集成AHP-QFD-TRI...～6岁儿童纸制玩具设计研究_胡康.pdf

工业 工程 设计 Industrial&Engineering Design2023年6月 第5卷 第3期集成AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计研究胡康，蔡文浩武汉科技大学，武汉 430000摘要：针对36岁儿童纸制玩具缺乏多种功能性的现状，探寻适合36岁儿童的纸制玩具设计方法。考虑到儿童纸制玩具的用户群体的特殊性，首先针对纸制儿童玩具市场现状与多种用户访谈确定家长、儿童两种用户群体实际需求；其次运用AHP建立总体用户层次需求模型对需求进行权重打分，并将所得权重置入QFD将其转化为设计需求，同时得出设计需求的具体权重比，并确定主要设计矛盾；最后与TRIZ相结合确定解决纸制玩具设计矛盾的发明原理，选出最优发明原理对问题进行解决，验证方法可行性。通过集成AHP-QFD-TRIZ理论，寻找儿童纸制玩具的设计点和设计矛盾，并进行有针对性的设计实践。通过该方法发现了设计中的需求与矛盾问题，提高了儿童纸制玩具设计的科学性和有效性。关键词：AHP；QFD；TRIZ；36岁儿童；产品设计；纸制玩具中图分类号：J524文献标识码：A文章编号：2096-6946（2023）03-0078-08DOI：10.19798/ki.2096-6946.2023.03.010Design of Paper Toys for ChildrenAged 3-6 Based on IntegratedAHP-QFD-TRIZ TheoryHU Kang,CAI WenhaoWuhan University of Science and Technology,Wuhan 430000,ChinaAbstract:The work aims to explore the design method of paper toys for 3-6 years old children in view of the lack of multiplefunctions in paper toys.Considering the particularity of the users of childrens paper toys,the actual needs of parents and childrenare determined according to the current situation of the paper toy market and various user interviews.Secondly,AHP is used toestablish the overall user hierarchy need model to score the weight of the need,and the weight is put into QFD and converted todesign needs.Meanwhile,the specific weight ratio of design needs is obtained,and the main design contradictions are determined.Finally,combined with TRIZ,the invention principle to solve the paper toy design contradictions is determined,and the optimalinvention principle is selected to solve the problem and verify the feasibility of the method.Through the integrated AHP-QFD-TRIZtheory,the design points and contradictions of childrens paper toys are found,and the targeted design practice is carried out.Through this method,the needs and contradictions in the design are found,which improves the scientificity and effectiveness of thedesign of childrens paper toys.Key words:AHP;QFD;TRIZ;children aged 3-6;production design;paper toys玩具作为儿童必不可少的“朋友”，通过家长及环境的正确引导，可以更好地帮助孩子健康成长1。