基于AHP/QFD/TRIZ 理論的可伸縮式餐桌設計

王南軼，石暢，魏陽陽，陳旭輝，胡毅軒

（南昌大學 建筑與設計學院，南昌 330031）

“民以食為天，食以安為先”，在人們日常重 要的飲食、起居中，餐桌扮演著必不可少的角色。人們對餐桌的需求也從原來的就餐需求，擴展出了舒適性、便利性、健康性、智能化、多功能等多方面的需求。為了改變傳統餐桌的工作與使用方式，使之滿足人們多樣化的需求，需要借助層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、質量功能展開（Quality of Functional Deployment，QFD）、發明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）等模型來構建餐桌設計流程，精準抓住人的需求進行設計與開發，實現餐桌造型、結構、功能上的創新。

為使分析和決策更具客觀性，在實際應用中，較多學者采用TRIZ 結合需求分析、方案評估等集成方法并取得了良好效果[1-2]。陳媛等[3]將AHP、QFD、TRIZ 方法運用在智能衛浴產品設計中，通過AHP 得出用戶需求權重，通過QFD 轉換成關鍵設計要素，通過TRIZ 解決問題，得出設計方案；蘇建寧等[4]將AHP、QFD、TRIZ 方法運用于玫瑰花蕾采摘機設計開發中，使玫瑰花蕾采摘機的結構、功能、造型、材料和生產加工等方面得到提升；郭西雅等[5]利用KJ、AHP、QFD 相結合的方法引入到家用活口扳手產品迭代設計；郜紅合等[6]基于TRIZ 理論對公共扶手消毒裝置進行了創新，緊跟時代需求，解決了公共扶手消毒的問題；李曉杰等[7]基于AHP、QFD、TRIZ 理論設計出了一款抗震救災機器人，極大地提高了救援效率與應用場景。綜上所述，AHP 能提高用戶需求識別的準確性與客觀性；QFD 可連接用戶需求與產品技術需求，為產品設計提供依據；TRIZ 具有完整的解決問題方法，可為工程問題提供求解工具[8]。

1 餐桌現狀分析與設計流程

1.1 可伸縮式餐桌設計現狀

隨著物質社會的進步，人們的精神世界也越來越豐富，傳統的餐桌已經不能滿足現代人的需求。可調節面積式的餐桌供人們在不同的環境中可以調節餐桌的大小，豐富了人們的就餐使用場景，這種可調面積式的餐桌順應了時代發展潮流，很快就占據了市場。在市面上的可調面積餐桌設計中，大致分為兩種不同的工作原理：第一種為拉升式，其工作原理為將桌面兩端向外拉伸，用來增加面積的桌塊從下往上升與桌面貼合；第二種是折疊式，其工作原理為將用來增加餐桌面積的桌塊隱藏在桌面下，以折疊的方式與原桌面的外邊緣貼合，來達到增加桌面面積的目的，見圖1。

圖1 常見的可伸縮式餐桌設計Fig.1 Design of common retractable dining table

無論是折疊式還是拉升式設計，其工作原理在一定程度上解決了用戶對餐桌可調面積的需求，但是這些設計只對餐桌的面積進行了細微的添補，未從根本上解決對面積增減的把控，并未做到縮小狀態的餐桌尺寸足夠小，擴大后桌面面積足夠大。并且兩種樣式的餐桌大多以手動的方式來擴充其桌面面積，缺乏自動裝置來驅動餐桌進行伸縮。需要一款能從根本上解決餐桌面積增減問題、自動化程度高的可伸縮式餐桌設計。

1.2 可伸縮式餐桌設計流程

通過對餐桌用戶及相關專家展開問卷調研與深度訪談等方式，收集用戶和專家對餐桌的需求，并進行選擇、分解、組合建立目標用戶的需求層次分類，采用AHP 層次分析法求出用戶對餐桌各方面的需求權重；將用戶需求權重導入到QFD 質量屋模型中，對用戶需求權重與技術需求特征進行關聯度判斷，求出餐桌技術需求重要度等數值，并將技術需求各個指標的正負關聯性標記在質量屋的屋頂；根據技術特征的重要度排名與各項互為矛盾的技術指標，利用TRIZ 創新理論的分離原則與矛盾矩陣，在40 個發明原理中抽取出最佳原理來解決問題，最終得出理想方案[9-10]。這一套設計開發流程有著很強的科學性與邏輯性，讓設計生產活動不再只停留在外在的、表面的、直覺的、感性的層面，而是以強關聯性、強邏輯性的方式來指導當代產品的開發與設計，見圖2。

