海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計

黃銘玉，黃天楊，陳明月，韓衛(wèi)國，鐘光明

（廣東海洋大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣東 湛江 524000）

0 引言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，我國多元化的海洋資源猶如一個包羅萬象的寶庫，其中的海水資源在當(dāng)今具有非常廣闊的前景。但是近年來，人們肆意的開發(fā)海洋資源和內(nèi)陸河流廢水傾入海洋，造成海洋水體的溫度、PH、含鹽量、生物的物種和數(shù)量等等性狀發(fā)生了不可逆的改變，這使我國的海洋生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞。海洋污染讓昔日湛藍的海水變得渾濁，水體中大量的重金屬和有毒有機物對海洋生物的毒害，嚴(yán)重影響了海洋的生產(chǎn)力。海水的富營養(yǎng)化使得赤潮在我國的渤海灣、長江口、廣東和香港海域頻繁發(fā)生。在我國，每年由于“海洋癌癥”赤潮所影響的經(jīng)濟損失約為10 億元[1]。因此，海洋水質(zhì)的監(jiān)測與治理對于我國的海洋產(chǎn)業(yè)和海洋環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是具有重要意義的。運用海洋水質(zhì)監(jiān)測儀對海水中各種化學(xué)元素的監(jiān)測是治理海洋水質(zhì)環(huán)境的第一步，同時也是合理運用海水資源的重要手段。海洋監(jiān)測儀通常為大而復(fù)雜的機器，使得監(jiān)測人員在監(jiān)測的過程變得繁瑣，同時工作效率與監(jiān)測的實時性也隨著降低。由此可見，海洋水質(zhì)監(jiān)測儀進行合理化的設(shè)計是解決海洋水質(zhì)問題現(xiàn)狀的重中之重。

1 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀

海洋水質(zhì)監(jiān)測儀是用于定期或連續(xù)測定海洋水質(zhì)，分析水質(zhì)中各項指標(biāo)成分含量的儀器[2]。海水是一種十分復(fù)雜的多組分的水溶液，其含有的污染物質(zhì)是復(fù)雜多變的。由于海水中成分的復(fù)雜性與多樣性，使得海洋水質(zhì)監(jiān)測的難度大大提升。

在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀研究的初始階段，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)還沒運用電化學(xué)分析法，此階段的研究進展是十分緩慢的。到后來歐美部分國家從電化學(xué)的方法的前提下，對于水質(zhì)監(jiān)測儀的進行了自動化技術(shù)的運用后，水質(zhì)監(jiān)測儀得到了前所未有的發(fā)展。在當(dāng)時已經(jīng)出現(xiàn)了許多的便攜式的水質(zhì)監(jiān)測儀，但是由于條件限制導(dǎo)致了水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性較差。到后來，高性能傳感器的推廣與無線通信技術(shù)的研發(fā)，讓海洋監(jiān)測儀的技術(shù)迎來了新的階段。與此同時，我國對于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的研究也在不斷加大。我國海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的相關(guān)研究開展較歐美國家的發(fā)展得晚。但是我國的研究成果是豐碩且發(fā)展快速的。在二十一世紀(jì)后，我國的海洋水質(zhì)重視程度進一步提高，水質(zhì)監(jiān)測儀的監(jiān)測效果更加精準(zhǔn)。但相對國外的海洋水質(zhì)監(jiān)測儀來說監(jiān)測的準(zhǔn)確性、器械的便攜性與實時性較差[3-5]。

在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的研究初期，監(jiān)測儀的產(chǎn)品是較為單一的。這個時期的海洋水質(zhì)監(jiān)測儀造型上簡單，只是基于產(chǎn)品功能的設(shè)計。逐漸地人們開始意識到海洋水質(zhì)監(jiān)測儀在檢測過程中需要取樣與檢驗分開，才能使監(jiān)測過程的效率大幅度的降低，因此，人們便 開始對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的便攜性進行合理化的設(shè)計。在這階段，海洋水質(zhì)監(jiān)測儀在外觀上的設(shè)計是比較少的，多的是對于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的功能上的提升。雖然隨著科技的發(fā)展，高性能傳感器和無線通信技術(shù)的添加使海洋水質(zhì)監(jiān)測儀更加便攜與時效性強，但是海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計還有許多的不足需要進一步的加強與創(chuàng)新。

2 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新設(shè)計要素分析

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是指運用新技術(shù)或新的設(shè)計構(gòu)思對傳統(tǒng)的產(chǎn)品進行全新的設(shè)計，或是在產(chǎn)品的造型、材料、功能等上進行創(chuàng)新型的改良設(shè)計。根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計的基本要素相關(guān)知識，對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的功能、形態(tài)、色彩、人機、材料、使用環(huán)境和操作進行全方位的分析，提取出各個要素中對于創(chuàng)新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計方向，從而使海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計滿足多元化的需求，同時也為海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的方向。

