基于AHP_TRIZ理论的宠物猫体重器设计研究.pdf

包 装 工 程 第 44 卷 S1 期 372 PACKAGING ENGINEERING 2023 年 4 月 收稿日期：20221203 作者简介：郭跃（1999），男，硕士生，主攻工业设计。通信作者：吴国荣（1973），男，硕士，副教授，主要研究方向为工业设计、产品设计。基于 AHP/TRIZ 理论的宠物猫体重器设计研究 郭跃，黄诗雯，吴国荣，宋佳鑫（南昌大学，南昌 330031）摘要：目的目的 分析当今市面宠物体重器的现状，了解并解决用户的使用需求与设计矛盾，设计出一款集成层次分析法与发明问题解决理论为设计方法的宠物猫体重器产品。方法方法 参考现有的宠物猫体重器产品现状，从宠物猫角度和宠物饲养者角度对使用者需求进行分析，利用 AHP 层次分析法算出用户各项需求权重，TRIZ 理论分析设计问题的矛盾冲突，从 40 个发明原理中找出解决技术矛盾与物理矛盾的最优解，最后得出理想方案。结论结论 运用 AHP 层次分析法与 TRIZ 理论结合的设计流程，高效、科学、逻辑的解决用户使用需求问题与设计矛盾，设计出了一款适用于宠物猫称量体重的产品，实现宠物产品的创新，为相关设计产品提供思路与参考。关键词：宠物产品；产品设计；AHP；TRIZ 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)S1-0372-05 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.S1.055 在我国生产力水平的不断提高，城市生活节奏加快的大环境下，饲养宠物成为越来越多年轻人获取精神需求的方式之一。据不完全统计，我国养猫群体规模已接近 4 000 万人次且不断增加，因而与宠物相关的产业也随之兴起。但国内的宠物产品设计目前还处于只具备单一使用功能的初级阶段，存在提高用户使用体验、优化产品功能与审美结合等设计细节问题。宠物类产品设计应结合宠物饲养者与宠物两者不同的用户需要，可运用 AHP 层次分析法对用户需要进行精准分析，计算需求权重并分析提取相关技术矛盾，通过 TRIZ 理论的 40 种发明原理分析解决方案，得到一种为宠物猫相关产品设计的新思路。1 相关概念 1.1 AHP 层次分析法 AHP 层次分析法是由美国匹兹堡大学教授萨蒂提出的一种层次权重决策分析方法。该方法可用于产品设计前期调研中用户对产品目标需求的汇总，将产品需求进行层级整理，创造用户需求的判断矩阵，计算用户对产品需求对权重值，广泛用于提高用户需求评价的精确度和客观性。1.2 TRIZ 理论 TRIZ 理论是由苏联发明家阿奇舒勒创立的发明问题解决理论。将 TRIZ 理论 40 种发明原理分析解决方案与宠物猫体重器设计结合，有利于产品设计创新思维的发散，为设计带来新的灵感与理论验证。2 宠物猫体重器设计现状 宠物产品多是由宠物饲养者与宠物共同使用的特殊产品，设计宠物猫体重器等类似宠物产品应从饲养者与宠物两种用户需要角度出发。宠物体重器产品大多是在弹簧秤、电子秤、台秤等类型的基础上进行改良设计的产品，在市场上的宠物猫体重器设计中，大致可分为 2 种不同的使用方式，见图 1。第一种为手提式设计，其使用方式为：将猫包裹进布兜等容器中，手提至悬空称量。第二种为放置式设计，其使用方式是：将猫单独放置在秤的承重面上进行测量。无论是手提式还是放置式设计，其工作原理在一定程度上解决了宠物猫称重的功能需求，但都没有同时满足人与宠物二者的用户需要，使用上存在一定缺陷。手提式的设计虽然考虑到了人的便利，减少了为宠物进行测量时的难度，却无法带给宠物猫舒适的使用需求，产品的弹簧结构也会因为经常拉伸使弹簧劲度系数变小及重物大拉伸作用等因素，受到不可恢复的损害，从而弹性减弱,影响测量的精准度；放置式设计虽然称量更准确，但面对大多数宠物猫好动，不愿人刻意摆弄的性格，也会增加饲养者的使用难度。宠物第 44 卷 S1 期 郭跃，等：基于 AHP/TRIZ 理论的宠物猫体重器设计研究 373 体重器需要关注人与宠物二者的目标需求，应是能满足宠物饲养者便利使用的要求、测量读数准确，又能利于宠物使用，不被宠物猫讨厌，能为其带来舒适使用过程的产品。