基于感性工學(xué)與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)研究

五邑大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 楊晶晶 王漢友（通信作者） 梁育圣

隨著社會(huì)需求的多樣化發(fā)展，以功能為導(dǎo)向和憑借主觀經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品已不能滿足市場需求，形式與功能的相輔相成共同帶動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步是十分必要的[1]。現(xiàn)有工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要由工程師主導(dǎo)，設(shè)計(jì)師缺乏話語權(quán)，導(dǎo)致工程裝備造型設(shè)計(jì)不僅不如人意，還嚴(yán)重影響了用戶的使用體驗(yàn)和產(chǎn)品的品牌形象，制約了我國工程裝備產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)。因此，文章以感性工學(xué)理論為依據(jù)，以電動(dòng)叉車為例，構(gòu)建電動(dòng)叉車造型要素與感性意象的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，尋找工程與設(shè)計(jì)的最大契合點(diǎn)，挖掘造型特征與市場感性認(rèn)知之間的關(guān)聯(lián)性。

1 感性工學(xué)概述

感性工學(xué)是將消費(fèi)者的感性認(rèn)知轉(zhuǎn)化為工學(xué)尺度的有效方法，它的思想核心是以消費(fèi)者的感性需求為導(dǎo)向，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的主觀感性意象進(jìn)行定性或定量的表達(dá)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)師進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)[2]。感性工學(xué)方法已應(yīng)用于多領(lǐng)域，有學(xué)者提出基于用戶偏好的造型設(shè)計(jì)，用以解決汽車造型與用戶感性認(rèn)知偏好之間匹配度低的問題[3]。運(yùn)用感性意象理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)，獲取用戶的感性意象因子，并以提升產(chǎn)品的情感關(guān)懷[4]。同時(shí)，還可以利用數(shù)理原理識(shí)別出產(chǎn)品形象有影響力的設(shè)計(jì)元素，例如采用數(shù)量化I 類方法通過定性自變量來預(yù)測定量因變量，充分地理解用戶的需求[5]。許多學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到用戶感覺意象的重要性，由于感性認(rèn)知是模糊不易測量的，大多數(shù)研究停留在定性方法的運(yùn)用上，顯然對(duì)造型感性意象的研究不夠深入。因此，文章采用具有非線性屬性的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，使用戶對(duì)產(chǎn)品造型的感性意象逐漸可視化和定量化。

2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類通過研究生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作原理、組成要素、影響因素等，從而考究出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，通過模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，構(gòu)建人工神經(jīng)元攝取數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域通常以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決用戶感性需求與產(chǎn)品造型的復(fù)雜非線性問題[6]。有學(xué)者以手機(jī)為設(shè)計(jì)對(duì)象建立了設(shè)計(jì)變量與用戶偏好之間的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)[7]?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算造型設(shè)計(jì)要素與感覺意象之間的映射關(guān)系，可對(duì)汽車造型設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)[8]。進(jìn)一步，可結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器通過眼動(dòng)追蹤提取網(wǎng)頁主頁外觀的設(shè)計(jì)要素，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量描述設(shè)計(jì)要素和感性意象之間的關(guān)聯(lián)[9]。綜合上述研究，在工程產(chǎn)品上，缺乏這樣的定量研究。市場更偏重于功能性，忽略造型的美觀性。因此，文章運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)上，目的是把用戶的模糊情感與需求采用數(shù)理工具將其轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)要素構(gòu)成可視化的映射網(wǎng)絡(luò)用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從而精確地把握市場的需求并縮短設(shè)計(jì)周期。

3 基于感性工學(xué)與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)流程

3.1 篩選代表樣本

通過叉車官網(wǎng)、雜志、期刊文獻(xiàn)、大賽作品等渠道選取樣本124 個(gè)，隨后組建有設(shè)計(jì)背景的焦點(diǎn)小組剔除重復(fù)、圖片模糊和無設(shè)計(jì)感的樣本。下一階段以形態(tài)分析法為指導(dǎo)理論，將電動(dòng)叉車造型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解可得17 個(gè)造型要素，如表1 所示。結(jié)合焦點(diǎn)小組篩選后的樣本進(jìn)行問卷調(diào)查，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 軟件進(jìn)行聚類分析，聚類后的樣本有28 類，最后從中選取代表性樣本28 個(gè)。