随着社会的不断进步，家长和孩子对玩具的需求不只满足于娱乐的需要，更多的是考虑到玩具对孩子心理健收稿日期：2022-12-07作者简介：胡康（1980），男，硕士，副教授，主要研究方向为设计科学、产品设计与人因工程、儿童玩教具设计研究。通信作者：蔡文浩（1998），男，硕士生，主攻参与式设计。78胡康，等：集成AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计研究第5卷 第3期康、成长发展的需要，使玩具的材质、教育意义等因素在家长购买玩具时也被考虑在内。就此，赵可恒2提出在玩具设计时对材料的选取，需要充分考虑到材料的各个方面，以用户为导向，将材料的属性、选材、制造、回收、环保等作为一体进行考虑。张璐霞3进一步尝试将瓦楞纸家具作为玩具进行设计，通过家具与玩具的结合，实现纸制玩具产品的多样性。郭华4通过在儿童纸制玩具中引入中国京剧的元素，让儿童在娱乐的同时感受京剧文化，使玩具更具教育意义。这些都是玩具在材质上向着环保健康方向的创新和发展，但是现有市面上的玩具都缺乏对儿童教育功能的扩展，以及缺乏科学合理的方法来指导纸制儿童玩具的设计。基于对儿童纸制玩具的研究，本文通过挖掘用户对儿童纸制玩具的具体需求，将AHP、QFD与TRIZ相结合，寻找一种适合于36岁儿童纸制玩具的设计方法。一、现有36岁儿童纸制玩具设计研究儿童时期的成长对未来起着重要的作用。凌辉5在 36岁儿童自立行为结构的初步研究 中提到36岁这一阶段是儿童成长过程中至关重要的时期，也是人心理、道德和观念等方面初步形成的时期，而玩具在这个时期会一直陪伴在儿童左右。一件亦师亦友的儿童纸制玩具可以满足孩子在此阶段的各种需求。现代儿童对玩具的需求不仅是娱乐，而且需要辅导儿童在36岁这一关键时期形成正确的人生观、价值观和世界观。然而，36岁儿童挑选的玩具，其购买群体是家长，这就造成了此种玩具产品同时包含两个甚至多个用户群体的现状，对此种现状需要科学的方法对多个用户群体的需求进行整理和排序，满足多用户、多方面的需求。而国内玩具市场更看重玩具的娱乐性，很少有玩具可以满足孩子的教育需要6，这种现象不利于儿童的成长和发展。同时，针对现有的36岁儿童纸制玩具满足娱乐与教育的同时，在材料的选取上也要满足儿童对健康和环保方面的教育。由于纸制玩具用料的特殊性，材料本身具有可回收、可再次利用的特点，使用得当有助于提高儿童在环保方面的意识，具有良好的教育意义。因此，需要一种科学的设计理论研究方法指导纸制玩具进行设计，使之符合现代用户的各种需求。二、36岁儿童纸制玩具设计方法概述（一）方法概述AHP理论可以有效地对用户及其需求进行权重打分，衡量不同用户对需求的具体权重进行打分，有效解决儿童玩具这一特殊对象拥有双重用户群体所提出的不同需求的问题。而AHP-QFD的结合可以建立产品规划矩阵，准确无误地将其转化为设计特征，保证产品完全满足顾客需求7。然而这种设计方法只能保证产品定义满足客户的需求，对如何设计产品没有明确的指导方法。因此，需要一种方法指导产品在功能和结构上如何进行设计，由此将TRIZ概念引入。TRIZ概念通过将发现的具体问题抽象为一般问题，并通过通用的解决方法进行解决，由此推导出针对具体方案的具体解决方法。通过以三种研究方法相结合的方式，可以将用户的需求通过科学合理的量化分析进行解决，为产品的设计提供理论依据。通过这种理论方法，引入儿童纸制玩具设计，确定产品的具体设计方案流程，见图1。整体设计流程方案一共分为4步：（1）运用AHP计算用户需求的具体权重值，确定QFD模型中相关参数，了解不同用户群体的需求权重值；（2）建立质量屋，通过对用户需求和技术特性进行分析，建立相关矩阵，对相关参数打分，确定具体设计特征；（3）引入TRIZ理念，通过对在QFD质量屋中得出的设计特征进行分析，确定冲突类型，运用相应的解决方法，并结合纸制材料的特性，找到矛盾的解决方案；（4）方案产出，结合TRIZ的发明原理，找到具体解决方案，完成最终设计产出。（二）方法流程1.收集样本和用户需求进行权重计算基于上述对36岁儿童纸制玩具的基本探究，用户需求的确立是完成此次设计的基础。