張娜，馬永超.KANO-FBS模型下的煤礦用自救器用戶需求研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2024，44（5）：1008-1018.

ZHANG Na，MA Yongchao.Research on the user requirements of self-rescuers for "coal mines under the KANO-FBS model[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：1008-1018.

摘要：為有效評價礦工對自救器的滿意度，設(shè)計符合礦工需求的自救器，提出一種以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計流程，改進(jìn)煤礦用自救器的開發(fā)過程。首先對煤礦用自救器用戶需求展開調(diào)研，通過KJ法構(gòu)建用戶需求體系，其次利用KANO模型量化用戶需求并結(jié)合敏感度排序明確設(shè)計目標(biāo)，構(gòu)建KANO模型下的需求要素與FBS功能要素轉(zhuǎn)化，經(jīng)過FBS模型的映射轉(zhuǎn)化，確定煤礦用自救器產(chǎn)品設(shè)計所需的結(jié)構(gòu)，最后完成自救器在使用方式和信息識別上的設(shè)計優(yōu)化。結(jié)果表明：煤礦用自救器用戶需求指標(biāo)體系中操作便捷、安全供氧及故障反饋是目前亟待改進(jìn)的需求，需求敏感度分別達(dá)到1.071、0.906、0.866；設(shè)計后的煤礦用自救器經(jīng)過平均操作用時測試對比，發(fā)現(xiàn)其使用效率高于現(xiàn)有產(chǎn)品，模糊綜合評價法驗(yàn)證得出設(shè)計后的煤礦用自救器用戶滿意度較高。

該研究有效解決了煤礦用自救器現(xiàn)有產(chǎn)品操作不便、日常維護(hù)困難等問題，驗(yàn)證了KANO-FBS模型的有效性和指導(dǎo)價值，為未來煤礦用自救器設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；煤礦用自救器；用戶需求；模糊綜合評價

中圖分類號：TD 774

文章編號：1672-9315（2024）05-1008

Research on the user requirements of self-rescuers for coal mines under the KANO-FBS model

ZHANG Na，MA Yongchao

（College of Arts，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：To effectively evaluate miners’satisfaction with the self-rescuer "and design a "self-rescuer that meets their needs，a user-oriented product design process is proposed to improve the development process.The first step involves conducting a survey to explore the user requirements for the coal mine self-rescuer.The KJ method is then employed to construct a user requirement system.The KANO model is adopted to quantify the user requirements，and the design objectives are determined through sensitivity ranking.The requirement elements under the KANO model and FBS functional elements are converted，and the FBS model is chosen to map and transform the requirements，with a necessary structure "established for the design of the coal mine self-rescuer.Finally，the design is optimized in terms of usage and information recognition.The results indicate that the key areas for improvement in the coal mine self-rescuer’s user requirement indicators are ease of operation，safe oxygen supply，and fault feedback，with sensitivity scores of 1.071，0.906，and 0.866，respectively.By average operation time testing，the self-rescuer designed for coal mines showed higher usage efficiency compared to the existing products.The introduction of fuzzy comprehensive evaluation method verified the higher user satisfaction with the designed self-rescuer for coal mines.This study effectively addresses such "issues as inconvenient operation and difficult daily maintenance of the existing coal mine self-rescuers.Furthermore，it provides valuable insights into the effectiveness and guiding value of the KANO-FBS model，a reference for future design and optimization of coal mine self-rescuers.

Key words：industrial design；self-rescuers for coal mines；user requirements；fuzzy comprehensive evaluation

0引言

煤礦用自救器是井下作業(yè)人員必備的個人防護(hù)裝備[1]。在煤礦災(zāi)害事故發(fā)生后，使用煤礦用自救器逃生能有效減少有毒有害氣體帶來的傷害。煤礦用自救器自問世以來，已有多起減少人員傷亡的成功案例，如2023年12月14日，貴州省黔西南州興義市朝陽煤礦21905工作面出現(xiàn)瓦斯超限，最高值達(dá)79.21%。生死關(guān)頭，10名工作人員及時戴上自救器，成功脫險[2]。然而，目前的煤礦用自救器在煤礦生產(chǎn)和建設(shè)中仍然存在一些問題，在設(shè)計研究上，主要集中在對供氧方式和工作時間的改進(jìn)，忽視了用戶需求。因此，現(xiàn)今急需解決的問題是如何有效地評價礦工對自救器的滿意度，設(shè)計出符合礦工需求的自救器。

