集成QFD/TRIZ/AHP的適老化鋼制衣柜設計研究及應用

焦如麗，左洪亮

集成QFD/TRIZ/AHP的適老化鋼制衣柜設計研究及應用

焦如麗，左洪亮

（河南科技大學 藝術與設計學院，河南 洛陽 471023）

為提高鋼制材料在老年人家具領域的可發展性以及準確地為老年人在鋼制家具產品的互動上提供良好的體驗，運用層次分析法（AHP）來確定客戶的需求權重，通過功能質量展開法（QFD）發掘出客戶的核心需求，從（TRIZ）發明問題解決理論的40條發明原理中，尋找最佳解決方法。在老年人鋼制衣柜創新設計流程引入了QFD、AHP和TRIZ相結合的分析方法，主要從用戶需求、設計指標決策及解決方案的角度闡述理論的應用方式，形成符合老年人用戶需求的鋼制衣柜產品，設計過程科學性的進一步提高，可為同類老年人鋼制家具產品的創新設計提供有效參考。

集成模型；適老化；鋼制衣柜；家具設計

鋼制材料主要屬于綠色環保型材料，具有硬度高、防水、防火、延展性好等優良特性[1]。隨著加工和制造工藝技術的進步，鋼制材料在我國現代家具制造領域得到了廣泛運用。

當前階段我國正邁入老齡社會，根據統計報告資料，到2019年末，我國60歲及以上的老年人口數量已經到達2.54億，占總共人口比例18.1%[2]。《國家十二五老齡事業發展規劃》提出：在人口老齡化社會服務發展領域，要在完善居家養老的基礎上，對社區、社會機構及養老服務方向上進行支持和推進[3]。因此，養老家居、設施產品有著巨大的市場需求。但目前鋼制家具主要使用于醫療、辦公場所中，很少用于民用生活中，也更少出現在老年人生活場景中，真正適合老年人的家具基本沒有，因此適老家具將會是未來家具行業市場一個全面的新消費發展熱點。

衣柜作為老年人活動頻率最高的臥室儲物家具之一，是影響老年人生活品質高低的重要家具。部分學者展開了針對老年人衣柜設計的研究：潘莉等[4]研究了老年人與衣柜發生的交互行為，并提出適老化衣柜的設計方案；陶濤等[5]通過分析老年人的行為特征及未來老年生活的變革趨勢對儲物空間和功能設計提出了優化對策；王梓涵等[6]以用戶為中心的設計方式進行臥室柜類家具進行適老化設計。

在老年用戶產品設計的多數研究中，在設計需求的層次分析及需求權重分析是比較欠缺的，在創新設計上有效決策分析不足[7]，因此本文通過對層次分析法（AHP）、功能質量展開方法（QFD）和發明問題解決理論（TRIZ）的集成，對老年人鋼制衣柜進行創新設計，從而為老年人提供體驗良好的交互需求。

1 QFD/TRIZ/AHP集成創新研究

功能質量展開法（QFD，Quality Function Deployment），最重要一步是獲得用戶的產品需求，將用戶真實的需求貫穿于整個產品生命周期的指導性的設計方法，再通過構建QFD量表的方法來確定用戶的真實需求與核心技術的需求，從而以用戶的真實需求與核心技術作為其產品設計的重點。如Pregiwati Pusporini等[8]將QFD方法與模糊理論相結合，應用于環保產品的開發與設計中，實現了既能滿足用戶需求、又對環境友好的產品特性。

發明問題解決理論（TRIZ，Theory of the Solution of Inventive Problems），主要是解決如何進行設計的問題，但未能為解決設計中的問題提出合適的解決方案。

層次分析法（AHP，Analytic Hierarchy Process），是將所有涉及的要素分解為多個層次（如決策目標、標準和計劃），在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法[9]。

陳媛等[10]將QFD/TRIZ/AHP研究方法進行集成分析，對衛浴產品的設計進行了詳細的規劃研究，并對該課題研究成果方法的設計可行性和應用有效性進行驗證。因此將QFD/TRIZ/ AHP理論集成，為適老化衣柜產品創新設計提供一種新的設計方法。集成方法的創新設計模式流程如圖1所示。