通过市场调研与家长、儿童的访谈，确定用户的具体需求，并对专家小组讨论将现有可满足用户需求的技术进行整理，将两者进行罗列整理，结合层次分析法（Analytic HierarchyProcess，AHP）8对各需求的权重进行评价打分，以此保证两类用户的具体需求都被不同程度地满足，并且AHP方法要求保证数据一致性，以此判定判断矩阵是否含有逻辑错误，其中判断矩阵一致性指标为CI，见式（1）。CI=(max-n)/(n-1)（1）式中：n为判断矩阵阶数，当n2时，判断矩阵的一致性指标与随机一致性指标RI的比为随机一致性比率CR，若CR0.1，则认为该判断矩阵的赋值具有满意的一致性，见式（2）。CR=CI/RI（2）79工业 工程 设计 Industrial&Engineering Design2023年6月图1结合QFD与TRIZ理论的方案设计流程2.运用QFD理论构建质量屋并定位设计矛盾QFD质量屋可以有效地将用户需求转化为设计需求。采用焦点小组对用户需求进行深入分析，建立质量屋，其中的“用户需求-设计特征”在相关矩阵中对负相关参数用“-”表示。在儿童纸制包装玩具设计时，需要着重解决呈现负相关的设计特征之间的矛盾关系。用户需求与设计特征之间存在强、中、弱、不相关4种关系，分别赋值为9、3、1、0，其表示方法与相关性分值见表1。根据“用户需求-设计特征”矩阵关系可计算设计特征的权重值。设用户需求相对权重集合为W=w1,w2,wn，其中wi0,1,i=1nwi=1,其数值运用上述AHP方法计算完成；设计特征相对权重集合为V，V=v1,v2,vm，其中vj0,1，j=1mvj=1，“用户需求-设计特征”评分矩阵为Rij，见式（3）。Rij=|R11R1mRn1Rnm（3）第j个设计特征总评分为Mj，见式（4）。Mj=i=1nRijwi（4）结合设计特征相对权重排序与呈现负相关的设计特征之间的冲突区域，确定需要解决的设计矛盾问题，并着重平衡与其他设计矛盾间的关系。3.运用TRIZ理论进行设计求解由上述方法得出具体设计矛盾之后，按照TRIZ理论确定具体设计矛盾，对照其理论中的多功能参数进行比对，明确方案具体解决方式，保证产品功能的驱动创新。同时，考虑到36岁儿童纸制玩具的实际特性，在对设计矛盾进行具体区分的同时，保证矛盾的解决不会违背纸制产品的生产原则，以此对确定的设计矛盾进行解决，并根据具体需求探究问题，找到最终解决方案。三、基于AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计实例（一）用户需求数据收集与权重计算36岁儿童纸制玩具的目标用户和传统工业产品有所不一，两种用户群体影响同一产品功能。通过网络调研、用户访谈确定使用玩具时所遇的基本问题，之后由1名幼儿园老师和5名经验丰富的工业设计师组成专家小组，对36岁儿童纸制玩具的实际需求进行深入探讨，并获得用户需求层次模型。随后邀请上述专家对所提出的层次需求模型进行权重打分，并进行表1“用户需求-设计特征”相关性分值相互关系分值符号强9中3弱1不相关0-80胡康，等：集成AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计研究第5卷 第3期一致性检验。采用相对尺度即19级比较标准进行判断，获得评分后利用式（1）与式（2）确保数据集准确。结果表明，各层级的CR值皆小于0.1，因此可确定判断矩阵的赋值满足一致性，见表2。由此表可以看出，家长在进行实际决策的时候更具影响力，同时“材质优良”“色彩鲜亮”“娱乐性”三个需求权重值最大，说明儿童的需求也被考虑。（二）构建纸制玩具包装质量屋QFD是一种以用户需求为导向，将其转化为产品特性的高效工具。其中质量屋作为方法核心，由左墙用户需求输入项、天花板产品特征输入项、房间用户需求与产品特征相关关系矩阵、屋顶产品特征自相关矩阵、地板权重输出项矩阵共5个部分构成。通过质量屋模型可以清晰准确地表达用户需求与设计特征的关联程度，得出更加详细的设计特征权重值，以及各项技术之间的正负关联性。根据上述两个用户群体需求的具体比值进行综合排序，得到儿童纸制玩具的具体需求权重排序，并由专家组将二级需求转化对应的设计特征，并将其作为质量屋天花板的输入指标：结构、功能、材质、造型、尺寸大小、稳定性、可操作性、表面工艺、防护措施。将AHP用户需求权重作为左墙输入项，通过赋值展示用户需求与设计特征的具体比值关系，根据式（3）将各输入项搭建各矩阵，并计算输出项矩阵的产品特性权重。由此可得“功能”“材质”“可操作性”三个设计需求，并作为主要关注点，同时探寻用户需求与产品设计要素之间的关系，最终确定纸制玩具中的两种设计矛盾。