基于FAST-TRIZ的经济舱飞机乘客座椅设计研究

邱吉尧 徐江华

关键词：FAST TRIZ 经济舱 飞机乘客座椅 造型设计

引言

飞机乘客座椅是飞机客舱内不可或缺的重要组成部分之一，它为客舱内的乘客提供了休息、工作、娱乐的保障以及免遭危险伤害的保护[1] 。伴随我国航空事业的飞速发展，乘坐飞机出行逐渐成为了大家的选择，仅仅2016年，全球就有36亿乘客选择乘坐飞机出行[2] 。飞机乘客座椅作为乘客在飞机飞行过程中接触时间最长的客舱设备，在满足各类适航标准的前提下，飞机座椅的设计师们开始不断在各项功能上做出改进优化，努力让乘客获得舒适的飞行体验。在没有核心技术革新的前提下，产品功能的繁杂程度与产品的体积大小之间的关系是呈正相关的，即功能越多，产品的体积就可能会越大。当飞机乘客座椅拥有多元化的功能时，其作为产品所占据的体积也可能会增大，这与客舱空间对空间利用率的严苛要求相悖。在过往的研究中，大部分学者都选择采用发明问题解决理论（Theory of InventiveProblem Solving，TRIZ）来解决所面临问题的各类矛盾：刘恒丽[3] 等利用QFD模型解决需求，TRIZ理论解决产品结构的矛盾，对桌面台灯进行了再设计;陈丽君[4] 融合TRIZ理论与UCD设计思路，对老年人购物车进行创新设计;陈昭[5] 等则将QFD、KANO与TRIZ理论相结合，对校园卡自主终端进行了优化设计。本文將通过功能分析系统技术法（Function Analysis System Technique，FAST）对飞机乘客座椅的功能需求进行分析、整理，建立飞机乘客座椅的功能树。在满足各项功能的过程会产生技术矛盾或物理矛盾，再运用TRIZ理论解决这些矛盾，对现有飞机乘客座椅进行改良设计，提出飞机乘客座椅的概念化设计方案。

一、基于FAST-TRIZ创新设计方法

（一）FAST法概述

FAST法是用于定义、分析和理解产品的功能，确定功能之间的关系，关注重要功能以增加产品价值的一种产品设计方法[6] 。FAST法在应用时，首先聚焦产品的基本功能，将设计对象抽象为一个无法看到内部结构的黑箱。通过黑箱模型，聚焦产品的主要设计要点，再根据设计要点建立产品的功能树，以此为目标对产品功能进行优化设计。该方法的优势在于清晰地梳理产品的基本功能与子功能之间的关系，但并不擅长解决产品功能实现过程中出现的问题。

（二）TRIZ理论概述

TRIZ理论是“发明问题解决理论”的俄文缩写，由根里奇·阿奇舒勒在1946年创立，其主要用于解决实现产品功能设计过程中遇到的矛盾冲突问题[7] [8] 。TRIZ 理论的核心是将产品的设计问题转化为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾指在设计过程中对产品的一个属性进行改进后将会对另一个属性造成不良影响;物理矛盾则指在设计过程中对同一属性有相反的需求[9] 。在确定了功能之间存在的矛盾类型后，利用阿奇舒勒建立的矛盾矩阵，确定待改善与恶化的工程参数，获取可能解决矛盾的发明原理，借助发明原理来解决问题。TRIZ理论在问题解决方面有相对完善的流程，其突出的优势在于能对工程或设计中出现的技术矛盾或物理矛盾进行定性的同时，还能提出可能解决这些问题的发明原理。

（三）FAST-TRIZ设计方法

运用TRIZ理论能有效解决设计中所需要的功能在实现时所产生的矛盾，然而TRIZ理论却并不能对产品的功能进行相对系统的梳理与分析。利用FAST法可以很好地解决这一问题。FAST法以产品的功能为线索建立起详细的产品功能树，通过功能树来确定这些功能实现所产生的矛盾，最后利用TRIZ理论解决这些矛盾，产出创新设计方案。融合FAST法与TRIZ理论的设计流程如图1，其基本流程如下：

1.通过问卷、访谈等方法获取用户需求;

2.建立黑箱模型，分析物质、能量与信息在经过黑箱加工处理前后的变化，聚焦产品的主要功能;