表1 電動(dòng)叉車造型要素

3.2 獲取感性意象詞匯

文章電動(dòng)叉車感性詞匯篩選分為三個(gè)階段，第一階段：通過用戶訪談、相關(guān)文獻(xiàn)、叉車企業(yè)官網(wǎng)、叉車雜志書籍等收集相關(guān)叉車感性詞匯110 個(gè)。第二階段：組織焦點(diǎn)小組預(yù)先剔除相似、功能性強(qiáng)、重復(fù)的詞匯，再制作問卷指定工程與設(shè)計(jì)人群填寫，選取投票率60%以上的詞匯有7 組。第三階段：運(yùn)用語義差異法和因子分析篩選代表性詞匯。第二階段篩選出來的7 組詞匯搭配7 個(gè)叉車樣本制作評(píng)價(jià)量表，反饋的數(shù)據(jù)使用SPSS25 軟件進(jìn)行因子分析，經(jīng)過因子旋轉(zhuǎn)得到的主成分有兩個(gè)，成分1 選?。?.850，成分2 選?。?.900的感性詞匯包括力量的、簡約的、靈活的，如表2 所示。

表2 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

3.3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)

運(yùn)用Matlab2018 軟件構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，文章的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定由輸入層、一層隱含層、輸出層三層共同組成。網(wǎng)絡(luò)的成功預(yù)測在于訓(xùn)練時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇，隱節(jié)點(diǎn)數(shù)的作用是通過挖掘訓(xùn)練樣本中的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)而轉(zhuǎn)化為權(quán)值，每訓(xùn)練一次權(quán)值便會(huì)調(diào)整一次，在誤差結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)期時(shí)，通過權(quán)值進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，直到達(dá)到目標(biāo)誤差為止。

文章對(duì)電動(dòng)叉車的17 個(gè)造型要素進(jìn)行四個(gè)意象詞匯評(píng)價(jià)，因此輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為17，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4。關(guān)于隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取根據(jù)下列（1）公式：

式中：n—輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)；

l—輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)；

a—1～10 的常數(shù)。

可根據(jù)以上公式選取神經(jīng)節(jié)點(diǎn)或根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究，發(fā)現(xiàn)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)取輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)與輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)的一半時(shí)，誤差MSE 值也較小。因此該網(wǎng)絡(luò)結(jié)合公式（1）和文獻(xiàn)研究選定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為13。文章BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖，如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)叉車BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.4 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)

文章樣本一共28 個(gè)，前23 個(gè)作為訓(xùn)練樣本，將表2 前23個(gè)樣本數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定學(xué)習(xí)次數(shù)為5000 次，目標(biāo)誤差值為1e—4，隱層和輸出層激活函數(shù)分別為logsig 和purelin。采用梯度下降法，訓(xùn)練結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)在第4892 次時(shí)達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)，實(shí)際訓(xùn)練的均方誤差達(dá)到10—4，訓(xùn)練Training=0.99282 表示網(wǎng)絡(luò)擬合程度較高，如圖2、3 所示。

圖2 MSE 誤差結(jié)果圖

圖3 訓(xùn)練模型擬合結(jié)果圖

3.5 測試網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)的測試作用在于檢測網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力是衡量網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)到訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的目的是挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，獲取一定的有效信息。最后一環(huán)節(jié)檢測網(wǎng)絡(luò)能不能用的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)的測試，網(wǎng)絡(luò)測試可以發(fā)現(xiàn)問題。用剩余的5 個(gè)樣本作為測試樣本。采用上述已經(jīng)構(gòu)建好的BP 網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用梯度下降法原理測試網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示在134 次時(shí)，網(wǎng)絡(luò)誤差較小達(dá)到預(yù)期（＜10—4），測試結(jié)果的期望值與實(shí)際值的相對(duì)誤差在10—5 至10—4 之間，表示網(wǎng)絡(luò)精度達(dá)到要求，如表3所示。