圖2 可伸縮式餐桌設計流程Fig.2 Design flow chart of retractable dining table

2 可伸縮式餐桌用戶需求分析

2.1 用戶需求層次展開

通過用戶調研與專家訪談，對可伸縮式餐桌的用戶需求進行匯總、整理、分類、展開，展開為目標層、指標層、方案層等三個層次。第一層（目標層）為用戶對可伸縮式餐桌的總需求A，第二層（指標層）將可伸縮式餐桌用戶需求分為功能A1、造型A2、人機交互A3、安全性A4等指標，第三層（方案層）將指標層展開細分為更多的具體需求，見圖3。明確其餐桌用戶需求層次，開始接下來的矩陣分析。

圖3 用戶需求層次展開Fig.3 Hierarchy expansion of user demands

2.2 用戶需求權重

構建好用戶需求層次后，運用AHP 層次分析法構造用戶需求判斷矩陣，可將多目標復雜問題進行層級化處理，并通過決策評估一致性檢驗，進一步確定用戶需求的權重，達到減少決策偏差的目的，計算步驟如下。

步驟1：構建判斷矩陣。首先邀請5 名專家對伸縮式餐桌的總需求A，以及指標層A1—A4的具體需求進行兩兩打分，構建判斷矩陣[11-12]。

一般來說CR值<0.1 時，符合一致性檢驗；若不通過一致性檢驗，則需要重新構造判斷矩陣。

根據上述步驟，對可伸縮式餐桌用戶需求層次中的指標層對目標層的需求權重，以及各項方案層對指標層的權重進行計算，并進行一次性驗證，見表1—5。

表1 目標層下各指標需求(A1—A4)判斷矩陣及權重Tab.1 Judgment matrix and weight of each index demand (A1-A4) under the target layer

根據矩陣計算，CI= 0.029 2，CR= 0.032 8<0.1，滿足一致性檢驗。

表2 功能A1 下各需求要素(A11—A14)的判斷矩陣及權重Tab.2 Judgment matrix and weight of each demand element (A11-A14) under function A1

根據矩陣計算，CI= 0.016 3，CR= 0.018 3<0.1，滿足一致性檢驗。

表3 造型A2 下各需求要素(A21—A24)的判斷矩陣及權重Tab.3 Judgment matrix and weight of each demand element (A21-A24) under modeling A2

根據矩陣計算，CI= 0.016 3，CR= 0.018 3<0.1，滿足一致性檢驗。

表4 人機交互A3 下各需求要素(A31—A34)的判斷矩陣及權重Tab.4 Judgment matrix and weight of each demand element(A31-A34) under human-computer interaction A3

根據矩陣計算，CI= 0.026 8，CR= 0.051 5<0.1，滿足一致性檢驗。

表5 安全性A4 下各需求要素(A41—A44)的判斷矩陣及權重Tab.5 Judgment matrix and weight of each demand element (A41-A44) under security A4

根據矩陣計算，CI= 0.086 5，CR= 0.097 2＜0.1，滿足一致性檢驗。

將餐桌用戶需求方案層各項權重值分別乘以其對應的指標層的權重值，可以算出各項具體需求在整個目標需求體系中的綜合權重值，見表6。

表6 各項具體需求綜合權重Tab.6 Comprehensive weight of each specific demand

3 可伸縮式餐桌用戶需求轉化

通過層次分析法明確可伸縮式餐桌的各項用戶需求權重后，需要利用QFD 質量功能展開，將餐桌的用戶需求轉換為可伸縮式餐桌設計的技術需求、生產需求。質量功能展開的核心是以用戶需求為出發點，綜合評價出與各用戶需求相關的技術需求、生產需求、設計要求等因素，使設計開發出來的產品符合并滿足用戶期望[13-15]。在整個QFD 質量功能展開中，構建質量屋模型（HOQ）是重點，通過質量屋的展開更直觀清晰地表現出用戶期望與技術需求各項指標之間的關聯度，使設計開發者更有效地計算出各項技術需求指標重要度權重值，以及各項技術指標之間的正負關聯性，并快速找出負相關的矛盾沖突，見圖4。

