金颖磊，吕 健，潘伟杰，刘征宏

(贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025)



基于kano模型的用户需求因子表征及提取方法研究*

金颖磊，吕 健，潘伟杰，刘征宏

(贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025)

对产品设计前期用户需求提取不易被计算机识别，而与数字化设计制造技术脱节的问题进行了研究，分析了用户需求因子的情感维度属性，提出了一种借助可拓基元理论(Extension element)建立可拓kano模型的用户需求因子表征及提取方法，首先通过对用户需求的聚类分析(cluster analysis)选取优质需求因子，然后建立需求因子的可拓表征模型，使计算机可以简洁的表示用户需求因子所蕴含的需求对象、对象特征、特征量值等内容。并通过语义差分法实验获取用户对需求因子的情感认知，定义用户满意度位移(λ)和用户满意度(better-worse)系数，达到量化表示用户需求与用户满意度映射关系的目的。论文通过MK8420概念机床设计过程中用户需求的提取分析验证了该方法的可行性。

Kano模型 ；可拓表征；满意度位移；用户满意度系数

0 引言

传统的设计方法对用户需求考虑不够，造成用户不爱用、不愿用的情况，近年随着以用户为中心的设计思想大量出现，用户需求主导下的产品设计方法已成为当今设计领域研究的热点和重点[1]用户需求的分析与提取也显得尤为重要。只有真实的获取用户的需求因子设计师在进行设计时才能将其赋予到产品的的功能、造型、材质、色彩等设计符号中以满足用户的需要来达到更高的用户满意度。

感性工学[2](Kansei Engineering，KE)运用工程学量化与半量化的方法将用户需求等不确定因素应用到产品设计与制造中，情感化设计[3-4]是一种围绕用户需求的设计指导理论，要求在设计过程中从多个层面综合考虑用户的心理和生理需求，但缺乏具体的设计方法。工程美学[5]将美学这一新的需求维度引入到人机工程中，希望为设计师提供一种面向工程学的设计与评估方法以达到最终在产品设计中以科学的、工程学的和基于数学的方法来系统确认和量化评价美学因素及美学问题。以上设计方法与思想为以用户需求为中心的设计方法进行了有益探索并提供了理论基础。但依靠图示和文字的图解思维方式很难完整描述整个创新过程，也难于被计算机识别，导致大量创新技法与数字化设计制造脱节[6]，设计创新过程迫切需要新的易于计算机识别的表征方法来作为设计师思维过程与计算机模拟过程的桥梁。本文将以MK8420概念机床用户需求提取过程为例，以Kano模型为基础综合运用感性工学、可拓学、工程美学、马斯洛情感需求[7]等设计方法及思想进行用户需求因子表征与提取方法研究。

1 用户需求获取及分析

1.1 用户需求获取及初步聚类分析

通过对机床一线操作工的调查(建议访谈，若条件受限网络调查应确定被调查对象具有主动配合调查以改良机床意愿的用户确保调查数据的合理性)，本文以某机床厂实地调查数据为主贵州大学机械工程学院机械设计及其自动化专业大三学生调查为辅。由于受某机床厂委托进行机床设计，通过与机床厂沟通选取具有3年以上机床操作经验并具有主动意愿的一线数控磨床操作工人5名(4男1女)。

由于用户对于理想中的产品的描述缺乏系统性，需求笼统、模糊而且存在大量的冗余,因此,需要对用户需求进行整理、筛选和分析。

(1)包含关系。Oa的用户需求内容是Ob用户需求内容的真子集，则称Oa和Ob为包含关系。

(2)交叉关系。Oa的用户需求内容是与Ob用户需求内容存在交集，则称Oa和Ob为交叉关系。

(3)独立关系。Oa的用户需求内容是与Ob用户需求内容不存在任何交集，则称Oa和Ob为独立关系。

(4)相等关系。Oa的用户需求内容是与Ob用户需求内容相同，则称Oa和Ob为相等关系。

经过对用户需求内容的聚类和分析，去掉被包含的用户需求，存在交叉关系的用户需求的交集和相同关系的用户需求均只保留一份，这样实现用户需求的初步处理，达到去除冗余的目的。

