人機回圈

張希承

摘 要：結合工程設計與產品設計的方法，強調以人為本的設計宗旨，通過數字化建模的多物理模擬方法來整合人的需要、人的能力和人的局限性，在產品設計過程中盡早地考慮人的因素，構建一個系統的人機回圈設計流程框架。

關鍵詞：人機回圈；產品設計；以人為本；設計流程

中圖分類號：TP311.52；F426.61 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）33-0149-02

一、引言

設計，從最有形的實體到最抽象的形式均是以人為中心，人的動機激勵著一切解決人最基本的生理需求和實現自我等高級需求的設計活動。設計由人來完成，為人而服務，因此，人的因素是一切設計活動的核心。然而，我們的產品設計卻常常未能在設計過程中盡早地考慮到人的因素，隨著設計產品和制造工藝的日趨復雜化，在設計過程中盡早考慮人的需求、人的能力和人的局限性就尤為重要。

二、人因工學在當前產品設計中的缺失

人因工學對設計兼具美好形式與強大功能的產品具有至關重要的作用，但遺憾的是，當前的產品設計常常暴露出人因工學缺失的問題，具體表現在以下三個方面。

首先，產品設計師之間缺乏人因工學方面的交流。設計以人為本的產品需要同時從理性與非理性的角度來高度關注設計中人的因素，需要工程設計師和產品設計師協同合作、密切交流，充分發揮各自的技術與技能，共同分析設計中人的需求、能力與局限性，整體全面地解決設計的問題。

但是，工程設計師和產品設計師都是在不同的領域中，從不同的角度去關注設計中的人因工學。在設計的過程中，工程設計師與產品設計師因為學科、標準與實踐領域的差異而缺乏溝通，他們對產品的安全性、適用性和易用性都有自己專門的考量點，這些考量點之間存在著差異與間隙，由此造成設計過程中產品設計師藝術的判斷和工程設計師結構的方法不是相互削減，就是相互制約的局面。

其次，產品設計過程中缺乏人因工學的實踐。美國有研究表明，在產品設計過程中，98%的決策都是基于設計師以往的經驗與直覺。①大多數情況下，設計師都是遵循著基于案例的試誤程序來進行設計，即無條理地受設計構思驅導，再試圖通過設計解決某一具體問題，最后用人因工學來評估設計的結果。②這種立足于主觀經驗與直覺的試誤式設計只是在設計的最后階段考慮人因工學，將其作為設計產品的后期評估手段，在設計過程中的重要考量因素，通常會造成較高的設計方案修改成本，若是在設計過程中并沒有充分考慮到人的需求、能力與局限性，其弊端是會造成較高的設計方案修改成本。

最后，在整個設計系統中缺乏人因工學意識。人因工學一直被視為一個單獨的領域，并沒有被完全納入到設計系統的范疇。人因工學的基本原則是整合與人類生理與認知相關的知識來設計最佳的產品，它是用一種整體的、協作的方式，在人與系統組件之間創建一種有效的互利關系，去提高整個設計系統的性能，優化人類的福祉。

如前文所述，人因工學的方法在設計中主要被用來作為檢測點或評估的步驟，而不是用來指導設計，尚未在整個設計系統中發揮作用。由于人因工程學涉及到產品設計中許多重要的方面，如人體測量學、生物力學、機械工程、運動機能學、生理學、心理學等，因此，應該用一種跨學科合作的方法，在設計過程中用人因工學來考量人與人造物之間的相互作用，將人因工學的方法運用于設計的整個周期。

三、將數字人體建模作為整合設計與人因工學的重要媒介

數字人體建模通過數字化模擬分析人體各種復雜的功能（包括物理層面和認知層面），用數字化的人體模型取代真實的人，將其置于一個仿真或虛擬的環境中來預測設計產品性能與安全性。數字人體建模便于設計師在設計早期應用人因工學的原理，在確保產品安全高效的同時，提高設計的效益，節省設計的成本。

此外，數字人體建模還有一個重要的優勢，就是能夠靈活地導入到虛擬產品開發、產品生命周期管理、計算機輔助工程，以及動態捕捉、視覺追蹤和虛擬現實等數字應用軟件包中。目前，許多計算機輔助設計和計算機輔助工程軟件包里也新增了數字人體建模功能，這樣就更便于設計師在設計中通過數字人體建模來考慮人的因素。

數字人體建模提供了一種整合藝術設計與科學技術的人因工學設計方式，能夠將產品設計師基于主觀判斷和擴散靈感特質的創造性思維與工程設計師基于客觀分析和結構特質的建構性思維相結合，便于設計師同時從美學與功能的角度考量評估設計的產品，是設計過程中溝通產品設計師與工程設計師的理想媒介，也是將人因工學運用于產品設計的有效工具。

