集成AHP/QFD/FBS的老年洗浴辅助设备创新设计及评价

■黄劲松，刘 琳，李晓英

(湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉 430000）

我国已经进入深度老龄社会，随着社会发展越来越多的老年人追求更高的生活质量，注重丰富的物质和精神生活。抽样调查结果显示90.8%的老年人在独立完成洗浴活动方面有困难，洗浴作为基本的日常活动亟需得到帮助[1]。养老机构环境中介助型老人所占的比例较大，介助型老人日常行为依靠拐杖、轮椅、扶手等辅助设施，其行动以及各项操作技能缓慢甚至笨拙[2]，提高这类老年群体的无障碍照护水平，是实现老年群体高质量生活的重要指标。

目前，我国大部分养老机构的适老化洗浴辅具为功能较为单一、产品灵活度较差的浴椅和助力辅具，适合低龄健康老人，洗浴形式为普通的花洒式淋浴，在调节水流方向和水温方面不利于老年群体的使用。针对洗浴过程中的适老化和安全性问题，借助设计理论模型整合设计流程可以得到产品的最优功能结构配置。QFD和FBS在解决设计问题时具有各自的特点，本研究将两种设计理论模型的优势进行融合，以老年洗浴辅助设备为实例进行应用，得出满足适老化、独立性、安全性和智能化需求的设计方案，验证了集成AHP/QFD/FBS模型的产品设计方法在解决类似设计问题上的可能性。

1 AHP/QFD/FBS集成理论基础

AHP将问题的因素按层级关系两两比较构造判断矩阵，然后求出各层次判断矩阵的特征向量和最大特征值，计算各层次中各因素的权重[3]，将复杂的问题评价分解成量化的评价对象合集[4]。该方法定性定量结合，对问题决策有较强的导向性[5]。

QFD是一种需求分析方法，将设计需求转化为产品的质量特性，从而帮助设计人员或工程人员更好地从事产品的创新设计。根据用户需求得出与其相关的产品质量特性，并研究用户需求与质量特性之间的关系,从而量化设计语言[6]。

FBS模型研究“功能—行为—结构”三个变量之间逐级映射的关系。实施FBS模型的映射时，一个确定的功能可以推导相应的行为和结构，同理，一个确定的结构也可以逆推出相应的行为和功能[7]。“行为”作为联系功能与结构之间的纽带，一般由用户旅程图来研究表现出预期行为。

QFD与FBS作为常用的设计理论模型，在解决设计问题时具有各自的特点：QFD能够指出设计方向，但无法推导出具体的设计解决方法；FBS可以进行用户需求的转化与映射，但在前期无法对用户需求进行分析。对QFD和FBS进行融合应用能够更科学有效地解决设计问题[8]。

2 集成AHP/QFD/FBS模型的构建

2.1 基于AHP的用户需求权重分析

将调研获取的用户需求进行整理分类并构建层次判断矩阵。用前一层次的用户需求作为比较标准，对同一层次的各项用户需求进行两两比较，用aij表示用户需求URi与URj的相对重要性。运用层次分析法计算获得需求权重，计算过程如下[9]：

(1)根据比较结果得到同一层次n个评价指标的判断矩阵。

(4)根据式④计算出最大特征根λmax。

判断矩阵的最大特征根对应的特征向量（归一化后）作为因素的权重向量，其中根据式⑤计算出最大特征根λmax。

(5)为保证相对重要度打分评价的准确性，应进行一致性检验，计算各判断矩阵的一致性比率CR，即：

其中：CI表示一致性检验的指标；n表示为判断矩阵A的阶数；RI的取值见表1。当计算得出的CR＜0.1时，则判断矩阵通过一致性检验，否则应对判断矩阵的数值进行修正。

表1 随机一致性指标

2.2 基于QFD的质量特性分析

(1)根据调研获取的用户需求和相应产品特性来分析确定产品的各项质量特性(Quality Characteristic，QC)，设βij表示用户需求URi与质量特性QCj之间的相关关系大小，则质量特性QCj的权重Qj为：

其中：i=1,2,…,n, j=1,2,…,m; m代表质量特性的数量。Qj表示各项质量特性的权重。

(2)通过计算得到质量特性后，将结果利用公式⑨进行归一化处理。

其中：qj表示相对权重。

2.3 FBS映射转化

通过FBS的“功能—行为—结构”映射转化，可以将QFD模型得出的质量特性转化为结构特征，FBS模型的三个变量分别定义为：

(1)功能（Function）：由用户需求得出的设计目标，本文中是指应用QFD模型得出的质量特性。

(2)行为（Behavior）：设计对象达到设计目标所产生的用户预期行为[10]，本文通过用户旅程图分析用户预期行为。

(3)结构（Structure）：包括产品设计方案的结构，也包括由功能和行为映射得到结构。

3 集成AHP/QFD/FBS的设计方法应用实践

3.1 老年洗浴辅助设备的用户需求获取

通过设计5W2H访谈问卷，对山东省宁阳县某养老院进行用户访谈。按照各人员所占比，采访60岁至75岁介助型老人30名及养老院工作人员（护工）3名。在不限制硬件产品和记录洗浴过程中出现的任何需求的前提下，得到基于老年洗浴辅助设备的需求信息。借助亲和图法（KJ法）合并与简化相同及相似的原始需求项指标[11]，得出15项指标层需求项，如图1所示。