经过初步处理的用户需求将存在以下一种或多种相互关系。

(1)排斥关系。如果和的Oa和Ob需求内容不能同时被满足或最终满意度的提升的满意度随之下降，则称Oa和Ob存在排斥关系。

(2)互补关系。如果Oa满意度的提高会导致Ob满意度随之提高，则称Oa与Ob为互补关系。

(3)独立关系。如果Oa的满意度与Ob的满意度不存在任何相互作用，则称Oa与Ob为独立关系。

根据用户需求的相互关系对用户需求进行进一步筛选得到以下用户需求关键语义，如表1所示。

表1 用户需求关键语义

1.2 用户需求的层次结构

用户对产品的需求是多种多样的，不仅局限于基本功能，由于社会的进步，同类产品的多样性，用户有机会更加自由的选择能最大程度满足其功能、情感需求的产品，对现有产品的不满和改进的意愿催生了期望需求。美国心理学家亚伯拉罕·马斯洛在1943年将人类需求从低到高按层次分为生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我实现需求。马斯洛需求层次是人本科学的理论之一，为以人为本的设计思想奠定了思想基础。受行为科学家赫兹伯格的双因素理论的启发，kano等在1984年提出了kano模型[8]，根据不同类型的质量特性与顾客满意度之间的关系，kano教授将产品服务的质量特性分为五类：基本型需求(Basic Quality)、期望型需求(Performance Quality)、兴奋型需求(Excitement Quality)、无差异型需求(Neutral Quality)、反向型需求(Reverse Quality)。并提出了用户满意度与需求实现程度的二维关系图，明确地将用户需求分为4类。借助马斯洛需求层次理论对用户需求进行分析，本文提出用户需求主导下的需求实现程度与用户满意度关联模型，如图 1所示。

图1 需求实现程度与用户满意度关联模型

(1)兴奋需求。这类需求被用户认为具有绝对吸引力的开拓性需要，但并不强烈要求必须具备。实现程度与用户满意度之间具有二元函数关系。经过设计满足该集合内的期望需求则用户的满意度就会得到很大的提高，反之，如果该集合内的需求得不到有效满足，用户满意度将会随之降低但不会产生抵触心理即满意度降为负数，该需求函数可用y=kx2(k>0)表示。

(2)期望需求。这类需求被用户认为具有一定吸引力的期望功能，实现程度与用户满意度之间具有一元线性关系，需求实现程度度越高满足度越高，当需求实现程度较低时，用户将会表现出失望情绪，满意度降为负数，但失望情绪不强烈，该需求函数可用y=kx+∂(k>0,∂>0) 表示。

(4)无差异需求。这类需求被用户认为是可有可无功能，用户满意度与功能实现程度无关，无论该集合内的功能是否得到满足，用户满意度恒为0。该函数可用y=0表示。

由于决定需求满意度跟随实现程度走向的决定因素为函数系数k,则我们在进行用户需求分析和提取过程中的计算机的主要研究对象为k,本文将k定义better-worse系数，即B-W。

B-W量化的描述了用户需求实现程度与用户满意度的趋势。为设计过程中用户需求的趋势提供了明确的参考依据。

2 用户需求因子表征方法

设计过程具有明显的“黑箱”性质，纵观目前的约340种创新设计方法大多数需要在群体环境中激发，主要是大脑对于事物的认知方法与计算机的认知方法不同，大多数创新设计方法中的表征元素混乱复杂且不可被计算机识别，导致创新技法与数字化设计制造技术脱节，目前创新设计研究的关键任务就是如何将难以捕捉的心智活动过程转换为计算机可识别易操作的设计方法。为达到计算机可模拟心智模型的目的首先应建立计算机可识别的思维过程元素表征方法[9]。