近年來，很多學(xué)者研究了煤礦用自救器產(chǎn)品。仇式鵬提出了一套以人性化設(shè)計為核心的層次結(jié)構(gòu)，該層次結(jié)構(gòu)涵蓋了行為、認(rèn)知和情感3個方面，并應(yīng)用此方法對礦用壓縮氧自救器做出改良設(shè)計[3]；譚三泉通過分析現(xiàn)有自救器的工作原理、結(jié)構(gòu)以及佩戴使用方式，查找存在的缺點(diǎn)，將自救器進(jìn)行功能融合設(shè)計，合理布置有關(guān)部件[4]；PELDERS 等對女性礦工佩戴自救器進(jìn)行了評估，指出自救器未能考慮到女性人體測量尺寸，存在設(shè)備笨重、佩戴不適等問題[5]；GYAWU 等以礦工為研究對象，通過實(shí)地調(diào)查研究礦工在自我逃生過程中遇到的障礙，指導(dǎo)了自救器原型的設(shè)計[6]；馬云龍指出中國呼吸器檢測檢驗(yàn)技術(shù)及煤礦用自救器存在的問題，并結(jié)合煤礦用自救器及呼吸器的試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)裝置現(xiàn)狀，對比分析了中國、歐盟和美國煤礦用自救器的技術(shù)要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，并給出了中國煤礦用自救器發(fā)展的相關(guān)建議[7]。

以上對煤礦用自救器用戶需求方面的研究還存在不足，且對用戶需求的擴(kuò)展研究較少，使得現(xiàn)有產(chǎn)品的合理性和科學(xué)性無法得到有效保證。為解決以上問題，結(jié)合KANO-FBS模型，提出適用于煤礦用自救器的用戶需求轉(zhuǎn)化方法，指導(dǎo)完成符合煤礦作業(yè)者需求的自救器產(chǎn)品設(shè)計。

1煤礦用自救器概述

1.1現(xiàn)有產(chǎn)品

煤礦用自救器是一種呼吸保護(hù)裝置，主要用于保護(hù)礦工免受毒氣侵害。在煤礦發(fā)生災(zāi)害時，煤礦用自救器能夠有效隔離灰塵、瓦斯、一氧化碳等有害物質(zhì)，防止井下人員中毒窒息[8]。煤礦用自救器的出現(xiàn)保障了千萬礦工的生命安全，能有效地為煤礦工作者創(chuàng)造更多的逃生機(jī)會，延長他們的逃生時間。目前使用的自救器為ZYX45型隔絕式壓縮氧自救器（Z-自救器；Y-氧氣；X-循環(huán)式；45-使用時間45 min），如圖1所示。

ZYX45型隔絕式壓縮氧自救器主要組成部分有氧氣瓶、開關(guān)把手、壓力表、安全閥、手動供氣閥、清凈罐、清凈罐底蓋、排氣閥、氣囊、減壓器、鼻夾、口具等，如圖2所示。

1.2工作原理

隔絕式壓縮氧自救器在使用時會形成單管往復(fù)式閉路循環(huán)呼吸系統(tǒng)[10]，如圖3所示。打開氧氣瓶開關(guān)后，氧氣以大于等于1.2 L/min的流量依次通過減壓閥、定量閥、氣囊、吸氣軟管、吸氣閥、口具進(jìn)入使用者呼吸道，完成吸氣過程；隨后通過口具、呼氣閥、呼氣軟管、二氧化碳吸收劑、氣囊呼出二氧化碳，完成呼氣過程。在呼氣過程中，呼出的氣體會通過呼吸管道進(jìn)入清凈罐，清凈罐內(nèi)的堿石灰物質(zhì)能吸收過濾掉大部分二氧化碳，剩余氣體則會和氧氣瓶中流出的純氧混合，再次被循環(huán)使用。在使用者呼吸過程中，氧氣瓶內(nèi)的氧氣含量高于耗氧量時，氣囊內(nèi)壓力會隨之增大，當(dāng)氣囊壓力達(dá)到臨界值時，排氣閥會自動打開排除氣囊內(nèi)多余氣體[11]。

