基于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)研究

遲方圓　姜勇

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì);環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備;產(chǎn)品設(shè)計(jì);構(gòu)成要素

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）02-0026-03

1產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概述

產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是一個(gè)以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為最終目標(biāo)的各種科學(xué)方法的總稱，包括內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)兩部分。其中，外部系統(tǒng)是指產(chǎn)品本身與外部環(huán)境之間的一種相互聯(lián)系，而內(nèi)部系統(tǒng)則是指產(chǎn)品自身的各個(gè)要素與其結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系。產(chǎn)品的內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間是一種相互促進(jìn)、互為補(bǔ)充的關(guān)系，貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。產(chǎn)品系統(tǒng)的屬性為：整體性、綜合性、最優(yōu)化。即，產(chǎn)品系統(tǒng)歸屬于社會(huì)宏微觀的大系統(tǒng)，社會(huì)宏觀系統(tǒng)決定著產(chǎn)品系統(tǒng)的各項(xiàng)因素，以強(qiáng)大的社會(huì)影響力和滲透力牽引著產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向，社會(huì)微觀系統(tǒng)構(gòu)成決定著產(chǎn)品系統(tǒng)的具體構(gòu)成因素。

產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素包括：功能要素、結(jié)構(gòu)要素、人因要素、形態(tài)要素、色彩要素、環(huán)境要素等。

功能要素：用戶購(gòu)買產(chǎn)品本質(zhì)上是購(gòu)買產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能。因此，實(shí)現(xiàn)功能是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的根本目的。

結(jié)構(gòu)要素：產(chǎn)品的功能是由結(jié)構(gòu)來承載的。

人因要素：包含產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)涉及的所有人員，如采購(gòu)生產(chǎn)、市場(chǎng)銷售、實(shí)際使用、售后維修、回收處理等。

形態(tài)要素：包含具象形態(tài)和抽象形態(tài)，其中抽象形態(tài)是提取事物最基礎(chǔ)、最本質(zhì)的要素或性質(zhì)。

色彩要素：包含色相、明度、純度和它們之間的互相影響對(duì)人的生理及心理產(chǎn)生的影響。

環(huán)境要素：需要充分考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，如產(chǎn)品的規(guī)劃定位階段、關(guān)鍵器件的采購(gòu)比較階段、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段、產(chǎn)品的銷售和使用階段、產(chǎn)品的維修售后階段、產(chǎn)品的廢棄淘汰回收利用階段等。

產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)將實(shí)用價(jià)值與審美需求進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，既體現(xiàn)出科學(xué)的先進(jìn)性，又體現(xiàn)美學(xué)藝術(shù)性，使技術(shù)與美學(xué)和諧統(tǒng)一，達(dá)到“人一機(jī)一環(huán)境”的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備概述

環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)品，包括環(huán)境空氣類監(jiān)測(cè)儀器、煙塵煙氣類監(jiān)測(cè)儀器、水質(zhì)類監(jiān)測(cè)儀器、顆粒物類采樣器及數(shù)采儀等五大類。國(guó)內(nèi)當(dāng)前大部分環(huán)保檢測(cè)設(shè)備主要分為在線式和便攜式兩大類。其中，在線式主要為大中型儀器，多為方形儀器框架，體積重量龐大，內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，主要為實(shí)現(xiàn)功能性，設(shè)計(jì)感較低;便攜類儀器為中小型儀器，相對(duì)體積小重量輕些，根據(jù)功能和使用場(chǎng)景的不同，會(huì)有一些差異化設(shè)計(jì)。

