融合DFSS与TRIZ的智能文物展柜创新设计研究

■郭雨晴，傅燕翔，申 敏

(1.广东工业大学艺术与设计学院，广东广州 510075；2.湘潭大学机械工程与力学学院，湖南湘潭 411105）

文物是我国优秀传统文化的物质载体，二十大报告中明确提出：“加大文物和文化遗产保护力度，加强城乡建设中历史文化保护传承”。探索文物保护利用实践与保护机制，是深入贯彻习近平总书记关于发掘好、利用好、保护好丰富文物和文化资源，推动中华优秀传统文化创造性转化和创新性发展等一系列重要指示精神的重要举措。文物展陈是将文物所蕴含的价值与体现的情感传递给民众的重要方式，是展现和传播中华优秀文化、促进中华民族自觉意识的关键途径[1]，“文物陈列”被各个博物馆或纪念馆陆续推出，馆藏文物展出率和社会效果成为文物保护关注的重点[2]。

文物展柜作为文物陈列的重要设备一直是文保人员研究的对象，在展柜中设置温度、湿度、光照度等环境因素的监测设备，有效改善了文物保存环境[3-4]，吴慧津[5]和汪宁[6]等人都在关注展柜的恒湿功能，提出了用吸附式空气取水和基于斯特林制冷机的方法，实现了文物展柜的恒湿功能。防震也是文物展柜设计中关注的重点，周乾[7]等人研制的滚珠式文物展柜水平隔振装置，有效增加了文物的安全性。现有的文物展柜从湿度控制、防震设计、微环境测控等技术层面做了一定的探讨，为文物陈列环境提供了保障。但现有的研究中缺少了对人的因素的考虑，展柜内的设计研究也仅仅是对用户视觉的考量[8]和功能性评估[9]，参观者通过文物展柜认知文物价值过程的体验、文物工作人员对于日常维护过程中的感受都缺乏考量，传统的陈列方式和展示技术已不足以满足用户的现实需求，自动化、智能化方向发展成为趋势[10]。因此，从用户的角度出发，对文物展柜进行创新设计将有效提升文物价值阐释传播效率，优化文物保护工作者的使用体验。

■图1 融合DFSS和TRIZ的文物展柜创新设计流程

1 融合DFSS与TRIZ的产品创新方法框架

1.1 DFSS与TRIZ概述

DFSS（六西格玛设计方法）是一种常用的解决问题的结构化方法，一直被用来改进或优化现有产品或流程[11]，已被应用到多个领域。针对产品设计而言，DFSS采用科学的手段快速识别用户需求，并运用统计方法将产品性能和产品设计要素之间的关系量化，从而在产品设计时能充分考虑客户的关键需求[12]。将DFSS纳入产品创新设计中将有效提升产品质量[13]，同时，更能创建出满足用户需求的新产品或新工艺[14-15]。随着DFSS运用于工程实践，研究人员发现在解决实际工程问题的过程中，DFSS在准确识别用户需求后对于系统的设计和方案的开发存在着一定局限性[16]，已有的DFSS流程在分析复杂系统问题解决过程时会导致技术人员无法正确选择解决问题的路径[17]。TRIZ作为一种强逻辑性的问题求解工具，已经被应用于产品结构、造型、功能设计研究中[18-20]。TRIZ理论是一套发明问题解决问题的理论方法。39个标准工程参数、40条发明原理、最终理想解、八大技术系统进化规律可以针对性将用户的心理需求映射至产品端，从而能更好为研究人员提供满足用户需求的工程解决方案。

针对DFSS与TRIZ的方法属性，DFSS和TRIZ的融合集成将更高效解决生产过程中实际工程问题、优化产品设计流程，提升用户体验。但针对具体产品设计而言，没有一套成熟的TRIZ和DFSS融合框架，并且，在实际的智能文物展柜设计需求中，必须同时考虑游客与工作人员的心理需求和功能需求，从不同的用户角度进行需求分析，解决需求相互冲突问题，因此，本文将以用户为关注焦点，利用DFSS准确识别游客和文物工作人员心理需求和功能需求，并通过引入TRIZ矛盾矩阵，构建一种基于DFSS与TRIZ的文物展柜创新设计方法总体框架及流程，将产品的关键核心问题转变为TRIZ的标准问题，获取产品设计属性，并最终完成产品设计。

