基于卡诺模型和稳健设计的产品造型设计方法*

刘刚田，曹慧敏

(河南科技大学 a.艺术与设计学院；b.机电工程学院，河南 洛阳 471023)

基于卡诺模型和稳健设计的产品造型设计方法*

刘刚田a，曹慧敏b

(河南科技大学 a.艺术与设计学院；b.机电工程学院，河南 洛阳 471023)

该研究融合卡诺模型，提出了一种稳健设计方法，以获得设计造型要素的最佳组合。由于具备多准则特性，这可以有效地提高消费者满意度与产品的审美品质。卡诺模型是用来更好地了解性能准则和消费者满意度之间的关系，并通过确定消费者满意度的关键准则，来解决优化多准则的折衷困境。稳健设计方法结合灰色关联分析与田口方法优化多准则特征的主观质量。这同时产生最优的美学性能，减少消费者评价的变化。基于卡诺模型分析，权重调整过程决定了每个实现顾客满意绩效的产品标准。这过程指导多准则排序，从而实现更高的客户满意度。进行了一项机床设计实验，以验证使用建议的综合方法的好处。结果表明，所产生的最佳机床设计能有效提升整体审美表现和客户满意度。

卡诺模型；稳健设计；多判据优化；产品造型设计

0 引言

消费者满意度是当今全球市场竞争力的主要问题之一。设计的审美品质对消费者满意度有正向影响。美学设计能提高消费者对产品的渴求度，在感知产品质量方面显著影响消费者满意度。在理论研究中很少涉及主观质量和消费者满意度之间的关系[1]。Lai等[2]提出了一种稳健设计法，通过减少消费者实际感受与期望度之间的差异及由消费者高度个性化的特点造成的模糊性，以此来提高产品设计的感知度，重点是将平均值接近预期目标，同时降低质量变化。审美体验具有多维性，之前用一维的结构研究解释用户主体感知是不合适的[3]。优化审美品质应视为一个多准则问题，这些准则是不等价的，即他们对整体质量评估做出的贡献是不同的[4]。产品标准和消费者满意度之间关系被假定为线性的——感知标准质量越高，消费者的满意度越高。从目前理论观点来看，这种关系是非线性的，不断改进一些标准而不考虑消费者的实际愿望，不足以提高消费者满意度[5-7]。传统的权重确定方法可能无法完全说明质量标准和消费者满意度之间的关系。对于提供哪些标准了解一定的质量标准和消费者满意度之间的关系是必要的[8-10]。

本研究提出了一种卡诺模型与稳健设计方法相结合的综合方法，以提高审美的主体性和消费者满意度。采用这种方法来研究设计参数和质量性能与多标准考虑之间的关系。它也决定了最佳组合的设计参数，以最大限度地提高质量性能，并尽量减少质量变化。采用卡诺模式探索多元审美标准与消费者满意度之间的关系，并找出提高满意度的关键因素，以机床设计为实验对象并验证所提出方法的有效性。

1 优化美学满意度方法

1.1 确定产品设计美学标准

消费者满意度与产品美学涉及多个标准。最关键是确定最重要和最具代表性的美学标准，以确保效率。收集一套合适的美学满意度的标准；邀请6位资深工业设计师加入讨论组确定产品设计美学标准，这些设计师确定的审美标准包括创意、统一、完整、兴趣、简单和满意的形式。

1.2 确定机床设计属性

6位工业设计师使用形态分析审查机床产品信息和提取设计属性，确定最有可能影响美学的设计属性。确定的设计属性分为两种类型：形态特征和特征组合及这些特征之间的组成关系。确定设计属性以及其对应的设置水平。设计属性A、B、C、D、E、F、G表示机床设计的形态特征。设计属性H、I、J表示设计组合。

1.3 田口实验设计

用于此案例的控制因子阵列选择需要适应10个控制因素(A-J)。这种组合的完全因子将达到524288(2×49)个样本。使用正交阵列可以有效减少实验次数，以确定产品设计中的最优设计属性组合。实验运用田口方法L′32(21×49)。正交表中各实验的数据转换为机床设计的计算机图像的审美标准评价。

