基于感性工學和層次分析法的模塊化家具設計

劉宗明，陳旭輝

基于感性工學和層次分析法的模塊化家具設計

劉宗明*，陳旭輝

（陜西科技大學 設計與藝術學院，西安 710016）

為了最大程度地滿足人的感性需求和感知體驗，在保證功能的基礎上，提出基于感性工學、層次分析法及TRIZ理論相結合的設計流程，設計出符合人機工學原理且美觀、實用、易于組裝和拆卸的模塊化家具。基于感性工學方法，建立模塊化家具的樣本空間并進行感性意象詞匯收集。對意象詞匯進行聚類分析，通過語義差異法計算意象詞匯的平均分以進行因子分析。運用層次分析法構建模塊化家具設計層次結構模型并進行權重結果計算，確定感性詞匯與模塊化家具設計的關聯性，最終通過TRIZ創新理念指導設計實踐。運用感性工學、AHP層次分析法及TRIZ創新理念的集成設計模型可以得到符合用戶需求的設計方案。基于感性工學及AHP層次分析對用戶需求進行總結歸納，借助TRIZ發明方法進行矛盾分析并解決，最終對模塊家具進行再設計。三者的結合以更加科學系統的方式進行產品的設計和改進，為產品設計開發提供有效參考。

感性工學；AHP層次分析法；TRIZ；模塊化；家具設計

目前，隨著人們生活水平的提高，家具消費已經從實用至上的理性消費轉變為追求個性化的感性消費。在這樣的消費趨勢下，模塊化家具在市場競爭中脫穎而出。模塊化家具是指由多個獨立的組件組成的家具，可通過組裝、拆卸和重新排列來適應不同的需求和空間，具有滿足多樣化需求、簡化維修和更新、提高生產效率、降低開發成本、延長生命周期等優點[1]。通過對國內市場進行調研，發現國內模塊化家具忽視了人的感性需求和感知體驗，與用戶情感連接并不緊密。因此需借助設計理論從方法論的層面優化設計分析流程，并針對模塊化家具進行研究，以提高產品的吸引力、可用性和用戶滿意度[2]。

感性工學理論能夠有效獲取產品意象詞匯，層次分析法能夠多層次、客觀地分析和解決問題，使評判和決策結果更加準確、合理[3]。現有學者將兩種方法相結合以進行研究，旨在量化感性意象對用戶體驗感的影響，以期尋找設計要素和感性意象之間的關聯性。杜鶴民[4]將感性工學和FAHP相結合并運用于應急通信車內部布局設計方案評價，證明該評價方法對造型設計評價的科學性；黃河等[5]以老年人智能手表為例，建立了一種基于感性評價的產品可用性評估體系，運用感性工學理論分析了老年人電子產品的可用性，開辟了一條用理性方法解決感性問題的新途徑；周志勇等[6]以錘子為研究對象，運用層次分析法將感性詞匯的“力量感”逐層分解成感性設計層級圖，根據研究成果進行設計實踐，為五金工具創新設計提供了一種新的思路。本文首先對產品建立感性意象，使用多維尺度分析法、聚類分析法、語義差異法等感性工學方法，對意象詞匯進行數據處理，通過因子分析確定模塊化家具設計層次結構模型。在此基礎上運用層次分析法將分析后得到的感性詞匯對轉化為客觀的數學需求依據，最后通過TRIZ理論進行設計指導并完成設計方案。

1 研究理論概述

1.1 感性工學與感性意象

感性工學理論最早由日本廣島大學的教授長町三生于1970年提出，該理論通過研究和分析用戶的感性需求、情感和體驗，將這些感性因素轉化為可量化的數據，并應用于產品的設計和開發過程中[7]。感性工學注重通過實驗來獲取關于用戶感性需求和體驗的數據并對結果進行處理分析，在設計流程上主要分為感性意象獲取、模型建立和設計優化3個階段[8]。在使用感性工學設計方法進行設計時，設計師可以根據收集到的感性詞匯，通過李克特量表法、SPSS統計法和語義差分法等方法將感性數據信息化，從而更好地滿足用戶的感性需求[9]。

感性意象研究基于感性工學，通過將人的感性要素量化并與目標對象的要素進行關聯，從而為產品設計和開發提供科學的指導[10]。感性意象研究的各個階段中是相互關聯的，一般可以分為試驗、統計和計算機系統分析三大階段，感性意象研究中涉及到多種試驗、統計分析和優化方法，包括問卷法、語義差異法、因子分析、聚類分析、多維尺度、人工神經網絡、遺傳算法等[11]。

