基于卡諾模型和穩(wěn)健設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法*

劉剛田，曹慧敏

(河南科技大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

基于卡諾模型和穩(wěn)健設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法*

劉剛田a，曹慧敏b

(河南科技大學(xué) a.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

該研究融合卡諾模型，提出了一種穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，以獲得設(shè)計(jì)造型要素的最佳組合。由于具備多準(zhǔn)則特性，這可以有效地提高消費(fèi)者滿意度與產(chǎn)品的審美品質(zhì)?？ㄖZ模型是用來(lái)更好地了解性能準(zhǔn)則和消費(fèi)者滿意度之間的關(guān)系，并通過(guò)確定消費(fèi)者滿意度的關(guān)鍵準(zhǔn)則，來(lái)解決優(yōu)化多準(zhǔn)則的折衷困境。穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析與田口方法優(yōu)化多準(zhǔn)則特征的主觀質(zhì)量。這同時(shí)產(chǎn)生最優(yōu)的美學(xué)性能，減少消費(fèi)者評(píng)價(jià)的變化。基于卡諾模型分析，權(quán)重調(diào)整過(guò)程決定了每個(gè)實(shí)現(xiàn)顧客滿意績(jī)效的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。這過(guò)程指導(dǎo)多準(zhǔn)則排序，從而實(shí)現(xiàn)更高的客戶滿意度。進(jìn)行了一項(xiàng)機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證使用建議的綜合方法的好處。結(jié)果表明，所產(chǎn)生的最佳機(jī)床設(shè)計(jì)能有效提升整體審美表現(xiàn)和客戶滿意度。

卡諾模型；穩(wěn)健設(shè)計(jì)；多判據(jù)優(yōu)化；產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)

0 引言

消費(fèi)者滿意度是當(dāng)今全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要問(wèn)題之一。設(shè)計(jì)的審美品質(zhì)對(duì)消費(fèi)者滿意度有正向影響。美學(xué)設(shè)計(jì)能提高消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的渴求度，在感知產(chǎn)品質(zhì)量方面顯著影響消費(fèi)者滿意度。在理論研究中很少涉及主觀質(zhì)量和消費(fèi)者滿意度之間的關(guān)系[1]。Lai等[2]提出了一種穩(wěn)健設(shè)計(jì)法，通過(guò)減少消費(fèi)者實(shí)際感受與期望度之間的差異及由消費(fèi)者高度個(gè)性化的特點(diǎn)造成的模糊性，以此來(lái)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的感知度，重點(diǎn)是將平均值接近預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)降低質(zhì)量變化。審美體驗(yàn)具有多維性，之前用一維的結(jié)構(gòu)研究解釋用戶主體感知是不合適的[3]。優(yōu)化審美品質(zhì)應(yīng)視為一個(gè)多準(zhǔn)則問(wèn)題，這些準(zhǔn)則是不等價(jià)的，即他們對(duì)整體質(zhì)量評(píng)估做出的貢獻(xiàn)是不同的[4]。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者滿意度之間關(guān)系被假定為線性的——感知標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量越高，消費(fèi)者的滿意度越高。從目前理論觀點(diǎn)來(lái)看，這種關(guān)系是非線性的，不斷改進(jìn)一些標(biāo)準(zhǔn)而不考慮消費(fèi)者的實(shí)際愿望，不足以提高消費(fèi)者滿意度[5-7]。傳統(tǒng)的權(quán)重確定方法可能無(wú)法完全說(shuō)明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者滿意度之間的關(guān)系。對(duì)于提供哪些標(biāo)準(zhǔn)了解一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者滿意度之間的關(guān)系是必要的[8-10]。

本研究提出了一種卡諾模型與穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的綜合方法，以提高審美的主體性和消費(fèi)者滿意度。采用這種方法來(lái)研究設(shè)計(jì)參數(shù)和質(zhì)量性能與多標(biāo)準(zhǔn)考慮之間的關(guān)系。它也決定了最佳組合的設(shè)計(jì)參數(shù)，以最大限度地提高質(zhì)量性能，并盡量減少質(zhì)量變化。采用卡諾模式探索多元審美標(biāo)準(zhǔn)與消費(fèi)者滿意度之間的關(guān)系，并找出提高滿意度的關(guān)鍵因素，以機(jī)床設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象并驗(yàn)證所提出方法的有效性。

