基于感性工学和层次分析法的模块化家具设计

刘宗明，陈旭辉

基于感性工学和层次分析法的模块化家具设计

刘宗明*，陈旭辉

（陕西科技大学 设计与艺术学院，西安 710016）

为了最大程度地满足人的感性需求和感知体验，在保证功能的基础上，提出基于感性工学、层次分析法及TRIZ理论相结合的设计流程，设计出符合人机工学原理且美观、实用、易于组装和拆卸的模块化家具。基于感性工学方法，建立模块化家具的样本空间并进行感性意象词汇收集。对意象词汇进行聚类分析，通过语义差异法计算意象词汇的平均分以进行因子分析。运用层次分析法构建模块化家具设计层次结构模型并进行权重结果计算，确定感性词汇与模块化家具设计的关联性，最终通过TRIZ创新理念指导设计实践。运用感性工学、AHP层次分析法及TRIZ创新理念的集成设计模型可以得到符合用户需求的设计方案。基于感性工学及AHP层次分析对用户需求进行总结归纳，借助TRIZ发明方法进行矛盾分析并解决，最终对模块家具进行再设计。三者的结合以更加科学系统的方式进行产品的设计和改进，为产品设计开发提供有效参考。

感性工学；AHP层次分析法；TRIZ；模块化；家具设计

目前，随着人们生活水平的提高，家具消费已经从实用至上的理性消费转变为追求个性化的感性消费。在这样的消费趋势下，模块化家具在市场竞争中脱颖而出。模块化家具是指由多个独立的组件组成的家具，可通过组装、拆卸和重新排列来适应不同的需求和空间，具有满足多样化需求、简化维修和更新、提高生产效率、降低开发成本、延长生命周期等优点[1]。通过对国内市场进行调研，发现国内模块化家具忽视了人的感性需求和感知体验，与用户情感连接并不紧密。因此需借助设计理论从方法论的层面优化设计分析流程，并针对模块化家具进行研究，以提高产品的吸引力、可用性和用户满意度[2]。

感性工学理论能够有效获取产品意象词汇，层次分析法能够多层次、客观地分析和解决问题，使评判和决策结果更加准确、合理[3]。现有学者将两种方法相结合以进行研究，旨在量化感性意象对用户体验感的影响，以期寻找设计要素和感性意象之间的关联性。杜鹤民[4]将感性工学和FAHP相结合并运用于应急通信车内部布局设计方案评价，证明该评价方法对造型设计评价的科学性；黄河等[5]以老年人智能手表为例，建立了一种基于感性评价的产品可用性评估体系，运用感性工学理论分析了老年人电子产品的可用性，开辟了一条用理性方法解决感性问题的新途径；周志勇等[6]以锤子为研究对象，运用层次分析法将感性词汇的“力量感”逐层分解成感性设计层级图，根据研究成果进行设计实践，为五金工具创新设计提供了一种新的思路。本文首先对产品建立感性意象，使用多维尺度分析法、聚类分析法、语义差异法等感性工学方法，对意象词汇进行数据处理，通过因子分析确定模块化家具设计层次结构模型。在此基础上运用层次分析法将分析后得到的感性词汇对转化为客观的数学需求依据，最后通过TRIZ理论进行设计指导并完成设计方案。

1 研究理论概述

1.1 感性工学与感性意象

感性工学理论最早由日本广岛大学的教授长町三生于1970年提出，该理论通过研究和分析用户的感性需求、情感和体验，将这些感性因素转化为可量化的数据，并应用于产品的设计和开发过程中[7]。感性工学注重通过实验来获取关于用户感性需求和体验的数据并对结果进行处理分析，在设计流程上主要分为感性意象获取、模型建立和设计优化3个阶段[8]。在使用感性工学设计方法进行设计时，设计师可以根据收集到的感性词汇，通过李克特量表法、SPSS统计法和语义差分法等方法将感性数据信息化，从而更好地满足用户的感性需求[9]。