圖4 用戶需求層次展開Fig.4 Hierarchy expansion of user demands

基于各項用戶需求所需要的技術需求，對可伸縮式餐桌的各個技術指標進行分析并展開，見表7。

提煉總結表 7 用戶需求與技術特性的對應關系，將可伸縮餐桌分為桌面、桌身和整體3 個設計重點。有效利用占比、桌面無縫銜接、桌面面積大是桌面部分的設計重點；材料堅固、自動化裝置、結構穩固是桌身部分的設計重點；造型簡約、空間尺寸小、色彩合理、環境友好、符合人體工學、安全系數高、輕量化材料是餐桌整體的設計重點?？缮炜s式餐桌設計開發需圍繞上述設計要素展開，見圖5。將表6 的用戶綜合需求權重，導入質量屋（HOQ）的左墻；圖5 的餐桌各項技術需求指標導入質量屋（HOQ）的天花板，構建出質量屋（HOQ）模型。

圖5 可伸縮式餐桌技術需求展開Fig.5 Technical demands of retractable dining table

表7 用戶需求與技術特性的對應關系Tab.7 Correspondence between user demands and technical characteristics

將餐桌用戶需求權重轉換為技術需求權重，構成質量屋（HOQ）的地下室。最后分析餐桌技術需求各指標兩兩間的正負關聯度，標記在質量屋（HOQ）的屋頂上，正關聯性用“+”號表示，負關聯性用“－”號表示。因此，可以獲得技術需求之間的矛盾沖突[16]?？缮炜s式餐桌的質量屋，見圖6。

圖6 可伸縮式餐桌質量屋Fig.6 House of quality for retractable dining table

由可伸縮式餐桌的質量屋模型中的地下室部分可以看出，在整個伸縮式餐桌設計開發中，自動化裝置(20.76)、空間尺寸小(13.79)、符合人體工學(10.08)最重要，是在設計開發中的重中之重；桌面面積大(9.75)、安全系數高(8.91)、輕量化(8.08)較為重要，任然是設計開發中重點；桌面有效利用占比（6.98）、結構穩定(6.42)、材料堅固(5.37)、桌面無縫銜接(2.77)、一般重要；環境友好(2.55)、造型簡約(2.38)、色彩合理(2.16)次為重要。

4 可伸縮式餐桌矛盾分析與解決

4.1 矛盾分析

TRIZ 創新理論作為解決工程難題的重要方法，可以與QFD 質量功能展開完美地結合起來，通過觀察質量屋的屋頂部分，可以直觀地了解可伸縮式餐桌的各項技術需求之間的正負關聯性，見圖7。“+”表示正關聯性，一項技術的改進會使另外一項技術也隨之產生優化的效果；“－”表示負關聯性，一項技術的改善導致另一項技術的惡化；空白部分表示技術之間無相關性[17-20]。

圖7 質量屋正負關聯性Fig.7 Positive and negative correlation of house of quality

通過質量屋屋頂的技術指標正負關聯性得出如下8 對矛盾沖突。

①桌面有效占比與桌面面積大之間的矛盾。需要餐桌坐人時，能保證最小的空間坐更多的人；桌面放東西時，需要保證桌面面積足夠大。這是一對不同條件下的物理矛盾，需要采用條件分離原則。

②桌面有效占比與空間尺寸小之間的矛盾。需要人多時，桌面有盡可能多的利用面積；人少時，需要小面積的桌面使所占空間小。這是一對不同條件下的物理矛盾，需要采用條件分離原則。

③空間尺寸小與桌面面積大之間的矛盾。需要桌面能自由伸縮，縮小后桌面多出來的塊面能得到有效的安置，來減少桌子所占空間。這是一對技術矛盾，是解決處于運動狀態的桌塊與桌塊之間如何安置的問題。

④自動化裝置與造型簡約之間的矛盾。既要保證有自動化裝置又要讓餐桌造型簡約，不能讓結構暴露。這是一對處于同一空間中的物理矛盾，需要采用空間分離原則。

⑤桌面無縫銜接與空間尺寸小之間的矛盾，既要保證餐桌伸縮桌塊能與圓形桌面無縫銜接，又要保證桌面伸縮桌塊在伸縮運動中能裝入桌身內。

⑥自動化裝置與輕量化之間的矛盾。自動化裝置會帶來餐桌重量的增加，既要保證餐桌自動化程度，又要保證餐桌最大程度輕量化。

⑦自動化裝置環境友好與環境友好之間的矛盾。自動化裝置會帶來能源的浪費與材料的消耗，需要餐桌在保證自動化的基礎上，盡可能節約能源與材料。

⑧自動化裝置與結構穩定之間的矛盾。大量的自動化裝置會帶來結構的不穩定，既要保證自動化高，又要結構穩定來提高安全性。

將可伸縮式餐桌8 對矛盾通過TRIZ 相關原理，分類成相應的技術矛盾與物理矛盾，技術矛盾采用查詢矛盾矩陣表來獲得發明原理；物理矛盾采用分離原理來獲得發明原理，見表8。