1 優(yōu)化美學(xué)滿意度方法

1.1 確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

消費(fèi)者滿意度與產(chǎn)品美學(xué)涉及多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。最關(guān)鍵是確定最重要和最具代表性的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，以確保效率。收集一套合適的美學(xué)滿意度的標(biāo)準(zhǔn)；邀請(qǐng)6位資深工業(yè)設(shè)計(jì)師加入討論組確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，這些設(shè)計(jì)師確定的審美標(biāo)準(zhǔn)包括創(chuàng)意、統(tǒng)一、完整、興趣、簡(jiǎn)單和滿意的形式。

1.2 確定機(jī)床設(shè)計(jì)屬性

6位工業(yè)設(shè)計(jì)師使用形態(tài)分析審查機(jī)床產(chǎn)品信息和提取設(shè)計(jì)屬性，確定最有可能影響美學(xué)的設(shè)計(jì)屬性。確定的設(shè)計(jì)屬性分為兩種類型：形態(tài)特征和特征組合及這些特征之間的組成關(guān)系。確定設(shè)計(jì)屬性以及其對(duì)應(yīng)的設(shè)置水平。設(shè)計(jì)屬性A、B、C、D、E、F、G表示機(jī)床設(shè)計(jì)的形態(tài)特征。設(shè)計(jì)屬性H、I、J表示設(shè)計(jì)組合。

1.3 田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用于此案例的控制因子陣列選擇需要適應(yīng)10個(gè)控制因素(A-J)。這種組合的完全因子將達(dá)到524288(2×49)個(gè)樣本。使用正交陣列可以有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，以確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的最優(yōu)設(shè)計(jì)屬性組合。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用田口方法L′32(21×49)。正交表中各實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)圖像的審美標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)

招募評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的受試者為35名男性和25名女性，年齡從18歲至24歲。要求受試者用李克特量表6個(gè)美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估32個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品。用卡諾問(wèn)卷調(diào)查把美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)分為卡諾類。對(duì)每個(gè)樣本的六個(gè)美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的評(píng)價(jià)。較高的性能特征被假定為這些審美標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)樣本的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的更高信噪比是計(jì)算每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)依據(jù)，即：

(1)

ηij是第j次實(shí)驗(yàn)樣本第i個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)的信噪比，n是受試者總數(shù)，yijk是第k個(gè)受試者中第j個(gè)樣本第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)值。

2.1 卡諾分類

機(jī)床造型卡諾調(diào)查問(wèn)卷的結(jié)果如表1所示，它提供了分類標(biāo)準(zhǔn)的信息。創(chuàng)意、興趣和滿意的形式標(biāo)準(zhǔn)可視為有吸引力的品質(zhì)。完整性視為單一維度品質(zhì)。另一方面，簡(jiǎn)單可歸類為標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)。統(tǒng)一與消費(fèi)者滿意度不相關(guān)，它被列為無(wú)差異品質(zhì)。然后將卡諾分類對(duì)應(yīng)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)與每一個(gè)卡諾類別的調(diào)整系數(shù)(K)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。

表1 機(jī)床造型卡諾分類的審美標(biāo)準(zhǔn)

2.2 確定權(quán)重

根據(jù)設(shè)計(jì)師意見(jiàn)分配標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別處理步驟概括如下：

(1)讓dij為評(píng)價(jià)第j次實(shí)驗(yàn)樣本第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信噪比；i=1,2,…,n；j=1,2,…,m，D=(dij)n×m是樣本評(píng)價(jià)矩陣。假設(shè)zij是dij的轉(zhuǎn)換值；它可以定義為：

(2)

(2)第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ei可以用下面的公式測(cè)量，這里c=1/ln(m)，ei<0，即：

(3)

wi=(1-ei)/(n-E)

(4)