老年人鋼制衣柜的設計屬于創新設計，將新材料加入其中并作設計的改進。使用QFD來研究用戶需求，然后識別和分類，將情感和難以描述的用戶需求轉化為與產品設計相關的需求質量；在AHP中，計算需求元素的權重值，然后進行排序，最終完成設計決策；分析核心技術措施的相關關系，如果有沖突，先分析沖突類型，最后用TRIZ尋找解決辦法。最終對解決方案進行概念驗證，以確定最適合的老年人鋼制家具設計方式。

本文以適老化鋼制衣柜概念化設計為例，在集成創新設計模式的基礎上進行適老化鋼制衣柜的創新設計[11]。

圖1 集成創新設計流程

2 應用AHP確定QFD的客戶需求權重

2.1 基于QFD的老年人鋼制家具設計需求分析

需求質量特性展開的建立。使用現場觀察、問卷調查、互聯網等來篩選，分解和合并收集的用戶需求，以完成三個質量需求的質量展開。過程如下：①收集不同類型的衣柜設計樣本，并以互聯網和現場調查等方式進行用戶評估；②從衣柜的形狀、功能和結構入手，以獲取被調查用戶的需求和滿意度；③分析和提取被調查用戶的設計要求，并制定老年人衣柜相關的質量發展要素；④使用焦點小組訪談方法確定每個級別的質量特征，并最終完成設計要求。以上分析擴大了老年人鋼制衣櫥的質量特性，結果如表1所示。

2.2 AHP應用步驟

步驟1：進行老年人衣柜設計需求質量特性展開分析，運用AHP形成設計決策模型，如圖2所示，進而分析老年人鋼制衣柜設計的需求權重。

表1 老年人鋼制衣柜設計需求質量特性展開

（2）將第二層的需求質量特性展開的結果定義為準則層，將其分解為主要性能、輔助性能、安全性、可操作性、可靠性，用字母B表示，作為準則層的指標；

（3）將第三層的需求質量特性展開的結果設定為方案層，用字母B表示，如圖2所示。

步驟2：判斷矩陣的構造。以上一層次的要素作為比較的基準，使用Saaty建議中的9個關鍵性等級和其賦值方法，對元素的進行兩兩之間的比較[10]，如表2所示。

比較結果構成判斷矩陣＝(a)·n，其中a＝1/a，判斷矩陣所對應的特征方程為：

表2 判斷矩陣標度

式中：為計算出的一致性比例；為檢驗系數；為平均隨機一致性的指標，取值如表3所示；max為特征方程的最大特征根；為判斷矩陣的階數。

若結果≤0.1，則認為該判斷矩陣的數值具有一致性，否則應該對判斷矩陣中的元素值進行多次調整，然后再取值[12]。

表3 平均隨機一致性指標

2.3 應用舉例

2.3.1 判斷矩陣的構造

以圖2構建的老年人鋼制衣柜的設計決策模型為實例，將設計決策模型的第一層客戶總需求用作比較基準，然后對第二層用戶進行成對比較以創建決策矩陣，如表4所示。

表4 符合老年人心理生理需求與行為特征的鋼制衣柜設計的判斷矩陣

使用數學分析軟件Matlab獲得特征向量并歸一化以分析數據，即精確計算[,]＝eig()和＝(:,)/sum(:,)[10]，如圖3所示。計算結果為＝[0.3290, 0.1150, 0.2481, 0.2578, 0.0501]，且max＝5.1011、＝0.0253＝1.12、＝0.0226＜0.1，因此對于此判斷矩陣來說可認為通過一致性檢驗，即認為該結果可信。