2.1 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀功能分析

由于海洋水質(zhì)監(jiān)測項目多且不同類型的物質(zhì)有不一樣的監(jiān)測方法，導(dǎo)致傳統(tǒng)的海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的監(jiān)測項目類型是有限的。例如在對海水中的油類物質(zhì)進行測定時使用熒光分光度法，而硫化物則是運用亞基藍分光光度法。由此看出，不同物質(zhì)的測定方法大為不同。不僅是監(jiān)測項目所對應(yīng)的監(jiān)測方法與監(jiān)測儀器不同，更重要的是海洋水質(zhì)污染的指標(biāo)不是由某一項目不達標(biāo)而判定的。例如，針對同一個污染現(xiàn)象的監(jiān)測項目就已經(jīng)十分的繁雜，所需要的監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)庫是龐大的。但是在目前大多數(shù)的海洋監(jiān)測儀功能上只能測定小方向的范圍，那么如何擴大海洋監(jiān)測儀的監(jiān)測范圍可以說是海洋監(jiān)測儀功能創(chuàng)新要點之一。對于海洋監(jiān)測儀功能的創(chuàng)新上主要是依托于監(jiān)測方式的創(chuàng)新與人工智能技術(shù)的介入。通過研究新型的監(jiān)測方法來解決傳統(tǒng)海洋監(jiān)測儀器監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時簡化的監(jiān)測流程可以使得監(jiān)測儀器監(jiān)測項目最大化。同時由于人工智能的引入可以將監(jiān)測大數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，確保了水質(zhì)監(jiān)測的實時性。

2.2 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀形態(tài)分析

“形式追隨功能”是芝加哥學(xué)派的現(xiàn)代主義建筑大師路易斯沙利文的名言之一，主張的是反對矯揉的裝飾風(fēng)格及繁瑣的細(xì)節(jié)部位的樣式，采用的是以實用為形式導(dǎo)向。形式追隨功能的設(shè)計風(fēng)格在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計體現(xiàn)上十分明顯。例如AMT-FB301 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)，是以浮標(biāo)為載體的化學(xué)分析儀器和各種水質(zhì)傳感器的水質(zhì)監(jiān)測儀綜合體。從形態(tài)上可以直觀地看出該水質(zhì)監(jiān)測儀的功能模塊分為浮體、太陽能板、傳感器等等。由此看出，對于工程設(shè)備的形態(tài)是以功能為核心主體的，不加入累贅的裝飾，因為即使是美感再強的設(shè)計在功能運作上沒有升級，那便是沒有意義的[6]。在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計創(chuàng)新上應(yīng)該以功能為第一導(dǎo)向，在設(shè)計形態(tài)上把握好尺度，必要的擁有一定的基本標(biāo)準(zhǔn)與要求，同時在形態(tài)上有新的改革與創(chuàng)新，畢竟產(chǎn)品的功能與形態(tài)是不可分開的、相輔相成的。

2.3 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀色彩分析

色彩的表現(xiàn)其實是一種視覺的心理感受，色彩在工業(yè)設(shè)計中是一種表現(xiàn)力充盈的要素，它具有：補償性、標(biāo)志性、識別性和專用性四個視覺功能，同時色彩是具有情感的，它能帶給用戶不一樣心理暗示與體驗。因此，在對產(chǎn)品的色彩設(shè)計時，需要從多方面考慮，如產(chǎn)品的使用環(huán)境、產(chǎn)品的功能與造型、產(chǎn)品所要帶給用戶的體驗以及色彩本身的適用性。例如藍色，帶給人的是一種冷靜和智慧的體驗感，因而使藍色成為工業(yè)鄰域與現(xiàn)代科技的代表顏色，在某種程度上來說藍色的產(chǎn)品預(yù)示著產(chǎn)品本身的精密性與技術(shù)精湛[7]。對于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新設(shè)計色彩要素中，主要運用的是色彩的補償性，具體體現(xiàn)在色彩調(diào)節(jié)用戶與使用環(huán)境和機器之間的關(guān)系。結(jié)合上海洋水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的相關(guān)特點，在對其進行創(chuàng)新設(shè)計時，選擇的顏色可以為白色、藍色等冷色系，使得水質(zhì)監(jiān)測儀具有整潔、精準(zhǔn)的視覺感受。同時可以加入少部分小面積的提醒色，如黃色與紅色來展示出警示作用，既協(xié)調(diào)了色彩配合，同時又增加了色彩的功能作用。

