基于FDM/FAHP/U-TRIZ理论的居家多功能康养护理床设计研究

■李翠玉，陈智恒

(湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉 430068）

近20年来我国人口老龄化程度明显加快，老年人的护理需求也在不断上升。在未来，居家养老会成为大多数老人养老的首选，而护理床作为一种常见的、依据病人卧床生活习性进行设计的护理产品，多见于医院或疗养机构内，很少有人购买至家中进行使用[1]。目前我国针对此类产品进行的研究主要集中在产品结构方面，而对家庭环境下护理床的相关设计研究较少。张欣[2]等人在养老护理床的结构优化设计上采用的是TRIZ功能裁剪法；赵芳华[3]等人在护理床人机工程学上进行的优化设计则是从JACK虚拟仿真设计出发。以上研究主要针对护理床的结构以及人机进行优化完善，而如何从功能创新的角度进行设计则相对研究较少。在人机、结构优化完成的基础上，新功能的加入会使得优化后的产品更好地进行呈现，尤其在康养、护理领域，创新性的功能会大幅提高护理人员的工作效率；对于用户来说，新功能会更好地满足他们的使用需求，同时更好地配合护理人员进行护理工作。因此，本文将基于FDM问卷分析的结果以及FAHP的层级分析数据来更精准地把握用户对于产品功能需求的优先级，保证产品的创新功能贴合用户的使用需求，让用户在使用过程中能够感受到产品为其提供的便捷性以及舒适性。

1 研究理论与流程

1.1 感性工学与模糊德尔菲法(FDM)

感性工学主要从人的感性角度来设计产品，可在设计过程中将设计与用户的感官、情感相结合，将用户情感转化为设计要素。FDM由传统的DM演化而来。传统DM被用作是一种行业专家意见调查方法，但当设计指标模型过于复杂时，专家的判断则无法被很好地解释，在面对这一情况时，模糊德尔菲法（FDM）能够有效地处理复杂的设计度量模型，同时也能够降低专家在评估过程中的模糊不确定性[4]。因此，利用FDM法来处理感性工学得到的设计要素则会更加的科学、精准。

1.2 模糊层次分析法(FAHP)

模糊层次分析法(FAHP)作为一种综合量化方法，综合运用了模糊数学与层次分析法(AHP)，对于模型中各项指标权重关系的判断以及重要性程度的判断会更加系统，以更加完备的形式辅助决策者做出更合理的评估[5]。

1.3 统一发明问题解决理论(U-TRIZ)

由于传统的TRIZ理论体系十分庞大，在运用上并不足以通过一种相对简洁的形式进行呈现，因此，传统TRIZ理论的优化也在不断发展。张武城[6]等人通过研究提出了以属性为核心、功能作为导向的统一TRIZ理论（U-TRIZ），利用属性可连接物质与功能，进而建立起SAFC分析模型。物质属性创新是产品设计过程中的重点，在模型各参数的展示中，U-TRIZ理论通过图形的方式来表达不同参数的优缺点，增强了可读性并提高了分析效率。因此，在居家多功能康养护理床设计过程中引入U-TRIZ理论能够对问题进行有效解决[7]。

综上，集成了FDM—FA H P—U-TRIZ[8]多种方法的综合理论模型与单一的设计研究方法相比，这种模式以一种更科学、更完整的形式来全面地量化设计指标，从而将需求转化为功能，为之后的设计与实践提供了一个多维的分析角度，具有较强的系统性和科学性。设计流程如图1所示。

■图1 集成FDM/FAHP/U-TRIZ理论的设计流程

2 居家多功能康养护理床设计指标分析

2.1 分析调查问卷

分析调查问卷，构建出居家多功能康养护理床设计的指标模型：（1）收集居家多功能康养护理床设计的功能需求进行归类并确定准则层指标要素；（2）运用FDM法对所搜集的问卷数据进行分析与计算，当所分析的结果达到一致时，则完成分析过程。反之，被访对象则需要利用优化后的问卷再次进行二次调研，直到所有数据分析的检验结果均为通过；（3）设立门槛值，对设计指标要素进行筛选，制定居家多功能康养护理床设计指标层级模型[9]。

