智能景觀燈具設計及應用加權矩陣的流程優化研究

韓宇翃 馬志偉 李維亮

關鍵詞：產品設計 景觀燈具設計 加權矩陣分析 人機工程學 設計流程優化

引言

城市的照明設施作為城市的基礎設施，在保障人們出行安全和裝扮城市方面發揮著重要作用。傳感技術與物聯網技術的普及使得智能化設計成為城市景觀燈具新的發展趨勢。智能景觀燈具作為一種新產品，如何保證產品創新設計質量，提高創新產品開發效率，增強設計決策的準確度，在激烈的市場競爭中占據一席之地，成為急需解決的問題，優化新產品的開發流程成為當務之急。

產品開發流程最早的研究可以追溯到Booz、Allen、和Hamilton提出的BAH模型，該模型描述了產品構想到市場所有環節的活動，以線性方式進行各個環節的開展。Urban和Hauser則將新產品開發的決策分為五步并在此基礎上提出了UH模型。Cooper則是在BAH模型基礎之上進行細化，在每個階段之后加入“gate”概念，幫助企業及時決策，構建了“Stage-gate”模型;然而新產品的開發在國內受限于企業的技術創新能力和設計管理模式，對于開發流程的研究更多集中在優化流程中的單一階段來達到優化整個流程的目的。

由于新產品開發過程中，各階段并非是獨立存在的，而是相互聯系的，針對這一點，借助DSM矩陣優化“Stage-gate”模型中的階段劃分為開發流程優化提供了新的思路，在對原智能化景觀燈具設計流程分析之后，提出基于CMF加權矩陣分析，借助人機工程學的非線性開發流程，以達到縮短智能景觀燈具類公共設施的研發周期，減少設施落地后出現設計問題的可能性，達到節約成本，改良外觀，提升運行穩定性的目的。

一、智能景觀燈具的原研發流程

智能景觀燈具相比于一般燈具，有預設的運行模式，可以接受外界信息并作出對應的反應[1] ，具有更強的功能性、交互性與趣味性。

智能景觀燈具的開發流程常見為線性結構，按照功能需求分析、原型機搭建、造型設計、結構設計、樣機生產、批量生產落地的順序進行如圖1，各環節之間分工明確，在遇到問題無法執行時回溯到上一環節修改，以此類推，直到產品開發完成。

但景觀燈具設計開發是一個整體的過程，由于原流程中各個環節之間的溝通較少，相關負責人只了解自身負責的部分，不能系統地考慮設計問題。在造型設計中需要綜合多方因素考慮的環節缺乏系統的決策方法，如燈具的CMF設計、尺寸設計往往憑經驗進行，導致產品出現瑕疵。

二、加權矩陣分析

（一）加權矩陣分析優勢

加權矩陣分析法是一種基于多種標準進行決策選擇并以矩陣的方式直觀呈現結果的系統方法，對于智能景觀燈具設計中的一些決策起到科學、系統的評估作用。

運用加權矩陣分析法的優點在于可以清晰地列出各項決策與對應的評估標準，并根據項目實際需求為各項標準賦予權重，在矩陣中為各項決策與對應標準的契合度打分，并通過公式在矩陣中計算出最終評分，依據評分可以直觀看出決策本身的優劣，它使得決策者能夠科學的地考慮和衡量決策的相對重要性。

（二）加權矩陣模型的建立

由于加權矩陣分析在景觀燈具的設計中可以起到重要的作用，以景觀燈具的設計決策為例，建立加權矩陣分為以下三步：

1.建立評估項并賦予權重

在智能景觀燈具的設計中，需要根據項目進程與最終結果的需求設定評估標準，如燈具外殼材料的加工難度、使用壽命、運輸成本、生產成本、外觀效果等，之后根據各項標準的重要性賦予權重，作為矩陣的計算的評估基準。

2.列出滿足需求的決策并打分

達到某一目的的解決方案往往有多個，如為滿足景觀燈具的外結構需求，可以選擇木材、石材、金屬、合成高分子材料、玻璃等材質方案，依據列出的各項評估標準，如材質的加工成本，生產難度等為各材質方案打分。

3.矩陣計算及公式

通過各項解決方案的打分與評估標準的權重進行的矩陣計算，可以得出每種決策方案的最終得分，以此為依據對所有方案進行篩選，以保證所選方案的科學性。如表1所示，在矩陣中，我們將設：權重=L，決策方案=A，評估指標=B，對應決策方案A1與評估指標B1的評分=X1-1，根據矩陣計算公式，則S1=X1-1*L1+X1-2*L2+X1-3*L3+……X1-n*Ln，通過對計算結果S的數值比較，可以明確地判斷出決策方案A1、A2、A3……An的相對優勢。

