基于FAST-TRIZ的經濟艙飛機乘客座椅設計研究

邱吉堯 徐江華

關鍵詞：FAST TRIZ 經濟艙 飛機乘客座椅 造型設計

引言

飛機乘客座椅是飛機客艙內不可或缺的重要組成部分之一，它為客艙內的乘客提供了休息、工作、娛樂的保障以及免遭危險傷害的保護[1] 。伴隨我國航空事業的飛速發展，乘坐飛機出行逐漸成為了大家的選擇，僅僅2016年，全球就有36億乘客選擇乘坐飛機出行[2] 。飛機乘客座椅作為乘客在飛機飛行過程中接觸時間最長的客艙設備，在滿足各類適航標準的前提下，飛機座椅的設計師們開始不斷在各項功能上做出改進優化，努力讓乘客獲得舒適的飛行體驗。在沒有核心技術革新的前提下，產品功能的繁雜程度與產品的體積大小之間的關系是呈正相關的，即功能越多，產品的體積就可能會越大。當飛機乘客座椅擁有多元化的功能時，其作為產品所占據的體積也可能會增大，這與客艙空間對空間利用率的嚴苛要求相悖。在過往的研究中，大部分學者都選擇采用發明問題解決理論（Theory of InventiveProblem Solving，TRIZ）來解決所面臨問題的各類矛盾：劉恒麗[3] 等利用QFD模型解決需求，TRIZ理論解決產品結構的矛盾，對桌面臺燈進行了再設計;陳麗君[4] 融合TRIZ理論與UCD設計思路，對老年人購物車進行創新設計;陳昭[5] 等則將QFD、KANO與TRIZ理論相結合，對校園卡自主終端進行了優化設計。本文將通過功能分析系統技術法（Function Analysis System Technique，FAST）對飛機乘客座椅的功能需求進行分析、整理，建立飛機乘客座椅的功能樹。在滿足各項功能的過程會產生技術矛盾或物理矛盾，再運用TRIZ理論解決這些矛盾，對現有飛機乘客座椅進行改良設計，提出飛機乘客座椅的概念化設計方案。

一、基于FAST-TRIZ創新設計方法

（一）FAST法概述

FAST法是用于定義、分析和理解產品的功能，確定功能之間的關系，關注重要功能以增加產品價值的一種產品設計方法[6] 。FAST法在應用時，首先聚焦產品的基本功能，將設計對象抽象為一個無法看到內部結構的黑箱。通過黑箱模型，聚焦產品的主要設計要點，再根據設計要點建立產品的功能樹，以此為目標對產品功能進行優化設計。該方法的優勢在于清晰地梳理產品的基本功能與子功能之間的關系，但并不擅長解決產品功能實現過程中出現的問題。

（二）TRIZ理論概述

TRIZ理論是“發明問題解決理論”的俄文縮寫，由根里奇·阿奇舒勒在1946年創立，其主要用于解決實現產品功能設計過程中遇到的矛盾沖突問題[7] [8] 。TRIZ 理論的核心是將產品的設計問題轉化為技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾指在設計過程中對產品的一個屬性進行改進后將會對另一個屬性造成不良影響;物理矛盾則指在設計過程中對同一屬性有相反的需求[9] 。在確定了功能之間存在的矛盾類型后，利用阿奇舒勒建立的矛盾矩陣，確定待改善與惡化的工程參數，獲取可能解決矛盾的發明原理，借助發明原理來解決問題。TRIZ理論在問題解決方面有相對完善的流程，其突出的優勢在于能對工程或設計中出現的技術矛盾或物理矛盾進行定性的同時，還能提出可能解決這些問題的發明原理。

（三）FAST-TRIZ設計方法

運用TRIZ理論能有效解決設計中所需要的功能在實現時所產生的矛盾，然而TRIZ理論卻并不能對產品的功能進行相對系統的梳理與分析。利用FAST法可以很好地解決這一問題。FAST法以產品的功能為線索建立起詳細的產品功能樹，通過功能樹來確定這些功能實現所產生的矛盾，最后利用TRIZ理論解決這些矛盾，產出創新設計方案。融合FAST法與TRIZ理論的設計流程如圖1，其基本流程如下：

1.通過問卷、訪談等方法獲取用戶需求;

2.建立黑箱模型，分析物質、能量與信息在經過黑箱加工處理前后的變化，聚焦產品的主要功能;