2KANO-FBS設(shè)計模型的構(gòu)建

2.1KANO模型

KANO模型是1984年日本學(xué)者狩野紀(jì)昭教授等提出的[12]，能夠表現(xiàn)產(chǎn)品功能屬性和用戶接受程度的非線性關(guān)系，是用來解決用戶模糊需求的定性分析工具。KANO模型能對用戶需求篩選歸類和優(yōu)先級排序，根據(jù)用戶滿意度將需求要素可歸類為：基本型屬性（M）、魅力型屬性（A）、期望型屬性（O）、無差異屬性（I）、逆向型屬性（R）5大類[13]。在設(shè)計問題求解過程中，KANO模型可以通過挖掘用戶反饋，尋找不同優(yōu)先級的用戶需求，找到設(shè)計切入點(diǎn)，快速明確重點(diǎn)設(shè)計方向，開發(fā)定位明確的產(chǎn)品，從而提升產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的效率。但KANO模型僅停留在定性分析層面，無法指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計問題。

2.2FBS模型

FBS（Function-Behavior-Structure）模型是由GERO教授等在1990年提出的一種設(shè)計分析模型[14]。FBS模型以產(chǎn)品功能為起點(diǎn)，結(jié)構(gòu)為目的，通過實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的行為搭建功能-結(jié)構(gòu)的映射轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化求解，指導(dǎo)完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[15]。其中功能（Function）是指產(chǎn)品技術(shù)要求，對產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)做出描述，滿足用戶的需求；行為（Behavior）是指用戶與產(chǎn)品的交互方式或產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)方式，即在使用產(chǎn)品功能時用戶所發(fā)生的動作行為；結(jié)構(gòu)（Structure）是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式及各結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，指能完成產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)形式。FBS模型能在功能實(shí)現(xiàn)過程中分析和挖掘出用戶的使用行為，并進(jìn)一步推導(dǎo)得到產(chǎn)品預(yù)期結(jié)構(gòu)，從而確保設(shè)計方案是合理的，但模型本身無法解決產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和用戶需求之間的矛盾[16]。

2.3KANO-FBS模型

KANO模型雖然能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的目標(biāo)指向，但無法提供相關(guān)的創(chuàng)新思路來解決設(shè)計中如何做的問題[17]；而FBS模型雖然可以高效地解決設(shè)計實(shí)現(xiàn)方式，但是從功能開始到結(jié)構(gòu)結(jié)束，并沒有覆蓋用戶需求，無法解決產(chǎn)品定位問題[18]。基于上述分析，考慮將KANO模型和FBS模型相結(jié)合分析煤礦用自救器用戶需求并指導(dǎo)后期的產(chǎn)品設(shè)計實(shí)踐創(chuàng)新。KANO-FBS融合模型的設(shè)計方法，如圖4所示。

該方法首先通過實(shí)地考察、問卷調(diào)查等方式獲取用戶的初始需求，然后運(yùn)用KJ法歸納整理用戶需求，為KANO模型的定量分析做好準(zhǔn)備。在完成KANO數(shù)據(jù)的收集與分析后，利用KANO模型提取并確定主要設(shè)計目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)化為FBS模型的功能要素，完成FBS模型的映射，得到產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)要素，并完成最后的設(shè)計實(shí)踐[19]。KANO-FBS融合的設(shè)計方法使得產(chǎn)品設(shè)計方向更加明確，保證了用戶需求提取和轉(zhuǎn)化為設(shè)計方案要素過程中的精確性、最優(yōu)設(shè)計方案選擇的科學(xué)性。