表8 各項矛盾以及對應發明原理Tab.8 Contradictions and corresponding invention principles

4.2 矛盾解決

綜合上訴矛盾沖突，根據可伸縮餐桌設計的具體情況與要求，找出合適的發明原理加以實踐。在①矛盾中，桌面有效占比與桌面面積大之間的矛盾。采用條件分離原理中的14 號原理——曲線曲面化原理，由直線、平面向曲線曲面化方形或功能轉變，實現充分利用提高效率。將桌面由方形轉變為圓形，達到提高效率的目的，見表9。

表9 ①矛盾解決原理Tab.9 Resolution principle of contradiction ①

在②矛盾中，桌面有效占比與空間尺寸小之間的矛盾。采用空間分離原理中的1 號原理——分割原理，將桌面分割成相對獨立的4 個小塊面。用餐人多時就展開，用餐人少或無人用餐時就縮回去，達到既有效利用桌面面積又保證了餐桌所占空間小，見表10。

表10 ②矛盾解決原理Tab.10 Resolution principle of contradiction ②

在③矛盾中，空間尺寸小與桌面面積大之間的矛盾，需要保證人多時桌面夠大，縮小后桌面多出來的塊面能得到有效的安置，以此來減少桌子所占空間。當圓形桌面展開后，中間多出的十字空白部分用一塊十字木塊來填補。采用17 號原理——多維運作原理，將桌塊伸展的二維運動變成三維上下運動與二維運動相結合，見表11。

表11 ③矛盾解決原理Tab.11 Resolution principle of contradiction ③

在④矛盾中，自動化裝置與造型簡約之間的矛盾。采用7 號原理——嵌套原理。把上下運作的十字木塊和所有電機裝置嵌入一個金屬質感的桌身中，既保證了電機結構正常運作，又保證了結構不暴露，達到簡約的目的，見表12。

表12 ④矛盾解決原理Tab.12 Resolution principle of contradiction ④

在⑤矛盾中，桌面無縫銜接與空間尺寸小之間的矛盾。需要餐桌伸縮桌塊能與圓形桌面無縫銜接，又要保證桌面伸縮桌塊在伸縮運動中能裝入桌身內。采用2 號原理——抽取原理，將桌面的十字形桌塊與環形桌身之間多余的部位抽取出來，進行翻轉與折疊，見表13。

表13 ⑤矛盾解決原理Tab.13 Resolution principle of contradiction ⑤

在⑥矛盾中，自動化裝置與輕量化之間的矛盾。自動化裝置會帶來餐桌重量的增加，既要保證餐桌自動化程度，又要保證餐桌最大程度輕量化。采用2 號原理——抽取原理，原本需要4 個電機裝置來驅動4塊伸縮桌塊，抽取出3 個電機，只留一個電機來驅動4 塊伸縮桌塊。這樣既保證了可伸縮式餐桌自動化功能，又在一定程度上減少了餐桌重量，見表14。

表14 ⑥矛盾解決原理Tab.14 Resolution principle of contradiction ⑥

在⑦矛盾中，自動化裝置–環境友好。同樣采用2 號原理——抽取原理，抽取出3 個電機，只留一個電機來驅動4 塊伸縮桌塊。這樣既保證餐桌自動化，又相對節約能源與材料，見表15。

表15 ⑦矛盾解決原理Tab.15 Resolution principle of contradiction ⑦

在⑧矛盾中，自動化裝置–結構穩定。采用24 號原理——中介原理，利用環形齒紋皮帶作為中介物，讓裝有電機的齒輪通過皮帶來驅動另外3 個齒輪旋轉，來實現4 塊伸縮桌塊的伸縮。這根環形齒紋皮帶既能實現力的傳輸，簡化了復雜的自動化系統，避免了電機裝置過多而導致的結構不穩，還能加固并保護各個驅動裝置，從而實現穩固結構的目的，見表16。