3.建立產品功能樹，將產品功能分為主要功能以及次級功能，分析主要功能之間是否存在矛盾并確定矛盾的類型;

4.運用TRIZ法求得可能解決矛盾的發明原理;

5.分析發明原理的可行性，若可行，利用相應的解決方案產出設計方案;若不可行，則返回第3步重新確定矛盾類型與發明原理。

二、基于FAST-TRIZ飛機乘客座椅設計分析

（一）現有飛機乘客座椅類型及功能分析

民用客機內的飛機乘客座椅主要以客艙等級為劃分標準。飛機客艙等級主要劃分為經濟艙、商務艙和頭等艙三類。對應的飛機乘客座椅種類主要以三種為主，每一種座椅因為所處的客艙環境而具有不同的特征。以Recaro公司生產的座椅為例（如圖2），應用在經濟艙內主要以三聯式座椅為主，座椅相比于商務艙和頭等艙的座椅更加輕薄，結構更加簡單，乘客只能對座椅的靠背角度進行有限的調節（一般在100°到120°之間[10] ），座椅的間距也更窄（一般在28～31英尺之間[11] [12] ），因為座椅需要彼此相連接，經濟艙內的乘客往往只能使用自己右側的扶手（該扶手一般設有靠背調節的按鈕）;商務艙主要以雙聯式座椅為主，這類座椅的結構比經濟艙座椅更加復雜，體積也更大，小桌板也從前一排的座椅調整到了座椅的扶手中，座椅的調節方式也以電動為主，除了座椅的靠背角度可以調節外，在坐墊下側增加了可以調節的腿部支撐;頭等艙的座椅則大多是單個獨立的，每個座椅都會配備更大的側面擋板，保護乘客隱私，讓乘客擁有更加獨立的私人空間，除去小桌板和雜志袋外，乘客有更多的置物空間可以選擇，座椅也可以直接放平（即180°），但同樣的，頭等艙座椅的體積與占地面積也更大。通過上述的分析可以看出，隨著功能的增多，三種座椅的體積與占用的空間也逐漸增多。

（二）用戶需求獲取與分析

在對122名年齡在18到65歲之間的普通乘客進行問卷調查后發現，因為客艙空間狹小，導致每位乘客所能自由活動的空間有限，乘客們在飛機飛行期間產生的行為也是有限的，乘客為了相對舒適地完成這些行為，便會產生對應的需求，問卷調查所得的乘客在飛機飛行期間在飛機乘客座椅上所進行的行為與其相對應的需求匯總如表1所示，為了優先解決乘客最關注的問題，根據乘客提到的這些行為的重要程度進行了排序（重要程度區間0～10，10為最重要）。

（三）飛機乘客座椅黑箱模型

對于一個產品而言，功能是能量、物質、信息或其他物理特性的轉換[13] 。將產品的抽象為一個看不到內部結構的黑箱，通過黑箱模型，能將設計目標聚焦在用戶的需求上，設計人員也能更好地關注到產品的主要功能與結構技術。通過抽象的方式為飛機乘客座椅建立黑箱模型，見圖 3。該模型包含了信息流、物質流、能量流的輸入與輸出。在這個模型中我們可以看到，黑箱模型將乘客對飛機座椅的需求轉化為設計中的技術問題，并將飛機乘客座椅的物質、能量、信息轉化為乘客所希望的輸出。能量流方面，飛機乘客座椅在人力與電能兩種驅動方式的作用下才能實現所有的功能，并將這些能量轉化為對應的動能與勢能;物質流方面，乘客與座椅是整個模型中重要的兩個物質，且在經過黑箱模型加工的前后沒有發生變化;信息流方面，乘客在使用前會產生各種各樣的信息，但在經過黑箱模型加工完成之后，這些信息在反饋給乘客時將產生變化，而這些反饋給乘客的信息會是乘客舒適感產生的關鍵因素，同時飛機乘客座椅的各類功能就是將這些輸入信息轉化為乘客需要的輸出信息。因此設計的重心應放在使用座椅對信息流的加工上。而通過對整個黑箱模型信息流的分析，設計的重點應放在功能整合、安全性以及操作性三個方面。