1.2 AHP層次分析法

AHP（Analytic Hierarchy Process）層次分析法是一種用于決策分析和優先排序的分析方法，用于處理復雜的、多元的決策問題。該方法主要包括如下三個步驟。

1）計算判斷矩陣。通過將復雜的決策問題分解為不同的層次結構，各層之間互不影響[12]。對模型中各因素之間的相對重要性進行比較。通過一系列問卷和專家訪談，確定兩因素之間的判斷矩陣，即每個因素對其他因素的重要程度。

2）計算權值向量。利用特征向量法對判斷矩陣進行歸一化處理，得到每個因素的權值向量。該向量可以表示每個因素對整個層次結構的重要程度，即決策結果的影響程度。

3）計算一致性指標和一致性比率。通過計算一致性指標和一致性比率，來判斷矩陣的一致性和可信度。只有在達到一定的一致性水平時，才能保證AHP方法的可靠性和有效性。

1.3 TRIZ理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論是由蘇聯工程師阿爾圖爾·蓋保羅維奇·阿爾圖謝夫（Genrikh Saulovich Altshuller）于20世紀40年代初創立的一種系統性發明創新方法[13]。TRIZ理論是一種系統性創新和解決問題的方法，強調通過排除自身以外的其他影響因素，應用TRIZ工具和原則尋找理想化的解決路徑[14]。感性工學和AHP層次分析法強調在解決問題或進行創新之前，對目標人群的情感化需求和設計對象的意象表達進行深入的提煉和分析。TRIZ理論則強調通過系統的分析，找出問題和局限，以及已知的科學技術水平，從而找到最優的解決方案。三者結合有利于強化設計需求的科學性及設計方案的準確性。

1.4 研究路線

針對模塊化家具設計，將層次分析法和感性工學理論相結合，可以使產品設計更加科學和用戶導向，平衡和滿足用戶的主觀和客觀需求[15]。本文將使用感性工學研究方法對模塊化家具進行感性意象研究，以期尋找最符合消費者需求的感性詞匯，然后運用AHP層次分析法將模糊的感性詞匯轉化為客觀的數學依據，指導模塊化家具設計實踐[16]。研究路線如圖1所示。

2 模塊化家具意象研究

2.1 模塊化家具樣本空間建立

模塊化設計是以系統為出發點，基于產品功能，通過分解和組合的方式構建模塊體系的設計方法[17]。模塊化家具的感性特征與傳統家具不同，呈現出標準化、組合化、通用化的特點，因此在進行感性意象詞匯收集前應先建立樣本空間，通過對樣本進行概括以得到最符合模塊化家具特征的意象。通過網絡搜索及實地調研等方式對市面上的模塊化家具進行樣本收集，建立模塊化家具樣本空間，如圖2所示。

圖1 基于感性工學理論與層次分析法的研究路線圖

圖2 模塊化家具代表性實驗樣本

2.2 模塊化家具感性意象詞匯收集

通過相關資料閱讀及用戶調研，得到100個與模塊化家具相關的感性意象詞匯，去掉相似的詞匯，初步得到30個感性詞匯。然后記錄30個感性詞匯的反義詞，最終得到30組感性詞匯對。通過問卷調查，篩選測試者20人，成立評價小組。為了保證測試結果的科學性和客觀性，考慮到不同群體的使用行為和認知特征，測試者性別比例基本均衡，年齡分布盡可能地涵蓋不同年齡段，月均可自由支配收入處于中等水平，且高等收入也有一定比例[18]。要求測試者在30 組感性詞匯中選擇自己認為最適合描繪模塊化家具意象的感性詞匯，最后對問卷結果進行分析，得到排名前20的感性詞匯對，如表1所示。

表1 感性詞匯總

Tab.1 Perceptual vocabulary

2.3 對感性意象詞匯進行聚類分析

評價小組成員根據自身的經驗及判斷對20組感性詞匯對進行歸類，分組數量由測試者自行決定，一般分4～6組。將表中的20個意象詞匯對列出一個20×20的矩陣，根據小組歸類結果統計每兩對感性意象詞被列入同一群的次數，并將結果輸入到前述的矩陣中[19]。