四、建構以人為本的人機回圈設計流程

人機回圈設計框架就是要利用數字人體建模的這些優勢，將其作為整合設計與人因工學的重要媒介，通過數字人體建模來溝通不同學科（如生理學、心理學、人體測量學、運動機能學、生物力學、工業工程學、機械工程學、產品設計等）之間的聯系，在產品開發過程中較早地、全面地考慮人的因素，設計真正以人為本的優良產品。

優良的產品設計需要在充分利用現有方法與技術手段的同時，整合從工程設計到藝術設計、從先進技術到資源、財政等方面的技術與非技術層面的方法。由于設計是一個復雜的整體性的過程，因此沒有哪一種單一的方式或通用的準則能夠作為一種萬能的優良設計策略，但是卻能夠提出一種協同的設計框架，將各種工具和方法囊括其中，同時還能夠隨著時代的發展，不斷地增加新的工具與方法。

若能夠搭建一種模塊化集成來自各學科領域、設計領域、技術與非技術領域的不同工具和方法，將其整合到設計周期的各個階段（概念、建模、仿真等）去提高產品設計的效率與效果，同時并行地運用數字人體建模和計算機輔助工程反復修改設計構思，在此基礎上再進入設計原型階段，這樣就能夠在設計過程中盡早地考慮到人的需求、能力與局限性，在制作原型之前就能夠檢測出設計中的漏洞。

從某種角度而言，人機回圈設計框架是一種改良版的“虛擬建構”方法。③人機回圈設計框架的主體由數字人體建模工具支撐，通過數字人體建模來模擬人在生理層面和認知層面的需求、能力和局限性，并與計算機輔助工程無縫對接來評估設計產品是否符合人體工學，從而設計以人為本的產品。它不僅關注于最后階段的人因工學評估，還關注整個設計系統，包括且不局限于概念開發、整體結構和數字建模等設計過程。

圖1是根據產品開發步驟構建的以人為本的人機回圈設計框架。在設計框架中，產品設計的過程被劃分為順時針升序排列的4個模塊——了解需求、概念生成、原型創建和設計實現。“了解需求”是產品設計的初始階段，也是整個設計過程中的關鍵步驟。在此階段，通過問卷調研、訪談研究用戶需求來了解用戶的能力和局限性，并通過平面草圖和3D建模等方式來生成最初的設計構思，此階段的工作重心是建模。數字人體建模在 “概念生成”階段起到了重要的作用，幫助設計師從前一個階段構思出的一系列設計方案中過濾出既能夠反映設計師的創意，又能夠滿足設計的需求的最佳模型。“原型創建”階段的工作重點是利用計算機輔助工程等軟件進行結構分析，通過結構建模對過濾出來的概念模型進一步檢測提煉，創建既能滿足客戶需求，又能滿足工程要求的原型模型。“設計實現”是最后一個階段，需要進一步提煉完善之前建立的原型，并根據產品的復雜性和設計的要求構建數字的、實體的、或是數字與實體相結合的，能夠滿足客戶需求、制造生產、后期維護和包裝工藝的最終原型。（圖1）

如圖所示，在人機回圈設計框架中，數字人體建模發揮著至關重要的作用。數字人體建模不僅是設計分析的工具，也是設計各環節參與方互相溝通的媒介。數字人體建模將產品的形式、功能與人的因素相聯系，將各設計步驟、單位相聯系，讓設計師能夠在整個設計過程中運用人因工學充分考慮產品使用者的需求、能力與局限性，并根據設計對象的性質，靈活地選擇、組合不同的方法與技術，設計以人為本的優良產品。

五、結語

人機回圈設計框架將產品設計與工程設計相結合，關照了產品設計過程中科學層面與視覺層面人的因素，整合了各種工具與技術，通過數字人體建模、計算機輔助設計建模和計算機輔助工程建模將人因工學運用于整個設計過程中，使產品設計更加科學、便利，為以人為本的設計提供了一種低成本的設計思路，并能夠廣泛地運用到各種設計領域，為設計提供更廣闊的創造空間。

注釋：

①參見S. J. Czaja and S. N. Nair. Human factors engineering and systems design. ？Handbook of Human Factors and Ergonomics， Third Edition， pages 32–49， 2006.

②參見W. Karwowski. The discipline of ergonomics and human factors. Handbook of Human Factors and Ergonomics， 3， 2006.

③虛擬建構（Virtual Build，簡稱VB）最早由美國福特汽車公司提出，是一種整合了數字人體建模、動態捕捉（Motion Capture，簡稱MoCap）和虛擬環境（Virtual Environment，簡稱VE）技術，對產品和過程進行人體工學評估的方法。這種方法由一個物理的或一個描繪了真實工作站（或產品）的虛擬環境組成，但通常僅用于產品設計后期的人體工學評估。