2.4 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀人機分析

人機工程是在理性原理的支持下對產(chǎn)品進行合理化的設(shè)計過程，結(jié)合了生理學(xué)、心理學(xué)等與人相關(guān)的學(xué)科，達到所設(shè)計的產(chǎn)品具有安全性、高效性與舒適性[8]。有效將人的生理尺度和心理尺度等等各種數(shù)據(jù)運用到產(chǎn)品設(shè)計中，使得產(chǎn)品的功能合理性得到科學(xué)理論依據(jù)。在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計中，人機要素主要用于解決產(chǎn)品尺寸與人體尺寸之間的問題，使得海洋水質(zhì)監(jiān)測儀在運作的時候能最大限度為用戶提供安全性與高效性；同時，通過對人機工程中的心理層面對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀進行相關(guān)的情感化設(shè)計，使用戶在使用的過程中得到一定的情感反饋。例如對于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計中運用一體化的設(shè)計，將海洋水質(zhì)監(jiān)測取樣部件與檢測部件一體化，使得產(chǎn)品的體積進一步的縮小，使用戶在進行水質(zhì)監(jiān)測的過程中減少了操作的復(fù)雜性和提高了儀器的便攜性。

2.5 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀材料分析

材料的選擇是產(chǎn)品設(shè)計的重中之重，好的材料選擇可以是產(chǎn)品的價值得到最大化。通常來說，材料選擇的影響因素又很多，其中較為主要的有：材料成本、密度、加工性能與使用性能等等[9]。材料的選擇方法是復(fù)雜的、多重考慮的。其中在新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的材料選擇上，不僅要達到傳統(tǒng)設(shè)計中材料所有的物理性能（比如海洋監(jiān)測儀在監(jiān)測過程中的功能、耐腐蝕性等），同時該材料是具有綠色屬性的，能夠滿足以下幾點要求：

（1）材料能滿足產(chǎn)品的功能；

（2）材料的工藝生產(chǎn)過程盡量減少制造過程對于環(huán)境的污染；

（3）材料的經(jīng)濟性；

（4）材料的回收利用性和毒性，盡量選擇無毒可回收材料[9]。

海洋污染使得海洋水質(zhì)發(fā)生不可逆的變化，所以在對新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的材料選擇上，第一要義是產(chǎn)品的功能保證，核心是圍繞著材料的綠色屬性。

2.6 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀使用環(huán)境分析

在進行產(chǎn)品的定義中，必不可少的是對于產(chǎn)品使用時的環(huán)境進行一定的定義。加入一定的使用環(huán)境的分析，可以直觀地看出用戶在使用產(chǎn)品時的價值、體驗與情感。若是沒有的使用場景的確定，不僅會造成產(chǎn)品的設(shè)計過程中對產(chǎn)品定義的模糊，而且也會導(dǎo)致用戶使用時的認(rèn)識模糊。由此可見，產(chǎn)品設(shè)計的過程中對于使用環(huán)境的分析是必不可少的。在進行海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計時，首先要對海洋環(huán)境與用戶在進行海水水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境進行分析，確定了海水監(jiān)測過程中可能會出現(xiàn)海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海水指標(biāo)變化快，海洋風(fēng)浪較大造成用戶使用困難等等。對海洋水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境進行分析后，可以在設(shè)計執(zhí)行中對產(chǎn)品用戶的使用體驗與海洋水質(zhì)監(jiān)測的準(zhǔn)確性作為該產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的第一要義。其次在對環(huán)境所造成的其他方面進行合理化的設(shè)計改良及進行產(chǎn)品與環(huán)境的協(xié)調(diào)性考慮[10]。在對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計中，同時要考慮產(chǎn)品對環(huán)境的破壞問題，即是上文材料要素中所論述的產(chǎn)品設(shè)計時的綠色屬性，將維護生態(tài)的責(zé)任與義務(wù)融入于設(shè)計中。

2.7 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀操作方式分析

用戶在進行產(chǎn)品操作中，無論什么產(chǎn)品都會存在一定的操作障礙[11]。只有產(chǎn)品與人的行為建立有效且正確的聯(lián)系，才能使用戶在使用產(chǎn)品時的鴻溝減小或消失，特別是對于有關(guān)生化監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計，若是儀器的操作方式與用戶的行為傾向有太大的差別，會使用戶在操作過程中出現(xiàn)失誤甚至是出現(xiàn)安全事故。為此，對于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新設(shè)計中的操作方式設(shè)計過程中，首先，盡量的簡化所要操作的步驟與流程，最大程度的減低操作的難易程度與降低操作失誤的可能性。在顯示屏等人機交互的操作上，盡量提高產(chǎn)品下一步的操作的提醒性，使用用戶在操作的每一過程中能接受到儀器的操作指引，最大程度的減少用戶使用時的非理性行為的出現(xiàn)，使創(chuàng)新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀在操作上更加安全與高效。