质量屋顶为产品设计特征的相关矩阵，其中用“-”表示负相关，并对导致负相关的产品特征进行优化，根据表中可知，“功能”与“可操作性”和“功能”与“尺寸大小”存在负相关矛盾，并在之后的TRIZ理论中进行矛盾分析及冲突解决，见图2。（三）运用TRIZ理论确定设计矛盾TRIZ的矛盾分析方法主要运用矛盾矩阵解决新产品开发过程中的技术矛盾和物理矛盾。对质量屋的数据进行分析，经过前期分析与质量屋的构建发现2对负相关矛盾，分别为“功能”与“可操作性”和“功能”与“尺寸大小”。首先对矛盾的具体类型进行分析，将其抽象为39个通用工程参数，根据参数编号对应解决冲突的发明原理，可以确定两种冲突类型为1对技术矛盾和1对物理矛盾。通过TRIZ理论将这两种矛盾进行分析，1对技术矛盾通过TRIZ中的多种功能参数进行对比，找到解决方案9。1对物理矛盾的解决可将用户对产品的功能与尺寸大小这两种矛盾的需求进行分离10，通过空间分离和条件分离这两种解决方法使两种需求同时满足用户的需要。1对技术矛盾为，当纸制玩具功能增多时，复杂功能的玩具会使儿童在使用玩具时可操作性降低。1对物理矛盾为，为满足用户需求，使玩具的一项功能尺寸增大，满足其余功能的尺寸就会减小。由此根据两种矛盾，结合TRIZ理论将矛盾进行分析，寻找相应技术支撑。对技术矛盾需要改变的是，产品“适用性和多用性”与“可操作性”之间的矛盾，利用4种发明原理可以解决这类问题。对1对物理矛盾来说，主要冲突对象即为产品内部各种功能结构的尺寸大小，通过TRIZ的分离原理中的条件分离来进行分析，即可得出13种发明原理，见表3。而从综合的产品设计流程上来看，根据实际情况优选适合的原理应用可得到解决产品特性冲突的方法，见表4。（四）设计点确定通过确定基本设计矛盾并结合纸制材料的基本特性，可以明确之后的主要设计点。1）技术矛盾。运用分割发明原理，儿童纸制玩具需要满足不同的功能需求，将玩具依据用户需求分为不同部分以此达到目的；运用动态化发明原理，通过对纸制玩具不同部位的翻折、旋转、移动来达到玩具本身更多样化的功能。2）物理矛盾。运用分割发明原理，将整体玩具分为不同部分，不同部分的相互作用可保证玩具使用性；运用组合发明原理，分离的各部分玩具通过拼接、组合，提供多种玩具形式；运用多用性发明原理：利用纸表2用户需求层级权重排序用户群体家长儿童权重0.7480.252需求层级材质优良色彩鲜亮长久耐用牢固可靠益智有趣便于收纳价格合理不宜误食娱乐性安全性易于使用可探索性权重0.247 20.174 80.100 50.095 50.053 70.036 00.024 60.017 40.140 90.065 80.029 40.041 281工业 工程 设计 Industrial&Engineering Design2023年6月制玩具特性，提供玩具的多种游戏方式；运用嵌套发明原理：为纸制玩具在不同形态及不同结构下进行切换。（五）设计实践集成AHP-QFD-TRIZ方法对36岁纸制玩具进行具体设计，通过上述确定的发明原理对玩具的形态、功能及材质进行设计，导出设计方案。现代36岁儿童表3儿童纸制玩具冲突分析类型技术矛盾物理矛盾矛盾描述产品功能种类的增加与产品可操作性降低矛盾描述产品功能尺寸增加，产品其他功能尺寸减小改善参数适应性及多用性冲突对象一种功能尺寸大小与其他功能尺寸大小恶化参数可操作性分离原理条件分离发明原理1、15、16、34发明原理1、5、6、7、8、13、14、22、24、25、27、33、35表4拟选用的最优发明原理内容序号15671516名称分割原理组合原理多用性原理嵌套原理动态化原理部分超越原理内容将一个系统或物体分解成相互独立的子系统或子部分a.在空间上，将同类的物体或者预定要相邻操作的物体进行合并b.在时间上，将同类或相邻的操作进行合并a.使一个物体具备多项功能b.消除了该功能在其他物体内存在的必要性后，进而裁减其他物体把一个物体嵌入另外一个物体，然后将这两个物体再嵌入第三个物体a.改变物体或外部环境的特性，以便在操作的各个阶段，都能提供最佳性能b.如果物体不能移动，让它可以移动，让物体的各个部分都可以相互移动c.把物体分割成几个部分，它们能够改变彼此的相对位置如果得到规定效果的100%比较难，那么可以完成得少些或多些图2儿童纸制玩具质量屋82胡康，等：集成AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计研究第5卷 第3期对纸制玩具的需求不再是单一的趣味性，而是通过纸制玩具来引导儿童形成正确的社会观念，通过寓教于乐的方式对儿童进行教育。