李 惠，王时英，李娟莉

基于QFD—PUGH的人机界面评价方法研究

李 惠1，王时英2，李娟莉2

(1. 太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024； 2. 太原理工大学工业设计系，山西 太原 030024)

人机界面的设计优化包括用户需求转化为设计需求的准确性和设计需求形成最优方案2部分，设计评价是界面设计优化的重要手段。在当前的评价方法中，上述两者是分阶段进行，数据共享性差。针对该问题，提出一种基于质量功能展开(QFD)和PUGH决策矩阵融合的人机界面评价方法。首先运用层次分析法确定人机界面的用户需求权重，结合界面产品特性将对应的用户需求映射为相关设计需求；接着基于QFD构建质量屋模型，根据用户需求和设计需求相关程度的矩阵得出界面设计需求要素的权重，实现了将用户主观描述的需求转化为界面优化的设计需求；最后将QFD模型得出的设计需求及其权重作为PUGH决策评价的标准，选出最优界面设计方案，完成对人机界面设计的综合评价。以家用跑步机的人机界面评价为例，验证了QFD和PUGH融合的人机界面评价方法的有效性，为完整的人机界面实现过程提供了决策方法和优化思路。

质量功能展开；PUGH决策矩阵；用户需求；人机界面评价

人机界面设计是一个以获取用户需求为出发点，完成用户需求到设计需求的转化、设计需求指导最优设计方案形成的完整过程[1]。最优化的设计方案以符合人机界面的设计原则为前提，更重要的是最大限度符合用户需求。人机界面的设计评价为界面设计提供了方案决策依据，指明了优化方向，对于指导界面设计具有重要意义。

人机界面的设计评价通常包括用户需求评价和界面设计方案评价2个方面，国内外学者对此开展了大量的研究和分析工作。

在需求评价方面，单鸿波和李淑霞[2]根据用户需求调查结果采用模糊矩阵对各用户需求进行表达，用熵处理简化用户需求模糊矩阵，获取用户需求重要度排序；高涵和许继峰[3]通过构建老年人健康监测需求指标体系，利用层次分析法计算各需求指标的权重，结合现状对需求重要性评价结果进行了分析，指导了健康监测产品设计；TOMDIECK等[4]使用亲和力图和映射方法分析可穿戴智能眼镜的用户需求，结果表明内容要求、功能要求、舒适性、体验和阻力在开发和实施可穿戴AR应用时的不同重要度等级，为设计实践指明了方向。

在界面设计方案的评价研究方面，文献[5-6]使用用户体验方法分别评估官方商店和手机移动应用程序的用户界面，包括性能指标、自我报告指标、行为指标和基于问题指标，评估用户在交互时所产生的绩效、感知、行为和问题，根据结果完成策略评价和界面设计建议；赵彩云等[7]从提高界面造型与企业文化融合度出发，提出基于企业意象风格、美度评价、绩效测评3方面融合的健身器材界面评估标准，运用模糊层次分析法完成了多目标意向下方案的最优决策评价；袁树植等[8]通过将灰色关联分析法引入群层次分析法得出感性评价体系中感性指标权重，建立了一种直觉模糊集理论和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)相结合的综合评价模型，提供了有效评价方法。

在上述相关评价方法的研究中，关于用户需求评价与设计方案评价是相互割裂的状态，较少关注如何以设计需求作为用户需求与设计方案评价的结合点，将需求转化和评价决策2部分进行融合。本文结合质量功能展开(quality function deployment，QFD)和PUGH决策矩阵(PUGH decision matrix)方法的特点提出一种人机界面评价方法，在分析用户对于人机界面的需求前提下，将QFD方法得到的设计需求及权重作为PUGH决策评分的标准，形成了从用户需求到最优方案的系统评价方法，并以某企业的跑步机人机界面设计方案为例验证了该方法的完整性和可用性。

1 基于QFD-PUGH人机界面评价方法研究框架

用户需求分析是设计评价的基础，质量屋(the house of quality，HOQ)模型通过将主观评价转换为定量评价实现用户需求到设计需求要素的转化。本文方案评价模型主要分为QFD完成需求转化和PUGH决策评分2部分。

(1) QFD需求转化。为了避免信息偏差，获取用户需求时只对核心用户和专业研发人员进行访谈和问卷调查，根据获取的用户需求进行分类整理后，首先构建用户需求层次[9]，确定用户需求权重值，其次基于QFD构建质量屋模型，实现需求的量化转换。

(2) PUGH决策评分。通过构建PUGH决策矩阵对界面方案进行综合评分排序，完成界面设计方案的最终评价。评价方法研究框架如图1所示。

2 基于QFD确定设计需求重要度

2.1 用户需求权重值计算

QFD是产品设计过程中实现需求转化的重要方法，而质量屋模型是QFD方法的核心工具，通过构建质量屋模型得到设计需求相对重要度的关键前提为获取用户需求权重值，借助层次分析法的计算原理[10]求得用户需求权重值，进而依据QFD的赋值原理完成用户-设计需求的定量转换。用户需求权重计算流程如下：