同理，在第三層創建相應決策矩陣表，在Matlab軟件中計算權重，評價結果均通過一致性查驗。

2.3.2 QFD量表的構建

將計算結果計入QFD量表中，如表5所示，所構成的區域即為相關關系矩陣。

“+”為正相關；“－”為負相關。

綜合得出的結果如下：

（1）用戶需求方面，在避免尖角、操作省力、操作簡單、頂柜可自動升降、底柜高度可自動調節、易于拿取衣物、材料環保無污染等多個方面用戶需求程度比較高；

（2）在技術措施的重要性方面，調節結構、形態材料、模塊化、空間尺寸、可拆卸的重要性比較高，屬于核心技術措施。

這就說明了在進行創新設計時，需對鋼制衣柜的操作調節方式、產品形態以及更換衣物的空間規劃等進行重點設計。

3 老年鋼制衣柜設計中TRIZ創新方法的應用

3.1 沖突問題的確定及TRIZ轉化

為了將TRIZ應用于概念驗證，有必要首先分析各種技術手段之間的關系，從而找到矛盾，然后確定與兩者負相關的矛盾的類型。

TRIZ理論中所涉及到產品設計的矛盾主要類型有技術矛盾和產品的物理矛盾兩種，其中，技術矛盾主要與系統有關，而物理矛盾主要與組件有關，且物理矛盾是解決問題的核心矛盾，可以說是最嚴重的矛盾[13]。

技術矛盾可以采用TRIZ理論中的矛盾矩陣來查找，從而得到解決這種技術矛盾問題的發明工具[14]。

表5 適老化鋼制衣柜產品QFD量表（部分）

注：權重1為準則層對目標層的權重；權重2為方案層對準則層的權重；綜合權重為方案層對目標層的權重；1、3、5分別表示用戶需求與技術措施兩者相關程度為弱、中等、強。

物理矛盾的分離原理包括時間分離原理、空間分離原理、系統級別分離原理、條件分離原理等四種[15]，解決技術矛盾的40項發明原則與這四個分離原則相對應。空間分隔的原理是在特定空間中將矛盾雙方的互斥需求分隔開，可以利用第1、2、3、7、4、13、14、17、24、26、30條等11個創新原理[15]；時間分離的原理，將矛盾的雙方在一定的時間范圍內互斥的需求進行分離，可以利用第9、10、11、15、16、19、18、20、21、26、34、37條等12個創新原理[15]；條件分離的原理可以運用第29、28、31、32、35、36、38、39條等8個創新原理[15]；系統層次上的分離原理可利用第1、5、6、8、12、13、22、23、25、27、33等12條創新原理[15]。

基于40項發明設計原則，物理矛盾可以迅速獲得創新的設計思想[10]。

適老鋼制衣柜產品通過對QFD量表技術措施和用戶需求的相對關系矩陣進行分析（本文只列出部分正相關的關系，主要目的是為了得到負相關的關系），得出相關關系矩陣中幾組主要沖突的問題，如圖3中的三角形區域。

幾組產品的特性和需求負相關問題可以轉化成TRIZ問題模型，如表6所示。

3.2 TRIZ理論推導解決方案，確定概念設計

將客戶需求和技術措施之間的沖突轉化為TRIZ問題后，將TRIZ用于解決問題的解決方案，并按照上面的三個步驟為每個問題打開突破口，如表7所示。

表6 沖突問題的TRIZ問題轉化

表7 TRIZ問題的解決方案

（1）模塊化和產品尺寸是物理矛盾。現有衣柜以一體多格為主，尺寸相對較大。一方面，從老年人日常使用衣柜時可以發現，頂部太高或底部太低都會給老年人們造成夠不著或下蹲等現象，給在家中老年人的生活造成極大的不方便。另一方面，老年人特有的生理功能和使用習慣的衰退，傳統衣柜的一體化使得衣柜中部的存衣格在家居使用中造成不夠用且不容易找到衣服的問題，使得頂部、底部存衣格難取物及衣柜使用率較低的問題。針對產品使用過程中出現的物理矛盾，可以通過運用空間分離原理進行求解，在與之相對應的第1條創新發明原理中找到解決方案，即分割原理，折彎工藝、沖壓工藝和焊接工藝是鋼制材料的主要工藝，與傳統的加工技術不同，沖壓和彎曲過程使用特定的模具，而焊接過程則使用焊接設備來識別模具并實現零件焊接過程[16]。此外，自動折彎中心也逐漸在鋼制家具制造環節中使用，制造系統可自動調整折彎長度，適合不同尺寸板材折彎，因此改變衣柜的一體化，可實現鋼制材料對衣柜的模塊化設計，將放置不同季節的衣物與棉被存衣格分離，同時增加可移動式功能，不僅滿足需求而且提高使用率且方便，達到了結構優化以及易使用的目的。