在居家多功能康养护理床设计过程中，产品的多样性功能会作为设计的衡量指标，即居家多功能康养护理床会具备一定的创新性功能、辅助性功能以及常用功能，同时也要考虑老年人对事物的接受程度，兼顾产品的可操作性能。因此，选取养老院、社区等地点进行问卷调研，调研对象主要包含以下几类人群：（1）养老院的半失能老年人；（2）养老院的照护人员；（3）需要照护家中老人的社区居民；（4）想要购买此类产品的人员。本次调研问卷发放总量为200份，回收有效问卷184份，问卷信度分析克隆巴赫系数为0.824，效度分析KMO值为0.87，说明问卷信度不错，因子分析有效。调研问卷的结果表明此次调研的这类人群都拥有相对统一的用户需求，都表达了对该设计产品的功能预期：（1）在照护老人过程中会搀扶老人上下床，对于一些半失能老人来说，护理人员的一个失误可能就会导致老人受伤，希望产品能够辅助或自动完成这一步骤；（2）如果能够对老人的身体机能数据进行监测并提醒，那么将会极大地改善照护环境；（3）对于普通家庭来说，可能他们会更愿意购买高性价比的产品，那么按照用户自身的照护需求来选购、配置产品不失为一种更为合理的设计；（4）可以设计一些康养、关怀性功能部件，让产品更好地服务于用户。结合问卷以及用户对产品的功能预期，通过多轮德尔菲法（DM），结合专家们的讨论以及判断意见之后，得到了居家多功能康养护理床设计的创新功能、辅助功能、常用功能和操作性能等四项一级准则层指标以及十八项二级准则层指标，这些功能分别是轮椅—床转换、穴位按摩、自动温控调节报警、功能运行可视化、远程辅助医疗、起夜灯、起夜升降、安全扶手、生理数据监测、产品自洁、辅助餐板、便捷储物、卧床排便、助起翻身、输液杆、可移动、模块化设计、易于维修。传统的DM法无法对如此多的设计指标因素进行客观的处理。因此，本文采用完善后的FDM法对这18项指标因素进行优化处理，流程采用0到10个级别进行评分，分值越高则证明分值对应指标的重要性程度也就越高。根据专家反馈的结果，对这18项初始指标因子进行综合统计分析，并对其重要性程度可接受的最大值及最小值赋值，剔除两倍标准差之外的数据。用Ci代表行业专家对这一指标认知的保守认知值；用Oi代表行业专家对这一指标认知的乐观认知值。在这18项指标的综合分析处理中，引入双三角模糊函数，通过运用“灰色地带定检法”来对其结果进行验证，并对这18项二级设计指标进行优化筛选[10]。

2.2 构建双三角模糊数并计算相应数值

在排除部分数据后，需要计算出各项设计指标i保守认知值中的最小值CiL、最大值CiM与几何平均值CiM；乐观认知值中的最小值OiL、最大值OiU与几何平均值OiM。为了更加全面地评估各项设计指标，还需构建各项设计指标i的保守认知双三角模糊数：(CiL,CiM,CiM)以及乐观认知双三角模糊数：(OiL,OiM,OiU)。两个模糊三角数重叠的部分称之为灰色地带。

函数图中介于OiL和CiU之间的共识值Gi是依据各指标数据计算得出的，其数值越大，则说明它就越重要。如果在函数图中发现两个数值之间未发生重叠情况(CiU≤ OiL)，说明灰色地带（Zi）不存在，则表示行业专家的意见一致，则

如果两个模糊三角数之间存在重叠情况(CiU>OiL)，说明灰色地带（Zi）存在；如果Zi≤Mi，其中Zi=CiU-OiL,Mi=OiMCiM，运用公式算出Gi，其数值等于函数图中灰色地带区域的两个数值，并计算出最小值的模糊数集合Fi(Xj)。其中j属于设计指标因子i。