2 实验

招募评价实验的受试者为35名男性和25名女性，年龄从18岁至24岁。要求受试者用李克特量表6个美学标准来评估32个实验样品。用卡诺问卷调查把美学标准分为卡诺类。对每个样本的六个美学标准的平均值和标准差的评价。较高的性能特征被假定为这些审美标准。每个样本的每个标准的更高信噪比是计算每个标准评价依据，即：

(1)

ηij是第j次实验样本第i个性能标准的信噪比，n是受试者总数，yijk是第k个受试者中第j个样本第i个标准的评价值。

2.1 卡诺分类

机床造型卡诺调查问卷的结果如表1所示，它提供了分类标准的信息。创意、兴趣和满意的形式标准可视为有吸引力的品质。完整性视为单一维度品质。另一方面，简单可归类为标准品质。统一与消费者满意度不相关，它被列为无差异品质。然后将卡诺分类对应于每个标准，再通过与每一个卡诺类别的调整系数(K)调整标准权重。

表1 机床造型卡诺分类的审美标准

2.2 确定权重

根据设计师意见分配标准权重。标准级别处理步骤概括如下：

(1)让dij为评价第j次实验样本第i个标准的信噪比；i=1,2,…,n；j=1,2,…,m，D=(dij)n×m是样本评价矩阵。假设zij是dij的转换值；它可以定义为：

(2)

(2)第i个标准的ei可以用下面的公式测量，这里c=1/ln(m)，ei<0，即：

(3)

wi=(1-ei)/(n-E)

(4)

由于卡诺分类结果，统一被认定为无差异品质，在这种情况下从经济和效率方面的考虑将它排除在外。使用公式(2)～公式(4)通过数据处理得到了原准则权重。卡诺模型根据其卡诺类别，然后整合卡诺模型调整每个标准的权重，最后调整审美标准的权重，运用级别调整公式计算，解释与消费者满意相关的优先次序。强调吸引力品质，如创意，兴趣和满意的形式。简单被归类为标准品质，应给予较低的优先级，同时优先考虑简单，最后考虑创意。

2.3 灰色关联分析

灰色关联分析中，进行数据预处理，让受试者标准评价的信噪比规范化。计算灰色关联系数，区分系数ζ=0.5，表示每个设计的最佳与实际信噪比之间的关系。根据式(2)，计算灰色关联度(灰色关联度，即美学指数，是通过总结灰色关联系数乘以对应的审美标准的调整权重得出的。)具有较高的灰色关联度实验样品有更好的美学表现。

2.4 确定设计属性最佳组合

各形态属性对性能指标的整体影响运用定量理论I型分析研究。偏相关系数(PCC)表示每10个机床产品变量对整体美学满意度的相对重要性。如具有最高的PCC的变量是“顶形”(PCC=0.790)，即一个机床的最佳形状对感知机床美学影响最大。“圆型”(PCC=0.078)是最不显著的变量。“顶形”(PCC=0.790)，“体形样式”(PCC= 0.752)，“分形轮廓”(PCC=0.697)，“数控面板箱”(PCC=0.677)是对机床美学影响最大的设计属性。分类等级水平表明了各造型属性对审美满意度的影响。正级表明这种造型属性水平可以提高机床的感知审美，而在产品美学中应避免负级。基于分析，对形式属性的优化组合，即A2、B2、C3、D3、E2、F3、G2、H1、I1、J1。这一优化的机床设计与最高美学满意度的计算机图像构建，如图1所示。

图1 优化设计比较实验

2.5 改进验证

确认测试来验证所提出的方法所产生的优化设计性能。由6位工业设计专家选择了7款机床进行竞争。为该评价提供一个相同的标准，包括分形轮廓、体形样式和数控面板箱，同田口实验的样品一样受控制。实验数据中的6个审美标准和权重使用熵权法确定，每一个测试样品的分级采用卡诺模型和熵权计算的调整权重，结果如表2所示。

