李 惠，王時英，李娟莉

基于QFD—PUGH的人機(jī)界面評價方法研究

李 惠1，王時英2，李娟莉2

(1. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2. 太原理工大學(xué)工業(yè)設(shè)計系，山西 太原 030024)

人機(jī)界面的設(shè)計優(yōu)化包括用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計需求的準(zhǔn)確性和設(shè)計需求形成最優(yōu)方案2部分，設(shè)計評價是界面設(shè)計優(yōu)化的重要手段。在當(dāng)前的評價方法中，上述兩者是分階段進(jìn)行，數(shù)據(jù)共享性差。針對該問題，提出一種基于質(zhì)量功能展開(QFD)和PUGH決策矩陣融合的人機(jī)界面評價方法。首先運用層次分析法確定人機(jī)界面的用戶需求權(quán)重，結(jié)合界面產(chǎn)品特性將對應(yīng)的用戶需求映射為相關(guān)設(shè)計需求；接著基于QFD構(gòu)建質(zhì)量屋模型，根據(jù)用戶需求和設(shè)計需求相關(guān)程度的矩陣得出界面設(shè)計需求要素的權(quán)重，實現(xiàn)了將用戶主觀描述的需求轉(zhuǎn)化為界面優(yōu)化的設(shè)計需求；最后將QFD模型得出的設(shè)計需求及其權(quán)重作為PUGH決策評價的標(biāo)準(zhǔn)，選出最優(yōu)界面設(shè)計方案，完成對人機(jī)界面設(shè)計的綜合評價。以家用跑步機(jī)的人機(jī)界面評價為例，驗證了QFD和PUGH融合的人機(jī)界面評價方法的有效性，為完整的人機(jī)界面實現(xiàn)過程提供了決策方法和優(yōu)化思路。

質(zhì)量功能展開；PUGH決策矩陣；用戶需求；人機(jī)界面評價

人機(jī)界面設(shè)計是一個以獲取用戶需求為出發(fā)點，完成用戶需求到設(shè)計需求的轉(zhuǎn)化、設(shè)計需求指導(dǎo)最優(yōu)設(shè)計方案形成的完整過程[1]。最優(yōu)化的設(shè)計方案以符合人機(jī)界面的設(shè)計原則為前提，更重要的是最大限度符合用戶需求。人機(jī)界面的設(shè)計評價為界面設(shè)計提供了方案決策依據(jù)，指明了優(yōu)化方向，對于指導(dǎo)界面設(shè)計具有重要意義。

人機(jī)界面的設(shè)計評價通常包括用戶需求評價和界面設(shè)計方案評價2個方面，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究和分析工作。

在需求評價方面，單鴻波和李淑霞[2]根據(jù)用戶需求調(diào)查結(jié)果采用模糊矩陣對各用戶需求進(jìn)行表達(dá)，用熵處理簡化用戶需求模糊矩陣，獲取用戶需求重要度排序；高涵和許繼峰[3]通過構(gòu)建老年人健康監(jiān)測需求指標(biāo)體系，利用層次分析法計算各需求指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合現(xiàn)狀對需求重要性評價結(jié)果進(jìn)行了分析，指導(dǎo)了健康監(jiān)測產(chǎn)品設(shè)計；TOMDIECK等[4]使用親和力圖和映射方法分析可穿戴智能眼鏡的用戶需求，結(jié)果表明內(nèi)容要求、功能要求、舒適性、體驗和阻力在開發(fā)和實施可穿戴AR應(yīng)用時的不同重要度等級，為設(shè)計實踐指明了方向。

在界面設(shè)計方案的評價研究方面，文獻(xiàn)[5-6]使用用戶體驗方法分別評估官方商店和手機(jī)移動應(yīng)用程序的用戶界面，包括性能指標(biāo)、自我報告指標(biāo)、行為指標(biāo)和基于問題指標(biāo)，評估用戶在交互時所產(chǎn)生的績效、感知、行為和問題，根據(jù)結(jié)果完成策略評價和界面設(shè)計建議；趙彩云等[7]從提高界面造型與企業(yè)文化融合度出發(fā)，提出基于企業(yè)意象風(fēng)格、美度評價、績效測評3方面融合的健身器材界面評估標(biāo)準(zhǔn)，運用模糊層次分析法完成了多目標(biāo)意向下方案的最優(yōu)決策評價；袁樹植等[8]通過將灰色關(guān)聯(lián)分析法引入群層次分析法得出感性評價體系中感性指標(biāo)權(quán)重，建立了一種直覺模糊集理論和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)相結(jié)合的綜合評價模型，提供了有效評價方法。

