基于AHP-QFD 的冲牙器设计研究

摘要：挖掘冲牙器用户实际需求，获取重点需求以及与之相关的功能要求，设计更符合用户实际需求的冲牙器产品。首先通过用户观察与用户访谈获取用户需求，然后利用 AHP 模型量化需求权重，采用QFD关系矩阵得到符合用户需求的重点功能要求。针对重点需求要素和重点功能要求展开创新设计，并以模糊综合评价法加以评估。AHP-QFD法可以有效挖掘用户实际需求，并将其转化到具体功能要求，对相关设计研究具有参考意义。

关键词：冲牙器；用户需求；产品设计；AHP；QFD

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）23-0102-04

引言

在互联网广泛普及的今天，现代年轻人对于口腔健康有了更加深刻的认知，尤其是爱美人士和正畸人群在口腔清洁方面比较关注，于是电动牙刷、电动冲牙器等口腔清洁护理产品逐渐走进大众的视野。作为一种新兴的口腔护理工具，电动冲牙器能有效抑制牙菌斑和牙石的形成，并预防控制牙周病[1]，市场前景广阔。吴波等[2] 梳理了现有冲牙器设计中存在的问题与用户痛点，结合感性工学方法探讨了女性冲牙器产品设计思路并总结设计策略，为提升口腔产品设计质量提供参考。现有的口腔清洁产品设计研究过程通常从情感化、用户体验等感性方面切入设计，但缺乏针对用户需求和产品功能要求在理性层面的定量分析，于是存在对后续研究的科学支撑不足的情况。因此，本文将联合层次分析法（AHP）与功能质量展开理论（QFD）对冲牙器产品设计展开研究，为后续的产品创新设计提供依据，并采用模糊综合评价法进行设计评估，从而提升设计过程的科学性。

一、冲牙器产品的设计现状

电动冲牙器的原理是将水通过泵体加压，以高速、细小的脉冲水流穿透牙齿间隙，可高效地去除口腔内的污垢和细菌。作为日常口腔护理的工具，电动冲牙器由水箱、水管、喷头和电机等多个组件构成。

市面上现有的电动冲牙器从结构和使用方式上可划分为台式、固定水箱式、伸缩水箱式和无水箱式4 种类型，同一类型产品之间的差异主要体现在配色和造型方面，因此选择4 类型产品各一款为代表产品进行分析，如表1 所示。台式冲牙器由于水箱大不便外带，使用场合局限；固定水箱式冲牙器可外带使用，但偏大的体积使其不便携；伸缩式水箱冲牙器在结构上改善了固定式水箱冲牙器的缺点，可伸缩的水箱设计让其拥有了较小体积以便携带和收纳，但小体积水箱让一次冲洗过程需要多次灌水操作，繁化了使用流程；无水箱式冲牙器体积小巧，可连接水杯中的水源，但水管的收纳不便。综上可知，目前市面上的冲牙器普遍存在体积偏大、不易收纳携带、操作烦琐或由于水箱与机身一体导致重心不稳等问题，在用户体验方面仍存在较大的提升的空间。

二、AHP-QFD理论与应用

（一）AHP-QFD 理论

层次分析法是由美国萨迪教授于20 世纪70 年代初期提出的一种决策分析方法[3]，可以将定性问题量化，创建层次分析模型来获取要素权重分布。通过有效的判断矩阵，对相关要素进行量化分析，进一步获取具有较高权重的指标作为设计目标，可预防因过度开发而导致功能过剩[4]。本文将通过对冲牙器用户需求的AHP 量化研究尽可能过滤掉干扰因素，从而优选出关键的用户需求，以最小代价妥善提高用户体验以及满意度。

质量功能展开以用户需求为导向，将用户需求转化为产品细节、工艺与生产等的多方面功能要求，方便设计人员进一步分析提出改进的产品或服务的技术方案以提高用户满意度[5]。QFD 的核心是质量屋，以图表直观地展示和分析用户需求与产品功能之间的关联。设计师通过质量屋将用户需求对应到产品设计的功能要求特征上，实现从需求到功能的转换，最终完成整个质量功能配置的产品开发流程[6]。

