基于用戶體驗的風力發電機設計研究

李虹茹　龍英睿

關鍵詞：風力發電機;工業設計;用戶體驗

1 用戶體驗概述

用戶體驗是用戶在操作和使用產品或服務過程中的動作、思考及感悟，其包括由產品和服務提供給用戶的理性價值和感性體驗，是用戶在使用產品過程中建立的一種純粹的主觀感受[1]。用戶體驗滿足的不僅是工作環境中行為目標的實現，而且還是一種主觀、情境化、復雜、動態的體驗[2]，其核心主體是用戶，過程涉及到人、產品、情景之間的互動，是一個十分復雜的過程，需要從人的生理、心理、情感等方面深入挖掘用戶需求[3]。

Jesse James Garrett 提出用戶體驗要素模型[4]，分為戰略層、范圍層、結構層、框架層、表現層五個層次。戰略層即通過對商業目標及產品目標進行明確，最終確定企業定位;范圍層即通過對需求的分析和采集，確定產品功能范圍和優先級;結構層即以各類手段和方式滿足產品功能的實現;框架層即以實現產品功能和滿足需求的手段和方式進行物化和總體界面的設計;表現層即針對產品的形式，對造型、紋理、色彩、圖案、材質等進行設計，使產品視覺效果更加協調、平衡、自然。

2 風力發電機設計現狀與問題

雙饋風力發電機（以下簡稱發電機）是一種繞線式感應發電機，是變速恒頻風力發電機組的核心部件。發電機雖然是工業產品，但其安裝、檢修、維護都與人息息相關。目前，市面上發電機大多以功能為導向開展產品設計。在產品造型上，將各部件進行組合以滿足使用功能，產品布局比較凌亂，缺乏設計美感;在加工制造上，現有工藝水平比較粗糙，產品表面處理不平整，存在較多的棱角和外露邊緣;在色彩設計上，多應用傳統的深灰色系，同質化程度較高，無法有效識別，且易于忽視通過色彩傳達的情感屬性與企業品牌文化理念;在使用維護上，對于“人—產品—環境”間關系的分析考量不足，不符合用戶使用習慣，操作比較繁瑣。隨著“以人為中心”思想的演變，在產品設計過程中對人的因素越來越重視，發電機作為支撐現代工業發展的基礎性設備，具備極其廣闊的設計優化空間。

3 基于用戶體驗的風力發電機設計分析

3.1 用戶行為分析

用戶行為地圖，如圖1 所示，是一種流程可視化工具，主要描述用戶在完成某個目標過程中經歷的行為階段、路徑、情緒、痛點等。發電機用戶的目標需求主要為產品安裝、日常運維，兩個需求共涵蓋8 個階段，18 種行為。通過細化每階段行為、分析具體動作、用戶情緒體驗，可以有效尋找到影響用戶體驗的痛點，主要在于，產品安裝過程中工件易掉落，掉落后不易拾取，環境昏暗容易誤操作，日常運維過程中長期蹲姿作業易勞累，產品需維護部件安裝拆卸比較復雜，產品表面臺階和邊緣多等。用戶情緒及用戶痛點隱藏著產品改進的需求，針對情緒反饋及痛點深入分析，可以為存在的問題尋求解決策略，找尋產品改進機會點和功能實現的可行性。

3.2 產品造型分析

產品造型設計與材料、結構、加工方法關系密切，是基于功能性、經濟性與美觀性，對產品的形態比例、部件結構、組合方式的綜合考量。發電機承襲了風電能源“低碳、環保”的內涵，具有鮮明的行業特征，其造型設計除了滿足功能實現、成本優先外，也應體現其蘊含的豐富語義，為用戶帶來美的感受。

1） 形態比例。發電機的形態大小和結構比例主要受兩大方面影響，一是電磁設計沖片外徑和鐵心長度要求;二是技術條件安裝尺寸的規定。通常來說在設計初期，發電機已經具備有比較明確的安裝接口位置及限界尺寸，可變動的幅度較小。

2） 部件結構。發電機根據功能屬性不同可分為主要部件及通用部件兩部分。主要部件為發電機本體和冷卻系統，承載發電機的核心功能，對可靠性要求高。通用部件包括各類接線盒、潤滑泵等，為發電機的正常運行提供重要保障，在滿足設備安裝尺寸及功能實現的前提下，可進行排布方式的統一考量和造型的通用化，提升整體協調性。

3） 組合方式。發電機通常采用螺栓連接與焊接連接以實現部件間的組合，現有的兩種連接方式樣式穩固、安全可靠，卻對產品整體美觀度有較大影響。例如，機座與冷卻系統折邊、冷卻系統內部均以螺栓連接，會形成比較明顯的接縫;定子、轉子接線盒螺栓外露，形成凸出臺階;焊接部件容易殘留焊渣等。連接結構直接關系到產品外形，合理運用各種連接結構及組合方式，使外部結構具有更大的靈活性，更易成為造型創新的源泉[5]。發電機常用連接方式比較，如表1 所示。

3.3 產品色彩分析

產品可以通過色彩設計強調產品功能，協調“人—機—環境”的關系。巧妙應用色彩的心理映射還能傳遞產品的設計語意，表達蘊含的思想感情，使用戶獲得思維上的聯想與情感上的共鳴。可以說，產品的色彩設計與用戶體驗息息相關，良好的色彩設計能給產品帶來審美、功能的雙提升。發電機色彩設計具備如下特點。

1） 安全性要求高。發電機為機艙內帶電工作設備，在運轉和檢修時需嚴格按照規程進行操作，否則將帶來人身和財產的巨大損失。在發電機的色彩設計上需注意安全引導，多采用高明度、高飽和度色彩，正確使用安全色、警示色，在狹窄機艙內形成較強對比，為用戶起到提醒、示警作用，避免用戶誤操作的可能性。