由于卡諾分類結(jié)果，統(tǒng)一被認(rèn)定為無(wú)差異品質(zhì)，在這種情況下從經(jīng)濟(jì)和效率方面的考慮將它排除在外。使用公式(2)～公式(4)通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到了原準(zhǔn)則權(quán)重?？ㄖZ模型根據(jù)其卡諾類別，然后整合卡諾模型調(diào)整每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重，最后調(diào)整審美標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重，運(yùn)用級(jí)別調(diào)整公式計(jì)算，解釋與消費(fèi)者滿意相關(guān)的優(yōu)先次序。強(qiáng)調(diào)吸引力品質(zhì)，如創(chuàng)意，興趣和滿意的形式。簡(jiǎn)單被歸類為標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)，應(yīng)給予較低的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)優(yōu)先考慮簡(jiǎn)單，最后考慮創(chuàng)意。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析中，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，讓受試者標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)的信噪比規(guī)范化。計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，區(qū)分系數(shù)ζ=0.5，表示每個(gè)設(shè)計(jì)的最佳與實(shí)際信噪比之間的關(guān)系。根據(jù)式(2)，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度(灰色關(guān)聯(lián)度，即美學(xué)指數(shù)，是通過(guò)總結(jié)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)乘以對(duì)應(yīng)的審美標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整權(quán)重得出的。)具有較高的灰色關(guān)聯(lián)度實(shí)驗(yàn)樣品有更好的美學(xué)表現(xiàn)。

2.4 確定設(shè)計(jì)屬性最佳組合

各形態(tài)屬性對(duì)性能指標(biāo)的整體影響運(yùn)用定量理論I型分析研究。偏相關(guān)系數(shù)(PCC)表示每10個(gè)機(jī)床產(chǎn)品變量對(duì)整體美學(xué)滿意度的相對(duì)重要性。如具有最高的PCC的變量是“頂形”(PCC=0.790)，即一個(gè)機(jī)床的最佳形狀對(duì)感知機(jī)床美學(xué)影響最大?！皥A型”(PCC=0.078)是最不顯著的變量。“頂形”(PCC=0.790)，“體形樣式”(PCC= 0.752)，“分形輪廓”(PCC=0.697)，“數(shù)控面板箱”(PCC=0.677)是對(duì)機(jī)床美學(xué)影響最大的設(shè)計(jì)屬性。分類等級(jí)水平表明了各造型屬性對(duì)審美滿意度的影響。正級(jí)表明這種造型屬性水平可以提高機(jī)床的感知審美，而在產(chǎn)品美學(xué)中應(yīng)避免負(fù)級(jí)?；诜治觯瑢?duì)形式屬性的優(yōu)化組合，即A2、B2、C3、D3、E2、F3、G2、H1、I1、J1。這一優(yōu)化的機(jī)床設(shè)計(jì)與最高美學(xué)滿意度的計(jì)算機(jī)圖像構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)比較實(shí)驗(yàn)

2.5 改進(jìn)驗(yàn)證

確認(rèn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證所提出的方法所產(chǎn)生的優(yōu)化設(shè)計(jì)性能。由6位工業(yè)設(shè)計(jì)專家選擇了7款機(jī)床進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。為該評(píng)價(jià)提供一個(gè)相同的標(biāo)準(zhǔn)，包括分形輪廓、體形樣式和數(shù)控面板箱，同田口實(shí)驗(yàn)的樣品一樣受控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的6個(gè)審美標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重使用熵權(quán)法確定，每一個(gè)測(cè)試樣品的分級(jí)采用卡諾模型和熵權(quán)計(jì)算的調(diào)整權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

表2 確定權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果

進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)，要求60個(gè)相同的參加實(shí)驗(yàn)者在6個(gè)美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)7個(gè)樣本進(jìn)行排序以及完成一個(gè)李克特量表的總體滿意度。表3顯示了設(shè)計(jì)方案第7號(hào)的總體滿意度和大多數(shù)的審美標(biāo)準(zhǔn)都很優(yōu)秀。它獲得了創(chuàng)意、興趣和形式滿意度的魅力品質(zhì)的最高評(píng)價(jià)。完整性、簡(jiǎn)單性和統(tǒng)一性的評(píng)價(jià)適中。這一結(jié)果驗(yàn)證了形態(tài)屬性的優(yōu)化組合可以有效地提高多準(zhǔn)則特征的美學(xué)品質(zhì)，從而提高消費(fèi)者的滿意度。表3顯示了這一分析結(jié)果，7號(hào)設(shè)計(jì)方案優(yōu)于比較設(shè)計(jì)是因?yàn)樗@得了最高等級(jí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)(編號(hào)7)由所提出方法得出，有效地增強(qiáng)吸引力和單一維度標(biāo)準(zhǔn)。與沒(méi)有卡諾模型優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算相比，它產(chǎn)生了更高的客戶滿意度。這證實(shí)了使用權(quán)重調(diào)整與卡諾分析整合的好處，更準(zhǔn)確地重新排序優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)和解決權(quán)衡的多準(zhǔn)則優(yōu)化問(wèn)題。基于排名得分的性能評(píng)估用于進(jìn)一步調(diào)查提出的綜合方法的有效性。表3顯示，在每個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的性能是基于信噪比大小排名。

