基于Kano-QFD-PUGH的激光清洁机设计研究

周红宇，朱倩，王嘉伦，张学敏，龚雯璟

基于Kano-QFD-PUGH的激光清洁机设计研究

周红宇，朱倩，王嘉伦，张学敏，龚雯璟

（湖北工业大学 工业设计学院，武汉 430068）

解决现有激光清洁机产品与烟丝切割机设备不适配的问题，提升用户的产品操作效率与使用满意度。通过Kano模型进行用户需求分析与提取，得到需求要素权重排序，明确重点需求；QFD质量功能展开解决需求到功能的转换问题，获取产品功能要素及对应设计优先级顺序指导设计展开；利用PUGH决策矩阵对设计产出方案从需求要素与功能要素角度进行综合评价，获得最优设计方案。Kano-QFD-PUGH的集成模型，通过定位用户需求，从造型、功能和安全性角度出发，将其映射为相对应的设计需求，指导产出激光清洁机最优设计方案，最终方案操作合理、安全可靠，满足用户需求。基于Kano-QFD-PUGH模型的产品开发流程能够提升激光清洁机设计要素提取的准确度，所得方案有效解决了激光清洁机与特殊设备适配问题，验证了该方法在设计实践中的可行性与指导作用，对同类清洁设备的产品开发与设计优化研究具有一定的参考价值。

激光清洁机；产品开发；Kano模型；QFD质量功能展开；PUGH决策矩阵

中国作为烟草消费与生产的第一大国[1]，全国烟民数量已超过3亿人。国内整体烟草行业经济发展迅速，市场规模不断扩大，烟草产品已远销世界各地。烟丝切割是烟草产品生产加工过程中的重要环节，切割设备每日需不间断工作，易导致烟丝输送铜排链产生烟油积垢和烟丝附着等情况，影响切丝工序质量，造成烟丝宽度不均匀等问题。目前大多工厂采用人工拆洗的分级保养方式，将铜管逐根拆卸进行清洗，该方式劳动强度大、操作难度高，并且清洁质量不可控，还会加快轴承、驱动轮零部件的锈蚀损坏。激光清洗技术具有高效、准确、快捷、成本低等特点，适用于金属材料表面清洁[2]，此技术适合作为新技术引入，改进烟草工厂传统的清洁方式。由于清洁对象及工作环境的特殊性，现有的激光清洁机产品无法满足实际用户需求，因此展开激光清洁机产品开发设计。在产品设计过程中，需要充分考虑到相关的用户期望因素及条件限制因素，并将其量化成具体的产品设计要素[3]，在最后产品方案的筛选与决策阶段[4]，除了从感性的视觉角度判断外，还需要通过逻辑化思维来进行理性的权衡分析。本次研究使用Kano模型结合QFD（Quality Function Deployment，质量功能展开）进行用户需求及产品设计要素的分析与提取，利用PUGH决策矩阵（PUGH Decision Matrix，普式矩阵）得到最优方案，最终完成此次激光清洁机产品开发设计。

1 Kano-QFD-PUGH方法综述

Kano模型主要用于研究用户的个性化需求，对其进行定性分析并合理分类[5]，是产品设计调研阶段的一种需求解析模型。它将用户满意度的反馈结果映射到产品的功能设计上，进而对用户需求进行优先层级划分排序，便于后续准确定位产品设计切入点，提高设计效率。QFD质量功能展开主要用于研究用户需求与产品功能属性之间的关系，对两者进行定量分析并相互连接[6]，是产品设计分析阶段的一种功能转换工具。它通过需求功能要素矩阵，得到用户反馈结果及产品功能要素间的关联度，依此对产品功能进行取舍判断，起到缩短产品开发周期的作用。PUGH决策矩阵是一种操作简单灵活的决策工具，它通过与参照方案之间的对比评分来进行候选方案的定性排序[7]，利用产品设计需求进行多层次筛选，有助于决策的合理性、逻辑性。这三种研究方法都各有其长处，Kano模型解决用户需求因素定性分析问题，QFD质量功能展开解决功能设计定量分析问题，PUGH决策矩阵解决评价思维逻辑问题，但每种方法在产品设计过程中都具有使用局限性。因此，将三者结合使用贯穿本次设计过程：Kano为功能设计分析做好需求连接的前期铺垫，QFD弥补定性分析主观性强、无法精准判断等问题，两者相辅相成、优势互补，完成以Kano-QFD设计方法为指导的产品设计方案产出，最后使用PUGH进行方案评价决策，通过设计指标评分排序来验证产品的适用性。三者共同提升设计过程的可靠性与科学性，形成一个完整的产品开发流程。

