融合DFSS與TRIZ的智能文物展柜創新設計研究

■郭雨晴，傅燕翔，申 敏

(1.廣東工業大學藝術與設計學院，廣東廣州 510075；2.湘潭大學機械工程與力學學院，湖南湘潭 411105）

文物是我國優秀傳統文化的物質載體，二十大報告中明確提出：“加大文物和文化遺產保護力度，加強城鄉建設中歷史文化保護傳承”。探索文物保護利用實踐與保護機制，是深入貫徹習近平總書記關于發掘好、利用好、保護好豐富文物和文化資源，推動中華優秀傳統文化創造性轉化和創新性發展等一系列重要指示精神的重要舉措。文物展陳是將文物所蘊含的價值與體現的情感傳遞給民眾的重要方式，是展現和傳播中華優秀文化、促進中華民族自覺意識的關鍵途徑[1]，“文物陳列”被各個博物館或紀念館陸續推出，館藏文物展出率和社會效果成為文物保護關注的重點[2]。

文物展柜作為文物陳列的重要設備一直是文保人員研究的對象，在展柜中設置溫度、濕度、光照度等環境因素的監測設備，有效改善了文物保存環境[3-4]，吳慧津[5]和汪寧[6]等人都在關注展柜的恒濕功能，提出了用吸附式空氣取水和基于斯特林制冷機的方法，實現了文物展柜的恒濕功能。防震也是文物展柜設計中關注的重點，周乾[7]等人研制的滾珠式文物展柜水平隔振裝置，有效增加了文物的安全性?，F有的文物展柜從濕度控制、防震設計、微環境測控等技術層面做了一定的探討，為文物陳列環境提供了保障。但現有的研究中缺少了對人的因素的考慮，展柜內的設計研究也僅僅是對用戶視覺的考量[8]和功能性評估[9]，參觀者通過文物展柜認知文物價值過程的體驗、文物工作人員對于日常維護過程中的感受都缺乏考量，傳統的陳列方式和展示技術已不足以滿足用戶的現實需求，自動化、智能化方向發展成為趨勢[10]。因此，從用戶的角度出發，對文物展柜進行創新設計將有效提升文物價值闡釋傳播效率，優化文物保護工作者的使用體驗。

■圖1 融合DFSS和TRIZ的文物展柜創新設計流程

1 融合DFSS與TRIZ的產品創新方法框架

1.1 DFSS與TRIZ概述

DFSS（六西格瑪設計方法）是一種常用的解決問題的結構化方法，一直被用來改進或優化現有產品或流程[11]，已被應用到多個領域。針對產品設計而言，DFSS采用科學的手段快速識別用戶需求，并運用統計方法將產品性能和產品設計要素之間的關系量化，從而在產品設計時能充分考慮客戶的關鍵需求[12]。將DFSS納入產品創新設計中將有效提升產品質量[13]，同時，更能創建出滿足用戶需求的新產品或新工藝[14-15]。隨著DFSS運用于工程實踐，研究人員發現在解決實際工程問題的過程中，DFSS在準確識別用戶需求后對于系統的設計和方案的開發存在著一定局限性[16]，已有的DFSS流程在分析復雜系統問題解決過程時會導致技術人員無法正確選擇解決問題的路徑[17]。TRIZ作為一種強邏輯性的問題求解工具，已經被應用于產品結構、造型、功能設計研究中[18-20]。TRIZ理論是一套發明問題解決問題的理論方法。39個標準工程參數、40條發明原理、最終理想解、八大技術系統進化規律可以針對性將用戶的心理需求映射至產品端，從而能更好為研究人員提供滿足用戶需求的工程解決方案。

針對DFSS與TRIZ的方法屬性，DFSS和TRIZ的融合集成將更高效解決生產過程中實際工程問題、優化產品設計流程，提升用戶體驗。但針對具體產品設計而言，沒有一套成熟的TRIZ和DFSS融合框架，并且，在實際的智能文物展柜設計需求中，必須同時考慮游客與工作人員的心理需求和功能需求，從不同的用戶角度進行需求分析，解決需求相互沖突問題，因此，本文將以用戶為關注焦點，利用DFSS準確識別游客和文物工作人員心理需求和功能需求，并通過引入TRIZ矛盾矩陣，構建一種基于DFSS與TRIZ的文物展柜創新設計方法總體框架及流程，將產品的關鍵核心問題轉變為TRIZ的標準問題，獲取產品設計屬性，并最終完成產品設計。