2.1 可拓表征理论

蔡文学者于1983年创立的一门原创性横断学科可拓学，可拓学是基于定量与定性有机结合的创新解决矛盾问题的科学理论[10]。可拓学以形式化、逻辑化和数学化为基础，研究物、事、关系的可拓展性。可拓理论以基元理论、可拓集理论和可拓逻辑为基础，基元是可拓学的逻辑细胞。基元包含了描述世界万物的物元、描述世界万事的事元、描述事物间关系的关系元。物元(对象O)、事元(特征C)、关系元(量值v)共同构成了表征世界万物的基元。

可拓理论是通过建立可拓模型形式化、定量化处理矛盾问题的理论。处理矛盾问题，必须涉及到矛盾的对象、特征、量值及他们之间的相互关系。通过对矛盾问题的分析，以基元理论为基础建立表征矛盾问题的形式化工具—可拓模型，可拓学的基元模型将基元组合到在一个由对象O，特征C和量值v组成的三元组中，可以形式化地描基元的特征、内涵和社会关系，表征基元内部的定量与定性问题，量化的描述基元内部关系。

基元可以表示为：B=(O,C,V)

其中O为基元所研究的对象。C为研究对象的特征，V为量值，包涵了特征所对应的数值信息。

将产品需求基元定义可拓原点B=(O,C,V) ，其中O为需求对象，C为对象特征，V为特征量值。

2.2 用户需求因子的可拓表征

借助可拓学中基元对客观世界的物元、事元、关系元的知识表征方式，保留其“一物多征”、“一征多值”的特点，借助基元模型构建用户需求因子表征模型，该模型同时包含定性和定量的形式化特征，可以间接的表示用户需求的因子特征，便于计算机识别处理。

3 用户需求评价

通过对用户需求的初步获取和分析，提取优质用户需求因子[11]。由于机床操作工属于技术工，单一工厂总体人数较少且过于单一，为确保样本的多样性以保证调查结果的客观性。将优质需求因子制作网络调查表在机床吧、机床之家、开思论坛等有较好机床基础人员活动区进行网络调查。

3.1 用户需求评价比例分析

将经过初步聚类分析的用户需求提取出来，制作kano网络调查表格，进行网络调查，借助李克特量表[12]制作满意度评分表，调查表只需描述需求因子内容，当需求得到实现或得不到实现时被调查对象可以给出很喜欢、理所当然、无所谓、勉强接受、很不喜欢5个评价，计算机后台对应满意度评分为2、1、0、-1、-2。并生成用户需求满意度比例表。如表2～表10所示。本次调查共收到137位网友数据(102男35女)。

表2 美观需求满意度比例表

表3 安全需求满意度比例表

表4 信息化需求满意度比例表

表5 刀具寿命需求满意度比例表

表6 省电需求满意度比例表

表7 易维护需求满意度比例表

表8 磨削精度需求满意度比例表

表9 静音需求满意度比例表

表10 断电保护需求满意度比例表

3.2 用户需求维度

根据需求维度借助kano模型及各需求维度的意义，绘制kano模型需求分布表,如表11所示。表中〇代表兴奋需求，△代表期望需求，□基本需求，☆ 无差异需求或可疑结果，×代表反向需求。

表11 kano模型需求维度分布表

在进行满意度比例表分析时应剔除可疑结果(所有需求均选择无差异需求，或结果具有明显的规律性)以保证统计结果的准确性，通过对需求满意度比例表的统计，将相同需求维度的比例相加，得到各个需求维度的占比总和，总和最大的一个属性维度，便是该功能的属性归属。如表12所示。

表12 需求因子维度比例表

则用户需求维度归属为：

3.3 better-worse系数

通过对数据的分析处理可以得到用户需求的维度属性，对用户需求与用户满意度间的映射关系有了基本认识，但仍未得到决定具体映射关系的系数，不能量化的表示各个用户需求与用户满意度间的具体关系，不仅计算机数量化处理各个元素对应间关系的优势没有表现出来，而且也无法确定同一维度归属内的用户需求的优先排序。