3 海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計實踐與意義

通過對設(shè)計要素的分析，對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計進行了多方位的設(shè)計考究，提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的完整性與視角多樣化?；谝陨险撌鰧Ｑ笏|(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計要素分析，明確了關(guān)于海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新設(shè)計的設(shè)計方向，筆者進行了海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計實踐如圖1、2，該方案的設(shè)計遵循了設(shè)計調(diào)研與方案構(gòu)思等流程[12]。

圖1 手持海洋水質(zhì)監(jiān)測儀創(chuàng)新設(shè)計

圖2 手持海洋水質(zhì)監(jiān)測儀色彩設(shè)計

（1）在功能與形態(tài)上，該設(shè)計方案摒棄了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測儀的較大體塊化的設(shè)計，采用便攜式與模塊化的結(jié)合，使海洋水質(zhì)監(jiān)測儀造型上實現(xiàn)最小化。結(jié)合海洋污染監(jiān)測技術(shù)的中的生物傳感器、化學(xué)傳感器和水光學(xué)傳感器的技術(shù)創(chuàng)新[13]，對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀探頭處進行模塊化設(shè)計，使得海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的監(jiān)測范圍進一步的擴大。方案與傳統(tǒng)的海洋水質(zhì)監(jiān)測儀對比下，將探頭與監(jiān)測儀機身的模塊化結(jié)合可以使用戶在進行水質(zhì)分析的過程中減少了采集后的保存、運輸、實驗室分析的流程等相關(guān)的流程，可直接的在監(jiān)測現(xiàn)場進行監(jiān)測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大幅度提高了海洋水質(zhì)監(jiān)測的效率。該設(shè)計方案實現(xiàn)了功能與形態(tài)上的融合，保障了海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的高效性與便攜性的同時又加入了模塊化的設(shè)計，使海洋水質(zhì)監(jiān)測儀在高效與使用上又多加一層設(shè)計意義。

（2）在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的色彩的創(chuàng)新設(shè)計上，采用的是白色、藍色、灰色或黑色為4 種配色方案，在視覺上是該產(chǎn)品具有整潔、精準(zhǔn)、專業(yè)的視覺效果。同時四種不同的色彩搭配也給用戶帶來的不一樣的心理體驗，例如藍色讓用戶聯(lián)想到的是大海，有著沉著、深遠的感覺，可以給用戶帶來信賴、安全和理智的心理暗示。在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的材料創(chuàng)新設(shè)計上，遵循著綠色設(shè)計的原則，不僅是在材料與加工工藝上減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，而且探頭與監(jiān)測儀的一體化設(shè)計可以減少監(jiān)測過程中采集管的使用，進一步的減少了監(jiān)測耗材的污染。綠色設(shè)計原則下的海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計，反映的不僅使人類對于海洋環(huán)境的保護意識，更重要的是對全球的可持續(xù)發(fā)展的反思與意識，同時展示的是設(shè)計師的道德心與社會責(zé)任感。

（3）在創(chuàng)新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的人機設(shè)計上，結(jié)合了人手的抓握方式與人手的相關(guān)的人機工程尺寸進行設(shè)計，可以提高監(jiān)測過程中用戶的舒適性。同時，在新型海洋水質(zhì)監(jiān)測儀產(chǎn)品表面嵌入了符合監(jiān)測時用戶視角的顯示屏，方便用戶進行數(shù)據(jù)的讀取與操作，緩解了用戶的重復(fù)操作的疲勞，同時使工作效率大幅度的提高。在對海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的操作設(shè)計的過程中，較于傳統(tǒng)的監(jiān)測流程來說，操作的復(fù)雜性大幅度的降低，同時在顯示屏上進行一系列的指引，使得監(jiān)測流程操作進行的準(zhǔn)確性。在如今科技快速發(fā)展的時代，在設(shè)計上產(chǎn)品的功能日漸復(fù)雜，考慮人機工程的設(shè)計能讓產(chǎn)品不偏離以人為本的設(shè)計理念，同時加入情感化設(shè)計，讓產(chǎn)品具有情感意義。

4 結(jié)語

在海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的創(chuàng)新設(shè)計中，高效、便攜、精準(zhǔn)已經(jīng)成為未來海洋水質(zhì)監(jiān)測儀必不可少得發(fā)展趨勢。利用創(chuàng)新設(shè)計設(shè)計要素分析的方式，能夠全方位地將海洋水質(zhì)檢測儀的設(shè)計與設(shè)計中主要的要素結(jié)合，設(shè)計出一種滿足用戶需求、滿足社會價值的海洋設(shè)備。相信在未來的發(fā)展中，海洋水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計將會融入更為系統(tǒng)的設(shè)計要素，不僅使得海洋水質(zhì)監(jiān)測儀品質(zhì)得到提升，也助推海洋裝備儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。