图 1 常见的宠物猫体重器设计 3 用户需求分析 现今城市快节奏、高压力的生活大环境下，猫作为广受欢迎的家养宠物之一迅速融入进人们的家庭环境中，通过人与猫之间的和谐互动，可以满足人宠共同的精神需求。宠物猫产品类设计的用户是人和猫，需要从饲养者与宠物猫两种角度出发，考虑人和猫在家庭生活中的需求权衡，分析两者的心理、行为、环境等需求，在满足两种用户的基本需求的同时增加物理触点沟通两者间的情感，通过设计来达到人、宠、产品、环境之间的平衡。3.1 宠物猫角度 宠物猫长久以来未被人类完全驯服，许多地方仍保留有部分野生的习性和行为。探究宠物猫的需求可以从猫的行为层面与心理层面进行分析。本能层面：猫具备优秀的听觉和视觉，会用沙子掩盖自己的排泄物，这是因为猫有隐藏自身气味的天性，具备捕猎的习性；猫很爱干净，经常会进行自我清洁毛发去除污渍；猫擅长攀爬，喜欢在高处俯视，有磨爪的习惯，锋利的爪子会对家具造成很大的破坏。心理层面：猫天生具有强烈的好奇心，有很强的领地意识，对生活环境的变化极为敏感，狭小的空间会让猫感受到安全感。站在猫作为产品使用者的角度，需要了解宠物猫的工学需求与感官需求，要考虑猫处在人类社会的生活环境，符合猫的天性和习惯，如对产品使用不易被猫爪磨损的材质，添加如绳子、球状物、猫薄荷等对猫有吸引力的部件，有效增加猫对产品的亲和度，让宠物猫在使用产品时拥有舒适的过程体验。3.2 宠物饲养者角度 宠物饲养者是宠物产品的直接购买者，符合饲养者审美的产品其造型、外观、安全、经济性等方面都会对其购买决策造成影响，如饲养者会倾向于购买外观符合自身喜好，适合自己居住空间风格与空间占地位置的宠物家具，判断产品使用的便利程度，是否能够长时间使用或高频率使用但成本符合自身客观经济条件的易耗品。优秀的宠物产品设计能提升人宠之间的互动体验，要满足使用者基本的功能需求同时，还要与饲养者的审美需要相结合，在具备人机工学的基础上，赋予产品情感化、专业化、功能化，才能设计出多角度符合饲养者需求的产品。4 基于 AHP 层次分析法的需求分析 4.1 用户需求层次展开 首先通过对宠物猫饲养者和相关专家进行问卷调查和访谈等方式，了解用户和专家对宠物猫体重器的需求，并进行汇总、整理、筛选和展开，构建目标用户需求层次模型。第 1 层目标层为目标用户对宠物猫体重器的总需求 A；第 2 层准则层将目标用户需求拆解为功能 A1、造型 A2、人机交互 A3、安全性 A4、经济性 A5 这 5 个类别；第 3 层方案层将具体展开准则层每个类别中的用户具体需求，见表 1。构建产品用户的需求层次模型后，接下来将进行矩阵分析。表 1 用户需求层次 目标层编码准则层 编码 方案层 A11 主动吸引宠物A12 可拆卸设计 A13 充电便捷 A1 功能 A14 称量稳定 A21 比例协调 A22 外观整洁 A23 色彩和谐 A2 造型 A24 材质合理 A31 操作简便 A32 拆卸便利 A3 人机交互 A33 质量轻 A41 防倾翻设计 A42 防滑设计 A43 边角圆滑 A4 安全性 A44 结构坚固 A51 材质环保 A52 价格便宜 符合用户需求的宠物猫体重器设计A5 经济性 A53 维护 4.2 用户需求权重分析 通过构建目标用户需求层次模型后，运用 AHP层次分析法再进行创建判断矩阵，确定用户需求的权重，在运算过程中引入标度与 RI 取值体系，并通过决策评估一致性检验，见表 2-3。以达到减少决策偏差的目的，计算步骤如下。1）构造判断矩阵。通过邀请 5 名专家对用户需求层次模型中准则层与方案层各需求要素进行两两374 包 装 工 程 2023 年 4 月 打分，根据打分值计算原始数据的加权平均数作为用户需求权重 W，并构建两两比较判断矩阵。