（四）飛機乘客座椅功能樹

通過對飛機乘客座椅的黑箱模型的分析匯總，建立飛機乘客座椅的功能樹。通過上述分析可以得到，飛機乘客座椅的功能整合、安全性、可操作性是值得關注的，在此基礎上，對各層級的子功能繼續細化，建立飛機乘客座椅功能樹，如圖4。功能需求是依照乘客需求產出的，是能夠保證乘客乘機舒適與否的關鍵，所以放在功能樹的第1列，座椅的基礎功能是作為坐具為乘客提供可以休息的位置，在其下方的是在滿足了“坐”這一基本功能后的其余子功能，也是對應前文乘客的需求所需要的子功能，最終，座椅成為承載這些子功能的載體，即第1列最后的功能整合;人機工程學在飛機客艙各類設施的設計中都扮演著重要的角色，相比于乘客的功能需求，其更像是對座椅設計的一種約束和限制，所以將其放在功能樹的第2列，其下方是在人機工程學范疇下所衍生的各類對安全性的需求;可操作性與美觀性與前兩項相比，重要性有所降低，所以放在功能樹的第3列，其下所包含的是諸如造型、色彩、材質等因素主要是座椅的外在表現形式。

（五）矛盾類型及發明原理

通過飛機乘客座椅FAST功能樹的分析可以得到如下的矛盾：如果只是將乘客需求所對應的各項功能進行單純的疊加，經濟艙座椅的體積和占地面積也會因此而增大，這與客艙空間內對空間利用率的嚴苛要求相矛盾。這屬于飛機乘客座椅的功能屬性變化后導致座椅的物理屬性（體積）發生變化，這兩種屬性并不是同類屬性，所以矛盾的類型應為技術矛盾。在確定了矛盾類型后，查詢TRIZ矛盾矩陣，結合實際問題，確定待改善的工程參數為8 靜止物體的體積，即座椅本身的體積在增加更多的功能后，應保持原有大小不變或變化不大;而在這樣的條件下，還需兼具多元化的功能，其操作的復雜性以及座椅結構的復雜性都有可能會隨之上升，即被惡化的參數應是34 使用的方便性和45 裝置的復雜性。通過查詢TRIZ矛盾矩陣，可得到對應的發明原理，見表2。發明原理的對應釋義，見表3。

對上述的發明原理進行分析后，發明原理1、7、15、17在優化飛機乘客座椅的功能方面有較大的幫助：

1.根據分割原理，可以將原有部件進行分割，使其發揮更多的功能。在后續的設計中可以將座椅的靠背面或坐面進行分割滿足骨架的需求;座椅的背板也可以通過分割，來滿足更多的置物功能。

2.據嵌套原理與維數變化原理，前文根據分割原理進行處理的部分部件就可以做出類似伸縮或是嵌套的結構，在未使用的狀態下保持座椅外觀的整體性，在使用狀態下再開啟，如小桌板增加翻轉結構，增加放置書本或平板電腦的功能等。

3.根據動態化原理，可以考慮增加座椅的調節模式，前文所述的部分功能完全可以通過電池驅動，由扶手上的按鍵進行控制。

三、基于FAST-TRIZ飛機乘客座椅設計實踐

（一）需求與發明原理匹配

利用TRIZ理論對矛盾類型進行確定與分析后，得到了對后續設計幫助較大的四種發明原理，現將乘客需求與發明原理之間進行匹配，明確設計方向，匹配關系見表4。乘客的需求主要分為了三大類，即調節需求、置物需求與充電需求，每項需求都有發明原理與之對應。觸摸屏屬于技術發明層面，照明在現有飛機上已經滿足，所以將這兩項需求剔除。

（二）座椅結構功能設計

1.調節功能設計。在用戶需求中所提到的調節需求有三種，這三種調節主要都以乘客施加作用力的被動調節為主。根據發明原理15（動態化）與發明原理7（嵌套），可以用電能驅動的調節方式來代替這種機械化、被動式的調節方式，即乘客只需要通過按鈕等方式來操作，即可實現對應需求。頭枕的主要功能是為了乘客在睡眠時可以倚靠，通過將頭枕內的骨架結構設計為三片式的折疊結構，通過電能傳動，實現A、B兩側的金屬片向內翻折，讓乘客可以通過按鈕來調節頭枕角度，而無需手動調節頭枕的翻折角度。飛機乘客座椅靠背的調節主要利用機械傳動結構實現，乘客在按壓調節按鈕后，傳動裝置解鎖，乘客通過后仰的力量將座椅靠背向后壓倒。通過固定螺桿旋轉帶動滑塊的方式可以代替這樣的機械傳動方式來精確地控制座椅靠背后傾角度，對于不同的行為需求預設不同的靠背角度，乘客通過按鈕就可以獲得合適的靠背角度，同時電能驅動的方式也能減少前后排乘客因為機械式調節方式的不可控性而產生的矛盾。兩種調節方式的結構設計如圖5。IFE屏幕的電動調節卻存在困難，因為IFE屏幕安裝于前排座椅上，若需要完成后排座椅對前排座椅IFE屏幕的控制可能使系統復雜程度陡然上升，同時增加不必要的成本，因此IFE屏幕的調節方式仍保持原狀，即利用轉軸結構，由乘客手動進行調節。

