基于產品系統設計方法的環境監測設備設計研究

遲方圓　姜勇

關鍵詞：產品系統設計;環境監測設備;產品設計;構成要素

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）02-0026-03

1產品系統設計方法概述

產品系統設計方法是一個以設計產品為最終目標的各種科學方法的總稱，包括內部系統和外部系統兩部分。其中，外部系統是指產品本身與外部環境之間的一種相互聯系，而內部系統則是指產品自身的各個要素與其結構之間的相互關系。產品的內部系統和外部系統之間是一種相互促進、互為補充的關系，貫穿于產品的整個生命周期。產品系統的屬性為：整體性、綜合性、最優化。即，產品系統歸屬于社會宏微觀的大系統，社會宏觀系統決定著產品系統的各項因素，以強大的社會影響力和滲透力牽引著產品系統的設計方向，社會微觀系統構成決定著產品系統的具體構成因素。

產品系統設計主要構成要素包括：功能要素、結構要素、人因要素、形態要素、色彩要素、環境要素等。

功能要素：用戶購買產品本質上是購買產品所能實現的功能。因此，實現功能是產品設計的根本目的。

結構要素：產品的功能是由結構來承載的。

人因要素：包含產品生命周期的各個環節涉及的所有人員，如采購生產、市場銷售、實際使用、售后維修、回收處理等。

形態要素：包含具象形態和抽象形態，其中抽象形態是提取事物最基礎、最本質的要素或性質。

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

環境要素：需要充分考慮產品的整個生命周期，如產品的規劃定位階段、關鍵器件的采購比較階段、產品的設計生產階段、產品的銷售和使用階段、產品的維修售后階段、產品的廢棄淘汰回收利用階段等。

產品系統設計方法是在產品設計時將實用價值與審美需求進行有機結合，既體現出科學的先進性，又體現美學藝術性，使技術與美學和諧統一，達到“人一機一環境”的協調發展。

2環境監測設備概述

環保監測設備產品，包括環境空氣類監測儀器、煙塵煙氣類監測儀器、水質類監測儀器、顆粒物類采樣器及數采儀等五大類。國內當前大部分環保檢測設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，內部機械結構復雜，自動化程度高，主要為實現功能性，設計感較低;便攜類儀器為中小型儀器，相對體積小重量輕些，根據功能和使用場景的不同，會有一些差異化設計。

3基于產品系統設計方法的環境監測設備設計意義

在十九大報告中，生態文明建設的認識高度、實踐深度和推進力度達到前所未有的程度，在政策引導下，涌現出大批設備生產制造企業。由于環保領域的特殊性，行業標準約束了基本的監測原理和方法，而在此基礎上的差異化設計也對企業發展起到了至關重要的作用。隨著選擇性的增多，受眾對于產品的要求越來越高，用戶群體也更加看重企業的品牌綜合實力。產品創新是一個系統工程，對于實現這個系統功能的全方位戰略，不僅在于產品創新的質量，還包括選擇創新產品的類別、確定創新的模式和方式，以及與技術創新等其他方面的協調等。基于產品系統設計方法進行環境監測設備設計，能使環境監測設備企業在除了核心技術的研究之外，從設計之初就更加充分科學地考慮整個產品生命周期的各個環節，以最少的時間和成本塑造優質統一的品牌形象，與其他同行企業形成明顯的差異，從而使企業占據市場優勢，在眾多的環境監測設備企業中脫穎而出并保持長足發展。

4基于產品系統設計方法的環境監測設備設計思路

4.1基于功能結構要素的環境監測設備設計

如上文所述，首先要確定品牌定位。環境監測設備是一種針對性較強的儀器，以使用功能為主，同時應體現使用者的專業性。因此，宜優選擇科技含量高、功能齊全的高端定位。

功能根據不同需求標準可劃分為不同類別，如根據需求類別可分為使用功能和精神功能，根據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，根據滿意度可分為適度功能、不足功能和過剩功能。根據行業特點，環保監測設備宜充分調研使用功能、必要功能和主要功能，以適度為原則進行產品設計。因此，設計過程應優先考慮產業化過程中的模塊化設計、可替換性設計，從而根據不同客戶需求實現不同功能的組合。同時設計研發測量精確度高、性能穩定的產品，滿足客戶的使用需求。

以采樣器類產品為例，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、定時間采樣。因此，能夠影響采樣流量、采樣體積、采樣時間和采樣穩定性的流量計模塊就是其中非常重要的模塊，可將其進行模塊化設計。流量計模塊包含管路部分、孔板和計溫板三部分。其中管路部分通用，采用模具化設計，孔板部分根據不同的采樣需求加工為可替換件，計溫板根據客戶需求確定是否增加，如圖3所示。

4.2基于結構材料要素的環境監測設備設計

作為構成設備本體的材料，首先要保證儀器的結構和質量，同時材料本身的肌理也體現了產品的外觀效果。如鋁合金與塑料的結合應用，既保證了儀器的強度和韌性，又形成了金屬與塑料的質感對比增加豐富度，同時還能減輕產品的總體質量，使設備更加輕便。根據行業特點，環保監測設備宜優先選擇合金、碳纖維等結實輕便的新型材料。

材料表面處理工藝的應用具有一舉兩得的作用。首先，優秀的表面處理工藝可以使設備在色彩和質感上達到理想的效果，提升產品的品質感與檔次。同時，設備表面附著一層保護，從而使設備更加耐腐耐用，延長使用壽命，如鋁合金的氧化處理、如烤漆的應用。根據行業特點，環保監測設備宜優先選用結實耐用、附著力強、耐候性好的表面處理工藝。