1.2 融合DFSS和TRIZ的文物展柜創新設計流程與方法

D F S S 的典型流程分為定義（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、設計（Design）和驗證（Verify）5個階段，即DMADV流程，每一階段具有對應的方法實現該階段所要達到的目的。本文在定義階段將通過用戶行為觀察、訪談等方式收集整理參觀者和文物保護工作人員需求（VOC，Voice of Customer）。測量階段將通過QFD分析將用戶需求轉化成可測量、可評估的工程指標，找到用戶關注革命文物陳列柜的核心問題和優化目標。在分析階段將TRIZ融入進來，通過確定最終理想解的方法，從用戶需求的角度重新定義產品核心問題，并通過構建設計矩陣分析各個需求之間的相互作用性，利用39個標準工程參數、40條發明原理對耦合性矩陣進行解耦，最終建立功能模型，選擇最佳設計概念。設計階段將分析得到的設計屬性詳細實施到具體的產品中，最后對設計方案進行可行性測試，以全面評估設計（圖1）。

2 基于DFSS的設計要素分析

2.1 獲取用戶需求屬性

用戶行為分析是獲取用戶需求的關鍵手段[21]。本研究以工農革命軍第一軍第一師師部及團部舊址作為本次研究的調研地點，首先對“秋收起義”舊址中工作人員日常使用文物展柜的行為進行觀察，分析工作人員每一個行為背后的意義，同時對工作人員進行實時訪談，獲得工作人員對文物展柜的需求。針對參觀者，考慮到人流量與參觀者流程問題，本次研究利用攝像機記錄，選擇30位到舊址進行參觀的普通人群，并留下聯系方式，采用非參與式用戶行為觀察與發放調查問卷相結合的形式對獲取參觀者需求進行分析，課題組在分析參觀者需求過程中，有選擇性對參與問卷調查的用戶進行電話回訪，最后獲得參觀人員和工作人員對革命文物陳列柜的總體需求（表1）。

表1 文物展示工作人員與參觀人員需求屬性表

2.2 用戶需求權重分析

用戶需求權重分析是測量階段的首要步驟，是確定關鍵技術措施的重要依據。本研究利用層次分析法將用戶需求進行定性定量分析，選擇向專家發放各需求屬性加權意見征詢表，說明賦值的方法和標準，讓專家通過指標之間兩兩比較的方法，進行逐一比較，使用Satty1-9及其倒數作為標度進行賦值，判斷兩個屬性重要性區別。本次研究針對兩種不同的研究人群，在進行分析評價時需要進行獨立評價，根據評價結果獲得用戶需求屬性判斷矩陣（表2-表3）。

表3 文物展示工作人員需求屬性權重

根據同樣的方式可以將文物展示工作人員和參觀者的具體需求進行單層次權重分析，同時結合需求屬性的權重比例，可以得到具體需求的權重（表4），并對權重以及層次排序的結果進行一致性檢驗，確定最大特征值對應的特征向量作為被比較因素對上層某因素影響程度的權向量，分析結果表明具體需求層的CR < 0.1，其判定具有一致性。由權重分析可知，對于工作人員使用簡單B4、光損傷小B8、故障率低B9、開合省時省力B5等需求要求較高，主要聚焦到工作人員常見保護與日常的使用過程中，對于智能監測B1、智能預警B2有一定期望。參觀人員最大的需求是通過參觀了解文物背后的故事B13、文物進行一定的交互B10、有一定的沉浸感B11、更多的角度全方面了解革命文物B12，主要聚焦到參觀過程中的互動體驗，對于實際高度B15、亮度B16需求度偏低。

表4 用戶需求權重及單層次排序表

2.3 文物展柜設計要素分析

QFD（質量功能展開）可將用戶需求精準地轉換到產品的工程要求中去，以確保設計的產品滿足用戶的需求。“質量屋”是一種確定用戶需求和相應產品或服務性能之間聯系的圖示，通過構建質量屋，可將得到的用戶需求映射至產品端，確定用戶需求對應的產品部件。本研究對文物展柜設計要素構建質量屋，使用績效積分1至9為每一個質量屋賦值，根據設計要素重要度計算公式（式1）計算得到設計需求指標重要度，并最終根據用戶需求，構建質量屋（圖2），以便找到解決核心問題的措施，為設計分析提供參考。

式中：TIRj— 第j項設計要素的重要度； CIRi— 第i個用戶需求的重要度;Rij—第i個用戶需求與第j個技術要素間的關系賦值。

根據質量屋功能配置，工作人員和參觀人員對文物展柜的需求聚焦到展陳方式、托架結構、開合結構、展臺高度、收納裝置，根據質量屋中設計特征之間自相關矩陣關系可確定三對設計矛盾：展柜托架結構與展陳方式、開合結構與密封方式以及展陳方式與展臺高度，針對以上關聯，如何將關聯性的用戶需求獨立并且更好滿足展柜的功能是展柜設計中必須解決的問題。