煤礦用自救器的使用是用戶在特定場景下進(jìn)行的一項(xiàng)活動，在創(chuàng)新設(shè)計時，必須關(guān)注到用戶的真實(shí)需求，一方面能夠?yàn)榈V工逃生提供呼吸安全保障，有效增強(qiáng)產(chǎn)品的可用性和安全性；另一方面有利于提升中國礦用安全裝備制造業(yè)的研發(fā)水平和國際競爭地位。因此，應(yīng)用KANO-FBS模型指導(dǎo)煤礦用自救器產(chǎn)品設(shè)計，不僅可以對產(chǎn)品開發(fā)源頭進(jìn)行系統(tǒng)梳理和把握，還可以降低產(chǎn)品研發(fā)的曲折性，打造更加符合用戶需求的礦用安全產(chǎn)品。

3煤礦用自救器用戶需求

3.1用戶需求調(diào)研

煤礦用自救器產(chǎn)品屬于特殊行業(yè)產(chǎn)品，具有面向用戶范圍小、適用人群固定等特點(diǎn)。

基于已有研究，結(jié)合實(shí)地調(diào)研法、用戶訪談法、問卷調(diào)研法和觀察法進(jìn)行用戶需求調(diào)研[20]。根據(jù)工作類型確定3類研究對象：礦工及礦下安檢人員、有訪查需求下井的技術(shù)人員和偶爾需要下井的科研工作者。為確保所收集用戶需求的客觀性和有效性，對煤礦用自救器產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計研發(fā)人員、管理人員以及安全科學(xué)與工程安全研究人員的意見進(jìn)行收集和分析。

調(diào)查問卷共發(fā)放118份，回收有效問卷102份，回收率達(dá)86.4%；用戶訪談共邀請到18名受訪者：礦工和安檢人員11人、技術(shù)員5人、科研工作者2名。其中礦工、安檢人員和有訪查需求下井的技術(shù)員均來自陜西銅川喬子梁煤業(yè)有限責(zé)任公司和陜西銅川永紅煤業(yè)有限責(zé)任公司，科研工作者均來自中國礦業(yè)大學(xué)和西安科技大學(xué)。

3.2用戶需求要素劃分

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、實(shí)地調(diào)研、用戶訪談等方法，獲取用戶對煤礦用自救器的需求信息，篩選提煉出14個需求關(guān)鍵詞，并運(yùn)用KJ法進(jìn)行層級分類。KJ法，又稱親和圖法，是一種定性分析方法，能夠從混雜的信息中識別問題的核心，并有助于得出解決策略[21]。將煤礦用自救器的用戶信息制成卡片并多次隨機(jī)打亂排布，單個用戶需求歸類為二級指標(biāo)，其含義相近的用戶需求總結(jié)歸納為一級指標(biāo)，共整理得到3個一級指標(biāo)，并構(gòu)建煤礦用自救器用戶需求指標(biāo)體系，如圖5所示。

一級指標(biāo)包括造型指標(biāo)、功能指標(biāo)、安全性指標(biāo)。二級指標(biāo)包括輕量化、配色醒目、外形簡潔、標(biāo)識明顯、操作便捷、可調(diào)節(jié)、安全供氧、佩戴緊密、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用舒適、信息可視化、故障反饋、防止漏氣、適應(yīng)極端環(huán)境。

3.3KANO問卷設(shè)置

首先建立標(biāo)準(zhǔn)的KANO問卷正反問題[22]，其次發(fā)放調(diào)查問卷給已確定的調(diào)研人群。參與本次KANO問卷調(diào)研的人群包括煤礦生產(chǎn)行業(yè)管理技術(shù)人員29人、礦工和安檢人員78人，科研工作者15人。此次共計發(fā)放122份問卷，回收得到有效問卷101份，有效問卷回收率達(dá)82.79%。

