基于AHP-TRIZ 理论的纺织机械装备人性化设计研究

摘要：通过对纺织机械装备人性化设计过程进行系统分析，阐述了机械装备设计过程中存在的人机体验、视觉造型、制造成本等人性化设计问题与应用设计理论进行设计的过程。运用AHP-TRIZ理论在纺织机械人性化设计过程中基于用户需求和矛盾提出解决方案的设计流程。通过以拉幅定型机设计实践得出，该理论组合对于纺织机械装备人机体验等人性化设计方面具有一定的应用价值。该方法为之后纺织装备的设计提供了新的思路和工具。

关键词：层次分析法（AHP）；TRIZ理论；纺织机械；人性化设计；造型设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）23-0090-04

引言

随着市场竞争的加剧和需求的多样化，纺织机械装备不仅要满足功能需求，还应更注重人性化设计，对操作者的舒适性、便捷性、安全性提出新的需求。目前，我国纺织机械装备设计水平还存在一定不足，缺乏人性化和创新思维，难以满足市场以及操作者的需求。介于，层次分析法（AHP）能够将问题分解为多层次指标，实现纺织装备人性化设计要素的权重评价和排序。运用TRIZ 理论的系统化创新思维方法，可以对装备人性化设计过程中的技术矛盾进行突破和解决。因此，本文将AHP-TRIZ 理论应用于纺织机械装备人性化设计过程中，实现纺织装备的设计优化。并以某型纺织机械装备为例，进行理论应用与设计实践。为纺织机械装备的创新设计提供了一种新的思路和参考。

一、理论概述与设计流程

对研究涉及的设计目标、理论方法进行概述总结，明确设计方向和理论应用的步骤，进而梳理针对设计实践的主体流程，使设计方案与结果达到最佳的优化。

（一）人性化设计概述

人性化设计是在设计中充分考虑行为、心理、环境等因素情况[1]，运用分析方法与技术对产品进行改良，满足使用者生理和心理需求的创新设计过程。使最终的产品富有情感，协调人机环境之间的关系，创造良好的使用氛围。

（二）AHP 层次分析法

AHP 层次分析法是一种定性与定量相结合的多准则决策方法，可以通过多层次、多维度的分析以达到解决和处理问题的作用[2]。可以处理复杂问题内部各部分潜在的关联性，并通过各个层次之间的判断与比较，建立判断矩阵，并对其进行权重结果计算，最后对计算结果进行排序和检验。

（三）TRIZ 理论创新设计

TRIZ 理论是一种基于系统分析的创新设计方法。该方法通过分析技术系统的发展规律和矛盾解决原理，寻求最佳的解决方案[3]。根据技术要求及设计规律来指导整个设计过程，可以在产品设计阶段高效率地抓住矛盾冲突问题，提出解决方案。

（四）针对纺织机械装备的设计流程

基于两种方法的特点，将AHP 和TRIZ 理论相结合，可以有效地将用户需求转化为明确的设计要素，并解决设计中的矛盾问题。针对纺织机械装备的人性化设计流程，首先，明确设计目标和用户需求，然后运用AHP 方法对用户需求进行权重分析，再运用TRIZ 方法对需求要素进行矛盾转化和方案推演，最后得出最优设计方案[4]。其设计研究思路如图1 所示：

1. 建立评价体系：根据用户调研得到基本的纺织机械装备功能需求与人性化要求，确定设计目标和评价指标，构建AHP 层次结构模型。

2. 要素量化评价：利用专家打分法和问卷调查法，对各层次的要素进行比较，计算各要素的权重，确定各评价指标的相对重要性和准确性，之后进行综合排序确定重要的设计要素。