3基于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)意義

在十九大報(bào)告中，生態(tài)文明建設(shè)的認(rèn)識(shí)高度、實(shí)踐深度和推進(jìn)力度達(dá)到前所未有的程度，在政策引導(dǎo)下，涌現(xiàn)出大批設(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)。由于環(huán)保領(lǐng)域的特殊性，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約束了基本的監(jiān)測(cè)原理和方法，而在此基礎(chǔ)上的差異化設(shè)計(jì)也對(duì)企業(yè)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。隨著選擇性的增多，受眾對(duì)于產(chǎn)品的要求越來越高，用戶群體也更加看重企業(yè)的品牌綜合實(shí)力。產(chǎn)品創(chuàng)新是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)功能的全方位戰(zhàn)略，不僅在于產(chǎn)品創(chuàng)新的質(zhì)量，還包括選擇創(chuàng)新產(chǎn)品的類別、確定創(chuàng)新的模式和方式，以及與技術(shù)創(chuàng)新等其他方面的協(xié)調(diào)等?；诋a(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)，能使環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備企業(yè)在除了核心技術(shù)的研究之外，從設(shè)計(jì)之初就更加充分科學(xué)地考慮整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，以最少的時(shí)間和成本塑造優(yōu)質(zhì)統(tǒng)一的品牌形象，與其他同行企業(yè)形成明顯的差異，從而使企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，在眾多的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備企業(yè)中脫穎而出并保持長(zhǎng)足發(fā)展。

4基于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)思路

4.1基于功能結(jié)構(gòu)要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

如上文所述，首先要確定品牌定位。環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備是一種針對(duì)性較強(qiáng)的儀器，以使用功能為主，同時(shí)應(yīng)體現(xiàn)使用者的專業(yè)性。因此，宜優(yōu)選擇科技含量高、功能齊全的高端定位。

功能根據(jù)不同需求標(biāo)準(zhǔn)可劃分為不同類別，如根據(jù)需求類別可分為使用功能和精神功能，根據(jù)需求重要性可分為必要功能和非必要功能或主要功能和次要功能，根據(jù)滿意度可分為適度功能、不足功能和過剩功能。根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備宜充分調(diào)研使用功能、必要功能和主要功能，以適度為原則進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)過程應(yīng)優(yōu)先考慮產(chǎn)業(yè)化過程中的模塊化設(shè)計(jì)、可替換性設(shè)計(jì)，從而根據(jù)不同客戶需求實(shí)現(xiàn)不同功能的組合。同時(shí)設(shè)計(jì)研發(fā)測(cè)量精確度高、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，滿足客戶的使用需求。

以采樣器類產(chǎn)品為例，它的使用功能、必要功能和主要功能均為采樣，其中采樣功能可以分為定流量采樣、定體積采樣、定時(shí)間采樣。因此，能夠影響采樣流量、采樣體積、采樣時(shí)間和采樣穩(wěn)定性的流量計(jì)模塊就是其中非常重要的模塊，可將其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。流量計(jì)模塊包含管路部分、孔板和計(jì)溫板三部分。其中管路部分通用，采用模具化設(shè)計(jì)，孔板部分根據(jù)不同的采樣需求加工為可替換件，計(jì)溫板根據(jù)客戶需求確定是否增加，如圖3所示。

4.2基于結(jié)構(gòu)材料要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

作為構(gòu)成設(shè)備本體的材料，首先要保證儀器的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，同時(shí)材料本身的肌理也體現(xiàn)了產(chǎn)品的外觀效果。如鋁合金與塑料的結(jié)合應(yīng)用，既保證了儀器的強(qiáng)度和韌性，又形成了金屬與塑料的質(zhì)感對(duì)比增加豐富度，同時(shí)還能減輕產(chǎn)品的總體質(zhì)量，使設(shè)備更加輕便。根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備宜優(yōu)先選擇合金、碳纖維等結(jié)實(shí)輕便的新型材料。

材料表面處理工藝的應(yīng)用具有一舉兩得的作用。首先，優(yōu)秀的表面處理工藝可以使設(shè)備在色彩和質(zhì)感上達(dá)到理想的效果，提升產(chǎn)品的品質(zhì)感與檔次。同時(shí)，設(shè)備表面附著一層保護(hù)，從而使設(shè)備更加耐腐耐用，延長(zhǎng)使用壽命，如鋁合金的氧化處理、如烤漆的應(yīng)用。根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備宜優(yōu)先選用結(jié)實(shí)耐用、附著力強(qiáng)、耐候性好的表面處理工藝。