表2 确定权重标准的结果

进行竞争力评价，要求60个相同的参加实验者在6个美学标准中对7个样本进行排序以及完成一个李克特量表的总体满意度。表3显示了设计方案第7号的总体满意度和大多数的审美标准都很优秀。它获得了创意、兴趣和形式满意度的魅力品质的最高评价。完整性、简单性和统一性的评价适中。这一结果验证了形态属性的优化组合可以有效地提高多准则特征的美学品质，从而提高消费者的满意度。表3显示了这一分析结果，7号设计方案优于比较设计是因为它获得了最高等级。优化设计(编号7)由所提出方法得出，有效地增强吸引力和单一维度标准。与没有卡诺模型优化设计计算相比，它产生了更高的客户满意度。这证实了使用权重调整与卡诺分析整合的好处，更准确地重新排序优先标准的改进和解决权衡的多准则优化问题。基于排名得分的性能评估用于进一步调查提出的综合方法的有效性。表3显示，在每个设计标准的性能是基于信噪比大小排名。

排名第一、第二、第三、第四、第五、第六和第七的得分，分别为7、6、5、4、3、2、1。每个设计标准的得分排名如表4所示。第7号设计方案为第一有三次，第三有三次，总成绩为36(7×3+5×3=36)。每个设计的总成绩的计算结果，如表4所示。优化设计第7号设计方案获得了最高分数36分。

表3 确认测试结果

表4 评估排名得分结果

提出整合稳健设计法与卡诺模型的方法是有效的，同时实现审美素质和整体满意度。最后，对造型属性进行优化组合，构建优化的机床造型设计与最高美学满意度的计算机三维效果图，如图2所示。

图2 计算机辅助设计系统3D模型

3 结论

本研究采用了稳健设计法集成卡诺模型，优化质量与多准则特征以达到审美满意。提出的稳健设计法可适用于客观和主观质量，特别是对多判据优化。因此，使用田口实验设计方法只需要较少数量的实验，从而节省时间和财力。使用卡诺模型有助于区分影响消费者满意度的多个标准，它也可以对优先标准重新排序，以解决多判据优化的权衡困境。用优化机床造型的案例论证该方法的应用，验证了卡诺模型的优势，更好地了解消费者的要求，以确定消费者满意度的关键和高回报的因素，并解决多准则决策的权衡困境。该方法提高了标准优先级确定的准确性。研究结果提供了具有最佳设计的机床造型元素，提高了造型审美和消费者的满意度。

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(编辑 李秀敏)

Applying a Hybrid Approach Based on Kano Model and Robust Design to Product form Design

LIU Gang-tiana, CAO Hui-minb

(a.School of Art and Design；b.College of Electromechanical Engineering，Henan University of Science & Technology，Luoyang Henan 471023,China)

This study presents a robust design approach incorporating the Kano model to obtain the optimal combination of design form elements. This can effectively enhance customer satisfaction and aesthetic product qualities with multiple-criteria characteristics.The Kano model is used to better understand the relationship between performance criteria and customer satisfaction, and to resolve trade-off dilemma in multiple-criteria optimization by identifying the key criteria in customer satisfaction. The robust design approach combines grey relational analysis with the Taguchi method to optimize subjective quality with multiple-criteria characteristics. This simultaneously yields the optimal aesthetic performance and reduces the variations in customer evaluations. Based on Kano model analysis, a weight adjustment process determines the weight of each product criterion for achieving the desired customer satisfaction performance. This process guides the prioritizing of multiple criteria, leading to higher customer satisfaction. A machine tool design experiment was conducted to verify the benefits of using the proposed integrative approach. Results show that the generated optimal machine tool design can effectively enhance overall aesthetic performance and customer satisfaction.

kano model;robust design;multiple-criteria optimization; product form design

1001-2265(2017)01-0009-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.003

2016-03-07；

2016-04-14

国家自然科学基金(51475146)；河南省科技攻关计划(132102210578)；河南科技大学博士科研启动基金资助

刘刚田(1971—)，男，山东胶南人，副教授，博士，研究方向为产品造型设计理论和人机工程学，(E-mail)liugangtian@126.com。

TH122;TG506

A