三、智能景觀燈具的CMF及其加權矩陣分析

景觀燈具可以通過其CMF影響使用者的情緒，提升其外觀的競爭力，增強其耐用性。CMF（Color、Material、Finishing）在工業設計中具體指相關產品設計的色彩、材質與表面工藝。在目前智能景觀燈具的設計開發中，其CMF設計往往依賴工程師的經驗決策，作為聯系景觀燈具與使用者之間的重要媒介，加權矩陣分析可以使其決策更加合理。

在滿足功能與外觀的前提下，智能景觀燈具的CMF搭配方式往往有多種，為選出最優解，本文對智能景觀燈具設計中常見的CMF組合進行加權矩陣分析。首先列出CMF選擇需要滿足的若干指標;然后對各個指標賦予權重;最后將CMF組合列出，按照加權矩陣的計算公式 對指標進行打分，得到加權矩陣，比較矩陣的計算結果，選擇最佳組合方案，如表2所示。

四、智能景觀燈具設計流程優化案例

公園、街道基礎照明設施鮮明的展示了創新技術是如何應用于智能城市基礎技術系統的。從根本上講，街道照明是擴大室外空間使用的基礎設施。通過結合先進的計算、通信和節能照明技術來創建“智能”公園、街道照明系統，從而提高了城市空間的可用性。

智慧觸摸景觀燈具是本課題組與校企合作基地合作，依據以下流程開發的一款適用于公園的產品。與傳統景觀燈具區別，它通過激光傳感器感應人手的距離，可以對應人的動作作出相應的燈效變化。交互性的提升有效地吸引了游人的注意力、促進交流;內置的無線信號收發器，便于管理者遠程更改其運行模式和后期的運維管理，構建“平災結合”的災前預防-災中適應-災后恢復的韌性公共設施作，如圖2，本文以此為例對公共設施智能化設計流程進行研究。

（一）優化后流程分析

優化后的開發流程如圖3所示，需要一定項目基礎來使各環節的負責人相互了解，在整個的研發流程中，每個環節都不應該是獨立的，在某一環節進行時，要充分考慮上一環節提出的要求以及對下一環節的約束：

1.在提出功能需求時，要考慮能否實現，原型機是否可以順利搭出;

2.在進行原型機搭建時要考慮最終設計結構的可行性;

3.結構設計應與樣機生產方對最終設計結構的可行性接，根據其生產能力與工藝能力選擇合適的結構;

4.該款燈具的造型作為最后成果的表現，從需求的提出到樣機生產，到測試樣機改進方案，運用加權矩陣分析與人機工程學分析，結合設計美學的要求，將各個環節的約束條件整合，提出最終的設計方案。

（二）功能需求分析

在智能景觀燈具的開發中，功能需求分析是第一步，通過對現有問題或設施功能提升空間做分析，提出研發方向以及具體要求。智能景觀燈具的常見需求包括觸摸感應、紅外感應、光效、聲效、遠程操控等，以智慧觸摸景觀燈柱為例：

1.無人靠近狀態

在無人靠近時，燈柱發光區呈呼吸燈狀態，同時從圖4中隨機選取1個色彩以流動的方式從下向上逐漸替換原色彩，速度為15s移動整條燈帶的距離;亮度變化以15s為一個周期，由5%（可調）增加為30%（可調），保持3s，后逐步降低為5%。

2.交互狀態

當手觸摸時，立即產生“手指觸摸效果”，其中最亮部分亮度為255（可調），色彩為手觸摸時該點所顯示的呼吸燈色彩，當觸摸點移動時，該光斑（主光斑）隨觸摸點上下移動;

主光斑在1s后產生大小、亮度隨機的光斑（副光斑）向上移動，其移動速度恒定，且亮度逐漸減弱至消失。在主光斑跟隨手移動時，該效果不變，若手向上移動速度快于副光斑，副光斑便落后于主光斑顯示;當觸摸點離開觸摸燈柱時，光斑消失，同時向上方分離大小、方向隨機的發光斑;當有多個觸摸點時，按觸摸時間顯示最早觸摸點光斑燈效。

（三）原型機搭建

根據優化后的流程，為實現提出的需求，需要根據技術要求進行功能模塊開發與原型機試驗：

1.確認智能景觀燈具的設備選型，如傳感器、燈帶、變壓器、單片機類型等;