AHP 可用科学计算权重并决策出核心需求要素，但无法作为将需求转化为具体功能要求的工具；QFD 可以将用户需求转化为设计特性，但判断需求重要性上存在局限。邵进[7] 等结合AHP 和QFD设计了一款学龄前儿童植物生长认知产品，实现了筛选出核心需求并将其转化为产品功能的过程，但并未产出完整的设计评价流程。因此，为了提升现有产品设计研究方法的科学性和完备性，本文将整合两种方法优点，通过科学分析计算来确定用户核心需求，并将核心需求要素与产品功能要求相匹配，用其结果指导设计实践并通过模糊综合评价法验证可行性，构建更科学的设计模型以完善现有研究方法。

（二）AHP-QFD 理论指导冲牙器产品设计流程

为了使最后的设计方案更精准地满足用户需求，设计人员必须缩小产品最后所呈现的功能与用户的实际需求间存在的差距。本研究以AHP-QFD 理论为主要的研究方法与理论基础，以定性和定量相结合的方法，增强用户需求转化为设计特性的科学性。具体研究流程如图1 所示，首先，进行用户观察和用户访谈，深入了解用户在冲牙器产品使用过程的实际具体需求；接着，将上述获取的各个需求要素进行目标层、准则层和具体指标层的分类，建立AHP 模型，在判断矩阵的帮助下计算出各要素的综合权重值，并进行一致性检验，检验通过后进一步确认其重要性次序，从而获取关键需求指标，反之，若检验不通过，则和专家重新沟通获取数据或者调整原有矩阵，直至满足一致性要求；此外，通过QFD 模型分析用户需求与产品功能之间的联系，从而确定与关键需求要素相对应的设计要求，请专家小组针对其相关程度进行打分，关注高分功能要求，将其作为主要的功能开发重点；最后，整合各项重点功能要求，从而完成设计实践，并以模糊综合评价法检验方案的满意度以及设计研究流程的可行性。

三、基于AHP-QFD的冲牙器用户需求分析

（一）构建冲牙器需求层次结构模型

本研究通过用户观察法和用户访谈法了解了用户使用产品的具体过程、场所、动机以及满意度等信息，以此来充分挖掘用户的实际需求。本研究共招募到22 名18-30 岁冲牙器用户，其中包含了10位每周使用冲牙器3 次以上的深度用户。用户使用冲牙器的原因主要是牙周炎、正畸带来的口腔清洁需求，主要的使用场合是家庭、学校和公司的洗手间，因此他们希望产品操作便捷且易于收纳。在满意度的调查上，用户答案聚焦于信息明确、简化流程、收纳方便、使用舒适4 个方面，四者的满意度皆为一般水平，均无显著领先，这也说明了冲牙器产品体验存在较大的提升空间。

为获取用户核心需求要素，本研究整理总结用户观察与用户访谈结果，以建立较为科学合理的用户需求层次分析模型。目标层（A）为符合用户需求的冲牙器设计，将信息明确、简化流程、收纳方便、使用舒适4 个方面作为准则层（B1-B4），13 个具体指标层（C1-C13）分别为电量可视、开关可视、挡位可视、拆装方便、减少按钮、容易清洗、操作简单、体积小巧、便于携带、快速收纳、手感稳定、表面处理温和、冲洗舒适，如图2 所示。

首先，邀请前期参与需求调研的10 名深度用户组成的专家小组对不同指标的重要性进行评估和比较，并以他们的评分均值作为各项指标的最终评价结果，从而得到判断矩阵A、B1、B2、B3 和B4。使用层次分析法的评价过程中，需要采用AHP 提供的9 个重要性等级赋值进行要素间的成对比较，量化并比较不同要素间的相对重要性，进而形成比较结果的判断矩阵，其目的是在数值上体现两要素间重要程度的等级，判断矩阵标度如表2 所示。