3.建立产品功能树，将产品功能分为主要功能以及次级功能，分析主要功能之间是否存在矛盾并确定矛盾的类型;

4.运用TRIZ法求得可能解决矛盾的发明原理;

5.分析发明原理的可行性，若可行，利用相应的解决方案产出设计方案;若不可行，则返回第3步重新确定矛盾类型与发明原理。

二、基于FAST-TRIZ飞机乘客座椅设计分析

（一）现有飞机乘客座椅类型及功能分析

民用客机内的飞机乘客座椅主要以客舱等级为划分标准。飞机客舱等级主要划分为经济舱、商务舱和头等舱三类。对应的飞机乘客座椅种类主要以三种为主，每一种座椅因为所处的客舱环境而具有不同的特征。以Recaro公司生产的座椅为例（如图2），应用在经济舱内主要以三联式座椅为主，座椅相比于商务舱和头等舱的座椅更加轻薄，结构更加简单，乘客只能对座椅的靠背角度进行有限的调节（一般在100°到120°之间[10] ），座椅的间距也更窄（一般在28～31英尺之间[11] [12] ），因为座椅需要彼此相连接，经济舱内的乘客往往只能使用自己右侧的扶手（该扶手一般设有靠背调节的按钮）;商务舱主要以双联式座椅为主，这类座椅的结构比经济舱座椅更加复杂，体积也更大，小桌板也从前一排的座椅调整到了座椅的扶手中，座椅的调节方式也以电动为主，除了座椅的靠背角度可以调节外，在坐垫下侧增加了可以调节的腿部支撑;头等舱的座椅则大多是单个独立的，每个座椅都会配备更大的侧面挡板，保护乘客隐私，让乘客拥有更加独立的私人空间，除去小桌板和杂志袋外，乘客有更多的置物空间可以选择，座椅也可以直接放平（即180°），但同样的，头等舱座椅的体积与占地面积也更大。通过上述的分析可以看出，随着功能的增多，三种座椅的体积与占用的空间也逐渐增多。

（二）用户需求获取与分析

在对122名年龄在18到65岁之间的普通乘客进行问卷调查后发现，因为客舱空间狭小，导致每位乘客所能自由活动的空间有限，乘客们在飞机飞行期间产生的行为也是有限的，乘客为了相对舒适地完成这些行为，便会产生对应的需求，问卷调查所得的乘客在飞机飞行期间在飞机乘客座椅上所进行的行为与其相对应的需求汇总如表1所示，为了优先解决乘客最关注的问题，根据乘客提到的这些行为的重要程度进行了排序（重要程度区间0～10，10为最重要）。

（三）飞机乘客座椅黑箱模型

对于一个产品而言，功能是能量、物质、信息或其他物理特性的转换[13] 。将产品的抽象为一个看不到内部结构的黑箱，通过黑箱模型，能将设计目标聚焦在用户的需求上，设计人员也能更好地关注到产品的主要功能与结构技术。通过抽象的方式为飞机乘客座椅建立黑箱模型，见图 3。该模型包含了信息流、物质流、能量流的输入与输出。在这个模型中我们可以看到，黑箱模型将乘客对飞机座椅的需求转化为设计中的技术问题，并将飞机乘客座椅的物质、能量、信息转化为乘客所希望的输出。能量流方面，飞机乘客座椅在人力与电能两种驱动方式的作用下才能实现所有的功能，并将这些能量转化为对应的动能与势能;物质流方面，乘客与座椅是整个模型中重要的两个物质，且在经过黑箱模型加工的前后没有发生变化;信息流方面，乘客在使用前会产生各种各样的信息，但在经过黑箱模型加工完成之后，这些信息在反馈给乘客时将产生变化，而这些反馈给乘客的信息会是乘客舒适感产生的关键因素，同时飞机乘客座椅的各类功能就是将这些输入信息转化为乘客需要的输出信息。因此设计的重心应放在使用座椅对信息流的加工上。而通过对整个黑箱模型信息流的分析，设计的重点应放在功能整合、安全性以及操作性三个方面。