為保證此次問卷的真實(shí)性和有效性，導(dǎo)入有效問卷數(shù)據(jù)到統(tǒng)計學(xué)分析軟件SPSS 25.0，對有效問卷的KANO問卷部分進(jìn)行信度及效度分析[23]。經(jīng)計算，在信度分析上，本問卷正向問題的α系數(shù)為0.947，負(fù)向問題系數(shù)0.986；在效度分析上，KMO值用于評估問卷中變量間的相關(guān)性強(qiáng)度，其值越接近1，表明變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，越適合進(jìn)行因子分析，從而驗(yàn)證問卷的結(jié)構(gòu)效度。KANO問卷整體KMO值為0.837，其中正向問題KMO值為0.821，負(fù)向問題KMO值為0.865，顯著性值均為0.000，小于0.1。結(jié)合上述判別標(biāo)準(zhǔn)，可說明本次問卷信度效度均較高。

3.4KANO問卷的數(shù)據(jù)處理

KANO模型二維屬性歸類矩陣，見表1，對用戶需求屬性進(jìn)行分析[24]，歸類用戶需求類型，并對用戶需求敏感度進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果見表2。

3.4.1滿意系數(shù)Better值

滿意系數(shù)Better值的計算式為

Better=A+OA+O+I+M

（1）

式中Better值表示需求要素對用戶滿意度的影響，值為正值，值越大表示該需求要素越能顯著提升用戶滿意度；

A為魅力型屬性的樣本數(shù)；O為期望型屬性的樣本數(shù)；I為無差異屬性的樣本數(shù)；M為基本型屬性的樣本數(shù)。

3.4.2不滿意系數(shù)Worse值

不滿意系數(shù)Worse值的計算式為

Worse=－O+MA+O+I+M

（2）

式中Worse為提供需求要素對用戶不滿意度的影響，值為負(fù)值，值越大表示用戶滿意度降低的效果越顯著。

3.4.3需求敏感度數(shù)值 ω

需求敏感度數(shù)值ω的計算式為

ω=Better2+Worse2

（3）

式中ω為以Better和Worse為坐標(biāo)值的點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，表示單項(xiàng)需求的滿意影響程度，ω值越大表明用戶對此需求的敏感度越高。

根據(jù)以上公式計算，將需求屬性進(jìn)行分類，并計算需求敏感度數(shù)值，結(jié)果見表2。根據(jù)敏感度由高到低排序，其中魅力型需求A：故障反饋

S12gt;輕量化S1gt;信息可視化S11gt;適應(yīng)極端環(huán)境S14；期望型需求O：操作便捷S5gt;使用舒適S10gt;穿戴可調(diào)節(jié)S6；無差異型需求I：標(biāo)識明顯S4gt;配色醒目S2gt;外形簡潔S3；基本型需求M：安全供氧S7gt;佩戴緊密S8gt;防止漏氣S13gt;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定S9。

3.5提取關(guān)鍵設(shè)計需求

由KANO模型的結(jié)果分析及需求敏感度排序可得設(shè)計需求及目標(biāo)，結(jié)果見表3。在煤礦用自救器再設(shè)計時，必須考慮防止漏氣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全供氧、佩戴緊密等必備需求。由于煤礦用自救器產(chǎn)品的特殊性，在改良設(shè)計前期，必須滿足煤礦用自救器最基本的需求，并保證產(chǎn)品的安全性。

期望型需求緊密關(guān)系用戶滿意度，也是產(chǎn)品創(chuàng)新的重要驅(qū)動因素[25]。由KANO模型的結(jié)果分析可以看出，用戶期望主要集中在操作便捷、穿戴可調(diào)節(jié)、使用舒適等方面，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的可用性和易用性。在滿足必備型質(zhì)量的基礎(chǔ)上需考慮產(chǎn)品的使用體驗(yàn)的使用過程，如何快速有效的打開自救器以及自救器在日常穿戴中對礦工的影響都是用戶所希望改進(jìn)的。

魅力型需求是高于用戶心理預(yù)期之外的需求，產(chǎn)品功能完善程度越高，用戶滿意度也會隨之顯著提高[26]。煤礦用自救器的魅力型需求包括輕量化、信息可視化、故障反饋、適應(yīng)極端環(huán)境等。用戶更希望煤礦用自救器在重量、操作步驟、信息反饋及舒適度等方面進(jìn)行改進(jìn)。從用戶使用角度而言，在現(xiàn)有礦井開采技術(shù)條件下，佩戴重達(dá)2.5 kg自救器嚴(yán)重影響了作業(yè)人員的工作效率，給礦工們的日常工作帶來了嚴(yán)重困擾，以及灰塵環(huán)境下的日常維護(hù)等都是急需解決的問題。