另外，設(shè)計(jì)過程要綜合考慮材料的可回收循環(huán)利用、標(biāo)準(zhǔn)化模塊可替換設(shè)計(jì)等。

依然以便攜式采樣器為例，前后殼體采用ABS工程塑料，表面細(xì)顆粒皮紋，中間鈑金框架結(jié)構(gòu)，既能保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又能減輕產(chǎn)品總體質(zhì)量保證便攜性，還具有塑料與金屬材質(zhì)質(zhì)感和肌理搭配的外觀效果。其中，中間的金屬鈑金具有更加便利的擴(kuò)展功能，既可以延長(zhǎng)長(zhǎng)度增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿足更多功能，也能夠方便加工擴(kuò)展替換不同功能的部件或接口。除了金屬材料本身屬于可回收材料外，又增加了板材的重復(fù)使用率，更加科學(xué)環(huán)保。同一種材料，不同的表面處理工藝外觀效果也不相同，對(duì)于鋁合金板材，原色氧化、彩色氧化、噴漆、烤漆、噴塑都是常用的表面處理工藝，能起到保護(hù)材料防止氧化提高耐候性的作用，技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛，得到的外觀效果豐富多樣。如圖4為采樣器外殼結(jié)構(gòu)示意圖。

4.3基于人因要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)類設(shè)備儀器由于使用環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性，合理的人機(jī)交互和符合人機(jī)工學(xué)的設(shè)計(jì)尤其重要。如監(jiān)測(cè)類儀器操作的直觀性和操作流程的合理簡(jiǎn)化、便攜式儀器的方便持握、運(yùn)行過程中的安全保護(hù)等。同時(shí)，設(shè)備設(shè)計(jì)要充分考慮使用環(huán)境的便利性。對(duì)于在線儀器來說，一般置于室內(nèi)的觀察室中，主要以穩(wěn)定、易觀察為主。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀器來說，更加需要體積小巧、重量輕便的便攜式儀器，側(cè)重現(xiàn)場(chǎng)操作和方便運(yùn)輸攜帶。

以便攜式污染源檢測(cè)儀為例，很多現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境需要帶著儀器爬幾十米高的煙囪，這就要求儀器越小巧輕便越好，包裝也越輕便越好，同時(shí)要適用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，儀器要穩(wěn)定可靠、耐臟、耐用。如圖5所示，這款儀器采用改性工程塑料，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減小重量，滿足高低溫和酸堿環(huán)境中的使用。雙控式操作，觸摸式彩色大屏，引導(dǎo)式界面操作，讓用戶不用耗費(fèi)過多的時(shí)間記憶就能按照標(biāo)準(zhǔn)一步步操作進(jìn)行檢測(cè)。圖6為引導(dǎo)式界面示意圖。

4.4基于形態(tài)要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

人的第一印象至關(guān)重要，而造型設(shè)計(jì)便是人的第一眼要素的重要組成部分。環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備首先是工業(yè)設(shè)備，使用環(huán)境多為較為惡劣的戶外污染現(xiàn)場(chǎng)，因此需要具有工業(yè)設(shè)備的造型特點(diǎn)，如嚴(yán)謹(jǐn)理性、穩(wěn)定可靠、結(jié)實(shí)耐用等。

形態(tài)要素根據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為不同類別，如根據(jù)概念可分為質(zhì)和量。其中，質(zhì)包含點(diǎn)線面體等，量包含長(zhǎng)短大小和粗細(xì)等，根據(jù)現(xiàn)實(shí)可分為自然和人造，其中自然形態(tài)包括有機(jī)和無機(jī)，人造形態(tài)包括象征、模仿和裝飾等。根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，硬朗的風(fēng)格特點(diǎn)可作為環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要風(fēng)格，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先運(yùn)用大面給人以穩(wěn)定感，通過線條實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，對(duì)不同大小的體積或不同粗細(xì)的線條進(jìn)行有秩序排列組合等方式體現(xiàn)一種嚴(yán)謹(jǐn)感，優(yōu)先利用無機(jī)形態(tài)作為設(shè)計(jì)元素，在工業(yè)環(huán)境使用中具有更好的融合性和更大的包容性。通過造型、功能和結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