3 基于TRIZ理論的設計求解

TRIZ矛盾矩陣是解決新產品開發過程中的技術和物理矛盾，通過質量屋功能配置確定了3對耦合性矛盾矩陣：（1）游客在觀看展品時，希望能夠沉浸式A11、全方位多角度A12地觀看文物，但是現有文物展柜托架使用方便A4并且需要穩定A7。（2）文物工作人員在進行展品維護的時候需要的是展柜開合省時、省力A5，但是其簡單的開合方式將無法保證展柜的密封性。（3）在參觀展品時候，用戶觀看展品的視角A15有一定的要求，對展品的高度有一定的要求，但是，符合用戶視角的高度與工作人員進行展品維護時的便捷性有一定的沖突。

將TRIZ理論引入到智能展柜的設計沖突來，通過使用TRIZ理論的39個工程參數，將三個特定矛盾轉變為TRIZ一般問題（表5），然后進行通用工程參數分析和沖突矩陣求解，得到發明原理的一般解和工程特定解。

表5 基于TRIZ理論的矛盾轉化

3.1 解決展陳方式與展品托架穩定性之間的矛盾

對于第一組TRIZ一般問題，展柜需要滿足720度全方面展示展品，讓游客能觀看展品的每一個角度，更好感受文物背后的故事，但是一方面根據實際場地情況，在實際空間規劃中展柜需要靠墻進行陳列，同時不同文物由于其時間久遠，很多已經不是完整物品，展柜托架的可活動結構將帶來一定的不穩定性，屬于一對技術矛盾。建議發明原則編號為：1、分割原理；17、多維運作原理；27、替代原理。對于展柜實際問題，首先利用NO.1分割原則，將用戶觀看對象與托架進行分割，用戶多角度觀看展品不一定依托托架的運動。然后利用NO.27替代原理，利用現有3D全息展示技術，實現展品的多方位、多角度沉浸式觀看，同時利用NO.17多維運作原理，將實際展品與全息展示雙向運行，在認知文物本體的同時可更好了解文物背后的歷史。

3.2 解決展柜的開合方式與展柜密封性

對于第二組TRIZ一般問題，工作人員在進行展品維護時通常通過展柜頂部玻璃防護罩的滑動門來進行取放，但可開合玻璃防護罩之間的密封性通常較差，并且頻繁地進行開合對于玻璃材質的磨損更加嚴重，并不能保證展陳空間中的環境處于穩定狀態，這屬于一對技術矛盾。建議采用發明原則編號：5、組合合并原理；7、嵌套原理；40、復合材料原理。對于展柜實際問題，首先利用NO.5組合合并原理，將玻璃防護罩進行封閉組合處理，讓展陳空間具備密封性，然后通過NO.7嵌套原理，設置可運動展品托架升降機構，實現展品可嵌入式入展陳空間，利用密封性強的復合材質加強嵌入展品嵌入展陳空間后的密封性，保證工作人員取放方便的同時，并保證展陳空間環境的穩定。

3.3 解決用戶最佳視角與工作人員工作臺高度之間的矛盾

合適的展品高度將更有利于用戶的觀看體驗，因此在實際展柜設計中要充分考慮大多數參觀游客的觀看視角，但觀看視角與工作視角之間存在一定的差異，將更不利于工作人員進行舒適的取放工作，屬于一對物理矛盾。建議采用發明原則編號為：1、分割原理，15、動態原理；28、機械系統替代原理。對于展柜實際問題，首先利用NO.1分割原理，將展品托架與整體展柜分割開，形式視覺、工作臺的可調整性，然后利用NO.15動態原理，需要對展柜工作臺進行活動調節，結合矛盾二中托架的整體升降機構，利用NO.28機械系統替代原理，將托架升降裝置與展品托架結構結合，實現整體可調節展品托架可調節結構。

■圖3 展陳方式方案設計

4 設計實踐與評估

前文系統分析了智能文物展柜設計需求屬性，并通過TRIZ矛盾舉證消除了設計屬性之間的沖突，使得產品設計屬性之間各自保持相對獨立，不用考慮各需求之間相互干擾，同時，以前的研究為展柜尺寸、材質以及形態等設計中提供參考。

4.1 展陳方式方案設計

根據3.1部分TRIZ理論的設計求解，在展陳方式實際設計過程中，將文物實體展示空間進行密封性組合處理，游客可通過文物實體展陳空間近距離觀看文物本體狀態，設置現有3D全息投影技術設備，對文物背后的歷史故事動態展示出來，讓中華優秀傳統文化“入心入腦”。同時，依據現有智能展柜的數據監測，設置可視化數據面板，讓工作人員能實時掌握文物的展陳環境，并根據實時數據讓文物本體展陳環境預防性可控（圖3）。