判断矩阵A 即目标层A、准则层B1-B3 的综合判断矩阵：

以矩阵A 为例进行运算，对式（1）进行按列归一化，即对该矩阵的每一列求和，在计算出每个元素在所属列中的比重，从而得到归一化判断矩阵A'，

A' 按行求和后进一步归一化处理，得到特征向量

W1=（0.251，1.437，0.484，1.827）T （ 2）

由于评价过程是所有因素之间两两比较，则可能出现前后的判断结果完全不一致的情况，即在整体排序时可能会出现重要性前后矛盾的问题。因此，为了保证所获取的专家综合判断矩阵合理且有意义，需要对所得数据结果进行一致性检验，若计算得出其一致性比例CRlt;0.1，则说明一致性检验通过；反之，则需要和专家重新沟通获取新的数据或对原有矩阵适当调整。

根据层次分析法原理，为了得到CR 的值，需要先求出λmax 的值，其计算公式如下：

进而计算指标CI=（λmax-n）/（n-1）=0.068； 通过查找国际平均一致性指标RI 值表， 可知当n=4 时，RI=0.89， 即CR=CI/RI=0.077lt;0.1，即证明矩阵A 通过了一致性检验。

同理可对B1、B2、B3 和B4 中的要素计算出判断矩阵结果，其一致性比例CR 均小于0.1，说明一致性检验通过，各层需求权重均合理有效，如表3 所示。

（二）基于 QFD 的重点功能要求获取

在产品设计中，理解用户需求是至关重要的一步。设计者需通过改进措施和关联性分析，确保产品功能满足用户预期，以优化产品设计，提高用户满意度和市场竞争力[8]。结合上文指标权重排序，将位列前五的C11 手感稳定、C7 操作简单、C12 表面处理温和、C6 容易清洗和C10 快速收纳作为主要的用户需求参考指标，并重命名为U1-U5，再将这五个需求指标转化为5 个一级功能要求，并以之为基础进行细分展开，获取二级功能要求。另外，将U1 的重要度程度定为5，并将其他重点需求重要度按照占比换算，从而简化后续分析中的计算，如表4 所示。

如表5 所示，将用户需求与设计要素进行关联度分析，建立QFD 质量屋矩阵，以用户重点需求为左墙，冲牙器功能要求为屋顶，基于质量功能展开原理创建需求要素和功能要求关系表格，高度相关记5 分（符号●）；中度相关记3 分（符号○）；低度相关记1 分（符号△）；两要素之间无相关关系则记0 分，空格表示。请专家小组评分且计算出各项二级功能要求的重要度，并将其进行排序以得到冲牙器产品设计的关键功能要素，从而指导设计实践，最大限度地实现需求和功能之间的有效转化，切实地提升用户体验与满意度。在后续的设计实践中，将得分大于20 的功能要求视为重点功能要求，即排位前6 的流程简洁、重心稳定、质感舒适、一秒收纳、一键开关、体积小巧为冲牙器设计的核心要点，以确保最终产品能够满足用户的期望和需求。

四、冲牙器设计实践

（一）冲牙器创新设计案例

1. 案例展示

结合上述分析，聚焦重点功能要求设计出新的冲牙器方案，以提升用户的使用体验。创新设计案例效果细节见图3，该方案在造型、结构以及使用流程方面作出了创新优化。围绕流程简洁、重心稳定、质感舒适、一秒收纳、一键开关和体积小巧6 个重点功能要求，本案例利用了弹簧片伸缩结构完成使用时水管的收放并保留单一按钮，实现了快速收纳并简化了使用流程，省去水箱构件也让产品重心稳定且体积紧凑，在此基础上使用多种材质让产品层次丰富，在视觉和触感上创造良好体验。

2. 设计优化

（1）造型创新：市场差异化的外观

产品外观设计的差异化是市场竞争中的关键因素之一，差异化的造型可促成不一样的视觉刺激从而在用户心中形成独特印象，更有效地传达其功能特点和设计理念[9]。如图4 所示，创新案例外观设计显著区别于市场上常见的柱状冲牙器机身，采用了圆润的对角圆角矩形造型，不仅具有中心对称的美感，而且能够更好地贴合手部曲线，提供舒适的握持体验。此外，该设计去除了传统的水箱结构，使得产品尺寸小巧，长宽仅100 mm，厚度仅40 mm，确保产品便携性的同时避免了因水箱装水导致的重心不稳问题，实现了f1 重心稳定和f9 体积小巧的设计目标。另外，产品具有透明磨砂的ABS 外壳，防滑耐磨，触感柔和，为用户提供了舒适的使用体验，满足了f5 质感舒适的设计要求。