2.根據其應用場所、安全規范、系統耗電量、耗電功率等確認使用風能太陽能等新能源進行自發電能否滿足需求;如果需要市電接入，根據現場情況以及交互方式選擇合適的供電電壓及功率;

3.如需支持遠程更改智能景觀燈具的運行方式，需要接入網絡通訊模塊與單片機[2] ，常見通訊模塊為RS485 ，具有接口電平低，不易損壞芯片、傳輸速率高、抗干擾能力強、傳輸距離遠、支持節點多等優點。

智慧觸摸景觀燈柱需要實現的功能包括：光效、觸摸感應，其中的燈光呼吸與色彩流動效果，采用12v的LED全彩燈，通過單片機控制燈光的顏色與時間、亮度等，實現呼吸、流動效果。其觸摸交互的實現方式依靠激光傳感器，確定手與地面的距離，同步控制燈帶對應位置的LED燈實現。以此原理為依據，采購相應設備，以原型機的形式證明需求的可實現性，如圖5。

經過流程優化后，原型機在搭建時充分與功能需求環節溝通，實現需求與原型機的動態調整，避免了因需求環節對原型機搭建不了解提出不合理需求的問題;需求確定后，與結構設計充分的溝通可以保證原型結構的可行性，對最終的燈具設計起到指導意義。

（四）造型設計

造型設計不僅僅是考慮外觀，需要將功能結構與人機工程學、CMF設計、設計美學等多種因素結合，實現工程技術與美學藝術和諧統一。

1.人機尺寸

智能景觀燈具的設計開發以大批量生產為目的，為滿足大多數人的需求而進行設計，最終的公共設施是被人來使用的，所以相關的尺寸必須要以人機工程學為參考，與人的生理、心理特點相匹配[3] ，表3為人體基本尺寸表，在進行設計時可以作為人機工程學參考。

智能景觀燈具人機工程學設計首先要考慮燈具的功能類型，由于功能不同交互方式存在差異，所需要遵循的人機尺度各有不同，根據智能景觀燈具的類型確定使用雙限值設計、單限值設計還是平均尺寸設計[4] 。

在確定智能景觀燈具尺寸的百分位后，還要進行尺寸修正，設計中用到的尺寸應該考慮設計裕度，在選定的尺寸上加適當的修正量，得到產品的最小功能尺寸;為了克服人心理上的空間壓抑感以及審美需求等心理，在產品最小功能尺寸上還要加心理修正量，得到智能景觀燈具的最佳功能尺寸。人機工程尺寸確定流程如圖6。

為了簡化設計，智能景觀燈具的尺寸常根據身高確定，以身高為基準確定操作高度、顯示和使用高度時，如表4所示，以供設計時選擇和查用，在選擇參考時應注意數據的時效性[5] 。

以智慧觸摸景觀燈柱為例，由于使用者無年齡、性別限制，且觸摸范圍存在明顯的上限與下限，宜采用雙限值設計，需要根據公共設施的使用方式依據兩個人體尺寸百分位數作為尺寸上限值和下限值，其觸摸區域的最高點高度大于人立姿操作高度P95，最低點高度小于P5，以保證絕大多數人都可以使用，如圖7所示。

2.智慧景觀燈具的CMF設計

該款燈具的外觀可分外三層，最下層采用不銹鋼做底座承重，堅固耐用，表面做拉絲處理;中層采用乳白色亞克力柱，起到透光、濾光的作用，表面做防紫外線鍍膜處理，保證其在室外的使用年限;頂層承載激光測距儀，為減輕重量，采用鋁質外殼并做表面拉絲處理，與底座外觀效果呼應。

（1）色彩設計

色彩是智能景觀燈具外觀形態中最具有表現力的元素[6] ，以景觀燈具的形態為基礎，會對使用者產生各種不同的影響，在燈具的設計中，我們常利用到色彩的以下幾種特性：

材質認知影響：依據生活經驗，人們會將對材質與色彩的認知聯系起來，如金色銀色對應金屬等材質，棕色等對應木質等，在智慧景觀燈具的設計中，若處于古建群環境下，木質燈具外殼由于本身的特性于室外時易損壞，即可對金屬或混凝土材質進行木材的常見顏色與花紋噴涂處理，在外觀上與環境吻合，又能保證燈具的耐用性;