目前，已有部分学者使用了Kano、QFD及PUGH方法，从不同的角度对各种产品进行设计与优化研究。韦艳丽等[8]使用Kano-QFD模型结合EPO模型，从可用性角度对云养宠APP的交互功能进行方案设计。邓杏仪等[9]使用用户旅程图结合Kano-QFD模型，围绕用户需求对健身游戏系统进行优化改进。杨静等[10]提出了一种AHP集成PUGH的评价模型，完成了针对概念设计的产品综合评价体系构建。李惠等[11]提出融合QFD与PUGH的评价方法，结合层次分析法完善了针对人机界面评价流程。何若乔等[12]将Kano模型和PUGH引入QFD中，优化了老年人的车载信息系统，验证了此模型的客观实用性。根据上述文献可知，Kano、QFD及PUGH三种方法已被引入各个领域中使用，但目前还没有形成完善且统一的研究范式，尚存一定的研究空间及价值。

2 基于Kano-QFD-PUGH的激光清洁机设计流程构建

Kano-QFD-PUGH集成的设计研究方法，贯穿了产品的用户需求提取、设计需求转化与设计方案决策验证的设计全流程，保证了用户需求转化为功能设计要素过程中的准确性，以及最优设计方案选定的科学性。结合本次设计项目的产品特性，对全局进行阶段性规划，具体操作流程如下。

1）通过文献阅读、实地考察、用户访谈、问卷调研等方式收集与总结激光清洁机用户需求，并进行需求层次划分。

2）以所获的用户需求为中心，制作Kano问卷进行深入调研，通过问卷转化数据进行用户需求定性划分及需求重要度计算，为质量屋的构建提供数据支持。

3）总结产品功能设计需求，并通过专家打分构建功能需求映射矩阵，辅助质量屋构建。

4）构建激光清洁机产品质量屋（HOQ），对功能设计需求量化处理并进行功能设计优先级分析，以此为依据进行设计展开。

5）为保证输出方案的科学性及适用性，使用PUGH决策方法对设计方案进行粗筛，缩小选择范围。

6）对剩余方案进行设计需求评级及综合评分，输出最优方案。激光清洁机产品设计流程框架见图1。

图1 激光清洁机设计流程框架

3 基于Kano模型的激光清洁机用户需求分析

3.1 用户需求要素划分

3.2 Kano问卷分析

Kano模型根据用户满意度将需求要素划分成五类[14]：魅力型需求，即意想不到的要素，若具备则用户满意度大幅上涨；期望型需求，即用户希望的要素，它与满意度呈正向关系；无差异型需求，即可忽略的要素，其不会导致用户满意度变化；基本型需求，即产品的基础质量，若不具备则用户满意度大幅下滑；逆向型需求，即不希望产品具备的要素，它与满意度呈反向关系。通过Kano问卷对用户需求重要度进行进一步分析，需求分类度量见表1。

本次激光清洁机设计属于定制类产品，具有面向用户范围小、适用人群固定等特点。因此，确定调研人群包括项目对接人员5名、技术工程师6名、生产线工作人员25名、相关产品专家3名、设计团队成员6名，共计45人。统一发放Kano问卷并回收后，对获得的需求结果进行权重计算，计算步骤如下。

图2 激光清洁机用户需求指标体系

表1 Kano需求分类度量

Tab.1 Kano need classification scale

1）将每项需求要素获得的、、、评价个数分别记为、、、。

表2 Kano需求分析及影响力结果

Tab.2 Kano need analysis and impact results

4 基于QFD模型的激光清洁机设计要素分析

4.1 用户需求重要度改进

4.2 HOQ质量屋构建

HOQ质量屋构建是质量功能展开的核心部分[15]，其构建过程主要是从用户需求要素到设计功能要素的映射与转换，得到设计要素排序来控制产品设计质量。

表3 需求要素质量规划

Tab.3 Need element quality planning

根据以上步骤，构建激光清洁机设计质量屋，如表4所示。由此可得到其功能要素相对重要度优先级排序结果，见图3。

表4 激光清洁机设计质量屋

Tab.4 Design quality house of laser cleaner machine

图3 功能设计相对重要度结果

5 基于PUGH的激光清洁机设计方案评价

PUGH决策矩阵是一种快速的定性决策方法[16]，帮助权衡分析识别出最优设计方案。设计小组根据质量屋得出的功能要素排序结果进行设计方案产出，使用PUGH矩阵进行方案初筛及进一步的综合评价，完成最终的方案敲定。