(2) 计算判断矩阵的最大特征根

其中，()为向量的第个元素；max为一致性检验的重要元素。

图1 人机界面设计评价框架

(3) 避免指标相对重要度出现自相矛盾的情况，需进行一致性检验，＜0.10时，矩阵具有一致性，权重值有效，确定用户需求的权重值为，一致性检验计算为

表1 矩阵的RI值

2.2 构建质量屋确定设计需求相对重要度

将计算得出的用户需求权重值代入到质量屋模型(图2)中，借助质量屋模型实现用户需求的传递，通过关系程度比例赋值形成用户-设计需求的相关矩阵，确定对应的设计需求要素及其相对重要度[12]，本文采用可用于表征用户需求与产品特性关系最有效的0，1，3，5比例标度，表示用户需求U与设计需求N的相关度R，其数字分别代表无相关、弱相关、中相关、强相关[13]。

设计需求N，重要度n和相对重要度v计算为

其中，为用户需求的数量。

其中，为设计需求的数量。

图2 质量屋模型

3 构建PUGH矩阵进行方案评价

3.1 PUGH矩阵评价原理及方法

PUGH矩阵又称概念决策矩阵，是一种定量决策分析工具，适用于评估决策的各个阶段，对设计概念进行高效、系统评估[14]。其保留了明确、有记录的筛选过程，实现了多因素综合评价下从大量备选方案中快速识别明显优势概念的目标[15]。

PUGH矩阵用于人机界面方案的选择评价主要分为4步：

(1) 由专业评估小组成员根据QFD中分析得出的界面设计因素及权重从待评价方案中确定一个基准方案。

(2) 建立人机界面评价矩阵。其列由界面评价指标、各项评价符号的得分以及方案总得分组成，行由界面设计方案组成。

(3) 采用“+”“–”和“S”符号对方案进行评分。“+”表示可选方案在该指标下优于基准方案，“–”表示劣于基准方案，“S”表示相同[16]。

(4) 在构建好的矩阵结构表中，依照评价标准将每个界面方案的每一项评估准则与设定的基准方案一一比较。对所有方案的评分符号进行统计，并得出方案评价总分，从而获得设计方案的优劣次序，完成方案的初步筛选[14]。

3.2 人机界面设计方案概念评分及排序

对通过初步筛选的设计方案进行综合概念评分，完成进一步客观详细决策。

(1) 构建PUGH评分决策矩阵。从参与评价的方案中确定一个为参照标准，按照1～5分的评分标准对各个方案的每项指标进行评价。将通过QFD构建质量屋得出的第个设计需求的指标权重值v与第个方案的第个指标评分等级d相乘，计算不同方案每项指标的得分P，将每个方案的项指标加权得分进行求和计算，得出方案综合评分S，即

(2) 将人机界面方案按照综合评分进行从高到低排序，得出最佳界面设计决策及优化方向，完善设计评价流程，为新的人机界面设计提供优化理论基础，节约设计研发时间。

4 跑步机人机界面设计实例评价

随着全民健身理念和智能数字技术的兴起，跑步机作为人们追求健康生活的首选，在发展过程中其功能也变得多样化，主要体现在复杂的人机界面操作中，只有准确了解用户需求才能够提高用户在交互过程中的满意度。为验证本文方法在人机界面评价的可行性，以某企业跑步机人机界面设计项目方案为例进行评价验证。

4.1 确定跑步机人机界面用户需求及权重

为了确保获取的跑步机人机界面用户需求信息具有针对性和有效性，本文选取了有长期健身经验和跑步机使用经验的52名资深用户，为了减少长期使用经验导致的习惯行为对于数据造成的主观性影响，同时选取了28名初次使用跑步机的新手用户进行了用户访谈和问卷调查，其中男女性别比例为43∶37，年龄段为25～45岁。

由15名设计专业的研究生和7名教师组成设计小组，对问卷结果进行整理筛选，获取的有效用户需求包括按键形态便于运动时操作、不同跑步模式的快捷切换、实时反馈训练效果等15项。根据亲和图法(affinity diagram,又称KJ法)，的分类准则将初始需求作为基础样本分别制作成15张单独的卡片，将内容相似的卡片划分为一组，并制定适当的标题卡，再将内容相似的标题卡进行同组划分并赋予标题，依次重复上述步骤，直到无法再进行合并。最后15项用户需求分为形态、色彩、功能、情感和美学[17]5大类需求，获得递阶层次化结构的用户信息，见表2。

根据用户需求的层次结构，借助层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的评分原则与矩阵构建方法，确定用户需求的综合权重。根据式(1)计算每一层元素相对上一层次的需求权重值，式(2)和(3)进行一致性检验，对形态需求1、色彩需求2、功能需求3、情感需求4和美学需求5中的各个子评价指标：1={11,12,13}，2={21,22}，3={31,32,33}，4={41,42,43}，5={51,52,53}分别进行成对比较，计算得出用户需求权重，即