情緒影響：鮮艷的色彩一般與愉快、興奮等正面情緒相關，而冷色調的色彩多與冷靜、平淡的情緒相聯系，如商業街中的燈具通常會選擇鮮艷的燈光色彩來刺激消費，而在醫院等地，則選擇冷色光來緩解人情緒中的緊張沖動，在設計時應考慮環境特點，選擇合適的色彩引導使用者的情緒傾向;

溫度認知影響：燈光色彩的色相、純度、明度都可以讓人產生冷或暖的溫度認知，其中色相對溫度認知的影響最大，所以在一些戶外燈具中，我們常見到暖色調的應用，就是為了減弱在冬季或夜間使用時的冰冷感;

（2）材質設計

材質是構成智能景觀燈具形態的物質基礎，是產品功能和結構的載體，智能景觀燈具設置于公共空間，與人的交互頻繁，其產品的材質選擇必須考慮安全性與可持續性，在材質的選擇時，我們要避免使用可能會危害健康或生產污染大的材質。此外，為降低成本，提高生產效率，智能景觀燈具的外殼在材質的選擇上還應兼顧加工工藝簡單、便于清潔維護、成本可控、凸顯地域文化特征等功能。

智能景觀燈具常見的主體材質為不銹鋼、鋁材，燈罩部分常見材質為玻璃、合成高分子材料等，內結構中高精度部件根據用量多少進行成本核算，使用模具或機加工實現。在智能景觀燈具設計中常見材質如表5所示。

（3）表面工藝設計

在智能景觀燈具的設計中，表面工藝的正確使用對于增強燈具的美觀性，提升燈具的功能性具有重要作用。在運用時，應該根據燈具的功能、使用環境、材料性質等特點，正確地選擇表面處理工藝，賦予景觀燈具表面更符合審美與功能的色澤、肌理等，改善其物理性能、化學性能，使燈具外觀更有競爭力。

景觀燈具外殼依據材質特性常見的表面處理工藝可分為四類：機械表面處理，常用如噴砂拋光、拉絲、噴沙、噴漆等;化學表面處理，常用如化學氧化、化學鍍各種金屬與合金等;電化學表面處理，常用如陽極氧化、電化學拋光、電鍍等;現代表面處理，常用如激光表面雕刻等。

（4）智慧景觀燈柱的CMF加權矩陣分析

經過CMF加權矩陣分析（如表6），確定智慧觸摸景觀燈柱的CMF，色彩使用材質原色，材質使用金屬與乳白色亞克力，表面工藝使用電拋光與金屬拉絲，按權重計算結果，材質選擇金屬與亞克力結合，色彩選擇材質原色，表面工藝選擇拋光、拉絲。

（五）結構設計

改款燈具的結構設計需要結構設計工程師根據燈柱功能而進行的內部結構的設計工作，根據景觀燈柱外觀模型進行零件的分件、確定各個部件的固定方法、設計燈柱的使用方式等，結構設計在產品形成過程中，起著十分重要的作用。由于智能景觀燈柱具有應用范圍廣、運行環境復雜的特點，所以在設計時要著重考慮設備的防水，防水等級分級如表7所示，一般應達到IPX5，案例中的觸摸景觀燈柱因其安裝在草地中，所以需要達到IPX7的防水級別，避免由于環境因素導致損壞，同時在易損位置應設有檢修口，方便后期的維護。

（六）樣機生產

在根據功能需求成功搭建原型機，完成工業設計與結構設計之后，根據圖紙與廠家對接進行樣機制作;通過對智能景觀燈具樣機的功能、結構、穩定性等指標測試，對方案進行優化，得出最終的批量生產方案，一個智能景觀燈具產品開發流程結束;在實地安裝后，對產品進行長時間的觀測與數據采集，進一步完善設計方案進行迭代。

結論

智能景觀燈具的設計應該立足與解決安全問題與提高可持續城市空間的社會價值，既要兼顧功能需求，還要考慮其造型、色彩與人機尺度。應用加權矩陣分析法為智能景觀燈具的CMF設計決策提供系統的解決方案，可以避免由于決策多樣化而錯過最優解的情況;應用人機工程學分析可以確定智能景觀燈具的人機尺度，提升用戶體驗，提高產品競爭力。本文梳理智能景觀燈具產品的開發流程，改良原有線性流程，使開發的每一環節都能與相關其他環節互相溝通，在有一定項目合作基礎的情況下，改良過智能公共設施開發流程，可以避免因為各環節溝通不到位導致的重復工作，能有效提高研發效率，縮短研發周期。