（四）飞机乘客座椅功能树

通过对飞机乘客座椅的黑箱模型的分析汇总，建立飞机乘客座椅的功能树。通过上述分析可以得到，飞机乘客座椅的功能整合、安全性、可操作性是值得关注的，在此基础上，对各层级的子功能继续细化，建立飞机乘客座椅功能树，如图4。功能需求是依照乘客需求产出的，是能够保证乘客乘机舒适与否的关键，所以放在功能树的第1列，座椅的基础功能是作为坐具为乘客提供可以休息的位置，在其下方的是在满足了“坐”这一基本功能后的其余子功能，也是对应前文乘客的需求所需要的子功能，最终，座椅成为承载这些子功能的载体，即第1列最后的功能整合;人机工程学在飞机客舱各类设施的设计中都扮演着重要的角色，相比于乘客的功能需求，其更像是对座椅设计的一种约束和限制，所以将其放在功能树的第2列，其下方是在人机工程学范畴下所衍生的各类对安全性的需求;可操作性与美观性与前两项相比，重要性有所降低，所以放在功能树的第3列，其下所包含的是诸如造型、色彩、材质等因素主要是座椅的外在表现形式。

（五）矛盾类型及发明原理

通过飞机乘客座椅FAST功能树的分析可以得到如下的矛盾：如果只是将乘客需求所对应的各项功能进行单纯的叠加，经济舱座椅的体积和占地面积也会因此而增大，这与客舱空间内对空间利用率的严苛要求相矛盾。这属于飞机乘客座椅的功能属性变化后导致座椅的物理属性（体积）发生变化，这两种属性并不是同类属性，所以矛盾的类型应为技术矛盾。在确定了矛盾类型后，查询TRIZ矛盾矩阵，结合实际问题，确定待改善的工程参数为8 静止物体的体积，即座椅本身的体积在增加更多的功能后，应保持原有大小不变或变化不大;而在这样的条件下，还需兼具多元化的功能，其操作的复杂性以及座椅结构的复杂性都有可能会随之上升，即被恶化的参数应是34 使用的方便性和45 装置的复杂性。通过查询TRIZ矛盾矩阵，可得到对应的发明原理，见表2。发明原理的对应释义，见表3。

对上述的发明原理进行分析后，发明原理1、7、15、17在优化飞机乘客座椅的功能方面有较大的帮助：

1.根据分割原理，可以将原有部件进行分割，使其发挥更多的功能。在后续的设计中可以将座椅的靠背面或坐面进行分割满足骨架的需求;座椅的背板也可以通过分割，来满足更多的置物功能。

2.据嵌套原理与维数变化原理，前文根据分割原理进行处理的部分部件就可以做出类似伸缩或是嵌套的结构，在未使用的状态下保持座椅外观的整体性，在使用状态下再开启，如小桌板增加翻转结构，增加放置书本或平板电脑的功能等。

3.根据动态化原理，可以考虑增加座椅的调节模式，前文所述的部分功能完全可以通过电池驱动，由扶手上的按键进行控制。

三、基于FAST-TRIZ飞机乘客座椅设计实践

（一）需求与发明原理匹配

利用TRIZ理论对矛盾类型进行确定与分析后，得到了对后续设计帮助较大的四种发明原理，现将乘客需求与发明原理之间进行匹配，明确设计方向，匹配关系见表4。乘客的需求主要分为了三大类，即调节需求、置物需求与充电需求，每项需求都有发明原理与之对应。触摸屏属于技术发明层面，照明在现有飞机上已经满足，所以将这两项需求剔除。

（二）座椅结构功能设计

1.调节功能设计。在用户需求中所提到的调节需求有三种，这三种调节主要都以乘客施加作用力的被动调节为主。根据发明原理15（动态化）与发明原理7（嵌套），可以用电能驱动的调节方式来代替这种机械化、被动式的调节方式，即乘客只需要通过按钮等方式来操作，即可实现对应需求。头枕的主要功能是为了乘客在睡眠时可以倚靠，通过将头枕内的骨架结构设计为三片式的折叠结构，通过电能传动，实现A、B两侧的金属片向内翻折，让乘客可以通过按钮来调节头枕角度，而无需手动调节头枕的翻折角度。飞机乘客座椅靠背的调节主要利用机械传动结构实现，乘客在按压调節按钮后，传动装置解锁，乘客通过后仰的力量将座椅靠背向后压倒。通过固定螺杆旋转带动滑块的方式可以代替这样的机械传动方式来精确地控制座椅靠背后倾角度，对于不同的行为需求预设不同的靠背角度，乘客通过按钮就可以获得合适的靠背角度，同时电能驱动的方式也能减少前后排乘客因为机械式调节方式的不可控性而产生的矛盾。两种调节方式的结构设计如图5。IFE屏幕的电动调节却存在困难，因为IFE屏幕安装于前排座椅上，若需要完成后排座椅对前排座椅IFE屏幕的控制可能使系统复杂程度陡然上升，同时增加不必要的成本，因此IFE屏幕的调节方式仍保持原状，即利用转轴结构，由乘客手动进行调节。