3. 要素矛盾识别：根据评价指标的权重值，找出设计要素中比较突出的技术矛盾，并转化为工程参数。

4. 创新原理筛选：根据TRIZ 理论中的冲突矩阵，依据用户需求参数的矛盾，找出相应的创新原理。

5. 初步方案生成：根据创新原理的含义和实例，结合纺织机械装备的特点，运用类比、联想、变形等思维方法，生成具有创新性和可行性的设计思路或方案。

6. 最终方案呈现：根据AHP 的评价指标和权重，对生成的概念方案进行评价和比较，选择最优的概念方案。

二、 AHP用户需求分析

在设计研究初期，运用AHP 方法结合设计目标对用户需求进行搜集- 筛选- 分析- 排序，以便确定人性化设计过程中的主要设计要素。

（一）用户需求层次获取

通过问卷调查、实地考察、问询访谈等方式，对纺织设备使用过程中相关群体人性化需求并进行整理。内容主要包括：设备造型、人机交互、结构优化、CMF。这些需求相互关联，共同构成了纺织机械装备人性化设计的基础。根据不同需求分别按照：目标层、指标层、方案层3 层次来构建递阶层级结构模型（见表1），分别用A、B、C表示，并与产品设计要求D 一一对应[3]。

（二）用户需求权重分析

确定用户需求层次后，构建层次权重分析矩阵对各层次需求进行权重（W）分析。通过验证一致性比率（CR）来检验判断矩阵的一致性（CR ≤ 0.1）。最后，根据各层次需求在纺织机械装备人性化设计中的重要程度进行排序，为后续通过TRIZ 理论寻找并解决需求矛盾提供重点方向。其详细步骤如下：

1. 步骤1

邀请5 位行业专家和6 位用户代表进行打分，采用（1-5）5 分标度对应不同的需求感觉重要程度，其中1 表示两个因素同等感觉，5 表示一个因素比另一个因素更具有必要的感觉，中间的数字表示不同程度的感觉重要性（1-5 标度其含义见表2 所示）。

2. 步骤2

根据评价表对装备人性化设计各要素的打分结果，采用几何平均法求出用户需求权重W，以及判断矩阵的最大特征根。通过验证一致性比率（CR）来检验判断矩阵的一致性（CR ≤ 0.1），CR 越小，一致性越好。其计算方式和用户需求层次中指标层与目标层需求权重结果以及一致性验证，见表3- 表7 如下：

（1）计算每行各指标乘积Mi：

其中：n：判断矩阵的阶数。

3. 步骤3

根据表3-7 可得CR 值均小于0.1，由此可判定通过一致性检验。对准则层和指标层的目标权重进行综合排序并分类来确定人性化设计中更突出的因素，详见表8。

根据纺织装备人性化设计各项需求综合权重排序得出：罩壳、整体、配色、安全这4 方面为人性化设计需求中必须要重点体现的部分；材料、局部、操作、辅助一般重要，是人性化设计中的次要重点；检修、散热、表面、细节权重占比较低，在设计中，不需要过多关注，满足基本功能即可[5]。

三、TRIZ理论需求矛盾分析

根据AHP 对于纺织装备人性化设计的分析结果，梳理各设计要素之间存在的矛盾关系，提出可行的创新原理与方案，以便于后续通过对应的TRIZ 理论运用进行设计方案实施。

（一）需求要素矛盾提取

在纺织机械装备的人性化设计中，通过AHP 权重综合分析和现场专家交流可以发现用户需求之间存在多种矛盾。结合实际生产情况调查，对12（D1-D12）项产品设计需求进行分析，并筛选出具体对应的人性化设计要素矛盾共3 对。3 个相互矛盾的设计因素：①（D5-D6）检修便捷与安全的矛盾；②（D8-D10）设备散热与材料选取的矛盾；③（D7-D1）整体造型与罩壳结构的矛盾。

（二）矛盾解决方案转化

根据人性化设计需求矛盾的提取结果进行分析，将这3 对具体的要素矛盾抽象为通用工程参数，分别对应：NO.34 可维修和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 适应性及多用性[6]。根据以上矛盾参数分析提出对应的解决方案，见表9。

四、拉幅定型机人性化创新设计实践

基于AHP 对拉幅定型机人性化要素的分析，结合可用的TRIZ创新方法，对拉幅定型机的重点需求进行设计优化，做到功能与人性化的平衡，提高装备操作体验和生产效率[7]。