表 2 1-9 比率标度法 标度 表示的意义 1 两个因素比较，具有相同的重要性 3 两个因素比较，前一个因素比后一个因素稍微重要5 两个因素比较，前一个因素比后一个因素明显重要7 两个因素比较，前一个因素比后一个因素强烈重要9 两个因素比较，前一个因素比后一个因素极端重要2、4、6、8 两相邻因素判断的中间值 上述值 的倒数 两因素反过来比较是原来比较值的倒数 表 3 矩阵阶数为 1-9 的RI取值 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.411.45 2）对各判断矩阵最大特征根 max进行计算，并进行一致性检验，具体公式如下：max1nCIn(1)CICRRI(2)其中用 CR 表示一致性比率，用 CI 表示一致性指标。通常来说，当 CR0.1 时，符合一致性检验，反之则不通过，需要重新构造判断矩阵直至通过一致性检验。根据以上步骤，构建出方案层与准则层各需求要素的判断矩阵，计算需求权重，并进行一致性检验，见表 4-9。表 4 目标层 A 下各指标需求（A1-A5）判断矩阵及权重 A A1 A2 A3 A4 A5 W A1 1 4 2 1/4 3 0.215 3A2 1/4 1 1/3 1/5 1/3 0.053 3A3 1/2 3 1 1/4 0.5 0.107 6A4 4 5 4 1 5 0.498 6A5 1/3 3 2 1/5 1 0.125 2 通过矩阵计算，CI=0.081 3，CR=0.073 20.1，满足一致性检验。表 5 功能 A1 下各需求要素（A11-A14）判断矩阵及权重 A1 A11 A12 A13 A14 W A11 1 5 4 1/3 0.308 3A12 1/5 1 1/2 1/5 0.072 2A13 1/4 2 1 1/3 0.122 6A14 3 5 3 1 0.497 0通过矩阵计算，CI=0.072 6，CR=0.082 40.1，满足一致性检验。表 6 造型 A2 下各需求要素（A21-A24）判断矩阵及权重 A2 A21 A22 A23 A24 W A21 1 4 3 3 0.505 3A22 1/4 1 1/2 1/4 0.086 7A23 1/3 2 1 1 0.186 4A24 1/3 4 1 1 0.221 7 通过矩阵计算，CI=0.039 3，CR=0.044 60.1，满足一致性检验。表 7 人机交互 A3 下各需求要素（A31-A33）判断矩阵及权重 A3 A31 A32 A33 W A31 1 4 5 0.673 8 A32 1/4 1 3 0.225 5 A33 1/5 1/3 1 0.100 7 通过矩阵计算，CI=0.042 9，CR=0.081 70.1，满足一致性检验。表 8 安全性 A4 下各需求要素（A41-A44）判断矩阵及权重 A4 A41 A42 A43 A44 W A41 1 3 2 1/3 0.253 8A42 1/3 1 1 1/3 0.123 2A43 1/2 1 1 1/3 0.136 4A44 3 3 3 1 0.486 6 通过矩阵计算，CI=0.039 3，CR=0.044 60.1，满足一致性检验。表 9 经济性 A5 下各需求要素（A51-A53）判断矩阵及权重 A5 A51 A52 A53 W A51 1 1/6 1/5 0.078 0 A52 6 1 3 0.634 8 A53 5 1/3 1 0.287 2 通过矩阵计算，CI=0.047 0，CR=0.089 50.1，满足一致性检验。通过将目标用户需求各方案层权重值与准则层各权重值相乘，可计算出方案层各需求元素在整个目标需求体系的综合权重值，对综合权重进行从大到小排序，见表 10。第 44 卷 S1 期 郭跃，等：基于 AHP/TRIZ 理论的宠物猫体重器设计研究 375 表 10 各项具体需求综合权重与用户需求转化技术方案 目标层 准则层 方案层 W1-W5 综合权重排序A11 0.308 3 0.066 47A12 0.072 2 0.015 513A13 0.122 6 0.026 411A1（功能）W=0.215 3 A14 0.497 0 0.107 03A21 0.505 3 0.026 910A22 0.086 7 0.004 618A23 0.186 4 0.009 916A2（造型）W=0.053 3 A24 0.221 7 0.011 814A31 0.673 