1.2 融合DFSS和TRIZ的文物展柜创新设计流程与方法

D F S S 的典型流程分为定义（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、设计（Design）和验证（Verify）5个阶段，即DMADV流程，每一阶段具有对应的方法实现该阶段所要达到的目的。本文在定义阶段将通过用户行为观察、访谈等方式收集整理参观者和文物保护工作人员需求（VOC，Voice of Customer）。测量阶段将通过QFD分析将用户需求转化成可测量、可评估的工程指标，找到用户关注革命文物陈列柜的核心问题和优化目标。在分析阶段将TRIZ融入进来，通过确定最终理想解的方法，从用户需求的角度重新定义产品核心问题，并通过构建设计矩阵分析各个需求之间的相互作用性，利用39个标准工程参数、40条发明原理对耦合性矩阵进行解耦，最终建立功能模型，选择最佳设计概念。设计阶段将分析得到的设计属性详细实施到具体的产品中，最后对设计方案进行可行性测试，以全面评估设计（图1）。

2 基于DFSS的设计要素分析

2.1 获取用户需求属性

用户行为分析是获取用户需求的关键手段[21]。本研究以工农革命军第一军第一师师部及团部旧址作为本次研究的调研地点，首先对“秋收起义”旧址中工作人员日常使用文物展柜的行为进行观察，分析工作人员每一个行为背后的意义，同时对工作人员进行实时访谈，获得工作人员对文物展柜的需求。针对参观者，考虑到人流量与参观者流程问题，本次研究利用摄像机记录，选择30位到旧址进行参观的普通人群，并留下联系方式，采用非参与式用户行为观察与发放调查问卷相结合的形式对获取参观者需求进行分析，课题组在分析参观者需求过程中，有选择性对参与问卷调查的用户进行电话回访，最后获得参观人员和工作人员对革命文物陈列柜的总体需求（表1）。

表1 文物展示工作人员与参观人员需求属性表

2.2 用户需求权重分析

用户需求权重分析是测量阶段的首要步骤，是确定关键技术措施的重要依据。本研究利用层次分析法将用户需求进行定性定量分析，选择向专家发放各需求属性加权意见征询表，说明赋值的方法和标准，让专家通过指标之间两两比较的方法，进行逐一比较，使用Satty1-9及其倒数作为标度进行赋值，判断两个属性重要性区别。本次研究针对两种不同的研究人群，在进行分析评价时需要进行独立评价，根据评价结果获得用户需求属性判断矩阵（表2-表3）。

表3 文物展示工作人员需求属性权重

根据同样的方式可以将文物展示工作人员和参观者的具体需求进行单层次权重分析，同时结合需求属性的权重比例，可以得到具体需求的权重（表4），并对权重以及层次排序的结果进行一致性检验，确定最大特征值对应的特征向量作为被比较因素对上层某因素影响程度的权向量，分析结果表明具体需求层的CR < 0.1，其判定具有一致性。由权重分析可知，对于工作人员使用简单B4、光损伤小B8、故障率低B9、开合省时省力B5等需求要求较高，主要聚焦到工作人员常见保护与日常的使用过程中，对于智能监测B1、智能预警B2有一定期望。参观人员最大的需求是通过参观了解文物背后的故事B13、文物进行一定的交互B10、有一定的沉浸感B11、更多的角度全方面了解革命文物B12，主要聚焦到参观过程中的互动体验，对于实际高度B15、亮度B16需求度偏低。

表4 用户需求权重及单层次排序表

2.3 文物展柜设计要素分析

QFD（质量功能展开）可将用户需求精准地转换到产品的工程要求中去，以确保设计的产品满足用户的需求。“质量屋”是一种确定用户需求和相应产品或服务性能之间联系的图示，通过构建质量屋，可将得到的用户需求映射至产品端，确定用户需求对应的产品部件。本研究对文物展柜设计要素构建质量屋，使用绩效积分1至9为每一个质量屋赋值，根据设计要素重要度计算公式（式1）计算得到设计需求指标重要度，并最终根据用户需求，构建质量屋（图2），以便找到解决核心问题的措施，为设计分析提供参考。

式中：TIRj— 第j项设计要素的重要度； CIRi— 第i个用户需求的重要度;Rij—第i个用户需求与第j个技术要素间的关系赋值。

根据质量屋功能配置，工作人员和参观人员对文物展柜的需求聚焦到展陈方式、托架结构、开合结构、展台高度、收纳装置，根据质量屋中设计特征之间自相关矩阵关系可确定三对设计矛盾：展柜托架结构与展陈方式、开合结构与密封方式以及展陈方式与展台高度，针对以上关联，如何将关联性的用户需求独立并且更好满足展柜的功能是展柜设计中必须解决的问题。