感性意象研究基于感性工学，通过将人的感性要素量化并与目标对象的要素进行关联，从而为产品设计和开发提供科学的指导[10]。感性意象研究的各个阶段中是相互关联的，一般可以分为试验、统计和计算机系统分析三大阶段，感性意象研究中涉及到多种试验、统计分析和优化方法，包括问卷法、语义差异法、因子分析、聚类分析、多维尺度、人工神经网络、遗传算法等[11]。

1.2 AHP层次分析法

AHP（Analytic Hierarchy Process）层次分析法是一种用于决策分析和优先排序的分析方法，用于处理复杂的、多元的决策问题。该方法主要包括如下三个步骤。

1）计算判断矩阵。通过将复杂的决策问题分解为不同的层次结构，各层之间互不影响[12]。对模型中各因素之间的相对重要性进行比较。通过一系列问卷和专家访谈，确定两因素之间的判断矩阵，即每个因素对其他因素的重要程度。

2）计算权值向量。利用特征向量法对判断矩阵进行归一化处理，得到每个因素的权值向量。该向量可以表示每个因素对整个层次结构的重要程度，即决策结果的影响程度。

3）计算一致性指标和一致性比率。通过计算一致性指标和一致性比率，来判断矩阵的一致性和可信度。只有在达到一定的一致性水平时，才能保证AHP方法的可靠性和有效性。

1.3 TRIZ理论

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理论是由苏联工程师阿尔图尔·盖保罗维奇·阿尔图谢夫（Genrikh Saulovich Altshuller）于20世纪40年代初创立的一种系统性发明创新方法[13]。TRIZ理论是一种系统性创新和解决问题的方法，强调通过排除自身以外的其他影响因素，应用TRIZ工具和原则寻找理想化的解决路径[14]。感性工学和AHP层次分析法强调在解决问题或进行创新之前，对目标人群的情感化需求和设计对象的意象表达进行深入的提炼和分析。TRIZ理论则强调通过系统的分析，找出问题和局限，以及已知的科学技术水平，从而找到最优的解决方案。三者结合有利于强化设计需求的科学性及设计方案的准确性。

1.4 研究路线

针对模块化家具设计，将层次分析法和感性工学理论相结合，可以使产品设计更加科学和用户导向，平衡和满足用户的主观和客观需求[15]。本文将使用感性工学研究方法对模块化家具进行感性意象研究，以期寻找最符合消费者需求的感性词汇，然后运用AHP层次分析法将模糊的感性词汇转化为客观的数学依据，指导模块化家具设计实践[16]。研究路线如图1所示。

2 模块化家具意象研究

2.1 模块化家具样本空间建立

模块化设计是以系统为出发点，基于产品功能，通过分解和组合的方式构建模块体系的设计方法[17]。模块化家具的感性特征与传统家具不同，呈现出标准化、组合化、通用化的特点，因此在进行感性意象词汇收集前应先建立样本空间，通过对样本进行概括以得到最符合模块化家具特征的意象。通过网络搜索及实地调研等方式对市面上的模块化家具进行样本收集，建立模块化家具样本空间，如图2所示。

图1 基于感性工学理论与层次分析法的研究路线图

图2 模块化家具代表性实验样本

2.2 模块化家具感性意象词汇收集

通过相关资料阅读及用户调研，得到100个与模块化家具相关的感性意象词汇，去掉相似的词汇，初步得到30个感性词汇。然后记录30个感性词汇的反义词，最终得到30组感性词汇对。通过问卷调查，筛选测试者20人，成立评价小组。为了保证测试结果的科学性和客观性，考虑到不同群体的使用行为和认知特征，测试者性别比例基本均衡，年龄分布尽可能地涵盖不同年龄段，月均可自由支配收入处于中等水平，且高等收入也有一定比例[18]。要求测试者在30 组感性词汇中选择自己认为最适合描绘模块化家具意象的感性词汇，最后对问卷结果进行分析，得到排名前20的感性词汇对，如表1所示。