另外，設計過程要綜合考慮材料的可回收循環利用、標準化模塊可替換設計等。

依然以便攜式采樣器為例，前后殼體采用ABS工程塑料，表面細顆粒皮紋，中間鈑金框架結構，既能保證整體結構的穩定性，又能減輕產品總體質量保證便攜性，還具有塑料與金屬材質質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展功能，既可以延長長度增加內部結構滿足更多功能，也能夠方便加工擴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使用率，更加科學環保。同一種材料，不同的表面處理工藝外觀效果也不相同，對于鋁合金板材，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，能起到保護材料防止氧化提高耐候性的作用，技術成熟應用廣泛，得到的外觀效果豐富多樣。如圖4為采樣器外殼結構示意圖。

4.3基于人因要素的環境監測設備設計

現場類設備儀器由于使用環境的復雜性和惡劣性，合理的人機交互和符合人機工學的設計尤其重要。如監測類儀器操作的直觀性和操作流程的合理簡化、便攜式儀器的方便持握、運行過程中的安全保護等。同時，設備設計要充分考慮使用環境的便利性。對于在線儀器來說，一般置于室內的觀察室中，主要以穩定、易觀察為主。而對于現場儀器來說，更加需要體積小巧、重量輕便的便攜式儀器，側重現場操作和方便運輸攜帶。

以便攜式污染源檢測儀為例，很多現場使用環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，同時要適用現場復雜惡劣的環境，儀器要穩定可靠、耐臟、耐用。如圖5所示，這款儀器采用改性工程塑料，在保證強度的基礎上減小重量，滿足高低溫和酸堿環境中的使用。雙控式操作，觸摸式彩色大屏，引導式界面操作，讓用戶不用耗費過多的時間記憶就能按照標準一步步操作進行檢測。圖6為引導式界面示意圖。

4.4基于形態要素的環境監測設備設計

人的第一印象至關重要，而造型設計便是人的第一眼要素的重要組成部分。環境監測設備首先是工業設備，使用環境多為較為惡劣的戶外污染現場，因此需要具有工業設備的造型特點，如嚴謹理性、穩定可靠、結實耐用等。

形態要素根據不同分類標準可劃分為不同類別，如根據概念可分為質和量。其中，質包含點線面體等，量包含長短大小和粗細等，根據現實可分為自然和人造，其中自然形態包括有機和無機，人造形態包括象征、模仿和裝飾等。根據行業特點，硬朗的風格特點可作為環境監測設備的主要風格，設計時應優先運用大面給人以穩定感，通過線條實現轉折變化，對不同大小的體積或不同粗細的線條進行有秩序排列組合等方式體現一種嚴謹感，優先利用無機形態作為設計元素，在工業環境使用中具有更好的融合性和更大的包容性。通過造型、功能和結構有機結合實現產品設計的最優化。

如圖7所示，該儀器整體為硬朗風格，透過面的切割實現線條轉折，形成鉆石狀規則的抽象幾何形態，既有一種秩序的嚴謹性，又有豐富的造型感。同時轉折變化的結構增加了儀器殼體的強度，承受了更大的負壓，從而滿足更高的使用性能。

4.5基于色彩要素的環境監測設備設計

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

產品可通過色彩組合形成橫縱系列，如同一結構不同色彩形成產品的縱向系列，同一色彩不同結構則形成產品的橫向品牌。用色彩來區分不同的模塊，通過不同的排列組合來設計產品，運用色彩裝飾產生豐富的視覺效果。

鑒于使用環境的惡劣性，此類產品優先選用較為耐臟的色彩作為主色調，如黑色、灰色、銀色等無彩色系。同時，由于使用環境的臟污性，需要在偌大的場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色、綠色。但這些顏色應與使用環境相適應，可以用明度低一點的顏色，以便能在環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，同一外殼結構不同配色形成了產品縱向系列，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為同一色彩不同結構配色形成的產品品牌。

4.6基于環境要素的環境監測設備設計

現代產品設計中的環境要素關系到生產者和使用者的實際利益，是可持續發展的需要，貫穿于產品的整個生命周期，即從前期的規劃、設計，到中期的生產、銷售、使用，以及后期的維護、回收等，都要充分考慮綠色設計。

根據綠色設計的3R原則，在環境監測設備設計中要做到：

1）Reduce減少。如在設計時將產品小型化，充分考慮在生產過程中減少原材料的使用，減少工序方便組裝和維修，生產加工表面處理過程中避免二次污染等。

2）Reuse再利用。如進行標準化模塊可替換設計、使用可回收重復利用的原材料等。

3）Recycling可循環。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，在設計初期考慮產品的整個生命周期，從而使環境友好型綠色設計在環境監測設備設計中得到更充分的應用，使其在為環保方面做出功能效益的同時，本身也更具有環保性。

以便攜式現場檢測儀為例，首先在規劃和設計時要考慮盡可能小、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，標準化設計減少研發成本，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，電池采用可循環充電的鋰電池，提高利用率。

5結語

產品系統設計方法作為一門科學工業設計指導方法，在工業發展中發揮的作用越來越大。產品系統設計方法在環境監測設備設計中的應用也將越來越普遍，利用科學的產品系統設計方法作為指導，將會將工業設計的優勢發揮出來。設計師應將自己的創意與行業發展特色相結合，綜合考慮各方面的因素，從而使產品設計更加優秀，形成良好的品牌效應，以便幫助企業和產品在環境監測設備這一領域占據更大的市場。

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