（一）技术矛盾与人性化需求分析

1. 矛盾1 检修便捷与安全

针对矛盾1，其主要解决原理为：预先作用原理、联合原理，在设计初期统筹考虑拆卸步骤与安全隐患，预先将安全操作与拆卸流程有机结合，实现结构设计中单一步骤的双功能化，进而达到操作便捷性与安全保障的统一。

2. 矛盾2 设备散热与材料选取

对于矛盾2，可通过利用多孔原理、分割原理、局部改善原理进行综合解决。通过分割以隔离其他部分，进而针对该区域实施局部优化策略。在结构设计上，适当引入开孔这一措施，在满足设备散热的同时，减少材料损耗和降低成本，从而实现散热与材料经济性的双向提升。

3. 矛盾3 整体造型与罩壳结构

关于矛盾3，可采用：变害为利原理、拆出原理相结合解决。通过深入分析罩壳结构将阻碍整体造型的部分拆离，并做针对性设计，将有害部分变为整体造型设计的积极因素，使之成为整体造型的一部分。

4. 人性化需求分析

对拉幅定型机具体人性化需求进行分类，见表10。

根据定型机人性化需求分类表，若要提高装备人性化水平，需要对操作步骤和空间进行符合人体尺寸的优化。鉴于定型机通常运行于封闭空旷的厂房环境，长时间噪音和重复操作易导致操作者的感官疲劳，进而产生安全隐患。因此，应强调装备外观造型的统一性，营造稳重坚实且充满生机的视觉感受，以提升用户的视觉与心理舒适度。此外，在确保罩壳结构可靠性的基础上，还应提升操作人员拆装和检修的便携性，并且进行构件兼容性和标准化设计，使之可广泛应用于更多区域和设备，有效降低了人员操作难度和设备制造成本[8]。

（二）针对拉幅定型机的设计实践

拉幅定型机组成结构主要包括：观察孔、进布电机罩壳、高温烘箱罩壳、出布牵引罩壳、控制台楼梯、机柜挡板、警示挡板等。带入TRIZ 理论的解决方法，对装备整体和以上结构进行人性化设计实践。相关解决方案如下：

1. 造型统一与制造标准化

（1）提高风格视觉统一：拉幅定型机的造型设计是在功能与人机关系之间寻求最优的平衡点。根据第12 条发明原理（形状）对拉幅定型机的整机形状进行区域划分，对划分区域进行统一的造型设计，选用多条折线排列形成强烈的运动感和张力。在罩壳设计的细节上要与整体节奏高度呼应，利用机身不同功能部分体现造型的衔接感，减少整机造型过于分散的缺点，从而保证装备风格视觉一致性。

（2）标准化与通用性：利用第35 条发明原理（适应性），针对机柜门板、电机罩壳、散热等部位，结合装备实际情况，进行标准化处理。对以上构件尺寸信息进模糊处理，归纳出对应的宽、窄、高3 种尺寸模板，在实际制造过程中根据不同情况使用对应尺寸模板。提高装备构件的多适应性，降低造型与设计只能在单一装备使用而造成的浪费与后期维护的人员培训难度。

（3）优化制造与设计周期：利用第32 条分明原理（可制造性）对拉幅定型机进行功能区域规划。对功能相近或非特殊功能区域选择统一厚度不锈钢板作为设计材料，多以打孔、弯折、焊接等便捷加工方式来进行设计制造，既满足设计研究目标同时也有效降低工艺、材料、时间多方成本，缩短装备设计制造周期。

2. 色彩视觉提升

纺织机械设备不同于以往的工业设计产品，作业环境具有很强的不确定性，优秀的工业设备色彩设计应该做到与设备环境、外观形态相统一。原拉幅定型机配色采用传统的黑、蓝、绿配色，饱和度较高颜色对比过于明显，长时间的刺激视觉会造成较明显的视觉疲劳和心理懈怠，且与其他企业配色相同无差异化。此次设计拉幅定型机整体颜色以蓝灰色、深蓝色作为主色调打破传统机械配上色，灰色、白色为机身辅色，以深灰色为重色以压制设备的重量感，提升设备的高级和安全感的同时整体稳重又不失活泼。缓解长时间操作下人员的视觉疲劳，提高视觉、心理舒适度和生产积极性。