4煤礦用自救器用戶需求轉(zhuǎn)化

4.1FBS模型的映射轉(zhuǎn)化

根據(jù)前期KANO模型得出10個設(shè)計需求及設(shè)計需求目標(biāo)，因適應(yīng)極端環(huán)境的需求受技術(shù)及材質(zhì)多個因素的影響，F(xiàn)BS模型無法轉(zhuǎn)化其對應(yīng)的行為和結(jié)構(gòu)，所以將其剔除。FBS模型中功能集是指產(chǎn)品所滿足用戶的基本需求和使用目的，涵蓋了整個用戶需求指標(biāo)體系，不單指用戶需求指標(biāo)中的功能指標(biāo)。將KANO模型提取的9個關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)轉(zhuǎn)化為FBS模型中的功能集，進(jìn)行FBS模型的映射轉(zhuǎn)化，完成期望功能、預(yù)期行為及與之對應(yīng)結(jié)構(gòu)之間的映射轉(zhuǎn)換，最終整合輸出為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵要素，如圖6所示。

功能（F）-行為（B）映射，將KANO模型提取的關(guān)鍵功能需求轉(zhuǎn)化為具體的行為實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)KANO模型獲取的用戶需求可得FBS模型中的功能集，將其代入FBS模型中，提取用戶在使用產(chǎn)品功能時的動作行為，生成煤礦用自救器在FBS模型中的行為集，為煤礦用自救器的功能與結(jié)構(gòu)搭建橋梁。行為（B）-結(jié)構(gòu)（S）映射，將具體的用戶行為實(shí)現(xiàn)方式轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的功能組件或者結(jié)構(gòu)形式。由煤礦用自救器功能集轉(zhuǎn)化得到的行為集與結(jié)構(gòu)集所能實(shí)現(xiàn)的行為進(jìn)行整合和對比，得到5個煤礦用自救器最終的結(jié)構(gòu)部件：卡扣式穿戴結(jié)構(gòu)、口鼻一體式供氧結(jié)構(gòu)、檢測報警結(jié)構(gòu)、按壓式開關(guān)、顯示面板。

4.2設(shè)計方案呈現(xiàn)與分析

經(jīng)過KANO-FBS模型進(jìn)行求解設(shè)計方案，對煤礦用自救器結(jié)構(gòu)的需求因素進(jìn)行劃分歸納，確定最佳方案進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。由FBS映射得出5個煤礦用自救器設(shè)計結(jié)構(gòu)，分別為卡扣式穿戴結(jié)構(gòu)、口鼻一體式供氧結(jié)構(gòu)、檢測警示燈、喇叭報警結(jié)構(gòu)、按壓式開關(guān)、顯示面板。對5個結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行劃分歸納，煤礦用自救器的產(chǎn)品設(shè)計實(shí)踐可分為穿戴結(jié)構(gòu)設(shè)計、供氧結(jié)構(gòu)設(shè)計和信息識別設(shè)計3部分，設(shè)計方案如圖7所示。

4.2.1穿戴結(jié)構(gòu)設(shè)計

穿戴結(jié)構(gòu)是煤礦用自救器與使用者發(fā)生人機(jī)交互行為的部分，包括產(chǎn)品造型和穿戴方式2個技術(shù)目標(biāo)，對應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（S9）、輕量化（S1）和使用舒適（S10）的用戶需求。由于煤礦用自救器產(chǎn)品需要長期佩戴，產(chǎn)品的造型極大影響了用戶穿戴體驗(yàn)，所以產(chǎn)品造型必須符合人體工學(xué)。本次產(chǎn)品設(shè)計的造型整體根據(jù)成年男性的腰胯曲線設(shè)計，符合舒適性原則，確保人與設(shè)備之間的交互達(dá)到最佳狀態(tài)。