表3 測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

3.6 電動(dòng)叉車造型要素組合方案的確定

文章電動(dòng)叉車造型要素有17 個(gè)，則組合方案一共有4×4×3×2×2×2=384 種。把所有方案按照0,1 編碼導(dǎo)入已構(gòu)建好的BP 網(wǎng)絡(luò)模型中計(jì)算其感性評(píng)價(jià)值，可預(yù)測出最優(yōu)造型組合方案。由預(yù)測結(jié)果可得“力量的”最佳評(píng)價(jià)值是2.3530，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)叉車造型編碼是01001001000 010110；“簡約的”最佳評(píng)價(jià)值是1.0300，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)叉車造型編碼是00011000110 000110；“靈活的”最佳評(píng)價(jià)值是1.1891，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)叉車造型編碼是01000011000 011010；“堅(jiān)實(shí)的”最佳評(píng)價(jià)值是1.2281，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)叉車造型編碼是00101001000010101。經(jīng)總結(jié)，可得各造型編碼對(duì)應(yīng)的感性詞匯最優(yōu)組合，如表4 所示。

表4 各感性詞匯對(duì)應(yīng)最優(yōu)組合

4 電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 草圖構(gòu)思

我國叉車行業(yè)在技術(shù)上已經(jīng)逐漸提高，在滿足基本功能的前提下，以消費(fèi)者感性需求為導(dǎo)向，把握消費(fèi)者實(shí)際需求，可提升企業(yè)的競爭力，同時(shí)體現(xiàn)企業(yè)的前瞻性與領(lǐng)先性。所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)都基于市場導(dǎo)向的產(chǎn)業(yè)化過程，草圖設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)理念的一種表達(dá)方式，記錄初步設(shè)計(jì)思想，便于設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品比例、線條、細(xì)節(jié)的優(yōu)化修改。通過上述感性工學(xué)與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)叉車造型研究結(jié)論，獲得一定的設(shè)計(jì)策略和規(guī)律，并以研究結(jié)論為設(shè)計(jì)指導(dǎo)依據(jù)，可知用戶對(duì)電動(dòng)叉車造型的感性需求傾向于力量的、簡約的、靈活的、堅(jiān)實(shí)的這四種意象。同時(shí)，將造型要素組合方案融入電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)中，并印證研究成果的有效性。根據(jù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)明晰設(shè)計(jì)方向，并繪制出電動(dòng)叉車草圖方案，如圖4 所示。由直角梯形式護(hù)頂架體現(xiàn)駕駛室輪廓（X1=直角梯形），整車視覺比例上下等分（X2=X=Y），同時(shí)前后通過各線條延續(xù)性呈現(xiàn)整體可觀（X6=與車身具有整體性）。鑒于實(shí)際生產(chǎn)條件的不同，車身側(cè)面可選擇工藝、材質(zhì)或色彩分層等多種方式實(shí)現(xiàn)整車的層次感和細(xì)節(jié)感（X4=具有鑄造細(xì)節(jié)）。

圖4 草圖方案

4.2 設(shè)計(jì)方案

選擇三維建模的方式將草圖方案具體化，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)方案效果圖，如圖5 所示。

護(hù)頂架設(shè)計(jì)：護(hù)頂架屬于防護(hù)裝置，能夠承受貨物的意外墜落沖擊，具有抵抗變形的能力，主要作用是保護(hù)駕駛員的安全。護(hù)頂架是駕駛室輪廓重要組成部分，需體現(xiàn)力量感和安全性。相對(duì)整體圓弧式護(hù)頂架，按照意象詞匯對(duì)應(yīng)的造型規(guī)則，直角梯形不僅能體現(xiàn)力量感、靈活性，其耐變形能力也更強(qiáng)，但由于該電動(dòng)叉車噸位較小，車身整體長度較短，為確保造型整體感，便增加，護(hù)頂架的跨度，使之與車身一體，故將護(hù)頂架輪廓設(shè)計(jì)成梯形形式，并在拐角處設(shè)計(jì)小角度曲線過度。將護(hù)頂架兩條后腿與車身后端連接，并有自然向上收斂的動(dòng)勢，呈現(xiàn)出整車空間的包圍感與堅(jiān)固感，以便給駕駛者更強(qiáng)的安全感。