排名第一、第二、第三、第四、第五、第六和第七的得分，分別為7、6、5、4、3、2、1。每個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的得分排名如表4所示。第7號(hào)設(shè)計(jì)方案為第一有三次，第三有三次，總成績(jī)?yōu)?6(7×3+5×3=36)。每個(gè)設(shè)計(jì)的總成績(jī)的計(jì)算結(jié)果，如表4所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)第7號(hào)設(shè)計(jì)方案獲得了最高分?jǐn)?shù)36分。

表3 確認(rèn)測(cè)試結(jié)果

表4 評(píng)估排名得分結(jié)果

提出整合穩(wěn)健設(shè)計(jì)法與卡諾模型的方法是有效的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)審美素質(zhì)和整體滿意度。最后，對(duì)造型屬性進(jìn)行優(yōu)化組合，構(gòu)建優(yōu)化的機(jī)床造型設(shè)計(jì)與最高美學(xué)滿意度的計(jì)算機(jī)三維效果圖，如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)3D模型

3 結(jié)論

本研究采用了穩(wěn)健設(shè)計(jì)法集成卡諾模型，優(yōu)化質(zhì)量與多準(zhǔn)則特征以達(dá)到審美滿意。提出的穩(wěn)健設(shè)計(jì)法可適用于客觀和主觀質(zhì)量，特別是對(duì)多判據(jù)優(yōu)化。因此，使用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只需要較少數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，從而節(jié)省時(shí)間和財(cái)力。使用卡諾模型有助于區(qū)分影響消費(fèi)者滿意度的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它也可以對(duì)優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)重新排序，以解決多判據(jù)優(yōu)化的權(quán)衡困境。用優(yōu)化機(jī)床造型的案例論證該方法的應(yīng)用，驗(yàn)證了卡諾模型的優(yōu)勢(shì)，更好地了解消費(fèi)者的要求，以確定消費(fèi)者滿意度的關(guān)鍵和高回報(bào)的因素，并解決多準(zhǔn)則決策的權(quán)衡困境。該方法提高了標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)確定的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果提供了具有最佳設(shè)計(jì)的機(jī)床造型元素，提高了造型審美和消費(fèi)者的滿意度。

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(編輯 李秀敏)

Applying a Hybrid Approach Based on Kano Model and Robust Design to Product form Design

LIU Gang-tiana, CAO Hui-minb

(a.School of Art and Design；b.College of Electromechanical Engineering，Henan University of Science & Technology，Luoyang Henan 471023,China)

This study presents a robust design approach incorporating the Kano model to obtain the optimal combination of design form elements. This can effectively enhance customer satisfaction and aesthetic product qualities with multiple-criteria characteristics.The Kano model is used to better understand the relationship between performance criteria and customer satisfaction, and to resolve trade-off dilemma in multiple-criteria optimization by identifying the key criteria in customer satisfaction. The robust design approach combines grey relational analysis with the Taguchi method to optimize subjective quality with multiple-criteria characteristics. This simultaneously yields the optimal aesthetic performance and reduces the variations in customer evaluations. Based on Kano model analysis, a weight adjustment process determines the weight of each product criterion for achieving the desired customer satisfaction performance. This process guides the prioritizing of multiple criteria, leading to higher customer satisfaction. A machine tool design experiment was conducted to verify the benefits of using the proposed integrative approach. Results show that the generated optimal machine tool design can effectively enhance overall aesthetic performance and customer satisfaction.

kano model;robust design;multiple-criteria optimization; product form design

1001-2265(2017)01-0009-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.003

2016-03-07；

2016-04-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(51475146)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃(132102210578)；河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助

劉剛田(1971—)，男，山東膠南人，副教授，博士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品造型設(shè)計(jì)理論和人機(jī)工程學(xué)，(E-mail)liugangtian@126.com。

TH122;TG506

A