首先使用多維尺度分析法確定矩陣的擬合度，若Stress值符合要求，則可以進行聚類分析。計算得到Stress值為0.112 02，結果在壓力系數范圍之內，此矩陣可以用來進行聚類分析。然后使用SPSS軟件對矩陣進行聚類分析，圖3是感性語意詞匯聚類分析的樹狀圖，在圖3中10～15的虛線標處將感性詞匯分為3群。感性意象分群如表2所示。

圖3 聚類分析的樹狀圖

表2 意象詞匯分群

Tab.2 Image vocabulary cluster

2.4 模塊化家具感性測量值分析

通過問卷調查對模塊化家具樣本進行感性評價，并采用語義差異5階量表來收集數據。感性數值分別為：–2、–1、0、1、2，形成模塊化家具語義差分[20]，共回收問卷53份，在剔除無效問卷后獲得有效問卷50份，計算出各個樣本感性詞匯的得分均值，見表3。

將感性詞匯的平均值導入SPSS數據分析軟件[21]。通過對數據的降維化處理，可得公因子方差表（如表4所示）。從表4中可以看出各個樣本的感性詞匯傾向[22]，公因子方差的累積貢獻率越接近0.9的感性詞匯越能影響用戶的判斷。

經SPSS軟件對統計數據進行因子分析，通過因子特征值陡坡圖（如圖4所示）可以看出有四項指標大于1。因此，只需保留前4個因子就能概括統計數據的大部分信息，根據特征值確定提取前4位為主成分。

凱撒正態化最大方差法是一種常用的因子分析正交旋轉方法，它旨在使得旋轉后的因子載荷矩陣更易解釋和解讀。運用凱撒正態化最大方差法進行正交旋轉，降低感性因子在不同因素之間的相關性，旋轉后的因子載荷矩陣，見表5。

表3 感性詞匯得分均值

Tab.3 Average score of perceptual vocabulary

表4 公因子方差表

圖4 因子特征值陡坡圖

根據旋轉后因子載荷矩陣可以分析出與各個主成分之間關系緊密的感性詞匯，可以看出：與主成分1關系緊密的感性詞匯對為“個性的-大眾的”“靈活的-呆板的”“創新的-模仿的”；與主成分2關系緊密的感性詞匯對為“輕松的-緊張的”“舒適的-不適的”“自然的-人造的”；與主成分3關系緊密的感性詞匯對為“實用的-花哨的”“安全的-危險的”；與主成分4關系緊密的感性詞匯對為“現代的-傳統的”。以上9組可以作為最能影響用戶判斷的感性詞匯對。

表5 旋轉后的因子載荷矩陣

3 基于AHP層次分析法的需求層次分析

3.1 構建評價指標體系

通過上文的模塊化家具意象研究結果，結合模塊化家具設計的特點，進行小組討論，組員包括設計系老師、研究生及家具行業相關人員共10人。子準則層選擇旋轉后因子載荷矩陣中的9組與主成分關系緊密的感性詞匯對，結合感性意象詞匯聚類分析結果，最終選取準則層為：功能性、個性化、情感化[23]。最終構建模塊化家具設計層次結構模型如圖5所示。

3.2 用戶需求權重計算

根據AHP層次分析法對每一層級項進行判斷標定，標定值范圍為1～6，當兩者重要程度等同時，標定值為1；當其中一項遠比另一項重要時，標定值為6，判斷矩陣標定表見表6。要求組員對層次分析模型中同一層級的需求項進行兩兩比較并打分，然后針對打分結果進行討論，給出一致性意見，從而構建科學、客觀的判斷矩陣[24-25]。

運用式（1）計算出判斷矩陣的最大特征根max，將特征向量進行歸一化處理，并通過計算R對結果進行一致性檢驗，見式（2）～（3）。

其中，一致性比率R是評估判斷矩陣中數據的一致性程度的指標。通過計算一致性指標I和平均隨機一致性指標I以獲得一致性比率。當R≤0.1時，表明判斷矩陣合理，平均隨機一致性指標如表7所示。