如圖7所示，該儀器整體為硬朗風(fēng)格，透過面的切割實(shí)現(xiàn)線條轉(zhuǎn)折，形成鉆石狀規(guī)則的抽象幾何形態(tài)，既有一種秩序的嚴(yán)謹(jǐn)性，又有豐富的造型感。同時(shí)轉(zhuǎn)折變化的結(jié)構(gòu)增加了儀器殼體的強(qiáng)度，承受了更大的負(fù)壓，從而滿足更高的使用性能。

4.5基于色彩要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

形成第一印象的另一個(gè)重要因素便是色彩。色彩的合理運(yùn)用往往能夠抓住用戶眼球，給人眼前一亮的感覺，同時(shí)也要能夠與使用環(huán)境更好的適應(yīng)。

產(chǎn)品可通過色彩組合形成橫縱系列，如同一結(jié)構(gòu)不同色彩形成產(chǎn)品的縱向系列，同一色彩不同結(jié)構(gòu)則形成產(chǎn)品的橫向品牌。用色彩來區(qū)分不同的模塊，通過不同的排列組合來設(shè)計(jì)產(chǎn)品，運(yùn)用色彩裝飾產(chǎn)生豐富的視覺效果。

鑒于使用環(huán)境的惡劣性，此類產(chǎn)品優(yōu)先選用較為耐臟的色彩作為主色調(diào)，如黑色、灰色、銀色等無彩色系。同時(shí)，由于使用環(huán)境的臟污性，需要在偌大的場(chǎng)景中明顯的看到所用儀器，方便使用者觀察尋找，色相上便需要搭配較為醒目的提示色。如具有警示作用的紅色、橙色，或者是能夠給人以清潔感的藍(lán)色、綠色。但這些顏色應(yīng)與使用環(huán)境相適應(yīng)，可以用明度低一點(diǎn)的顏色，以便能在環(huán)境中能顯得柔和而不跳脫，讓使用者能夠更加舒適。

如圖8所示，同一外殼結(jié)構(gòu)不同配色形成了產(chǎn)品縱向系列，如ZR-3620系列是不同流量及高中低配置的小流量氣體采樣器。而圖9為同一色彩不同結(jié)構(gòu)配色形成的產(chǎn)品品牌。

4.6基于環(huán)境要素的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的環(huán)境要素關(guān)系到生產(chǎn)者和使用者的實(shí)際利益，是可持續(xù)發(fā)展的需要，貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，即從前期的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，到中期的生產(chǎn)、銷售、使用，以及后期的維護(hù)、回收等，都要充分考慮綠色設(shè)計(jì)。

根據(jù)綠色設(shè)計(jì)的3R原則，在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)中要做到：

1）Reduce減少。如在設(shè)計(jì)時(shí)將產(chǎn)品小型化，充分考慮在生產(chǎn)過程中減少原材料的使用，減少工序方便組裝和維修，生產(chǎn)加工表面處理過程中避免二次污染等。

2）Reuse再利用。如進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊可替換設(shè)計(jì)、使用可回收重復(fù)利用的原材料等。

3）Recycling可循環(huán)。如利用自然界的可再生資源，儀器充電方式可利用綠色能源等。

即，在設(shè)計(jì)初期考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，從而使環(huán)境友好型綠色設(shè)計(jì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)中得到更充分的應(yīng)用，使其在為環(huán)保方面做出功能效益的同時(shí)，本身也更具有環(huán)保性。

以便攜式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀為例，首先在規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)要考慮盡可能小、盡可能輕，盡可能方便拆卸維修，以便減少物料成本和人工成本。元器件盡量使用通用模塊，如流量控制模塊，除水干燥模塊等，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)減少研發(fā)成本，且具有更加普遍的可替換性。材料盡量選用可二次回收利用的金屬、塑料等，電池采用可循環(huán)充電的鋰電池，提高利用率。

5結(jié)語

產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法作為一門科學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法，在工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮的作用越來越大。產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也將越來越普遍，利用科學(xué)的產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法作為指導(dǎo)，將會(huì)將工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。設(shè)計(jì)師應(yīng)將自己的創(chuàng)意與行業(yè)發(fā)展特色相結(jié)合，綜合考慮各方面的因素，從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加優(yōu)秀，形成良好的品牌效應(yīng)，以便幫助企業(yè)和產(chǎn)品在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備這一領(lǐng)域占據(jù)更大的市場(chǎng)。

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