（2）设计重构：小巧便携的结构

为了全面提升冲牙器的用户体验，设计创新不应局限于单纯的外观美学，而应深入到产品结构的创新之中[10]。创新设计后的冲牙器主要构成部件有透明磨砂外壳、开关按钮、电机、缠绕水管的转盘、弹簧片以及滤网水管接头，如图5 所示。其中缠绕水管的转盘和弹簧片是主要的创新结构，模拟了卷尺收线原理，利用连接弹簧片的转盘带动水管旋转，从而实现水管的快速收纳。在清洗之前用户只需抽出水管后拨动底部按钮使之卡紧水管，此时弹簧片为收缩状态，用户使用完毕后拔开按钮，蓄势的弹簧片会立刻舒张带动转盘旋转收回水管，实现f10 一秒收纳的设计特征。用户可通过透明外壳观察到冲牙器中转盘收放水管的过程，在观感上为原本枯燥的产品使用过程增添了一丝趣味性，也达到了提升用户体验的效果[11]。

（3）流程优化：流畅的使用过程

简洁的流程设计是提升用户体验的重要策略，降低操作复杂度，可以显著提高用户满意度和产品易用性[12]。如图6 所示，创新案例具有两种使用方式，其一为直接用水管接到水杯等容器中取水，其二则是选择合适配件连接水龙头用水，冲洗过程不再受到水箱体积的限制，避免了冲洗流程中多次换水的步骤。方式二中，配件较大一头采用两种口径的硅胶材质分别固定国内标准[13]15mm 和20mm 两种尺寸的水龙头，较小一头用硅胶连接水管接头，拆装快捷。创新案例以单一按钮实现一键开关，抛弃冗余冲洗模式，实现f3 一键开关的设计特征；省去传统的灌水使用流程，仅需将水管抽出连接水源即可开始冲洗，实现了f4 流程简洁的设计特征；使用完毕后拔开水管卡扣即可一秒收纳水管，实现f10 一秒收纳的设计特征。这些设计目标的实现使得整个冲牙器的使用过程十分流畅简单。

3. 案例总结

该创新案例从造型创新、设计重构和流程优化3 个层次加以设计以提升用户体验，着重把握6 个重点功能需求，理论上可以提升用户体验，但具体的用户满意度仍需要进一步科学评估。

（二）设计评价

为了评估该创新方案的满意度，本研究采取模糊综合评价法加以检验。本次评价的方案评价指标集为{ 流程简洁，重心稳定，质感舒适，一秒收纳，一键开关，体积小巧}，根据前文计算得指标权重向量WF=（0.200，0.189，0.177，0.150，0.144，0.140）；评语集为{ 非常满意，很满意，满意，不满意}，并赋值为10，8，6 和4 分。再次邀请了参与前期需求调研的22 名用户对最终的设计方案进行评价，得到模糊评价矩阵：

根据前文设计特征权重可知综合评价向量B=WF×R=（0.521，0.407，0.041，0.032），故该方案的评价得分为Z=0.521×10+0.407×8+0.041×6+0.032×4=8.84，该数值介于很满意和非常满意之间，表明该方案的用户满意度较高，不仅证明了设计方案的成功，也在一定程度上证明了该研究方法的可行性和有效性。

结语

人们对口腔健康愈发重视，未来冲牙器产品竞争也将更加激烈。本文提出了一种AHP 与QFD 相结合的设计方法，运用AHP 方法建立需求层次结构模型获得重点需求要素，QFD 将需求转化为重点功能要求来指导冲牙器设计的创新与优化，最后用模糊综合评价法做用户满意度评估在一定程度上说明了该研究流程的可行性。与传统单一模型相比，该综合模型提供了一个理性连贯的决策框架，促使产品从功能、场景、结构等角度进行创新以提升用户体验。因此，AHP与QFD 相结合的方法可以将用户需求转化为功能要求，从而为后续的产品设计实践提供可靠依据，该流程对类似的产品优化设计具有一定的参考作用。

基金项目：教育部人文社会科学规划基金项目（20YJA760079）

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