在上述相關(guān)評價方法的研究中，關(guān)于用戶需求評價與設(shè)計方案評價是相互割裂的狀態(tài)，較少關(guān)注如何以設(shè)計需求作為用戶需求與設(shè)計方案評價的結(jié)合點，將需求轉(zhuǎn)化和評價決策2部分進(jìn)行融合。本文結(jié)合質(zhì)量功能展開(quality function deployment，QFD)和PUGH決策矩陣(PUGH decision matrix)方法的特點提出一種人機(jī)界面評價方法，在分析用戶對于人機(jī)界面的需求前提下，將QFD方法得到的設(shè)計需求及權(quán)重作為PUGH決策評分的標(biāo)準(zhǔn)，形成了從用戶需求到最優(yōu)方案的系統(tǒng)評價方法，并以某企業(yè)的跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計方案為例驗證了該方法的完整性和可用性。

1 基于QFD-PUGH人機(jī)界面評價方法研究框架

用戶需求分析是設(shè)計評價的基礎(chǔ)，質(zhì)量屋(the house of quality，HOQ)模型通過將主觀評價轉(zhuǎn)換為定量評價實現(xiàn)用戶需求到設(shè)計需求要素的轉(zhuǎn)化。本文方案評價模型主要分為QFD完成需求轉(zhuǎn)化和PUGH決策評分2部分。

(1) QFD需求轉(zhuǎn)化。為了避免信息偏差，獲取用戶需求時只對核心用戶和專業(yè)研發(fā)人員進(jìn)行訪談和問卷調(diào)查，根據(jù)獲取的用戶需求進(jìn)行分類整理后，首先構(gòu)建用戶需求層次[9]，確定用戶需求權(quán)重值，其次基于QFD構(gòu)建質(zhì)量屋模型，實現(xiàn)需求的量化轉(zhuǎn)換。

(2) PUGH決策評分。通過構(gòu)建PUGH決策矩陣對界面方案進(jìn)行綜合評分排序，完成界面設(shè)計方案的最終評價。評價方法研究框架如圖1所示。

2 基于QFD確定設(shè)計需求重要度

2.1 用戶需求權(quán)重值計算

QFD是產(chǎn)品設(shè)計過程中實現(xiàn)需求轉(zhuǎn)化的重要方法，而質(zhì)量屋模型是QFD方法的核心工具，通過構(gòu)建質(zhì)量屋模型得到設(shè)計需求相對重要度的關(guān)鍵前提為獲取用戶需求權(quán)重值，借助層次分析法的計算原理[10]求得用戶需求權(quán)重值，進(jìn)而依據(jù)QFD的賦值原理完成用戶-設(shè)計需求的定量轉(zhuǎn)換。用戶需求權(quán)重計算流程如下：

(2) 計算判斷矩陣的最大特征根

其中，()為向量的第個元素；max為一致性檢驗的重要元素。

圖1 人機(jī)界面設(shè)計評價框架

(3) 避免指標(biāo)相對重要度出現(xiàn)自相矛盾的情況，需進(jìn)行一致性檢驗，＜0.10時，矩陣具有一致性，權(quán)重值有效，確定用戶需求的權(quán)重值為，一致性檢驗計算為

表1 矩陣的RI值

2.2 構(gòu)建質(zhì)量屋確定設(shè)計需求相對重要度

將計算得出的用戶需求權(quán)重值代入到質(zhì)量屋模型(圖2)中，借助質(zhì)量屋模型實現(xiàn)用戶需求的傳遞，通過關(guān)系程度比例賦值形成用戶-設(shè)計需求的相關(guān)矩陣，確定對應(yīng)的設(shè)計需求要素及其相對重要度[12]，本文采用可用于表征用戶需求與產(chǎn)品特性關(guān)系最有效的0，1，3，5比例標(biāo)度，表示用戶需求U與設(shè)計需求N的相關(guān)度R，其數(shù)字分別代表無相關(guān)、弱相關(guān)、中相關(guān)、強(qiáng)相關(guān)[13]。

設(shè)計需求N，重要度n和相對重要度v計算為

其中，為用戶需求的數(shù)量。

其中，為設(shè)計需求的數(shù)量。

圖2 質(zhì)量屋模型

3 構(gòu)建PUGH矩陣進(jìn)行方案評價

3.1 PUGH矩陣評價原理及方法

PUGH矩陣又稱概念決策矩陣，是一種定量決策分析工具，適用于評估決策的各個階段，對設(shè)計概念進(jìn)行高效、系統(tǒng)評估[14]。其保留了明確、有記錄的篩選過程，實現(xiàn)了多因素綜合評價下從大量備選方案中快速識別明顯優(yōu)勢概念的目標(biāo)[15]。