2.置物空間與收納設計。飛機乘客座椅的置物與收納功能主要由小桌板和雜志袋實現。根據發明原理1（分割），保證IFE屏幕與小桌板所必要的空間外，還可以對靠背背板進行合理的分割，在IFE屏幕與小桌板之間的空隙處分割出一塊圓角矩形區域，再結合發明原理17（維數變化）與發明原理7（嵌套），分割出的圓角矩形區域通過增加伸縮結構，使原本是平面的靠背背板發生維數變化，形成類似抽屜一樣的結構，方便乘客將一些容易遺失的小物件放置在其中。同時，小桌板本身也能通過分割實現更多元化的置物需求，將小桌板的外邊緣進行分割后，結合發明原理17（維數變化），利用卡扣結構使小桌板可以形成傾斜狀態，以此滿足乘客一些多元化的使用需求，例如放置書本或是平板電腦等，如圖6。

3.充電位置設計。經濟艙飛機乘客座椅的充電位置多放置于兩個座椅坐墊之間的下方，因為高度相對較低，乘客在使用時會產生諸多不便。根據發明原理7（嵌套），可以將充電口設置在扶手上，乘客在使用時無需再彎腰尋找電源插孔的位置，并且在保證了使用便利的同時也減少了多余的外露結構。前文所述的通過維數變化與分割實現的收納功能也可以加入無線充電功能，通過在彈出結構中加入線圈，乘客就可以在不使用手機時候將手機放入其中充電，如圖7。

（三）外觀造型設計

外觀造型方面，座椅的設計加入更多現代化的元素：如靠墊上加入由參數化建模完成的漸變式六邊形的蜂巢肌理，增加摩擦力的同時，還可以對乘客背部的一些穴位進行按壓;在雜志袋以及座椅頭枕上增加皮質的扣帶裝飾，改變年輕群體對飛機乘客座椅的刻板印象;側邊扶手也采用從面到線的結合方式，增加乘客視覺上的層次感，扶手側板下方的鏤空設計也可以讓乘客在視覺上獲得客艙環境相對寬敞的體驗，如圖8。

（四）座椅結構布局

概念飛機乘客座椅由靠背骨架、坐墊底板骨架、頭枕骨架、支撐骨架組成主體部分;每個座椅的右側的扶手均可依靠翻轉結構抬起，其內部有對應的電子與機械結構來實現調節功能;供能的電池組合理利用空間，安裝在底部支撐骨架的空隙上。概念飛機乘客座椅的結構布局如圖9。

（五）配色方案

色彩搭配上，采用了藍色與白色相結合的搭配方式，呈現出一種象征天空的設計語言，以飽和度較低，色相較深的藍色為主，避免了乘客視覺刺激，同時也能產生一定的親切感。為避免視覺疲勞，在部分細節部位加入了飽和度相對較高的橙色作為點綴，如扶手充電口、頭枕皮質扣帶、扶手側面的裝飾環等。配色方案如圖10，完整的效果展示如圖11。

結語

本文通過結合功能分析系統技術法與發現問題解決理論，對飛機乘客座椅進行功能整合和優化設計，驗證了FAST-TRIZ設計方法在產品創新設計過程中的優勢與可行性，為后續在產品創新設計方面的研究提供了一定的參考價值，也為經濟艙飛機乘客座椅設計提供了新的方向。FAST-TRIZ設計方法可以清晰定位產品的主要功能與各級子功能并切實解決其功能實現時產生的技術矛盾及物理矛盾，是一種能有效解決復雜產品功能技術問題的產品創新設計方法。