如果Zi>Mi，则说明专家意见不一致，则需要重复2.1～2.2节，直至专家意见趋于一致且达到收敛状态。双三角函数图如图2所示。

■图2 双三角模糊数函数图

2.3 对各指标进行计算并求取相应的门槛值

在一般情况下，门槛值的确定大多会由决策人员主观制定，亦或者参考相关专家的意见进行设定，同时也可以计算待筛选评估指标共识值的几何平均数来获取门槛值[11-12]。通过比较Gi值与门槛值(S)，若Gi≥S，则保留该指标；若Gi＜S，则删除该指标。为了有效分析专家们的调查问卷，引入FDM法进行处理，通过对结果的两轮计算之后，专家们的意见渐渐达成一致，同时各项指标数据也达到了一定的收敛状态，并且各指标的灰域值以及重要性程度的共识值也同步的计算了出来。通过对Gi的几何平均数值进行计算，得到最终的门槛值S=7.12。问卷分析结果见表1。

表1 问卷分析结果

依据表1的分析结果，在筛选之后最终确定了十五个二级准则层指标，它们分别是：C11轮椅—床转换、C12穴位按摩、C13自动温控调节报警、C14功能运行可视化、C21远程辅助医疗、C22起夜灯、C23起夜升降、C24安全扶手、C25生理数据监测、C31辅助餐板、C32便捷储物、C33助起翻身、C41可移动、C42模块化设计、C43易于维修（图3）。

■图3 居家多功能康养护理床设计层级指标模型

3 基于FAHP判断矩阵的构建及权重计算

以图3所示的居家多功能康养护理床层级指标模型作为基础，在此基础之上进行层次分析问卷的设计并对10位专家进行调研，专家人员包括5位产品设计人员，在产品设计领域有多年的从业经验；3位高校教师，主要研究方向为家居产品设计，并在该领域有建设性的成果；以及2位医务、护理工作人员，能够为本产品的设计提供相关参考性的建议。为使判断定量化，缩小判断思维不一致时产生的偏差，以SAATY提出的1～9数值判断尺度表为参考依据[13]，如表2所示。

表2 数值判断量化的指标及其对应的含义

根据全部问卷分析的结果，分别构建判断矩阵，利用SPSSPRO在线数据处理平台计算所有指标的权重值并通过几何加权平均算法获取最终结果。当该判断矩阵的数值结果符合要求时，表明该矩阵的一致性比率系数的数值(CR)是小于0.1的；反之，如果该系数(CR)的数值大于或者等于0.1,那么就要对判断矩阵的结构进行一定的调整，直到结果满足一致性要求。各层级分析数据详见表3～表8。

表3 准则层各指标权重值

表4 创新功能各指标权重值

表5 辅助功能各指标权重值

表6 常用功能各指标权重值

表7 操作性能各指标权重值

表8 各层级指标权重综合排序

通过上述研究分析，得到居家多功能康养护理床设计中的关键设计因素，结合目前居家护理床的使用情况以及问卷分析采集到的用户对于居家多功能康养护理床预期功能的期望，专家组建议将排在前10的设计要素作为设计过程中需要解决的问题，并进行问题等级划分，如表9所示。

表9 居家多功能康养护理床设计问题等级划分

4 基于U-TRIZ理论的SAFC模型分析

从表9可以看出，居家多功能康养护理床创新设计中存在着一定的技术冲突，即产品的某个设计要素改进之后会导致该产品其他设计要素产生恶化。因此，针对此设计矛盾，本文利用U-TRIZ理论中的SAFC模型进行问题的解决。该模型整合了物质、功能、属性和因果要素，提供了物质以及功能属性的结构化表达形式，为功能创新的实现提供了依据[14]。

在居家多功能康养护理床设计方案中，既要使得产品在日常使用中能够满足多样性的功能、高效护理的需求，同时又要满足操作性能。居家多功能康养护理床设计的矛盾分析如图4所示。

■图4 居家多功能康养护理床矛盾分析

物质S1（家用护理床）和物质S2（医疗护理床）都具有各自的属性，两者相互融合可以衍生出有用功能FU与物质S3；与此同时，有害功能FH与物质S4也可从中得以产生，利用属性分析线作为链接物质与功能的媒介，从而为居家多功能康养护理床搭建SAFC模型。经过SAFC模型处理后，产品所面临的实际问题则可以向技术冲突转化，并通过冲突理论加以求解。