表1 感性词汇总

Tab.1 Perceptual vocabulary

2.3 对感性意象词汇进行聚类分析

评价小组成员根据自身的经验及判断对20组感性词汇对进行归类，分组数量由测试者自行决定，一般分4～6组。将表中的20个意象词汇对列出一个20×20的矩阵，根据小组归类结果统计每两对感性意象词被列入同一群的次数，并将结果输入到前述的矩阵中[19]。

首先使用多维尺度分析法确定矩阵的拟合度，若Stress值符合要求，则可以进行聚类分析。计算得到Stress值为0.112 02，结果在压力系数范围之内，此矩阵可以用来进行聚类分析。然后使用SPSS软件对矩阵进行聚类分析，图3是感性语意词汇聚类分析的树状图，在图3中10～15的虚线标处将感性词汇分为3群。感性意象分群如表2所示。

图3 聚类分析的树状图

表2 意象词汇分群

Tab.2 Image vocabulary cluster

2.4 模块化家具感性测量值分析

通过问卷调查对模块化家具样本进行感性评价，并采用语义差异5阶量表来收集数据。感性数值分别为：–2、–1、0、1、2，形成模块化家具语义差分[20]，共回收问卷53份，在剔除无效问卷后获得有效问卷50份，计算出各个样本感性词汇的得分均值，见表3。

将感性词汇的平均值导入SPSS数据分析软件[21]。通过对数据的降维化处理，可得公因子方差表（如表4所示）。从表4中可以看出各个样本的感性词汇倾向[22]，公因子方差的累积贡献率越接近0.9的感性词汇越能影响用户的判断。

经SPSS软件对统计数据进行因子分析，通过因子特征值陡坡图（如图4所示）可以看出有四项指标大于1。因此，只需保留前4个因子就能概括统计数据的大部分信息，根据特征值确定提取前4位为主成分。

凯撒正态化最大方差法是一种常用的因子分析正交旋转方法，它旨在使得旋转后的因子载荷矩阵更易解释和解读。运用凯撒正态化最大方差法进行正交旋转，降低感性因子在不同因素之间的相关性，旋转后的因子载荷矩阵，见表5。

表3 感性词汇得分均值

Tab.3 Average score of perceptual vocabulary

表4 公因子方差表

图4 因子特征值陡坡图

根据旋转后因子载荷矩阵可以分析出与各个主成分之间关系紧密的感性词汇，可以看出：与主成分1关系紧密的感性词汇对为“个性的-大众的”“灵活的-呆板的”“创新的-模仿的”；与主成分2关系紧密的感性词汇对为“轻松的-紧张的”“舒适的-不适的”“自然的-人造的”；与主成分3关系紧密的感性词汇对为“实用的-花哨的”“安全的-危险的”；与主成分4关系紧密的感性词汇对为“现代的-传统的”。以上9组可以作为最能影响用户判断的感性词汇对。

表5 旋转后的因子载荷矩阵

3 基于AHP层次分析法的需求层次分析

3.1 构建评价指标体系

通过上文的模块化家具意象研究结果，结合模块化家具设计的特点，进行小组讨论，组员包括设计系老师、研究生及家具行业相关人员共10人。子准则层选择旋转后因子载荷矩阵中的9组与主成分关系紧密的感性词汇对，结合感性意象词汇聚类分析结果，最终选取准则层为：功能性、个性化、情感化[23]。最终构建模块化家具设计层次结构模型如图5所示。

3.2 用户需求权重计算

根据AHP层次分析法对每一层级项进行判断标定，标定值范围为1～6，当两者重要程度等同时，标定值为1；当其中一项远比另一项重要时，标定值为6，判断矩阵标定表见表6。要求组员对层次分析模型中同一层级的需求项进行两两比较并打分，然后针对打分结果进行讨论，给出一致性意见，从而构建科学、客观的判断矩阵[24-25]。