車身比例設(shè)計(jì)：比例、尺度、均衡等均屬于形式美法則的內(nèi)容，和諧的比例能體現(xiàn)出產(chǎn)品極高的藝術(shù)表現(xiàn)力，承載著產(chǎn)品美感。從側(cè)面視角看，叉車在縱向視覺上的比例是護(hù)頂架與下車身占比為上下等距的（X=Y 型），護(hù)頂架呈現(xiàn)向上收縮的動(dòng)勢，避免頭重腳輕，使整車不僅呈現(xiàn)出穩(wěn)定的力量感，還具有一定的靈活性。

色彩選擇：為了避免雜亂色彩的視覺污染，大部分用戶希望僅用兩種色彩裝飾車身。配重部分的深灰色區(qū)域與側(cè)面車身下端的深灰色相互呼應(yīng)，中間層通過紅色進(jìn)行連接，從而體現(xiàn)出電動(dòng)叉車造型的整體性。

車身側(cè)面設(shè)計(jì)：通過調(diào)研和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析，市場對(duì)車身側(cè)面的造型更青睞于鑄造的細(xì)節(jié)特征，同時(shí)考慮到實(shí)際生產(chǎn)條件，車身保留適度向下傾斜，富有力量感的簡潔線條，同時(shí)精心設(shè)計(jì)踏板、護(hù)頂架與車身連接等多處細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)整體簡潔設(shè)計(jì)語言的同時(shí)，使車身側(cè)面富于變化，綜合材質(zhì)分層、噴漆、貼圖技術(shù)等，達(dá)到控制成本并呈現(xiàn)出鑄造效果（實(shí)際可沖壓成型），從而滿足用戶的感性需求。

叉車支點(diǎn)的選擇：盡管3 支點(diǎn)叉車具有視覺靈活性，但是缺乏穩(wěn)定感，遵循研究規(guī)律整車選擇4 支點(diǎn)底座展現(xiàn)實(shí)際的穩(wěn)定和堅(jiān)實(shí)感。

配重部分的設(shè)計(jì)：為了打造企業(yè)在社會(huì)公眾心中的優(yōu)秀IP 形象，同時(shí)確保力量、簡潔、靈活的造型意向，兼顧開啟蓄電池箱蓋板的便捷性，將配重設(shè)計(jì)為“T”形。為避免“T”形過于單調(diào)，設(shè)計(jì)了倒梯形淺凹槽與之對(duì)應(yīng)，配重“T”形特征與倒梯形凹槽形成部分交疊穿插，充分展現(xiàn)出造型的選擇多樣性和層次感，避免造型的呆板生硬感。

最后階段，隨機(jī)從樣本庫抽取3 個(gè)樣本叉車與該電動(dòng)叉車方案為試驗(yàn)對(duì)象，制作問卷向工程裝備設(shè)計(jì)人員、叉車駕駛員和具有工業(yè)設(shè)計(jì)背景的學(xué)生及教師進(jìn)行用戶感性意象調(diào)查，并通過文章BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，最終圖5 的電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)方案獲得較高評(píng)價(jià)。

圖5 電動(dòng)叉車效果圖

5 結(jié)語

文章以感性工學(xué)為依據(jù)，從選取樣本到研究結(jié)論的得出均充分運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具，盡可能減少主觀因素對(duì)電動(dòng)叉車造型設(shè)計(jì)的影響。構(gòu)建電動(dòng)叉車造型要素與用戶感性需求的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)電動(dòng)叉車造型模糊需求的定量化，證實(shí)了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的良好預(yù)測能力，從而為設(shè)計(jì)師提供了更理性的設(shè)計(jì)依據(jù)，避免企業(yè)盲目設(shè)計(jì)，明晰市場的感性需求。