在通过SAFC模型处理分析之后，产品的多样性功能与操作性的问题描述为：如加入穴位按摩、自动温控调节报警、模块化设计等问题，则会引入相应的零部件来增加产品的复杂性以达到预期功能。居家多功能康养护理床设计的多功能问题的理想解是在家庭环境中，满足产品附加功能的情况下，降低产品复杂性和老年人学习过程的难度。因此，需要对产品的适应性以及其易使用性参数进行优化，而产品的复杂性程度则会在一定范围内上升。对应发明原理为（10）预先作用：形成方便的操作属性；（15）动态特性：利用刚性、单铰链、多铰链、柔性等特有属性实现功能，提高灵活性；（28）机械系统替代：运用光、声、电、感官等新的替代属性，高效执行所需的功能；（35）物理或化学参数改变：运用变、增、减、测等方式改变物质属性，高效执行所需的功能。通过原理10、35：增加功能对应的按键，穴位按摩等功能的操作会更为简便、高效；15：采用多铰链、柔性材质，整体提升护理床的灵活性，就会使得模块化设计的理念更容易实施；28：通过声音以及光信号的快速传递，让护理人员了解老人目前的情况并采取相应措施，那么产品自动报警功能便可得以实现。

将产品的高效与易用性的问题描述为：实现移动、轮椅—床转换、功能运行可视化等功能会出现操作不便的情况。如轮椅—床转换过程会涉及护工手动转换或者多个复杂按键使用的情况，功能运行显示的图标设计在用户无法观察到的位置。不合理的设计会影响用户的使用体验以及高效程度。居家多功能康养护理床设计的高效性理想解是，在不增加用户操作难度的情况下，使产品可以便捷地切换使用状态。因此改进参数为适应性、可操作性和自动化程度，恶化参数为装置的复杂性和可制造性。对应的发明原理为（03）：局部具有特殊的属性，确保相互作用中产生所需功能；（10）预先作用：形成方便的操作属性；（15）动态特性：利用刚性、单铰链、多铰链、柔性等特有属性实现功能，提高灵活性；（28）机械系统替代：运用光、声、电、感官等新的替代属性，高效执行所需的功能；（35）物理或化学参数改变：运用变、增、减、测等方式改变物质属性，高效执行所需的功能。通过原理03、10、15：设计为轮椅—床相互转换的形式，让产品使用更加灵活，实现产品的可移动、轮椅—床转换功能；原理28、35：在设计智能中控之后，用户可以更直观地看到运行中的产品并通过光、声音等信号告知用户当前产品的工作状态，提高工作效率。

基于SAFC模型对产品的主要功能进行分析之后，认为产品还需兼具安全性能以及在造型和色彩上更加柔和。居家多功能康养护理床设计的安全及舒适度理想解是，产品在使用过程中，具备一定的安全部件，同时还可以实时监测用户生理数据以便更好地进行护理工作。改进参数为安全性和美观，恶化参数为形状和测量精度。对应发明原理为（03）：局部具有特殊的属性，确保相互作用中产生所需功能；（10）预先作用：形成方便的操作属性；（17）空间维数变化：空间属性的协调转化；（24）借助中介物：运用中介物的特有属性作用实现功能；（28）机械系统替代：运用光、声、电、感官等新的替代属性，高效执行所需的功能。通过原理03、10：会设计成隐藏式安全扶手，在作为床使用时就可以节省一定的空间；原理24、28：通过设计升降柱、隐藏式夜灯，打造起夜升降系统，提升用户在使用产品过程中的舒适程度。

5 设计实例

5.1 方案设计

综合上述分析流程，运用Rhino和Keyshot软件，产出最终的居家多功能康养护理床设计方案，如图5所示。

■图5 居家多功能康养护理床设计方案

在产品一级设计问题方面，轮椅—床转换功能为老年用户带去了极大的行动便利。对于行动不便的老年人来说，轮椅—床转换可以在坐与躺之间便捷的切换，在无需护工的情况下就可实现室内行动；同时床垫内部内置按摩矩阵，矩阵点位对应人体穴位，通过中控即可选择按摩功能，床垫的设计也十分的考究，选择透气性功能床垫，让用户在使用时不会感觉到背部闷热，设计方案如图6所示。