运用式（1）计算出判断矩阵的最大特征根max，将特征向量进行归一化处理，并通过计算R对结果进行一致性检验，见式（2）～（3）。

其中，一致性比率R是评估判断矩阵中数据的一致性程度的指标。通过计算一致性指标I和平均随机一致性指标I以获得一致性比率。当R≤0.1时，表明判断矩阵合理，平均随机一致性指标如表7所示。

小组成员依据AHP方法对准则层各评价因素进行比较，故形成了准则层判断矩阵及权重[26]，见表8。

图5 层次结构模型

表6 1～6级标定法

Tab.6 1～6 scaling method

表7 随机一致性指标

Tab.7 Random consistency index

表8 准则层判断矩阵及权重

Tab.8 Criterion layer judgment matrix and weight

根据式（1）可以计算出判断矩阵最大特征根max=3.009。根据公式（2）～（3）计算出一致性指标I=0.005，平均随机一致性指标I=0.525，由此得出随机一致性比率R=0.009 <0.10，故此判断矩阵通过一致性检验，此方案有效。

构建比较矩阵，分别计算三个准则下所有子准则层指标的二级权重值，判断矩阵及权重如表9～11所示。三组判断矩阵的R值分别为：0.09、0.017、0.051，均小于0.1，符合一致性检验标准。

表9 子准则层判断矩阵及权重

Tab.9 Subcriterion layer judgment matrix and weight

表10 子准则层判断矩阵及权重

Tab.10 Subcriterion layer judgment matrix and weight

表11 子准则层判断矩阵及权重

Tab.11 Subcriterion layer judgment matrix and weight

计算每个子准则层的二级权重与一级权重的乘积，进行层次总排序，便可求出各个子准则层的综合权重，结果见表12。

根据层次分析法的权重计算结果可以得出，在准则层中个性化需求最为重要，功能性需求第二，情感化需求位列第三。从指标的综合权重值来看，影响模块化家具设计排名前三的感性词汇对为：“个性的-大众的”“实用的-花哨的”“灵活的-呆板的”。

表12 总需求矩阵权重表

Tab.12 Total demand matrix weight

4 模块化家具创新设计方案

通过上述得出用户需求，将需求进一步转化为设计路径并通过TRIZ创新设计方法加以实践，从而更好地帮助设计者从更全面的角度审视问题，找到更有创造性的解决方案[27]。

4.1 矛盾的描述

根据对感性词汇的最终分析，提取感性词所对应的设计要素，发现设计要素中存在4对矛盾，如表13所示[28]。

1）第一对矛盾是既追求产品的功能实用又希望产品可以个性定制，即基本需求和个体差异性之间的矛盾。

2）第二对矛盾是安全稳定与灵活可变之间的矛盾。因为家具灵活性的提高可能会伴随不确定性和风险，从而降低安全性。

3）第三对为现代时尚和自然古朴之间的矛盾，即美学理念的差异。

4）第四对是新颖独特和舒适宜人之间的矛盾，通常标新立异往往会带来使用体验感的下降。

表13 矛盾提取

Tab.13 Contradiction extraction

4.2 矛盾分析

将4对矛盾冲突与TRIZ理论中的矛盾类型相对应，并根据其所对应的工程参数或分离原理，选择合适的发明原理，以期为接下来的设计实践提供解决思路，见表14。

表14 TRIZ理论下的矛盾分析

Tab.14 Contradiction analysis under TRIZ theory

4.3 模块化家具设计方案

为解决上文所提取的4对矛盾冲突，针对相应的发明原理进行分析，基于模块化设计方法选择合适的原理对问题予以解决，从而寻找出最佳的设计决策。根据模块互换性准则，模块可分为功能模块和结构模块。功能模块指的是功能相对独立，且具有互换和等效功能的部件；结构模块指安装尺寸符合统一标准、达到互换性和通用性的部件[29]。针对本次模块化家具设计，功能模块为各个尺寸不同的隔板及挡板，而结构模块是为了保证功能模块的实现。因此，结构模块为支撑家具结构的框架，而功能模块和结构模块的结合构成了模块化家具本身。