8 0.072 55A32 0.225 5 0.024 312A3（人机交互）W=0.107 6 A33 0.100 7 0.010 815A41 0.253 8 0.126 52A42 0.123 2 0.061 48A43 0.136 4 0.068 06A4（安全性）W=0.498 6 A44 0.486 6 0.242 61A51 0.078 0 0.009 817A52 0.634 8 0.079 54A A5（经济性）W=0.125 2 A53 0.287 2 0.036 09 5 基于 TRIZ 发明原理对宠物猫体重器的矛盾分析与解决方案 5.1 运用 TRIZ40 发明原理对矛盾的分析 在综合权重中排序前几位作为亟需解决的技术需求，分别为结构坚固、防倾翻设计、称量稳定、价格便宜、操作简便、边角圆滑、主动吸引宠物、防滑设计。在对宠物猫体重器进行设计开发时，应充分满足用户需求，依据用户权重计算结果对产品创新性进行重点设计，要确定产品设计需求要素之间相互的关系和矛盾，构建质量屋屋顶矩阵。5.1.1 矛盾分析 分析质量屋屋顶矩阵，宠物猫体重称产品之间存在着 2 对主要矛盾和 2 对次要矛盾，利用 TIRZ 理论中 39 通用工程参数对具体技术需求抽象化，分析相对应的矛盾，运用阿奇舒勒矛盾矩阵寻找相对应的解决方法，为设计提供依据。技术要求结构坚固防倾翻设计称量稳定价格便宜操作简便边角圆滑主动吸引宠物防滑设计 图 2 质量屋屋顶矩阵（局部）边角圆滑、防滑设计和主动吸引宠物、防滑设计为一般负相关关系，称量稳定、价格便宜和主动吸引宠物、价格便宜为强负相关关系，见图 2；通过所属的39个通用工程参数对该4对矛盾冲突进行解释分析。第一对边角圆滑与防滑设计的矛盾；产品设计边角圆滑，接触面摩擦系数越小,防滑安全隐患越大，反之产品设计尖锐防滑隐患越小，但磕碰隐患增加。第二对称量稳定与价格便宜的矛盾；体重秤测量精确度提高会带来成本价格上的增长，制造难度的增加，既要保证测量工具的精确性要求又要尽可能降低成本价格。第三对主动吸引宠物与价格便宜的矛盾；增加吸引宠物的功能会增加价格成本的上涨，既要保证具有吸引宠物的功能又要控制价格的合理性。第四对主动吸引宠物与防滑设计的矛盾。吸引宠物功能的增加会存在不可控因素影响产品设计的稳定性，既要保证产品的可操作性又要保证产品具有可靠的稳定性。5.1.2 矛盾解决 TRIZ 理论是用于发明创造、解决难题并研究整个设计与开发过程。39 个通用工程参数是工程领域内常用的表述系统性能，将 4 对矛盾抽象为 39 个通用工程参数并对照矛盾矩阵表查询解决办法，并得相对应问题解决方案，见表 11-12。表 11 技术需求抽象为 39 个通用工程参数 序号负相关技术要求所属的 39 个通用工程参数边角圆滑 NO.29 制造精度 1 防滑设计 NO.27 可靠性 称量稳定 NO.29 制造精度 2 价格便宜 NO.32 可制造性 主动吸引宠物 NO.33 可操作性 3 价格便宜 NO.32 可制造性 主动吸引宠物 NO.33 可操作性 4 防滑设计 NO.13 稳定性 表 12 冲突问题的 TRIZ 问题转化与解决方案 序号所属的 39 个通用 工程参数 相应 TRIZ 40 解决办法 NO.29 制造精度 1 NO.27 可靠性 NO.28，NO.25，NO.13，NO.1NO.5，NO.11 NO.29 制造精度 2 NO.32 可制造性 NO.25，NO.13，NO.24，NO.15，NO.19，NO.26，NO.28 NO.33 可操作性 3 NO.32 可制造性 NO.29，NO.36，NO.24，NO.5，NO.12，NO.2，NO.10，NO.1NO.33 可操作性 4 NO.13 稳定性 NO.25，NO.1，NO.30，NO.24，NO.40，NO.19，NO.3 376 包 装 工 程 2023 年 4 月 当边角圆滑，需要提升产品的防滑设计，即提升可制造精度那么可靠性将下降；当产品称量稳定时价格越贵，即提升制造精度那么可制造性会降低；当产品能主动吸引宠物，价格将会越贵，即提高可操作性那么可制造性将会降低；当产品能主动吸引宠物，产品的防滑性应提高，即提升可操作性那么产品稳定性将会降低。