3. 罩壳人机与用户心理优化

（1）减少操作与效率提升：经现场调研，发现仪表刻度盘位于装备两侧高位，紧邻传动装置，导致操作人员在采集生产数据时需依赖扶梯，增加了操作复杂度。为减少操作步骤，在保证安全情况下，利用第35 条发明原理（适应性），根据人眼仰视视野最佳的可视范围对罩壳做开孔设计，通过调整罩壳正面开孔位置，形成上下2cm的开孔距离，扩大罩壳的可视角度，使操作人员可在地面顺利读取生产参数，提高生产效率。

（2）提高结构可靠性：利用第13 条发明原理（结构稳定性）针对原有装备重量与使用环境的实际需求，考虑到操作员可能存在的依靠行为，因此，在关键部位采用半包围或全包围结构代替单层开放结构，以在不干扰操作的前提下增强结构稳固性。此外，罩壳的通风孔采用折线开孔进行设计，通过优化开孔尺寸抑制罩壳版面的晃动。同时，结合人体测量数据，将开孔宽度精确控制在1.5cm 以内，从而防止操作人员在作业过程中手指误入等危险情况的发生。在保证操作效率的情况下提高结构的稳定性和用户体验。罩壳人机与结构优化示例如图2 所示。

4. 高温区域安全与便携性改良

（1）降低安全隐患：烘箱作为高温作业区域，原罩壳设计仅为简单的金属遮挡板，缺乏必要的侧面防护措施，使得操作人员在近距离监看燃机燃烧情况时面临高温风险。为解决这一问题，结合第31 条发明原理（有害因素）对烘箱罩壳散热孔造型、开孔尺寸、排列疏密等可以直接影响人员效率与安全的有害要素用过设计进行规避防护。罩壳采用多开孔的全包设计，考虑到烘箱的散热、参数监看需求，对罩壳观察面的开孔排列方式采用双列开孔形式，从装备左右两侧都可以完成监看操作，为了防止人员受到高温影响，罩壳壳体尺寸与烘箱直线距离保持20cm 以上，同时控制散热开孔尺寸控制在2cm，在尽可能增加散热效率，便于观察监看的情况下保证操作人员的安全。

（2）装配与维修便携：经现场测量，烘箱罩壳尺寸长1.5m，宽60cm 高40cm，整体体积偏大，导致装备装配及后期维护操作复杂，常需两人协同作业。鉴于燃灶的安装与维护主要发生在罩壳上方且无承重需求。于是对罩壳结构进行了优化设计，通过在罩壳顶部开设尺寸为长90cm、宽40cm 的大面积孔洞，不仅降低了罩壳的整体重量，还显著提升了装配与维修的便捷性。经现场验证，此设计并未对罩壳结构安全造成任何不良影响，实现了效率与安全的双重提升。高温区域罩壳开孔设计示例如图3 所示。

5. 传动区域安全设计

纺织设备出布牵引区因传动轧辊与皮带轮众多，其罩壳设计尤为关键。在保持整体风格统一的基础上，安全因素成为设计的核心考量。为优化散热性能并保障操作人员安全，本研究将原方形开孔改为直径8mm 的圆形开孔，并按折线排列。此设计在确保罩壳结构可靠性的同时，显著提升了操作安全性。传动类罩壳开孔示例见图4 所示。

6. 楼梯人机与挡板安全设计

（1）人机改良：机身控制台部分包含楼梯与机柜挡板，此区域人员活动频繁。原楼梯踏面采用镂空金属网状结构，网格尺寸介于3-5cm 之间，存在物品掉落隐患，威胁生产安全。考虑到装配与维护的实际需求，将楼梯踏面改为凹凸花纹金属板覆盖，既防止物品掉落，又提升摩擦力。此外，原机柜挡板设计为矩形，因靠近楼梯转角，人员走动时易发生碰撞。为优化人机交互体验，本研究基于人体上半部分测量尺寸对机柜挡板进行改进，结合装备斜线走势实施矩形切角处理，有效减少碰撞，提升操作安全性。