3 基于TRIZ理论的设计求解

TRIZ矛盾矩阵是解决新产品开发过程中的技术和物理矛盾，通过质量屋功能配置确定了3对耦合性矛盾矩阵：（1）游客在观看展品时，希望能够沉浸式A11、全方位多角度A12地观看文物，但是现有文物展柜托架使用方便A4并且需要稳定A7。（2）文物工作人员在进行展品维护的时候需要的是展柜开合省时、省力A5，但是其简单的开合方式将无法保证展柜的密封性。（3）在参观展品时候，用户观看展品的视角A15有一定的要求，对展品的高度有一定的要求，但是，符合用户视角的高度与工作人员进行展品维护时的便捷性有一定的冲突。

将TRIZ理论引入到智能展柜的设计冲突来，通过使用TRIZ理论的39个工程参数，将三个特定矛盾转变为TRIZ一般问题（表5），然后进行通用工程参数分析和冲突矩阵求解，得到发明原理的一般解和工程特定解。

表5 基于TRIZ理论的矛盾转化

3.1 解决展陈方式与展品托架稳定性之间的矛盾

对于第一组TRIZ一般问题，展柜需要满足720度全方面展示展品，让游客能观看展品的每一个角度，更好感受文物背后的故事，但是一方面根据实际场地情况，在实际空间规划中展柜需要靠墙进行陈列，同时不同文物由于其时间久远，很多已经不是完整物品，展柜托架的可活动结构将带来一定的不稳定性，属于一对技术矛盾。建议发明原则编号为：1、分割原理；17、多维运作原理；27、替代原理。对于展柜实际问题，首先利用NO.1分割原则，将用户观看对象与托架进行分割，用户多角度观看展品不一定依托托架的运动。然后利用NO.27替代原理，利用现有3D全息展示技术，实现展品的多方位、多角度沉浸式观看，同时利用NO.17多维运作原理，将实际展品与全息展示双向运行，在认知文物本体的同时可更好了解文物背后的历史。

3.2 解决展柜的开合方式与展柜密封性

对于第二组TRIZ一般问题，工作人员在进行展品维护时通常通过展柜顶部玻璃防护罩的滑动门来进行取放，但可开合玻璃防护罩之间的密封性通常较差，并且频繁地进行开合对于玻璃材质的磨损更加严重，并不能保证展陈空间中的环境处于稳定状态，这属于一对技术矛盾。建议采用发明原则编号：5、组合合并原理；7、嵌套原理；40、复合材料原理。对于展柜实际问题，首先利用NO.5组合合并原理，将玻璃防护罩进行封闭组合处理，让展陈空间具备密封性，然后通过NO.7嵌套原理，设置可运动展品托架升降机构，实现展品可嵌入式入展陈空间，利用密封性强的复合材质加强嵌入展品嵌入展陈空间后的密封性，保证工作人员取放方便的同时，并保证展陈空间环境的稳定。

3.3 解决用户最佳视角与工作人员工作台高度之间的矛盾

合适的展品高度将更有利于用户的观看体验，因此在实际展柜设计中要充分考虑大多数参观游客的观看视角，但观看视角与工作视角之间存在一定的差异，将更不利于工作人员进行舒适的取放工作，属于一对物理矛盾。建议采用发明原则编号为：1、分割原理，15、动态原理；28、机械系统替代原理。对于展柜实际问题，首先利用NO.1分割原理，将展品托架与整体展柜分割开，形式视觉、工作台的可调整性，然后利用NO.15动态原理，需要对展柜工作台进行活动调节，结合矛盾二中托架的整体升降机构，利用NO.28机械系统替代原理，将托架升降装置与展品托架结构结合，实现整体可调节展品托架可调节结构。

■图3 展陈方式方案设计

4 设计实践与评估

前文系统分析了智能文物展柜设计需求属性，并通过TRIZ矛盾举证消除了设计属性之间的冲突，使得产品设计属性之间各自保持相对独立，不用考虑各需求之间相互干扰，同时，以前的研究为展柜尺寸、材质以及形态等设计中提供参考。

4.1 展陈方式方案设计

根据3.1部分TRIZ理论的设计求解，在展陈方式实际设计过程中，将文物实体展示空间进行密封性组合处理，游客可通过文物实体展陈空间近距离观看文物本体状态，设置现有3D全息投影技术设备，对文物背后的历史故事动态展示出来，让中华优秀传统文化“入心入脑”。同时，依据现有智能展柜的数据监测，设置可视化数据面板，让工作人员能实时掌握文物的展陈环境，并根据实时数据让文物本体展陈环境预防性可控（图3）。