2.置物空间与收纳设计。飞机乘客座椅的置物与收纳功能主要由小桌板和杂志袋实现。根据发明原理1（分割），保证IFE屏幕与小桌板所必要的空间外，还可以对靠背背板进行合理的分割，在IFE屏幕与小桌板之间的空隙处分割出一块圆角矩形区域，再结合发明原理17（维数变化）与发明原理7（嵌套），分割出的圆角矩形区域通过增加伸缩结构，使原本是平面的靠背背板发生维数变化，形成类似抽屉一样的结构，方便乘客将一些容易遗失的小物件放置在其中。同时，小桌板本身也能通过分割实现更多元化的置物需求，将小桌板的外边缘进行分割后，结合发明原理17（维数变化），利用卡扣结构使小桌板可以形成倾斜状态，以此满足乘客一些多元化的使用需求，例如放置书本或是平板电脑等，如图6。

3.充电位置设计。经济舱飞机乘客座椅的充电位置多放置于两个座椅坐垫之间的下方，因为高度相对较低，乘客在使用时会产生诸多不便。根据发明原理7（嵌套），可以将充电口设置在扶手上，乘客在使用时无需再弯腰寻找电源插孔的位置，并且在保证了使用便利的同时也减少了多余的外露结构。前文所述的通过维数变化与分割实现的收纳功能也可以加入无线充电功能，通过在弹出结构中加入线圈，乘客就可以在不使用手机时候将手机放入其中充电，如图7。

（三）外观造型设计

外观造型方面，座椅的设计加入更多现代化的元素：如靠垫上加入由参数化建模完成的渐变式六边形的蜂巢肌理，增加摩擦力的同时，还可以对乘客背部的一些穴位进行按压;在杂志袋以及座椅头枕上增加皮质的扣带装饰，改变年轻群体对飞机乘客座椅的刻板印象;侧边扶手也采用从面到线的结合方式，增加乘客视觉上的层次感，扶手侧板下方的镂空设计也可以让乘客在视觉上获得客舱环境相对宽敞的体验，如图8。

（四）座椅结构布局

概念飞机乘客座椅由靠背骨架、坐垫底板骨架、头枕骨架、支撑骨架组成主体部分;每个座椅的右侧的扶手均可依靠翻转结构抬起，其内部有对应的电子与机械结构来实现调节功能;供能的电池组合理利用空间，安装在底部支撑骨架的空隙上。概念飞机乘客座椅的结构布局如图9。

（五）配色方案

色彩搭配上，采用了蓝色与白色相结合的搭配方式，呈现出一种象征天空的设计语言，以饱和度较低，色相较深的蓝色为主，避免了乘客视觉刺激，同时也能产生一定的亲切感。为避免视觉疲劳，在部分细节部位加入了饱和度相对较高的橙色作为点缀，如扶手充电口、头枕皮质扣带、扶手侧面的装饰环等。配色方案如图10，完整的效果展示如图11。

结语

本文通过结合功能分析系统技术法与发现问题解决理论，对飞机乘客座椅进行功能整合和优化设计，验证了FAST-TRIZ设计方法在产品创新设计过程中的优势与可行性，为后续在产品创新设计方面的研究提供了一定的参考价值，也为经济舱飞机乘客座椅设计提供了新的方向。FAST-TRIZ设计方法可以清晰定位产品的主要功能与各级子功能并切实解决其功能实现时产生的技术矛盾及物理矛盾，是一种能有效解决复杂产品功能技术问题的产品创新设计方法。