表16 ⑧矛盾解決原理Tab.16 Resolution principle of contradiction ⑧

5 可伸縮式餐桌設計

基于QFD 和TRIZ 等理論對可伸縮式餐桌進行創新設計，綜合上述TRIZ 解決矛盾原理，對可伸縮式餐桌的5 對主要矛盾沖突進行解決，對餐桌的結構、造型、功能、運行方式等方面進行創新，構成了可伸縮式餐桌設計，見圖10。

圖11 為可升縮式餐桌爆炸圖，對餐桌的結構進行分析，結構的合理可以有效地支撐起外輪廓，保證整個餐桌運作模式的科學性與安全性，見圖8。圖標1 為餐桌桌面的移動桌塊，共存在四塊移動桌面來調節餐桌的面積大小；2 為動力滑軌，主要用來驅動移動桌塊向四周移動；3 為定位滑軌，用來固定移動桌塊的運動軌跡；4 是滑輪，用來驅動動力滑軌伸縮；5 為齒輪，用來驅動滑輪旋轉；6 為電機，為滑輪旋轉提供動力；7 為齒紋皮帶，與4 個齒輪緊密貼合，通過其中一個齒輪的旋轉來驅動另外 3 個齒輪旋轉；8 為折疊桌塊，用來填補十字桌塊與4 個移動桌塊之間的空白；9 為十字型桌塊，用來擴充與填補4個移動桌塊的空白；10 為金屬桌身，用來支撐桌面重量與隱藏動力結構裝置，美化造型；11 為桌腿，是整個桌子的承重結構；12 為升降電機，是十字桌塊上下升降的動力裝置。

圖8 ⑥號矛盾解決原理Fig.8 Resolution principle of contradiction ⑥

圖9 ⑧號矛盾解決原理Fig.9 Resolution principle of contradiction ⑧

圖10 可伸縮式餐桌設計Fig.10 Design of retractable dining table

圖11 可伸縮式餐桌爆炸圖Fig.11 Explosion diagram of retractable dining table

可升縮式餐桌在造型設計上，以現代簡約為主要特點，由于需要滿足用戶輕量化要求，采用輕質木材作為桌面材料，桌身與桌腿的金屬部分使用質量較輕的鎂合金，桌腿部分采用木材與金屬結合，既保證了桌腿的堅硬又滿足輕量化要求，視覺上凸顯出不同材料之間的碰撞感[21-22]。

根據餐桌結構分析，對餐桌運行模式描述為通過按動隱藏在桌身的開關，對餐桌桌面大小進行操控；在伸縮電機得到指令后，驅動4 塊可伸縮桌塊向四周伸展；可伸縮桌塊伸展完畢后，桌腿部分的升降電機將隱藏在桌身的十字形桌塊向上升起，并與可移動桌塊水平貼合；十字桌塊上的折疊桌塊需要手動折疊，與可移動桌塊和十字形桌塊共同組合成伸展后的大面積桌面，見圖12。該餐桌的運行原理極大地豐富了餐桌的運用場景，讓餐桌小不夠用、餐桌大占空間等問題都得到了根本性的解決。

圖12 可伸縮式餐桌運行模式Fig.12 Operation mode of retractable dining table

6 結語

通過AHP 層次分析法計算出用戶需求權重，結合QFD 質量功能展開建立用戶需求與技術需求的關聯度，求出技術需求重要度排序，并獲得技術要素間的矛盾沖突，并借助 TRIZ 理論解決餐桌設計中的矛盾沖突，構建出產品創新設計的流程。這種集成的設計模式在一定程度上彌補單一設計理論的不足，能夠較好的幫助企業快速開發出適應市場需求的產品，贏得市場競爭。AHP、QFD、TRIZ 作為數學與工程原理，具有強邏輯性與強關聯性，能夠有效地指導設計抓住用戶需求和解決實際的工程問題。本文以可伸縮式餐桌為例，進一步驗證AHP、QFD、TRIZ的集成設計模式的科學性與合理性，讓設計生產活動在科學與嚴謹的理論指導下展開。但文中缺乏對四塊折疊桌塊的自動化研究，需在今后的研究中進一步完善，使可伸縮式餐桌自動化程度更高，使用更便捷，操作更智能。