■图6 一级功能指标优化设计（穴位按摩、模块化功能床垫）

在产品二、三级设计问题方面，护理床通过内置传感器，可以实时监测用户生命体征，并将数据传输至子女及护工手机，当用户体温或者心率等关键数值异常时，护理床便会报警，监护人就能够及时采取措施；在床底两侧嵌入照明灯来应对老人起夜的情况，避免因夜间视线不好而踩到异物摔倒，同时床体还会自动降至合适高度来方便老人行动；同时，在轮椅设计上也会考虑对应的功能按键区域（图7-图8）。

■图7 二、三级功能指标优化设计（升降及夜灯系统、数据监测及报警功能）

■图8 二、三级功能指标优化设计（轮椅移动、安全扶手）

同时，在居家多功能康养护理床的设计上，综合考虑用户自身实际需求，引入模块化设计理念。扶手、多功能床垫、床头智能中控、夜灯、升降系统等这一系列的功能部件，用户都可以根据老人照护的实际情况进行选购、配置，让用户在最合适的价位购买到最合适的产品（图9）。

■图9 模块化组合方案示意图

5.2 模糊综合评价

设计评价分析属于一种主观性较强的评价行为。不可避免的是，评价者会在整个评价进程中存在一定的主观性，而所提出的模糊综合评价的方法则可以在处理多个指标要素时更加准确地衡量评价结果，从而更加有效、合理地解决评价者因众多评价要素而产生的模糊主观判断的问题[15]。具体执行步骤如下：

（1）综合查阅模糊评价相关理论，选择邀请10位专家对居家多功能康养护理床设计方案进行评价[16-17]。

（2）确定评语集与评价标准，使得结果的一致性与可比性更加统一[18]。将评价过程划分为四个等级，即评语集：{优、优良、良、合格}，赋值后的评价向量=90，85，70，60，并对各评价等级赋值制定等级标准，其中：优90分，优良85分，良70分，合格60分。

（3）综合运用评价系统，计算得出每一层级指标所对应的权重向量。

（4）根据上述步骤的结果，构建出设计方案所对应的模糊综合评价矩阵。

其中，若某项指标被评为7次优秀，则记为0.7，其他指标同理。通过此方法可以构建出准则层对设计方案的评价矩阵。用S来代表二级准则层的模糊综合评价矩阵，B1对应S1，B2对应S2，B3对应S3，B4对应S4。

结合S1与B1层级下的二级准则层对应的指标权重进行混合运算，得到对应的评价权重向量P1。

同理得出P2、P3、P4。

以二级准则层的评价权重向量建立综合矩阵，得出总评价权重向量P。

根据总评价权重向量结果，按照百分制进行计算，得出最终方案得分为91.26。根据评判等级可知，居家多功能康养护理床的评价结果处于优秀范围内，说明居家多功能康养护理床设计方案可行性高，在卧床与轮椅两种形态下能够满足老人的使用需求，同时也表明将产品设计为一种可改变使用形态的形式在居家护理领域更具有创新性[19-20]。

6 结语

本研究将居家多功能康养护理床作为研究对象，提出结合FDM、FAHP和U-TRIZ的设计方法。运用FDM定量地筛选居家多功能康养护理床的设计指标因素，通过FAHP计算、筛选各层级指标权重并确立最终的设计要素，并引入模糊评价来综合评价居家多功能康养护理床设计方案。最后，结合U-TRIZ理论，通过SAFC模型来对产品进行解决并设计出最终方案。FDM、FAHP和U-TRIZ结合的方法以一种更加系统、科学的形式来优化设计方案，减少设计过程中的主观因素，使得产品更加科学、严谨和理性。同时，本次研究仍存在一定的局限性，在层析分析阶段，各指标的赋值存在着一定的主观不确定性，还可通过场景实验来更好地分析赋值[21-22]。未来应设计出更加科学、客观的评判标准和更多的实验来验证产品的完整性以满足用户群体的需求[23-24]。