（2）警示与安全：装备危险区警示作用至关重要，原方案采用淡黄色警示且部分区域仅设警示带，颜色对比度不足，警示效果不佳，易引发安全事故。本研究针对此问题，提出采用与装备整体颜色对比度更高的橘黄色，并将所有警示区域均升级为警示挡板设计，显著提升警示效果，确保操作安全。楼梯与挡板安全设计示例如图5 所示。

（三）最终整机方案展示

此拉幅定型机人性化设计以AHP 分析为导向，应用TRIZ 的发明原理，摒弃以往以功能为主忽略用户造型不统一的设计路径，以提高设备的操作效率和用户体验为目标。在设备的整体造型上保持着设计元素的一致性，凸显了工业设计美感，另外，兼具灵活的细节关注，尽量满足不同作业环境中的情感体验[9]。

经过概念构思、草图绘制、效果图呈现及样机制作等阶段，本研究根据甲方不同配色需求，推出了两个主要设计方案。在CAD/RHINO 等工程制图软件的辅助下，结合当前加工条件、人性化需求及设计成本，对设备整体造型、罩壳、配色、开孔、楼梯等进行了全面设计。罩壳根据实际需求进行开孔处理，折线方形开孔适用于多数场景，而圆形开孔则更适用于高温和传动装置。为满足广泛场景需求，罩壳尺寸进行了标准化处理，确保设计可靠且成本节约。楼梯部分采用凹凸防滑设计，并在台阶面开设元素孔，确保操作员安全的同时保持整机设计风格的统一。配色方案经过专家评价后选定，旨在实现设备稳重性与视觉效果的和谐统一。最终整机方案及配色示例见图6 所示。

结语

本文基于AHP-TRIZ 理论，对纺织机械装备的人性化设计进行了系统研究。通过AHP 方法分析用户需求，利用TRIZ 理论转化设计矛盾抽象成可以解决的工程参数，以拉幅定型机为例进行了实例应用。通过本文的设计表明，AHP-TRIZ 理论能够有效指导纺织机械装备的人性化设计，提高装备的使用效率和操作者的人机体验。但是，在设计过程中还是发现在设备运输，到厂装配等过程考虑不周全，后续应该做进一步的改进和深化。未来研究将进一步探索AHP-TRIZ 理论在不同类型纺织机械装备人性化设计中的应用，进一步提升设计的人性化水平。

参考文献

[1]史耀军，孙悦美. 基于人性化设计的公共场所消毒产品设计研究[J]. 设计，2023，36（19）：97-99.

[2]张宁，马彧. 基于AHP和感性工学的通风设备造型设计评价[J]. 设计，2022，35（19）：105-108.

[3]蒋典亨. 基于AHP/TRIZ理论的可拆卸孕妇装创新设计[J]. 设计，2023，36（15）：128-131.

[4]支天宇，马彧. 基于QFD及AHP的纺织装备并条机造型设计[J]. 工业设计，2021（01）：151-152.

[5]贺晨曦，马彧. 基于TRIZ理论的并条机造型创新设计[J]. 工业设计，2021（02）：152-154.

[6]严淑，许白云. TRIZ理论中40条创新原理的应用研究[J]. 科技创业月刊，2015，28（15）：117-120.

[7]康赛宇. 人性化设计在产品设计应用中的发展趋势[J]. 陶瓷研究，2023，38（06）：74-76.

[8]敖进，车林仙，段胜峰，等. 工业设计主导下的非标装备设计研究现状及发展趋势[J]. 机械设计，2023，40（S2）：214-219.

[9]白俊峰，王亚平. 人性化设计理念在产品设计中的应用[J]. 设计，2018（12）：144-145.