PUGH矩陣用于人機(jī)界面方案的選擇評價主要分為4步：

(1) 由專業(yè)評估小組成員根據(jù)QFD中分析得出的界面設(shè)計因素及權(quán)重從待評價方案中確定一個基準(zhǔn)方案。

(2) 建立人機(jī)界面評價矩陣。其列由界面評價指標(biāo)、各項評價符號的得分以及方案總得分組成，行由界面設(shè)計方案組成。

(3) 采用“+”“–”和“S”符號對方案進(jìn)行評分?！?”表示可選方案在該指標(biāo)下優(yōu)于基準(zhǔn)方案，“–”表示劣于基準(zhǔn)方案，“S”表示相同[16]。

(4) 在構(gòu)建好的矩陣結(jié)構(gòu)表中，依照評價標(biāo)準(zhǔn)將每個界面方案的每一項評估準(zhǔn)則與設(shè)定的基準(zhǔn)方案一一比較。對所有方案的評分符號進(jìn)行統(tǒng)計，并得出方案評價總分，從而獲得設(shè)計方案的優(yōu)劣次序，完成方案的初步篩選[14]。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計方案概念評分及排序

對通過初步篩選的設(shè)計方案進(jìn)行綜合概念評分，完成進(jìn)一步客觀詳細(xì)決策。

(1) 構(gòu)建PUGH評分決策矩陣。從參與評價的方案中確定一個為參照標(biāo)準(zhǔn)，按照1～5分的評分標(biāo)準(zhǔn)對各個方案的每項指標(biāo)進(jìn)行評價。將通過QFD構(gòu)建質(zhì)量屋得出的第個設(shè)計需求的指標(biāo)權(quán)重值v與第個方案的第個指標(biāo)評分等級d相乘，計算不同方案每項指標(biāo)的得分P，將每個方案的項指標(biāo)加權(quán)得分進(jìn)行求和計算，得出方案綜合評分S，即

(2) 將人機(jī)界面方案按照綜合評分進(jìn)行從高到低排序，得出最佳界面設(shè)計決策及優(yōu)化方向，完善設(shè)計評價流程，為新的人機(jī)界面設(shè)計提供優(yōu)化理論基礎(chǔ)，節(jié)約設(shè)計研發(fā)時間。

4 跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計實例評價

隨著全民健身理念和智能數(shù)字技術(shù)的興起，跑步機(jī)作為人們追求健康生活的首選，在發(fā)展過程中其功能也變得多樣化，主要體現(xiàn)在復(fù)雜的人機(jī)界面操作中，只有準(zhǔn)確了解用戶需求才能夠提高用戶在交互過程中的滿意度。為驗證本文方法在人機(jī)界面評價的可行性，以某企業(yè)跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計項目方案為例進(jìn)行評價驗證。

4.1 確定跑步機(jī)人機(jī)界面用戶需求及權(quán)重

為了確保獲取的跑步機(jī)人機(jī)界面用戶需求信息具有針對性和有效性，本文選取了有長期健身經(jīng)驗和跑步機(jī)使用經(jīng)驗的52名資深用戶，為了減少長期使用經(jīng)驗導(dǎo)致的習(xí)慣行為對于數(shù)據(jù)造成的主觀性影響，同時選取了28名初次使用跑步機(jī)的新手用戶進(jìn)行了用戶訪談和問卷調(diào)查，其中男女性別比例為43∶37，年齡段為25～45歲。

由15名設(shè)計專業(yè)的研究生和7名教師組成設(shè)計小組，對問卷結(jié)果進(jìn)行整理篩選，獲取的有效用戶需求包括按鍵形態(tài)便于運動時操作、不同跑步模式的快捷切換、實時反饋訓(xùn)練效果等15項。根據(jù)親和圖法(affinity diagram,又稱KJ法)，的分類準(zhǔn)則將初始需求作為基礎(chǔ)樣本分別制作成15張單獨的卡片，將內(nèi)容相似的卡片劃分為一組，并制定適當(dāng)?shù)臉?biāo)題卡，再將內(nèi)容相似的標(biāo)題卡進(jìn)行同組劃分并賦予標(biāo)題，依次重復(fù)上述步驟，直到無法再進(jìn)行合并。最后15項用戶需求分為形態(tài)、色彩、功能、情感和美學(xué)[17]5大類需求，獲得遞階層次化結(jié)構(gòu)的用戶信息，見表2。