煤礦用自救器的穿戴方式主要分為主體穿戴和呼吸器穿戴2部分。現(xiàn)有產(chǎn)品主體部分的穿戴方式為斜挎式或系腰式，斜挎式和系腰式一方面穩(wěn)定性較差，左右晃動影響礦工正常作業(yè)；另一方面舒適性差，長期佩戴對礦工頸肩和腰損傷較大，如圖8所示。此次設(shè)計主體部分的穿戴方式為三點(diǎn)固定式，采用卡扣式開合結(jié)構(gòu)，三點(diǎn)固定既穩(wěn)定舒適又可調(diào)節(jié)大小，如圖9所示。呼吸器的穿戴方式主要采用頭戴式，頭戴式呼吸器減少了佩戴時間，使得口鼻一體式呼吸器和用戶臉部更加貼合，防止漏氣，如圖10所示。

4.2.2供氧結(jié)構(gòu)設(shè)計

供氧結(jié)構(gòu)是煤礦用自救器的核心功能，供氧結(jié)構(gòu)由生氧系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)2部分組成，其中生氧系統(tǒng)由氧氣瓶、減壓閥、排氣閥、呼吸閥組成；呼吸系統(tǒng)由呼吸器、氧氣管、二氧化碳清凈罐組成。供氧結(jié)構(gòu)作為用戶需求中的必備屬性，首先需要保證供氧結(jié)構(gòu)的安全性，本次產(chǎn)品設(shè)計簡化了供氧流程，同時簡化了用戶的使用步驟，減少供氧過程繁復(fù)而引發(fā)的問題，如圖11所示。在呼吸系統(tǒng)的設(shè)計中，口鼻一體化呼吸器相比現(xiàn)有產(chǎn)品更加貼合臉部設(shè)計，在呼吸器邊沿處附有軟質(zhì)硅膠材料，佩戴更加舒適緊密，防止漏氣、毒氣吸入等意外發(fā)生。此外，呼吸器配有可調(diào)節(jié)編織帶，減少了用戶佩戴煤礦用自救器的時間，防止逃生過程中呼吸器意外脫落，保證了煤礦用自救器供氧的安全性。

4.2.3信息識別設(shè)計

信息識別設(shè)計是煤礦用自救器的輔助功能，主要分為壓力表狀態(tài)顯示、個人信息顯示、故障反饋預(yù)警等。信息識別設(shè)計旨在解決對煤礦用自救器在日常維護(hù)的不便及礦工對個人用具的識別不便等問題，信息識別的核心技術(shù)是人感官對信息的接收，因此信息應(yīng)更快捷更清楚的傳達(dá)給用戶。本次產(chǎn)品設(shè)計中壓力表狀態(tài)顯示設(shè)計采用紅、黃、綠3個警示小燈，紅色為壓力過高，黃色為壓力過低，綠色為壓力正常，方便用戶日常檢查氧氣含量，如圖12所示。此外，喇叭報警結(jié)構(gòu)內(nèi)置濕度傳感器，用來檢測清凈罐內(nèi)吸收劑的狀態(tài)，當(dāng)吸收劑需要更換時，能及時反饋信息給維護(hù)人員，如圖13所示。個人信息卡槽結(jié)構(gòu)解決了現(xiàn)有產(chǎn)品無法讓用戶精確識別個人設(shè)備，方便用戶日常辨別。

4.3設(shè)計方案驗(yàn)證與評估

4.3.1用戶平均用時測評

為有效驗(yàn)證設(shè)計方案的操作便捷性，首先完成煤礦用自救器設(shè)計方案樣品制作，其次邀請10位礦工和安檢人員、5位技術(shù)員、5位科研工作者分別依次佩戴系腰式、斜挎式，以及三點(diǎn)固定式自救器，依據(jù)各自救器使用步驟，對被試人員在昏暗環(huán)境下使用3類自救器進(jìn)行計時，計算每類自救器的平均操作時間，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，斜挎式、系腰式、三點(diǎn)固定式平均用時分別為26.6，25.4，22.3 s。與斜挎式和系腰式相比，三點(diǎn)固定式的煤礦用自救器操作用時更短。在使用步驟上，三點(diǎn)固定式的煤礦用自救器相比以上2種，省去了拿掉蓋子和戴上鼻夾2個步驟，極大地減少了使用時的時間成本，并且降低了使用過程中出現(xiàn)失誤的可能性，能有效提高煤礦工人的自救率。