定义需求得到实现与未得到实现间的满意度差值为满意度位移，设满意度位移为λ，设对应满意对位移λ的人数比例为θ。

根据Kano模型内用户需求维度结构定义可知决定用户满意度与用户需求具体走向的因素为用户需求实现与否时用户满意度间的满意度位移即better-worse系数。设better-worse(B-W)系数为p,则p与λ和θ成正比例关系:

p=λ·θ

用户需求因子B-W系数如表13所示。

表13 用户B-W系数结果

则：

根据模型计算出的B-W系数值，说明在进行设计时安全、磨削精度和刀具寿命为用户基本需求特别是设备的安全性为所有因素中要求最为强烈的属于强烈的基本需求必须满足，该维度的功能属基础功能，市场研究及设计已较为完善，一般并不耗费大量设计资源。设备的易维护、造型美观、节省电量及断电保护等功能为用户期望需求，应尽量满足，该功能对提升用户满意度有较好作用，而且没有满足用户满意度会明显下降，该维度功能应为设计研究重点考虑对象。省电、断电保护、美观、易维护等需求由B-W数值可得，用户期望承程度依次递增，在设计资源有限的情况下应有限考虑B-W系数较高的需求。信息化、静音等需求为用户兴奋性需求，当需求得到满足时用户满意度较高，但需求未得到满足时用户满意随有下降但不剧烈，设计资源丰富的情况下进行该维度设计。

对于那些由于设计能力及成本控制等原因未能满足的需求进行资料存储以便于以后设计升级时进行参考。

经过对用户需求的分析和团队设计最终形成MK8420概念产品最终方案效果图,如图2所示。

图2 MK8420概念产品最终方案效果图

4 结论

设计是感性与理性的结合，是有方向、有计划、有目的的创造性活动。其中体现着科学性与艺术性双重特点，设计过程中诚然离不开灵感、顿悟等感性思维，但用户需求和用户审美对产品设计的指导与限制、感性需求与情感反应的量化半量化研究、设计过程中工程化方法的应用等都体现着设计的科学性[13]。随着大数据的逐步完善，数据处理在产品设计的过重中将会发挥越来越重要的作用。现代设计方法中知识的数字化表征和评价方法成为了研究重点，通过知识模型的数字化表征，可以为创新技法与数字化制造技术提供沟通的桥梁，今后将继续在设计知识表征评价与计算机的智能辅助设计方面进行学习研究。希望通过进一步的研究使数字化制造技术更加广泛的应用到产品设计设计的整个工程中，让产品设计过程更科学严谨。

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(编辑 李秀敏)

AMethodofUserDemandCharacterizationandExtractionBasedonkanoModel

JINYing-lei,LVJian,PANWei-jie,LIUZheng-hong

(KeyLaboratoryofAdvancedManufacturingTechnology,MinistryofEducation,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

The problems that users′ needs cannot be recognized easily and out of touch with digital design and manufacture technology in the preliminary design stage are researched in this paper. Emotional dimension attributes of users′ needs factors are analyzed, and a method for users' need factor characterization and extraction of extension Kano model is proposed based on extension element theory. Firstly, high quality need factors are selected by cluster analysis of user needs. Then, extension representation model of need factor is established, so that contents contained in need factors such as need objects, object features and feature magnitude can be expressed by computer succinctly. Furthermore, the purpose to quantize relationship between users′ needs and satisfaction change is archived through acquiring users' emotional awareness to needs factors from semantic difference experiments and define user satisfaction displacement. Feasibility of this method is verified in this paper by extraction and analysis of users′ during design process of MK8420 conceptual machine tool.

Kano model ; extension representation; satisfaction degree displacement ；better-worse coefficient

1001-2265(2017)07-0022-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.006

2016-09-13；

2016-10-14

国家科技支撑计划资助项目(2014BAH05F01，2014BAH05F02，2014BAH05F03)；贵州省科技计划(黔教研合JYSZ字[2014]004，黔科合LH字[2014]7644，黔科合LH字[2014]7645，黔科合计Z字[2013]4005);贵州大学研究生创新基金资助项目(研理工2016027)

金颖磊(1990—)，男，河南平顶山人，贵州大学硕士研究生，研究方向为先进制造模式及制造信息系统化和数字化制造，(E-mail)1297015012@qq.com。

TH122;TG

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