（2）內部調節結構和形態材料是技術矛盾。傳統衣柜的內部以放置多層層板或抽屜式盒狀作為放置衣物的空間，在中部位置拿取衣物較為方便，但層板過低或者過高都會導致老年人拿取衣物時伴隨著彎腰、半蹲、踮腳等不方便的動作[4]，這會造成老年人不同水平的危害。針對產品過程中出現的技術矛盾，利用矩陣提供的第26和27兩條發明原理進行解決，即保留原先的抽屜式盒狀，采用下拉式頂柜設計升降式底柜代替隔板。對具有很強特殊性的鋼制材料工藝，在升降結構的設計過程中，可以將沖壓切孔、焊接等工藝與新材料結合應用，其鋼制材料本身的可塑性與優良的工藝特性可滿足老年人需求，方便老年人使用，進而提高老年人的自我養老能力，減輕老年人的自我感受負擔[6]。

（3）環保性和形態材料是技術矛盾。常見的實木衣柜能更好地體現其端莊的品味和質感及溫暖的感覺。鋼制家具具有出色的環保性能，但應注意產品表面裝飾的質地和手感。受鋼制家具原材料性質的限制，鋼制家具的觸感較冰冷，使其在設計上難有創新。利用整體與部分分離方法，結合矩陣提供的第3、40兩條發明原理，將鋼制材料與其他材料結合的方式，在鋼制衣柜設計中加入布料、毛氈、皮革等材料，對于可移動的模塊，內部采用較輕便的材料，如鋁型材料，把手接觸部分使用毛氈、布料等柔軟溫暖材料。此外，利用第17條發明原理將熱轉印技術引進到鋼制衣柜的部分零部件的制造過程中[17]，以多層次的形態代替原有的平滑的表面形式，將第31條發明原理將蜂窩狀紙板加入到衣柜設計中，提高產品的穩定性，進而增加老年人使用衣柜的安全感。

4 結論

鋼制家具行業作為環保類型家具產業，已經逐漸受到人們的廣泛關注和重視，但目前的應用還主要停留在辦公與醫療家具類等方面。

本文通過適老化鋼制衣柜產品的概念化設計作為案例來驗證QFD/AHP/TRIZ的集成化設計模型在滿足老年人需求上引入鋼制材料的可行性和有效性。同時結合這種集成設計模型的創新設計流程，可以為同類鋼制家具的創新設計提供一個更清晰的設計指標和決策、問題解決的思路，提升老年人鋼制家具領域的發展可能和機遇。

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Design and Application of Aging-Appropriate Steel Wardrobe Integrated with QFD/TRIZ/AHP

JIAO Ruli，ZUO Hongliang

( School of Art and Design,Henan University of Science &Technology,Luoyang 471023,China )

The purpose of this paper is to improve the developability of steel materials in the field of furniture for aging people and accurately provide a good experience for them in the interaction of steel furniture products. Analytic Hierarchy Process (AHP) was used to determine the weight of customers' demands, and the core needs of customers were discovered by the functional quality expansion method (QFD). The best solution was found from the 40 invention principles of (TRIZ) invention problem solving theory. The innovation design process of steel wardrobe for aging people applied QFD with the combination of AHP and TRIZ analysis method. The paper mainly expounds the application mode of the theory from the perspective of the user needs, design index decision-making and solutions, so as to meet the demand of the elderly users of steel wardrobe products. The design process is scientific, which provides effective reference to the steel furniture product innovation design for aging people..

integrated model；aging；steel wardrobe；furniture design

TB427

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.11.008

1006－0316 (2021) 11－0057－08

2021－04－20

教育部2021年第1批產學合作協同育人項目（202101042011）；津發科技－工效學會“人因與工效學”項目（202102018056）

焦如麗（1995－），女，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向為工業設計，E-mail：1501380883@qq.com。*通訊作者：左洪亮（1974－），男，湖南汨羅人，碩士，副教授、碩士生導師，主要研究方向為工業設計，E-mail：zuohongliang@126.com。