■图1 用户需求项整理

准则层中，U3配置需求是指老年用户在洗浴过程中为提高安全和健康水平配置功能元件的需求。指标层中，U12人机尺寸舒适是指细部的尺寸设计合理，为保证老年人操作准确性的指标；U21可选择洗浴方式是指以不同的产品形式适应不同的洗浴行为特点，并提供可自主选择的空间；U32包括用户在洗浴过程中感到不适及时报警，以及氧气浓度过低和洗浴时间过长的警示等。

3.2 用户需求权重分析

邀请10名专家按照1-9标度法对指标层需求项进行两两比较评价（1/9至1/2重要程度依次递增，1/9表示及其不重要，1/3表示稍微不重要，1-9重要程度依次递增，1表示同样重要，9表示及其重要），构造出各指标层需求项的判断矩阵。利用（3）、（4）计算各矩阵的权重wi及权重向量W，并根据式（5）计算出最大特征值λmax。准则层相对目标层的权重见表2，同理可以计算出指标层相对于准则层的权重及排序，计算结果见表3至表6。

表2 用户需求判断矩阵及权重

表3 人机需求判断矩阵及权重

表6 收纳需求判断矩阵及权重

为检验判断矩阵的一致性，确定权重系数的最终值[12]，由（5）、（6）计算可知，表2至表6的一致性比率CR值均小于0.1，故各判断矩阵满足一致性检验。

指标层需求项权重排序由高到低为：U11材料安全防滑、U41方便移动和收纳、U22休息支撑、U31借力辅具、U12人机尺寸舒适、U42节省空间、U24干湿分区、U34保持恒温环境、U32出现异常报警功能、U21可选择洗浴方式、U35水温可视化调节、U33按摩功能、U23造型色彩亲和、U37洗浴时间提醒、U36方便调节水流方向。由此排序可以得出用户需求的重要程度大小，在后续设计中优先考虑重要程度靠前的需求项。

经计算，λmax=4.03，CI=0.01，RI=0.89，CR=0.013<0.1,满足一致性检验（表2）。

经计算，λmax=2，CI=0，RI=0，CR=0<0.1,满足一致性检验（表3）。

经计算，λmax=4.13，CI=0.04，RI=0.89，CR=0.05<0.1,满足一致性检验（表4）。

表4 造型需求判断矩阵及权重

经计算，λmax=7.14，CI=0.02，RI=1.36，CR=0.017<0.1,满足一致性检验（表5）。

表5 配置需求判断矩阵及权重

经计算，λmax=2，CI=0，RI=0，CR=0<0.1,满足一致性检验（表6）。

3.3 基于QFD的产品质量特性问题分析

3.3.1 用户需求与产品质量特性之间的映射

基于QFD中“需求是什么”和“怎么来满足”的基本思想，将用户需求转化为老年洗浴辅助设备的质量特性，保证产品设计生产与用户需求匹配一致。由图2可知，共映射出9条质量特性，可以得出需求项符合的相关设计标准。

■图2 需求项与质量特性之间的映射

3.3.2 HOQ模型构建及质量特性权重值计算

邀请10名专家对老年洗浴辅助设备用户需求与质量特性的相关关系进行确定，将其两两比较，逐一进行打分，最终得到评价结果，并通过矩阵形式直观表现出来。评价打分规则： 5分认为“强”相关，用◎表示；3分认为“中”相关，用○表示；1分认为“弱”相关，用△表示；0分认为无相关，用空格表示。

HOQ（质量屋）模型可以构建出用户需求与质量特性之间的关系矩阵，通过（8） 、（9）计算出各项质量特性的权重并进行排序放在HOQ模型的下方，反映了质量特性与用户需求的关系，即排序越靠前，其与15项需求项的关联越紧密[13]，如图3所示。

3.4 基于FBS的产品问题解决

将质量特性权重系数均值以上的质量特性定义为上级特性，均值以下的定义为下级特性，再将上级特性单独计算出均值，这个均值以上的上级特性为Ⅰ级特性，以下的上级特性为Ⅱ级特性，同理可以得出Ⅲ级和Ⅳ级特性（见图3）。将QFD得出的前三级即前8项关键质量特性（C1地面材质防滑性、C2功能区域收纳性C3尺寸合理性、C4产品可调节性、C5保持支撑与平衡、C6视觉交互、C7湿区与干区隔离和C8呼救信息传递）作为老年洗浴辅助设备的功能库，进行“功能—行为—结构”的映射。“行为”是指通过用户旅程图得出的用户预期行为，挖掘预期行为下的问题和设计机遇，如图4所示。