根據(jù)用戶需求的層次結(jié)構(gòu)，借助層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的評分原則與矩陣構(gòu)建方法，確定用戶需求的綜合權(quán)重。根據(jù)式(1)計算每一層元素相對上一層次的需求權(quán)重值，式(2)和(3)進(jìn)行一致性檢驗，對形態(tài)需求1、色彩需求2、功能需求3、情感需求4和美學(xué)需求5中的各個子評價指標(biāo)：1={11,12,13}，2={21,22}，3={31,32,33}，4={41,42,43}，5={51,52,53}分別進(jìn)行成對比較，計算得出用戶需求權(quán)重，即

最后將第三層次需求的權(quán)重值分別與之對應(yīng)的第二層次需求權(quán)重值相乘，得到各項用戶需求的綜合權(quán)重，見表3。經(jīng)計算其中計算值均符合一致性檢驗。

表2 跑步機(jī)界面設(shè)計用戶需求結(jié)構(gòu)表

表3 跑步機(jī)界面設(shè)計用戶需求權(quán)重

4.2 跑步機(jī)界面的設(shè)計需求需求分析

將用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計需求是構(gòu)建質(zhì)量屋的目標(biāo)，設(shè)計小組成員結(jié)合用戶需求與界面使用特性，對家用跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計需求進(jìn)行映射分析和分類。以形態(tài)需求映射為例(圖3)，按鍵形態(tài)應(yīng)便于在運動時操作，11的用戶需求則在設(shè)計時需考慮按鍵本身的尺寸大小是否符合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)對應(yīng)數(shù)據(jù)，按鍵與按鍵之間的間距是否會影響跑步時操作的準(zhǔn)確性，以及按鍵的形態(tài)在跑步時觸摸是否舒適。同理分析得出功能需求、按鍵特性、顯示屏特性和整體布局4項一級設(shè)計需求和多模式功能、數(shù)據(jù)反饋及時、觸感舒適等10項二級需求，如圖4所示。

圖3 需求映射圖

圖4 設(shè)計需求遞階層次圖

將用戶需求、綜合權(quán)重值和設(shè)計需求按照圖2的配置方式帶入質(zhì)量屋，根據(jù)式(4)和式(5)計算出各項設(shè)計需求的相對重要度即設(shè)計需求權(quán)重，如圖5所示。

4.3 基于PUGH家用跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計方案選擇

4.3.1 設(shè)計方案初步評價及選擇

為了確保該評價具有一定參考價值及評價結(jié)果的客觀性，邀請該企業(yè)中健身器研發(fā)項目中的8名設(shè)計師、4名技術(shù)工程師共12名專家組成決策小組，選取在相同設(shè)計需求背景下，造型風(fēng)格和市場定位一致的8款家用跑步機(jī)人機(jī)界面作為待評價方案，并由12名專家小組成員經(jīng)過討論、對比、綜合分析，完成對方案的初步評價，構(gòu)建PUGH決策矩陣見表4。

圖5 用戶需求與設(shè)計需求相關(guān)關(guān)系矩陣

表4 跑步機(jī)界面設(shè)計方案粗篩PUGH決策矩陣

注：優(yōu)于“+”；相同“S”；劣于“-”

12名專家組成員投票結(jié)果選出方案B作為基準(zhǔn)方案，將其他方案與方案B進(jìn)行比較評價，得出各方案的綜合凈分?jǐn)?shù)并從高到低排序。篩掉排名最后的4個方案，最終方案A，B，F(xiàn)和H進(jìn)入綜合概念評分階段，進(jìn)行詳細(xì)的量化評價。

4.3.2 設(shè)計方案綜合評價

將問卷信息進(jìn)行整理、分析和歸納，對初步篩選的4款界面設(shè)計方案，統(tǒng)計其在功能需求、按鍵特性、顯示屏特性和整體布局4個方面的評價數(shù)據(jù)。以方案B為評價標(biāo)準(zhǔn)方案(B的評價得分均為3)，根據(jù)5級評價標(biāo)準(zhǔn)對方案A、D、F進(jìn)行評級，構(gòu)建概念評分PUGH決策矩陣，結(jié)合每一指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重數(shù)值，根據(jù)式(6)和(7)計算每個方案指標(biāo)對應(yīng)的加權(quán)評分，見表5。