4.3.2用戶滿意度評估

為準(zhǔn)確評估用戶對煤礦用自救器設(shè)計方案的真實(shí)感受及滿意度，引入模糊綜合評價法來驗(yàn)證設(shè)計方案與用戶需求的匹配度[27]。首先按照使用流程將使用過程進(jìn)行分解，設(shè)計試驗(yàn)任務(wù)清單，見表5；其次構(gòu)建評價指標(biāo)體系，被試者使用樣品按照清單依次完成試驗(yàn)任務(wù)，完成試驗(yàn)后根據(jù)評價指標(biāo)集依次打分；最終完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，通過熵權(quán)法驗(yàn)證設(shè)計方案的用戶需求滿意度。

模糊綜合評價法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論對受到多種因素影響的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價，是一種把定性評價轉(zhuǎn)化成定量評價的方法[28]。根據(jù)設(shè)計方案，建立評價指標(biāo)和評價等級，確定評價指標(biāo)集

U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}，即U={舒適性，便捷性，穩(wěn)固性，安全性，美觀性，信息可識別性}；同時建立評語集M，M={M1，M2，M3，M4}，即M={很滿意，滿意，一般，不滿意}，為其賦值后

M={100，70，50，25}。并邀請不同領(lǐng)域的專家和目標(biāo)群體對指標(biāo)集的重要度進(jìn)行打分，從而確定各評價指標(biāo)權(quán)重W，W={0.25，0.2，0.15，0.2，0.05，0.15}。

邀請10位礦工和安檢人員、5位技術(shù)員、5位科研工作者根據(jù)任務(wù)清單逐項(xiàng)完成測試，按照評語集M對設(shè)計方案進(jìn)行模糊評價，見表6。

（4）

合成指標(biāo)權(quán)重W與綜合評價矩陣N，得到模糊綜合評價的數(shù)學(xué)模型B

B=W×N=（0.540.250.0970.113）

計算煤礦用自救器的設(shè)計方案滿意度S

S=B×M=80.425

最終得到煤礦用自救器產(chǎn)品設(shè)計方案滿意度為80.425，優(yōu)化后的煤礦用自救器產(chǎn)品設(shè)計方案用戶滿意度較高。

5結(jié)論

1）運(yùn)用KJ法從造型指標(biāo)、功能指標(biāo)、安全性指標(biāo)3個方面建立了煤礦用自救器用戶需求指標(biāo)體系，結(jié)合KANO模型確定各指標(biāo)權(quán)重，認(rèn)為功能指標(biāo)和安全性指標(biāo)更重要，其中，操作便捷、安全供氧、故障反饋在評價用戶滿意度時占據(jù)決定性地位。

2）提出基于KANO-FBS模型的煤礦用自救器優(yōu)化設(shè)計方案。結(jié)合FBS模型對關(guān)鍵設(shè)計需求映射轉(zhuǎn)化，輸出5個煤礦用自救器設(shè)計結(jié)構(gòu)，分別為卡扣式穿戴結(jié)構(gòu)、口鼻一體式供氧結(jié)構(gòu)、檢測報警結(jié)構(gòu)、按壓式開關(guān)、顯示面板。

3）結(jié)合用戶測評法和模糊綜合評價法，驗(yàn)證了KANO-FBS模型指導(dǎo)下的煤礦用自救器設(shè)計實(shí)踐的可行性和有效性。該研究解決了煤礦用自救器舒適性不足、日常維護(hù)困難的問題，優(yōu)化了目標(biāo)用戶的使用體驗(yàn)，也對產(chǎn)品設(shè)計理論方法的創(chuàng)新實(shí)踐研究提供了借鑒和參考。

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（責(zé)任編輯：劉潔）

收稿日期：2024-03-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52104220）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2021GY-131）

通信作者：張娜，女，山東諸城人，博士，副教授，E-mail：103171472@qq.com