间存在着矛盾，如图3中所示。在需求上，结构简单与功能多样呈负相关；学习成本低与功能多样呈负相关。而在产品特性中，地柜设置容腿空间与更多的储物空间呈负相关，地柜下设容脚空间与台面高度可调节呈负相关。将四对矛盾代入到ARIZ流程中得出，结构简单与功能多样是一对物理矛盾；学习成本低与功能多样属于技术矛盾；而地柜设置容腿空间与更多的储物空间、地柜下设容脚空间与台面高度可调节则可以归结为一个大的物场模型里存在的冲突（表4）。

表4 冲突问题的转化与解决

3.2 物理、技术矛盾解决

结构简单与功能多样为一对物理矛盾，可以利用空间分离原理、条件分离原理来解决，采用将厨房模块化的方式来解决这一对物理矛盾。其中空间分离原理可以表述为将矛盾双方在空间上进行分离，以保证在同一空间内只出现矛盾一方，将整个厨房空间进行分离、分区，在单独分区内进行系统功能设计；条件分离原理可以表述为将矛盾双方在不同层面上进行分离，将整个厨房空间进行功能分区以保证结构清晰简单，在每个功能分区内进行具体设计以保证厨房家具功能多样。所以本设计将厨房家具模块化，功能区域相对独立，只有备餐区、清洗区与烹饪区三个区域，结构相对简单，一定程度上减缓了功能多样带给老年人的压力，模块化分区如图4所示。

■图4 模块化设计分区

学习成本低与功能多样属于技术矛盾，可以采用四十个发明原理中的NO.19（离散法）和 NO.35（性能转化法）进行解决。其中NO.19（离散法）可以表述为将连续作用转变为周期作用，将一个漫长繁杂的学习过程离散为一个个小的学习阶段；NO.35（性能转化法）可以表示为目标物形式的转换，例如物体由固态到液态的转换，将说明书的形式转化为标签，能够激发用户自主学习的兴趣。所以本设计将过去传统的说明书拆分成一个个的小标识，分别位于厨房的各个功能组件上，让使用者在操作的过程中逐步学习，分散学习压力，具体实施方法如图5所示。

■图5 功能组件标识

3.3 复杂发明问题解决

步骤1：产品问题分析。地柜设置容腿空间与更多的储物空间、地柜下设容脚空间与台面高度可调节可以归结为一个大的物场模型里存在的冲突，如图6所示。

■图6 冲突物场模型

对上述问题进行分析，定义系统存在的矛盾为：地柜的设置阻碍容腿空间；台面的升降会压迫容脚空间。

步骤2：建立问题模型方式。根据两对矛盾分析空间条件和时间长短等来构成条件来用于解决问题。设置问题模型：改变产品的组合形式和摆放位置，来解决冲突。

步骤3：确定理想解。解决现实问题需要不断向着最终理想解改进设计思维，针对两个矛盾的最终理想解IFR表述为：减小地柜体积且不落地以留出容腿空间与容脚空间。

步骤4：物理矛盾解决。IFR可以很好地表述问题，以实现 IFR为目标，对起主导作用的储物地柜开展设计，基于两个矛盾均为空间的冲突，其实质为物理矛盾，可以采用空间分离法与时间分离法来解决这一问题，具体实施如下：地柜悬空与地面保持最少30 cm的距离，以提供有效的容脚空间。地柜使用滑轨连接在台面上，并且地柜不占满台面下的空间，留出40 cm的空间，可通过滑动地柜来留出容腿空间（图7）。

■图7 悬挂地柜解决方案

4 概念设计方案

在前文需求分析、核心产品特性挖掘以及内部矛盾解决的基础上进行创新性构思，利用计算机辅助建模、渲染。如图8所示。

■图8 设计方案功能示意图

（1）模块化设计，按照功能可分为备餐区、清洗区和烹饪区，其中各区域中的台面可电动升降，各区域上方的吊柜可手动升降，以适应不同障碍程度的老年人。

（2）各区域台面的升降由升降按钮控制同步升降，升降按钮造型简单，按钮大，使老年人无需注视仅凭借触觉即可进行操控。

（3）地柜使用滑轨连接在台面上，可通过滑动地柜来留出容腿空间。同时，地柜悬空与地面保持最少30 cm的距离，提供有效的容脚空间。凭借上述措施让使用轮椅的老年人更好地接近台面区域。

（4）台面边缘均设有助力扶手，以此来为使用助行器的老年人在烹饪过程中提供必要的助力支撑。

（5）各个功能组件上都有醒目的功能标识，让使用者在操作的过程中逐步学习，分散学习压力。

5 结语

通过将本文提出的适老化厨房家具设计方案实体化并邀请老年人来参与试用与评估，收集被试老年人的感受与建议，均得到了较为正向的结果，验证了QFD、ARIZ的集成设计模式指导具体设计实践的可行性与有效性。其中应用AHP 对前期用户需求进行收集与权重排序，再将其代入QFD进行综合分析，最终运用ARIZ快速寻找解决办法。QFD与ARIZ理论方法的集成对用户需求分析，产品技术措施解决方案的形成具有指导意义，这种集成设计模式能够在一定程度上弥补单一设计理论的不足，可为相关适老化产品设计提供参考。