最后将第三层次需求的权重值分别与之对应的第二层次需求权重值相乘，得到各项用户需求的综合权重，见表3。经计算其中计算值均符合一致性检验。

表2 跑步机界面设计用户需求结构表

表3 跑步机界面设计用户需求权重

4.2 跑步机界面的设计需求需求分析

将用户需求转化为设计需求是构建质量屋的目标，设计小组成员结合用户需求与界面使用特性，对家用跑步机人机界面设计需求进行映射分析和分类。以形态需求映射为例(图3)，按键形态应便于在运动时操作，11的用户需求则在设计时需考虑按键本身的尺寸大小是否符合人机工程学的相关对应数据，按键与按键之间的间距是否会影响跑步时操作的准确性，以及按键的形态在跑步时触摸是否舒适。同理分析得出功能需求、按键特性、显示屏特性和整体布局4项一级设计需求和多模式功能、数据反馈及时、触感舒适等10项二级需求，如图4所示。

图3 需求映射图

图4 设计需求递阶层次图

将用户需求、综合权重值和设计需求按照图2的配置方式带入质量屋，根据式(4)和式(5)计算出各项设计需求的相对重要度即设计需求权重，如图5所示。

4.3 基于PUGH家用跑步机人机界面设计方案选择

4.3.1 设计方案初步评价及选择

为了确保该评价具有一定参考价值及评价结果的客观性，邀请该企业中健身器研发项目中的8名设计师、4名技术工程师共12名专家组成决策小组，选取在相同设计需求背景下，造型风格和市场定位一致的8款家用跑步机人机界面作为待评价方案，并由12名专家小组成员经过讨论、对比、综合分析，完成对方案的初步评价，构建PUGH决策矩阵见表4。

图5 用户需求与设计需求相关关系矩阵

表4 跑步机界面设计方案粗筛PUGH决策矩阵

注：优于“+”；相同“S”；劣于“-”

12名专家组成员投票结果选出方案B作为基准方案，将其他方案与方案B进行比较评价，得出各方案的综合净分数并从高到低排序。筛掉排名最后的4个方案，最终方案A，B，F和H进入综合概念评分阶段，进行详细的量化评价。

4.3.2 设计方案综合评价

将问卷信息进行整理、分析和归纳，对初步筛选的4款界面设计方案，统计其在功能需求、按键特性、显示屏特性和整体布局4个方面的评价数据。以方案B为评价标准方案(B的评价得分均为3)，根据5级评价标准对方案A、D、F进行评级，构建概念评分PUGH决策矩阵，结合每一指标相应的权重数值，根据式(6)和(7)计算每个方案指标对应的加权评分，见表5。

表5 跑步机界面设计方案综合评分

据表5的数据结果，家用跑步机人机界面设计方案排序为：方案F＞方案A＞方案B＞方案H，即方案F为最优设计方案。为了进一步优化设计方案，提高跑步机界面的操作效率和用户需求满意度，对方案F进行改进设计。通过表6可以看到，方案F在显示屏特性的反馈及时和触感舒适这2项设计指标的得分较低，分别为0.250和0.060，而方案A的2项设计指标得分最高，分别为0.500和0.120。同时从图4中可知数据反馈功能和反馈及时2项设计需求权重值较高，即相对重要度高，因此选择方案A为主要设计参考，针对数据反馈和触感舒适相关设计需求对方案F进行方案优化和详细设计。

5 结 论

(1) 依据层次分析法确定人机界面的用户需求权重，结合人机界面的设计原则将对应的用户需求映射为相关设计需求，基于QFD构建质量屋模型，根据用户需求和设计需求相关程度的矩阵得出界面设计需求的权重值，完成了将用户带有主观情感的需求转化为界面优化的设计需求。

(2) 运用PUGH决策矩阵完成了人机界面设计方案的初步筛选，以设计需求、需求权重和需求评级构建PUGH评分矩阵用于决策，根据评分排序结果得出了设计的最优参考方案，通过分析需求的重要程度得出设计的优化重点。

(3) 提出了一种QFD和PUGH决策矩阵融合的人机界面评价方法，将需求映射和QFD得出的设计需求及相对重要度作为PUGH决策矩阵的设计评价标准，实现了以设计需求为结合点，用户需求转化为设计需求和设计需求指导决策评分2部分的有机结合，为进一步人机界面的设计优化研究提供了决策方法和理论依据。

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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课题资助项目(2017JG30)；山西省自然科学基金资助项目(RZ19100134)

李 惠(1994-)，女，山西大同人，硕士研究生。主要研究方向为产品造型设计和人机界面交互设计。E-mail：2998379574@qq.com

王时英(1964-)，男，山西运城人，教授，博士。主要研究方向为齿轮精密超精密加工及功率超声加工、工业设计工程。 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