为了解决功能实用与个性定制之间的矛盾，主要采用了分割原理（NO.1）、分离原理（NO.2）、复制原理（NO.26）。分割原理（NO.1）是将一个系统或组件进行分离和隔离，方便维修、独立运作等操作。如图6d所示，将家具拆分成多个模块，方便用户进行自由拼装。分离原理（NO.2），即将整体切分成独立的部分或是使物体更容易拆装[30]。如图6a所示，将设计元素分离成不同的模块，将各个模块进行组装后形成一个书架。将书架的某一部分单独拆卸下来，安装上挡板和轮子就形成了一个可移动置物架。如果只安装一层加高的挡板就形成了一个手推车。如图6c所示，脚架、搁板等分离出来，可以让用户自由安装、调整家具的高度，以适应不同的使用场景和需求。应用复制原理（NO.26），采用通用模块提高设计的效率和一致性，从而实现更高效的模块化设计。如图6a所示，从板凳到置物架，再到书桌最后到书架，复制相似结构和元素，以快速创建新的家具。基于TRIZ理论采用模块化设计的方法在实用性和个性定制化之间找到平衡。

预补偿原理（NO.11）可以很好地解决安全稳定与灵活可变之间的矛盾。如图6c所示，为了解决家具模块之间接口配合不紧密而导致的安装困难和稳定性差的问题，在设计过程中预先设想到这一问题，增加嵌合凸凹形状、加入螺丝，从而使接口之间更加紧密。使用有效作用的连续性原理（NO.20），采用连续性的连接方式，将模块进行卡扣式设计，从而使得结合更加牢固，保证每一个模块呈负荷工作状态，以提高整体稳定性[31]。

现代时尚与自然古朴之间的矛盾实际上是源于不同消费者的不同审美取向，可以采用改变颜色（NO.32）和复合材料（NO.40）来解决这个矛盾。如图6a所示，使用不同颜色的设计模块，用户可以根据喜好自由打破，进行传统与现代间的融合。如图6c所示，铝合金棒和木材的搭配，将现代工艺和自然材料进行结合，不仅能够凸显家具的质感，同时也能防潮、抗压、防火、防污等。

图6 细节展示

TRIZ理论中的变有害为有益原理（NO.22）是指将原本有害或无用的因素变得有益，可以较好地解决新颖独特与舒适宜人之间的矛盾。如图6a所示，小凳子旁边伸出的铝合金棒容易影响使用的舒适性，设计与之匹配的垫子，垫子四角刚好可以固定在棒体上，既解决了问题，又增加了舒适性。

模块化的设计方法允许用户在不同的使用场景下根据需要自行自由组合出不同种类的家具，以适应个人需要和空间大小。该设计兼具实用性、舒适性、个性化、安全性，既符合了感性工学的原则，引导用户舒适、快乐、愉悦地使用家具，又从技术角度解决了可能产生的矛盾，使用户在使用过程中能高效地完成组合和拆解，最终设计方案见图7。

图7 模块化家具组

5 结语

本文将感性工学、层次分析法和TRIZ理论相结合以进行设计指导并完成设计方案。感性工学原理能更好地满足用户体验；层次分析法将模糊的感性词汇转化成数学依据；TRIZ创新理念使设计实践更加科学化，为设计实践提供了有效的参考。三种方法的集成结合，使产品设计更具科学性及用户导向性，平衡和满足了用户的主观和客观需求，不仅帮助设计师制定更具准确性和可行性的产品设计方案，也为后续理论研究提供了借鉴思路。

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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