5.1 设计方案初筛

由2名产品经理、4名技术工程师及9名生产线操作人员组成15人方案评审小组，对经过两轮设计所产出的五款激光清洁机方案进行初步评价。首先，由于本非标定制化产品其功能需求与市场主流产品所具备功能重合度不高，缺少同类产品对照，因此选用在第一轮设计方案中讨论得出功能设计较为完备的方案2为评价基准参照方案；其次，使用“+”代表较参照方案更优、“–”代表较参照方案稍差、“S”代表与参照方案相当[17]，从一级需求指标角度对经过了第二轮设计方案修改后的其他可选方案进行评价；最后，统计各方案每项评价数量，得到方案初步评分排序。方案评价及取舍结果见表5。

表5 激光清洁机设计方案初步评分排序

Tab.5 Preliminary scoring sort of laser cleaning machine design scheme

5.2 设计方案综合评价

收集专家小组评价打分结果并进行整理，确定3个方案各项功能指标下的等级水平，根据式（9）—（10）计算得到各方案综合评分，结果见表6。

表6 激光清洁机设计方案综合评分

Tab.6 Comprehensive scoring of laser cleaning machine design scheme

5.3 最终设计方案展示

对细节进行完善后，完成最终设计方案如图4所示。方案在造型方面，采用倾斜切面结合线条切割的设计手法，增强设备线条感、科技感，体现现代化风格，整体选用白灰配色打造轻盈感，满足用户造型简洁轻量化需求。在功能方面，增加机械臂监控设备，双侧检修门与散热孔融合一体，可伸展屏幕方便多方位监测，与工位接口处的缓冲结构在保护装备的同时，也满足多工位适配的需求。在安全性方面，因烟草生产的特殊工作环境，产品整体材料选用食品级钢材，并且做到防止激光外泄造成伤害，多重防护机制保障设备安全使用。

图4 激光清洁机设计方案

6 结语

激光清洁机与烟丝切割机的适配问题及操作效率对提升激光清洁机的用户使用满意度至关重要。因此，建立基于Kano-QFD-PUGH集成方法的激光清洁机产品设计模型，将Kano模型、QFD质量功能展开及PUGH决策矩阵结合使用，解决设计过程中用户需求提取、设计功能转化及方案产出后的设计决策等重难点问题。研究构建了激光清洁机设计流程框架，从造型、功能及安全性角度建立激光清洁机用户需求指标体系，明确了用户需求重要度；通过质量屋构建，得到了激光清洁机设计功能要素指导方案产出；利用所获需求、功能要素进行综合评价找到最优方案，形成完整的设计流程。最终方案人机操作合理，解决设备间的适配问题，整体效果达到项目预期，验证了Kano-QFD-PUGH模型的科学性与有效性，为激光清洁机产品的设计开发与优化提供了理论指导。

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Design of Laser Cleaning Machine Based on Kano-QFD-PUGH

ZHOU Hong-yu, ZHU Qian, WANG Jia-lun, ZHANG Xue-min, GONG Wen-jing

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to solve the problem that existing laser cleaning machine products do not match the tobacco cutting equipment and improve the user's product operation efficiency and use satisfaction. Kano model was used to analyze and extract user needs, get the weight order of need elements, and define the key needs. QFD quality function deployment solved the transformation problem from need to function and obtained the product function elements and corresponding design priority order to guide design deployment. PUGH decision matrix was used to comprehensively evaluate the design output scheme from the perspective of need elements and function elements, and the optimal design scheme was obtained. The integrated model of Kano-QFD-PUGH was mapped to the corresponding design needs by positioning user needs from the perspective of modeling, function and safety and used to guide the output of optimal design scheme of laser cleaning machine. Thus, the final scheme was reasonable in operation, safe and reliable and could meet user needs. The product development process based on the Kano-QFD-PUGH model can improve the extraction accuracy of laser cleaning machine design elements. The scheme effectively solves the matching problem between the laser cleaning machine and the special equipment and verifies the feasibility and guiding role of this method in design practice, which has certain reference value for product development and design optimization research of similar cleaning equipment.

laser cleaning machine; product development; Kano model; QFD quality function deployment; PUGH decision matrix

TB472

A

1001-3563(2023)10-0164-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.016

2022–12–14

国家重点研发计划子课题资助项目（2018YFD0301303-4）；湖北省教育厅教学研究项目2021309；国家级大学生创新创业训练计划（202110500018）

周红宇（1984—），男，硕士，副教授，主要研究方向为智能装备。

朱倩（1998—），女，汉族，硕士生，主攻智能装备。

责任编辑：陈作