■图3 老年洗浴辅助设备质量屋图

■图4 用户旅程图

介助型老人坐下与起身时动作均有不便，上身前倾易导致重心不稳而摔倒；浴室内地面湿滑是很大的安全隐患，老人一般会借助扶手或者防滑拖鞋等防止意外发生；洗浴时间过长时，老人因自身身体原因或者室内氧气不足会发生危险，需要及时呼救以及洗浴时间提醒；洗浴过程中人的体表温度变化较大，老年人免疫力低下更加需要采暖功能；坐姿洗浴前提下人的灵活性和活动范围有限，需要更方便快捷的操作。通过用户旅程图得到预期行为后，继续执行“功能—行为—结构”的映射转换，映射出产品结构（Structure），映射过程如图5所示。

■图5 功能—行为—结构映射

4 老年洗浴辅助设备的创新设计实践

4.1 功能定义

老年洗浴辅助设备在功能定义上，方便行动不便的介助型老人至浴区，将载运用户移动部分与浴槽较巧妙地结合在一起，载运部分与浴槽组合在一起就是一个干湿分离的浴区。解决介助型老人包括轮椅老人、助行器老人在到达浴室、起身、坐下和洗浴后离开时的安全隐患问题和监护人员高效安全的运转行为，如图6所示。

■图6 老年洗浴辅助设备设计方案

4.2 各配置结构说明

封闭浴区的推入式浴椅作为最主要的设计主体，同时满足U21可选择洗浴方式、U22休息支撑、U24干湿分区和U31借力辅具的用户需求，利用电子封闭，保证浴槽的封闭性；采暖功能利用红外灯泡的热辐射来实现；可旋转的横式花洒方便用户坐姿调节水流方向；具有手推圈的移动轮椅可以满足老人独立移动进入浴区的需求；用户在使用中右手边的报警器连接智能终端，可以实现一键报警、氧气浓度警示以及洗浴时间超时警报等，如图7所示。

■图7 老年洗浴辅助设备各配置结构说明

4.3 不同洗浴场景切换

用户可以根据自身需求选择不同的洗浴模式，可旋转的横式花洒和注水孔结构提供了淋浴、泡浴两种不同的洗浴场景。用户在淋浴场景中，水控系统通过横式花洒，浴槽底部的排水阀开启；用户在泡浴场景中，水控系统经过注水孔流入浴槽，浴槽底部的排水阀关闭。

5 设计方案模糊综合评价

对于产品的设计结果进行方案评价是检验设计合理性的一个重要步骤[14]，设计方案需利用模糊综合评价法进行综合评价佐证其合理性。

应用李克特量表法的评级方法，设评价等级集：T={很满意，满意，一般，不满意，很不满意}，分值分别为1至5分：5分表示很满意，1分表示很不满意。依据老年洗浴辅助设备的指标层需求项，邀请10名专家对方案进行评价，经过汇总归一化后得到各准则层需求下的指标层需求相应的模糊综合评价矩阵。

S1指准则层人机需求下的指标层对老年洗浴辅助设备的模糊综合评价矩阵，同理可以得出S2、S3、S4的模糊综合评价矩阵：

根据表2中的权重值，目标需求层次的权重向量为WA=（0.497 0.068 0.313 0.121）；根据表3至6中的权重值，准则需求层的权重向量分别是WA1=（0.667 0.333），WA2=（0.177 0.533 0.041 0.249），WA3=（0.340 0.197 0.057 0.239 0.106 0.022 0.039），WA4=（0.667 0.333）。由此可以计算出老年洗浴辅助设备准则需求层4个方面的评价模型：

由上可得整体评价模型：B=WA×S=(0.4176,0.35,0.1394,0.0742,0)，对整体评价模型结果进行归一化处理后得到B=（0.426,0.357,0.142,0.075,0）。认为该方案为很满意、满意、一般、不满意、很不满意的评估者分别为 42.6%、35.7%、14.2%、0.75%和0。按照最大隶属度原则，此方案的综合评级结果为5级，总体评价较好，但相对隶属度较低，仍有改进的必要[15]。

6 结语

本文以养老机构中针对介助型老人的老年洗浴辅助设备的设计为例，集成AHP-QFD-FBS设计理论模型得出设计方案，并利用模糊综合评价法对设计方案的可用性进行评价，佐证了设计方案的合理性。应用AHP获得用户需求权重及排序，经过QFD得出质量特性，最终运用FBS映射得出关键设计结构。设计方案在创新性、多功能性和独立操作性等方面提升了产品的整体使用效率和用户体验，证明了融合的设计理论模型弥补单一设计理论的不足，可以为老年洗浴辅助设备的设计提供更具科学逻辑的设计流程[16-17]。但文中对智能化以及自动化洗浴的研究较少，尚需在今后的研究中进一步完善，使老年洗浴辅助设备在使用中更高效和智能。