小組成員依據AHP方法對準則層各評價因素進行比較，故形成了準則層判斷矩陣及權重[26]，見表8。

圖5 層次結構模型

表6 1～6級標定法

Tab.6 1～6 scaling method

表7 隨機一致性指標

Tab.7 Random consistency index

表8 準則層判斷矩陣及權重

Tab.8 Criterion layer judgment matrix and weight

根據式（1）可以計算出判斷矩陣最大特征根max=3.009。根據公式（2）～（3）計算出一致性指標I=0.005，平均隨機一致性指標I=0.525，由此得出隨機一致性比率R=0.009 <0.10，故此判斷矩陣通過一致性檢驗，此方案有效。

構建比較矩陣，分別計算三個準則下所有子準則層指標的二級權重值，判斷矩陣及權重如表9～11所示。三組判斷矩陣的R值分別為：0.09、0.017、0.051，均小于0.1，符合一致性檢驗標準。

表9 子準則層判斷矩陣及權重

Tab.9 Subcriterion layer judgment matrix and weight

表10 子準則層判斷矩陣及權重

Tab.10 Subcriterion layer judgment matrix and weight

表11 子準則層判斷矩陣及權重

Tab.11 Subcriterion layer judgment matrix and weight

計算每個子準則層的二級權重與一級權重的乘積，進行層次總排序，便可求出各個子準則層的綜合權重，結果見表12。

根據層次分析法的權重計算結果可以得出，在準則層中個性化需求最為重要，功能性需求第二，情感化需求位列第三。從指標的綜合權重值來看，影響模塊化家具設計排名前三的感性詞匯對為：“個性的-大眾的”“實用的-花哨的”“靈活的-呆板的”。

表12 總需求矩陣權重表

Tab.12 Total demand matrix weight

4 模塊化家具創新設計方案

通過上述得出用戶需求，將需求進一步轉化為設計路徑并通過TRIZ創新設計方法加以實踐，從而更好地幫助設計者從更全面的角度審視問題，找到更有創造性的解決方案[27]。

4.1 矛盾的描述

根據對感性詞匯的最終分析，提取感性詞所對應的設計要素，發現設計要素中存在4對矛盾，如表13所示[28]。

1）第一對矛盾是既追求產品的功能實用又希望產品可以個性定制，即基本需求和個體差異性之間的矛盾。

2）第二對矛盾是安全穩定與靈活可變之間的矛盾。因為家具靈活性的提高可能會伴隨不確定性和風險，從而降低安全性。

3）第三對為現代時尚和自然古樸之間的矛盾，即美學理念的差異。

4）第四對是新穎獨特和舒適宜人之間的矛盾，通常標新立異往往會帶來使用體驗感的下降。

表13 矛盾提取

Tab.13 Contradiction extraction

4.2 矛盾分析

將4對矛盾沖突與TRIZ理論中的矛盾類型相對應，并根據其所對應的工程參數或分離原理，選擇合適的發明原理，以期為接下來的設計實踐提供解決思路，見表14。

表14 TRIZ理論下的矛盾分析

Tab.14 Contradiction analysis under TRIZ theory

4.3 模塊化家具設計方案

為解決上文所提取的4對矛盾沖突，針對相應的發明原理進行分析，基于模塊化設計方法選擇合適的原理對問題予以解決，從而尋找出最佳的設計決策。根據模塊互換性準則，模塊可分為功能模塊和結構模塊。功能模塊指的是功能相對獨立，且具有互換和等效功能的部件；結構模塊指安裝尺寸符合統一標準、達到互換性和通用性的部件[29]。針對本次模塊化家具設計，功能模塊為各個尺寸不同的隔板及擋板，而結構模塊是為了保證功能模塊的實現。因此，結構模塊為支撐家具結構的框架，而功能模塊和結構模塊的結合構成了模塊化家具本身。

為了解決功能實用與個性定制之間的矛盾，主要采用了分割原理（NO.1）、分離原理（NO.2）、復制原理（NO.26）。分割原理（NO.1）是將一個系統或組件進行分離和隔離，方便維修、獨立運作等操作。如圖6d所示，將家具拆分成多個模塊，方便用戶進行自由拼裝。分離原理（NO.2），即將整體切分成獨立的部分或是使物體更容易拆裝[30]。如圖6a所示，將設計元素分離成不同的模塊，將各個模塊進行組裝后形成一個書架。將書架的某一部分單獨拆卸下來，安裝上擋板和輪子就形成了一個可移動置物架。如果只安裝一層加高的擋板就形成了一個手推車。如圖6c所示，腳架、擱板等分離出來，可以讓用戶自由安裝、調整家具的高度，以適應不同的使用場景和需求。應用復制原理（NO.26），采用通用模塊提高設計的效率和一致性，從而實現更高效的模塊化設計。如圖6a所示，從板凳到置物架，再到書桌最后到書架，復制相似結構和元素，以快速創建新的家具。基于TRIZ理論采用模塊化設計的方法在實用性和個性定制化之間找到平衡。