结合上文所提到的QFD与TRIZ理论分析所得出来的结果，进行方案设计，见图3。第一，形态细节方面。通过前期研究发现，纸制玩具的物理结构需要利用分割、组合、多用性、嵌套来进行玩具的设计。运用分割发明原理，将纸制玩具分为头部、盔甲、战靴等基础装甲；在儿童将基础装甲配备完成之后，可选择更多的升级配件进行装备升级，如胸甲、腰甲、背包等，为儿童提供更多的装配模式，打造属于自己的战甲。运用组合发明原理，将产品划分为不同的模块同时可以整合，也可选择更多配件进行装备升级。运用多用性发明原理，结合瓦楞纸的特性，使儿童在玩完纸制玩具之后可以将其进行折叠，方便进行收纳，实现娱乐和收藏的两用性。运用嵌套发明原理，使玩具在进行使用模式的转化时，将盔甲、战靴和头盔等配件更好地进行收纳，也同时满足家长对玩具方便收纳的需求。第二，产品功能方面。从技术矛盾来看，运用分割发明原理、动态化发明原理来满足家长和儿童对产品功能上的需要。运用分割发明原理，通过对玩具纸制模型的各个部分进行拆解，各部分装备的尺寸与儿童的体态达到吻合。不同部分的盔甲由于形态的不同，在儿童进行娱乐的时候，儿童可以将铠甲进行不同的改装，例如通过加装基础盔甲前的胸甲和腰甲，可以提升装备的防御强度。在和其他伙伴进行对战时，可加装手部的盾牌和武器，保护自己的战甲，破坏对方的装备。运用动态化发明原理，考虑到儿童穿入BOXHERO时需要进行大幅度的活动来达到娱乐和教育的目的，在设计上没有对儿童的各个活动关节进行包裹，保证孩子在娱乐的同时不被玩具所束缚。由于各个盔甲的不同配件需要孩子自己进行替换，所以不同图4BOX HERO模组拼装细节图3BOX HERO瓦楞纸儿童玩具83工业 工程 设计 Industrial&Engineering Design2023年6月四、结语本文通过对儿童玩具现有市场进行分析找出其中不足，运用观察、访谈等方式，对用户的需求进行发掘汇总后，通过QFD理论建立质量屋确定问题的矛盾冲突类型，运用 TRIZ 找到科学的问题解决方法，使问题得以解决。通过将用户的内在需求转化成为可供分析的数据，得到合理的设计点，提供了一套科学有效的设计研究方法。然而其设计整体也存在一定的不足，其整体流程较为复杂，同时，对儿童及家长这两个对象的特殊制约性，在对整体流程的简化和矛盾分析因素的选取需要进行进一步的探究。参考文献1马亚运，吴凤林，毕飞芳.针对学龄前儿童的亲子玩具研究与设计J.包装工程，2016，37（22）：173-176.2赵可恒.幼儿玩具造型设计中的形、色、质J.常州工学院学报（社科版），2008，26（6）：71-74.3张璐霞.儿童瓦楞纸板家具的可玩性设计研究D.北京：北京林业大学，2016.4郭华.京剧人物纸制玩具的设计实践J.装饰，2018（2）：140-141.5凌辉，张建人，钟妮，等.3-6岁儿童自立行为结构的初图5BOX HERO男/女款整体造型设计和平面拼装图的配件之间通过吸铁石进行连接，孩子在穿戴时可以更好地根据自己的喜好对不同部位进行配件的更换，见图4。第三，材质设计方面。铜版纸作为涂布印刷纸的主要材料之一，是由原纸在每一层面涂布20 g/m2左右的白色涂料，经过超压整装而成的美术印刷纸11（根据瓦楞纸的层叠数）。而瓦楞纸可以分为单层、三层、五层和七层4种，单层瓦楞纸使玩具整体更加轻便，适合儿童穿戴。由于瓦楞纸的结构性能好、强度高，对不同部位的装备，通过简单的拼接即可快速成型，可作为本次设计的主要材料。材料功能方面，瓦楞纸的表面（根据儿童和家长的喜好）可以进行各种涂鸦，保证家长与孩子的独特性需求。材料环保方面，由于装备在玩乐过程中造成损坏而丢弃，单层瓦楞纸也可以达到100%的回收效率，不会对环境产生较大的污染，有助于培养孩子的环保意识，见图5。84胡康，等：集成AHP-QFD-TRIZ理论的36岁儿童纸制玩具设计研究第5卷 第3期步研究J.中国临床心理学杂志，2014，22（6）：1037-1041.6熊伟.质量功能展开：从理论到实践M.北京：科学出版社，2009.7张宗登，谭汝捷.基于情感化设计的亲子玩具应用研究J.包装工程，2019，40（8）：163-168.8SAATY T L.What is the Analytic Hierarchy Process?M/Mathematical Models for Decision 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