4.2 展柜開合方式方案設計

工作人員需要對文物進行間斷性維護，在此過程中頻繁的開合與長時間的文物暴露，一方面增加了工作人員完成既定任務的復雜度，另一方面對文物存放的內部環境有一定影響，根據3.2部分TRIZ理論的設計求解，將文物本體展陳空間設置為上下結構，依托步進電機實現文物托盤的升降，讓文物在維護時自動脫離和嵌入展陳空間（圖4），并通過密封性復合材質，在保證文物展陳空間環境穩定性的同時，減少工作人員的工作量。

4.3 展柜工作平臺方案設計

游客觀看文物的最佳視角穩定在一定的高度范圍內，但對于工作人員而言，按照人機工程學分析其工作高度與展示高度是不一致的，在解決掉展柜的開合方式之后，工作人員實際對文物進行維護的姿態問題也是要考量的重點，根據3.3部分TRIZ理論的設計求解，對展柜工作臺進行活動調節，設置托架升降裝置與展品托架結構結合，實現整體可調節展品托架可調節結構（圖5）。

4.4 展柜整體設計

在完成功能與結構創新后，還需進行設計整合以完成最終案例。在展柜材質方面，胡嬌嬌[22]等人分析了大量博物館展柜的CMF，其分析結果表明現階段玻璃、木材和金屬為展柜家具的主要用材，本方案涉及自動化結構方案，材料上選用玻璃及鋼材。展柜色彩既要考慮與展陳環境的適應性，也需避免喧賓奪主，在以往的研究中考慮中性色系較多，本方案賦予展柜主體為灰白色，同時，展臺色彩相較于主體色彩弱化深度，強化色溫，在視覺上引導用戶將目光優先落入展臺上。展柜的高度在考慮具體放置環境的情況下，展品陳列高度還需要符合產品人體工程學，按照人體立姿情況下，國內人體P5到P95人體視線范圍在600 mm至1500 mm，對于中等展臺高度將在850 mm至1250 mm為宜[23-24]，本方案將確定展臺高度在1200 mm，根據陳列物品類型，確定整體展柜高度。在確定主要設計要素后，最后根據展陳方式、展柜開合方式以及展柜工作平臺的方案設計繪制整體文物展柜草圖，推敲其合理性，最終完成產品設計（圖6）。

4.5 設計評估

智能展柜的創新設計的目標是滿足工作人員和參觀人員的需求，從而提升用戶體驗，設計評價標準要根據用戶需求屬性建立，展柜屬于用戶為主導的產品，此類產品的評價指標中存在著多個屬性和模糊信息。模糊信息公理是一種模糊數學的方法，主要根據潛在的不確定性語言評估多標準的問題。本文對創新展柜的評估將采用模糊信息公理對用戶的使用過程和參觀過程進行評估，并將重點需求屬性中的每一個屬性分為五個等級，分別是好、較好、一般、偏差、差，并對每一個級別提供對應的基本描述[25-26]。被試者在各自體驗智能展柜和原展柜后，對評價表進行評價，得到評價數據，為后續評價提供數據支撐。由于實際條件限制，無法制作出實體樣機，本文依托Unity3D搭配具有HMD的HTC VIVE設備，建立了創新方案與原始方案的虛擬樣機以及還原了展陳場景，用戶通過在虛擬環境下體驗兩種設計方案進行驗證（圖7）。根據評價結果可得到新、舊兩款設計方案評價指標值[27]。

模糊信息公理用于計算無形屬性的信息內容，由于定性指標的隸屬函數大致呈線性，因此，本次評價采用梯形模糊隸屬函數。將這些定性語言描述的指標，通過模糊綜合評價法進行數值化，可得隸屬函數曲線（圖8）。以了解文物背后的故事需求B13為例，可根據公式得到兩個方案的信息量I（2）（3），并最終得到虛擬體驗下可評估屬性的總信息量（表6）。

表6 評估指標信息量

根據公式將所有設計屬性評估指標進行統計最終信息量：I新< I原，按照模糊信息公理可以判斷優化后的方案更優。

5 結語

在實際產品的開發設計過程中，DFSS在準確識別用戶需求，對于系統的設計和方案開發存在著一定的局限性。融合DFSS和TRIZ理論更加高效地解決了生產過程中實際工程問題。本文的研究建立在實踐的基礎上，由于各種條件的局限性，此次研究存在許多尚未完善的地方：在需求獲取方面，本文是基于工農革命軍第一軍第一師師部及團部舊址作為調研地點，但各個不同機構采用的是不同的展柜類型，對于具體需求可能存在差異。產品驗證方面，本文雖然用了虛擬樣機，但涉及展柜本身的物理屬性無法進行實際驗證，后續研究需要獲得產品實物進行使用評估，使得驗證結果更加客觀。

■圖8 隸屬函數曲線