表5 跑步機(jī)界面設(shè)計方案綜合評分

據(jù)表5的數(shù)據(jù)結(jié)果，家用跑步機(jī)人機(jī)界面設(shè)計方案排序為：方案F＞方案A＞方案B＞方案H，即方案F為最優(yōu)設(shè)計方案。為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案，提高跑步機(jī)界面的操作效率和用戶需求滿意度，對方案F進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。通過表6可以看到，方案F在顯示屏特性的反饋及時和觸感舒適這2項設(shè)計指標(biāo)的得分較低，分別為0.250和0.060，而方案A的2項設(shè)計指標(biāo)得分最高，分別為0.500和0.120。同時從圖4中可知數(shù)據(jù)反饋功能和反饋及時2項設(shè)計需求權(quán)重值較高，即相對重要度高，因此選擇方案A為主要設(shè)計參考，針對數(shù)據(jù)反饋和觸感舒適相關(guān)設(shè)計需求對方案F進(jìn)行方案優(yōu)化和詳細(xì)設(shè)計。

5 結(jié) 論

(1) 依據(jù)層次分析法確定人機(jī)界面的用戶需求權(quán)重，結(jié)合人機(jī)界面的設(shè)計原則將對應(yīng)的用戶需求映射為相關(guān)設(shè)計需求，基于QFD構(gòu)建質(zhì)量屋模型，根據(jù)用戶需求和設(shè)計需求相關(guān)程度的矩陣得出界面設(shè)計需求的權(quán)重值，完成了將用戶帶有主觀情感的需求轉(zhuǎn)化為界面優(yōu)化的設(shè)計需求。

(2) 運用PUGH決策矩陣完成了人機(jī)界面設(shè)計方案的初步篩選，以設(shè)計需求、需求權(quán)重和需求評級構(gòu)建PUGH評分矩陣用于決策，根據(jù)評分排序結(jié)果得出了設(shè)計的最優(yōu)參考方案，通過分析需求的重要程度得出設(shè)計的優(yōu)化重點。

(3) 提出了一種QFD和PUGH決策矩陣融合的人機(jī)界面評價方法，將需求映射和QFD得出的設(shè)計需求及相對重要度作為PUGH決策矩陣的設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了以設(shè)計需求為結(jié)合點，用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計需求和設(shè)計需求指導(dǎo)決策評分2部分的有機(jī)結(jié)合，為進(jìn)一步人機(jī)界面的設(shè)計優(yōu)化研究提供了決策方法和理論依據(jù)。

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Research on human-machine interface evaluation method based on QFD-PUGH

LI Hui1, WANG Shi-ying2, LI Juan-li2

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Department of Industry Design, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China)

The human-machine interface design and optimization consists of the transformation from user demand to design demand and the formation of the best program based on design demand. Evaluation is significant for design optimization, while in the existing studies on evaluation method, the above two parts are performed in different stages, leading to inefficiency in data sharing. For this problem, an evaluation method of human-machine interface based on quality function deployment (QFD) and the PUGH decision matrix was put forward. Firstly, the Analytic Hierarchy Process was adopted to produce the weight of user demand, and corresponding user needs were mapped to relevant design requirements based on interface product features. Then a house of quality model was built based on QFD. According to the matrix of the degree of correlation between user requirements and design requirements, the weight was obtained, and the user’s subjective description was transformed into the design requirements. Finally, the design requirements and weights derived from the QFD were employed as the criteria for PUGH decision-making evaluation, the best scheme was chosen, thus completing a comprehensive evaluation of interface design. Taking the interface of the household treadmill as an example, it shows the effectiveness of the proposed method, and provides decision-making method andoptimization ideas for the whole process of human-machine interface implementation.

quality function deployment; PUGH decision matrix; user demand; human-machine interface evaluation

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021061043

A

2095-302X(2021)06-1043-08

2021-03-09；

2021-04-13

山西省研究生教育改革研究課題資助項目(2017JG30)；山西省自然科學(xué)基金資助項目(RZ19100134)

李 惠(1994-)，女，山西大同人，碩士研究生。主要研究方向為產(chǎn)品造型設(shè)計和人機(jī)界面交互設(shè)計。E-mail：2998379574@qq.com

王時英(1964-)，男，山西運城人，教授，博士。主要研究方向為齒輪精密超精密加工及功率超聲加工、工業(yè)設(shè)計工程。 E-mail：wsyabcde@163.com

9 March，2021；

13 April，2021

Shanxi Province Graduate Education Reform Research Project Funding Project (2017JG30); National Natural Science Foundation of Shanxi Province (RZ19100134)

LI Hui (1994-), female, master student. Her main research interests cover product styling design and human-computer interface interaction design. E-mail：2998379574@qq.com

WANG Shi-ying (1964-),male, professor, Ph.D. His main research interests cover gear precision ultra-precision machining and power ultrasonic machining, industrial design engineering. E-mail：wsyabcde@163.com