经分析宠物猫自动称重器可用的发明原理为NO.1 分割，NO.5 组合，NO.11 预先防范，NO.10 预先作用，NO.40 复合材料，NO.3 局部质量改善。5.2 创新设计案例 猫咪在称体重时上蹿下跳，无法得到准确的体重数值。宠物医院的医生在给宠物称量体重时，由于猫咪的活泼好动使得称重更为困难，每次称重都要耽误很长时间，而宠物医院医生所采取的方式通常是零食引诱、主人安抚、玩具吸引等，但效果甚微。针对此情况，设计一款能吸引猫咪主动称重的体重称。在本次宠物猫体重器设计中结构、造型、功能方面做出了创新设计。运用复合材料将产品分割成上方是猫抓板、下方是体重器，将二者结合形成两功能的产品。在结构上将猫抓板与电子秤相结合，上部猫抓板可拆卸更换，猫抓板下方托盘内置凹槽，放置猫薄荷、宠物零食等吸引猫咪主动称重。此设计不仅解决了猫咪称重困难的问题，上部的猫抓板还可作为猫窝单独使用。双层设计方便替换上方猫抓板，通过配套猫抓板替换，避免产品浪费，见图 3。预先防范原理运用于设计师在已知猫咪习性的情况下防止由猫咪的行为动作导致对产品产生影响的行为，底部设置了防滑胶垫，防止宠物猫在扑咬的过程中使宠物体重器滑动。产品在造型上色彩方面采用白色为主，符合现代居家环境，在体重面板中采用触摸屏的交互方式，操作更加灵敏便捷；运用局部质量改善法对宠物猫体重秤的边角柔化处理，在视觉上和触感上使产品边角圆滑，做工精细，见图 4-5。图 3 双层设计体重秤+猫抓板 图 4 宠物猫体重器结构设计 图 5 宠物猫体重器 6 结语 本文章以宠物猫体重器设计为例，基于饲养者与宠物两种不同用户的使用需求与心理研究，运用 AHP层次分析法计算需求权重，求得相关需求重要度排序，并获得相关要素间的矛盾冲突，同时借助 TRIZ理论解决矛盾冲突，构建了宠物产品设计的创新流程。该设计流程结合了 AHP、TRIZ 在内的多种研究理论方法，使得整体设计过程科学、严谨、逻辑可循，使宠物体重器设计在外观、功能、交互效率等多方面综合提高用户需求的满意度，为宠物相关家具产品设计提供参照思路样例。参考文献：1 傅雷,石畅,王南轶.基于 AHP/QFD/TRIZ 集成理论的书柜设计方法EB/OL.(2022-11-23)2022-11-29.https:/ 2 范峰源,郝巍东.基于 AHP 分析法与 TRIZ 理论的可折叠座椅设计研究J.包装工程,2022,43(20):311-317.3 刘继坛,陈欣然,郁舒兰,等.基于 TOPSIS 的智能猫砂盆用户需求挖掘与设计研究J.家具与室内装饰,2022,29(9):52-56.4 王南轶,石畅,陈旭辉,等.基于 AHP/QFD/TRIZ 理论的可伸缩式餐桌设计J.包装工程,2023,44(2):1-16.5 麻薯.makesure 麻薯为您和爱宠提供更符合共同居住需求的设计J.家具与室内装饰,2022,29(7):98-103.6 陈旭辉,吴国荣,潘星辰,等.基于绿色设计的一次性纸杯的创新设计J.包装工程,2022,43(S1):189-194.7 郜红合,赵谦,吕家梁.基于包容性设计的老年群体餐盘设计J.包装工程,2022,43(12):297-305.8 张纪鑫.后疫情时代服务设计思维下的智能家居产品设计研究D.沈阳:鲁迅美术学院,2022.9 杨蕙羽,杨子倩.基于情感交互的智能猫家具设计研究J.设计,2022,35(9):21-23.10 张晓锋,孙薇.基于用户体验的宠物猫用具设计以猫砂盆为例J.设计,2022,35(9):130-133.11 孙辰阳.人与宠物猫共享家具设计研究D.北京:北方工业大学,2022.12 严蕊,任昳,陈秋慧,等.猫下泌尿道综合征J.畜牧兽医学报,2022,53(8):2470-2478.（下转第 385 页）第 44 卷 S1 期 张子强，等：基于 FAHP 层次分析法羽毛球辅助机器人设计研究 385 4 刘永兵,何伟,张玲.基于 Intel SoC 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