4.2 展柜开合方式方案设计

工作人员需要对文物进行间断性维护，在此过程中频繁的开合与长时间的文物暴露，一方面增加了工作人员完成既定任务的复杂度，另一方面对文物存放的内部环境有一定影响，根据3.2部分TRIZ理论的设计求解，将文物本体展陈空间设置为上下结构，依托步进电机实现文物托盘的升降，让文物在维护时自动脱离和嵌入展陈空间（图4），并通过密封性复合材质，在保证文物展陈空间环境稳定性的同时，减少工作人员的工作量。

4.3 展柜工作平台方案设计

游客观看文物的最佳视角稳定在一定的高度范围内，但对于工作人员而言，按照人机工程学分析其工作高度与展示高度是不一致的，在解决掉展柜的开合方式之后，工作人员实际对文物进行维护的姿态问题也是要考量的重点，根据3.3部分TRIZ理论的设计求解，对展柜工作台进行活动调节，设置托架升降装置与展品托架结构结合，实现整体可调节展品托架可调节结构（图5）。

4.4 展柜整体设计

在完成功能与结构创新后，还需进行设计整合以完成最终案例。在展柜材质方面，胡娇娇[22]等人分析了大量博物馆展柜的CMF，其分析结果表明现阶段玻璃、木材和金属为展柜家具的主要用材，本方案涉及自动化结构方案，材料上选用玻璃及钢材。展柜色彩既要考虑与展陈环境的适应性，也需避免喧宾夺主，在以往的研究中考虑中性色系较多，本方案赋予展柜主体为灰白色，同时，展台色彩相较于主体色彩弱化深度，强化色温，在视觉上引导用户将目光优先落入展台上。展柜的高度在考虑具体放置环境的情况下，展品陈列高度还需要符合产品人体工程学，按照人体立姿情况下，国内人体P5到P95人体视线范围在600 mm至1500 mm，对于中等展台高度将在850 mm至1250 mm为宜[23-24]，本方案将确定展台高度在1200 mm，根据陈列物品类型，确定整体展柜高度。在确定主要设计要素后，最后根据展陈方式、展柜开合方式以及展柜工作平台的方案设计绘制整体文物展柜草图，推敲其合理性，最终完成产品设计（图6）。

4.5 设计评估

智能展柜的创新设计的目标是满足工作人员和参观人员的需求，从而提升用户体验，设计评价标准要根据用户需求属性建立，展柜属于用户为主导的产品，此类产品的评价指标中存在着多个属性和模糊信息。模糊信息公理是一种模糊数学的方法，主要根据潜在的不确定性语言评估多标准的问题。本文对创新展柜的评估将采用模糊信息公理对用户的使用过程和参观过程进行评估，并将重点需求属性中的每一个属性分为五个等级，分别是好、较好、一般、偏差、差，并对每一个级别提供对应的基本描述[25-26]。被试者在各自体验智能展柜和原展柜后，对评价表进行评价，得到评价数据，为后续评价提供数据支撑。由于实际条件限制，无法制作出实体样机，本文依托Unity3D搭配具有HMD的HTC VIVE设备，建立了创新方案与原始方案的虚拟样机以及还原了展陈场景，用户通过在虚拟环境下体验两种设计方案进行验证（图7）。根据评价结果可得到新、旧两款设计方案评价指标值[27]。

模糊信息公理用于计算无形属性的信息内容，由于定性指标的隶属函数大致呈线性，因此，本次评价采用梯形模糊隶属函数。将这些定性语言描述的指标，通过模糊综合评价法进行数值化，可得隶属函数曲线（图8）。以了解文物背后的故事需求B13为例，可根据公式得到两个方案的信息量I（2）（3），并最终得到虚拟体验下可评估属性的总信息量（表6）。

表6 评估指标信息量

根据公式将所有设计属性评估指标进行统计最终信息量：I新< I原，按照模糊信息公理可以判断优化后的方案更优。

5 结语

在实际产品的开发设计过程中，DFSS在准确识别用户需求，对于系统的设计和方案开发存在着一定的局限性。融合DFSS和TRIZ理论更加高效地解决了生产过程中实际工程问题。本文的研究建立在实践的基础上，由于各种条件的局限性，此次研究存在许多尚未完善的地方：在需求获取方面，本文是基于工农革命军第一军第一师师部及团部旧址作为调研地点，但各个不同机构采用的是不同的展柜类型，对于具体需求可能存在差异。产品验证方面，本文虽然用了虚拟样机，但涉及展柜本身的物理属性无法进行实际验证，后续研究需要获得产品实物进行使用评估，使得验证结果更加客观。

■图8 隶属函数曲线