預補償原理（NO.11）可以很好地解決安全穩定與靈活可變之間的矛盾。如圖6c所示，為了解決家具模塊之間接口配合不緊密而導致的安裝困難和穩定性差的問題，在設計過程中預先設想到這一問題，增加嵌合凸凹形狀、加入螺絲，從而使接口之間更加緊密。使用有效作用的連續性原理（NO.20），采用連續性的連接方式，將模塊進行卡扣式設計，從而使得結合更加牢固，保證每一個模塊呈負荷工作狀態，以提高整體穩定性[31]。

現代時尚與自然古樸之間的矛盾實際上是源于不同消費者的不同審美取向，可以采用改變顏色（NO.32）和復合材料（NO.40）來解決這個矛盾。如圖6a所示，使用不同顏色的設計模塊，用戶可以根據喜好自由打破，進行傳統與現代間的融合。如圖6c所示，鋁合金棒和木材的搭配，將現代工藝和自然材料進行結合，不僅能夠凸顯家具的質感，同時也能防潮、抗壓、防火、防污等。

圖6 細節展示

TRIZ理論中的變有害為有益原理（NO.22）是指將原本有害或無用的因素變得有益，可以較好地解決新穎獨特與舒適宜人之間的矛盾。如圖6a所示，小凳子旁邊伸出的鋁合金棒容易影響使用的舒適性，設計與之匹配的墊子，墊子四角剛好可以固定在棒體上，既解決了問題，又增加了舒適性。

模塊化的設計方法允許用戶在不同的使用場景下根據需要自行自由組合出不同種類的家具，以適應個人需要和空間大小。該設計兼具實用性、舒適性、個性化、安全性，既符合了感性工學的原則，引導用戶舒適、快樂、愉悅地使用家具，又從技術角度解決了可能產生的矛盾，使用戶在使用過程中能高效地完成組合和拆解，最終設計方案見圖7。

圖7 模塊化家具組

5 結語

本文將感性工學、層次分析法和TRIZ理論相結合以進行設計指導并完成設計方案。感性工學原理能更好地滿足用戶體驗；層次分析法將模糊的感性詞匯轉化成數學依據；TRIZ創新理念使設計實踐更加科學化，為設計實踐提供了有效的參考。三種方法的集成結合，使產品設計更具科學性及用戶導向性，平衡和滿足了用戶的主觀和客觀需求，不僅幫助設計師制定更具準確性和可行性的產品設計方案，也為后續理論研究提供了借鑒思路。

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Modular Furniture Design Based on Kansei Engineering and Analytic Hierarchy Process

LIU Zongming*, CHEN Xuhui

(School of Design and Art, Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an 710016, China)

The work aims to propose a design process based on Kansei engineering, analytic hierarchy process and TRIZ theory on the basis of ensuring function, in order to meet people's perceptual needs and perception experience to the greatest extent and design the modular furniture that conforms to ergonomic principles and is beautiful, practical and easy to assemble and disassemble. Based on Kansei engineering method, the sample space of modular furniture was established and the perceptual image vocabulary was collected. The cluster of image vocabulary was analyzed and the average score of image vocabulary was calculated by means of semantic difference method for factor analysis. The hierarchical structure model of modular furniture design was constructed with analytic hierarchy process (AHP) and the weight results were calculated to determine the correlation between perceptual vocabulary and modular furniture design. Finally, the design practice was guided by the innovative concept of TRIZ. Through the integrated design model of Kansei engineering, AHP and TRIZ innovative concept, the design scheme that met the needs of users could be obtained. Based on Kansei engineering and AHP hierarchy analysis, the user needs are summarized, and the contradictions are analyzed and solved by TRIZ invention method, and finally the modular furniture is redesigned. The combination of the three can design and improve products in a more scientific and systematic way, and provide an effective reference for product design and development.

Kansei engineering; AHP; TRIZ; modular; furniture design

TB472

A

1001-3563(2024)08-0141-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.016

2023-11-07

通信作者