2） 客戶定制設計。發電機主要顏色通常均為主機廠客戶指定，一般采用單一顏色面漆進行全表面涂裝，長期以來各主機廠客戶已形成了較為穩定的配色體系，可變動性較小。有別于汽車、家電類工業產品，發電機并未出現潮流性色彩設計。

3.3 使用環境分析

根據環境對用戶的影響和用戶對環境的適應程度，可把用戶的作業環境分為四個區域，即最舒適區、舒適區、不舒適區、不能忍受區。最佳方案是創造一種人體舒適而又有利于工作的環境條件[6]。針對不同的環境對產品進行研究，可以使產品的設計優化更具有針對性。發電機艙內實景如圖2 所示，其使用環境具有三大特點。

1） 空間狹窄。機艙內單側最小距離僅容一成人側身通過，因此對于發電機及相關附屬開合部件的寬高限界有嚴格要求。在設計時需要嚴格把控尺寸，同時充分預留后續的安裝維護空間。

2） 設備眾多。機艙內集成的功能部件形狀各異且突出的臺階較多，在狹窄空間內一旦用戶碰撞或摔倒，將帶來較大傷害。在產品設計時，需充分考量安全性，最大限度減少用戶被設備誤傷的可能性。

3） 存在暗角。機艙光源設置于頂部，由于艙內設備眾多會對光線產生遮擋，在部件間存在暗角盲區，用戶極易發生誤操作，工件存在掉落的可能性。因而設計時，應多采用一體式的可拆卸結構，減少螺栓和易掉落部件的使用。

4 基于用戶體驗的風力發電機設計優化思路

依據Jesse James Garrett [4] 提出五個自上而下的用戶體驗層次，結合對發電機進行的設計分析，可提出發電機設計優化思路。在戰略層面定位于企業打造“低碳動力先鋒”的世界一流機電企業的標準，在范圍層力求實現高效節能型、維護友好型、成本優先型產品;重點通過結構層、框架層、表現層三個層次層層遞進，在結構層通過部件通用化等方式探尋功能和需求的滿足，在框架層著力提升操作舒適度、維修便利度，在表現層開展產品色彩造型優化，在形式和功能上取得平衡。基于用戶體驗的發電機設計優化構架如圖3 所示。

4.1 基于結構層的通用化設計

通過對發電機產品平臺進行梳理，整理既有發電機產品信息，研究產品共性特征，可以為通用部件的選型提供依據。經分析發現，目前使用的輔助接線盒、轉子接線盒在空間尺寸的設計上余量較大，外形尺寸仍有壓縮的空間。對此，將輔助接線盒和轉子接線盒的尺寸重新進行設計，以匹配全平臺的發電機，實現模塊化、通用化設計。

4.2 基于框架層的功能提升設計

1） 操作舒適度。為使優化后的發電機產品更為合理，與人相關的部件設計均需以人機工程學數據支持，以增強設計的易用性和舒適度。在產品設計的人機工程分析中，常以第95 百分位和第5 百分位中國成年人體尺寸作為尺寸設計的上限和下限，將第50 百分位中國成年人體尺寸作為一般人體尺寸，設計即可滿足大部分用戶的需要[7]。根據人體尺寸數據，首先對安裝調試與檢修維護時用戶最常接觸的部件定子接線盒、轉子接線盒、輔助接線盒的位置進行調整，將定子接線盒離地高度由165 ～ 865mm 調整至365 ～ 1065mm，將輔助接線盒離地高度由464 ～ 700mm調整至878 ～ 1063mm，使用戶以蹲姿作業時臂展范圍更為舒適，最佳視域聚焦最常用工作區域，有效規避疲勞狀態操作;其次，將接線盒開門把手的安裝高度進行調整，選取第50 百分位中國成年人體尺寸作為設計依據，以適合不同身高的人使用。

2） 維修便利度。風場山高路遠、維護成本高，發電機機艙空間狹窄、操作不便，因此在產品設計初期就應充分考慮產品維護的便利性。發電機油盒是需常更換清洗的拆卸部件，原來使用的是螺栓結構，需用戶手動拆裝清洗更換，優化后使用卡扣連接結構代替原螺栓結構，比常規清洗更換流程節約80% 時間，整體清洗更換時間小于5 分鐘，提升了用戶維護便利度;接線盒起到保護和連接電纜的作用，優化后定、轉子接線盒、輔助接線盒的開合方式都由螺栓連接改為鉸鏈連接，節省用戶拆裝螺栓的時間。其中，定子接線盒開門部件置于框體前側，單側門寬約450mm，開門角度可達到180°平開，符合機艙內狹窄空間的設計需求。由于去除了螺栓，以上兩項優化設計在提升維護便利程度、節約維護時間的同時，還省去了螺栓工件掉落的煩惱，提升安全度。功能提升優化設計應用圖，如圖4 所示。

4.3 基于表現層的造型色彩設計

1） 造型設計。發電機整體結構為冷卻系統與機座上下對稱，定子接線盒開門方式左右對稱，充分體現視覺穩定性。通過修改冷卻系統與機座結構，使之在側面形成U 型內陷凹槽，為原分布于發電機機座表面的管路走線提供嵌入空間。同時，以可拆卸蓋板進行表面覆蓋，既能有效隱藏機座表面管路走線，又可隱藏外露的冷卻系統與機座連接接縫，達到美觀整體的目的。

2） 色彩設計。發電機采用高明度、高飽和度的藍色（RAL5015）進行大面積涂裝，給用戶以清潔、干凈的感受，承襲風電能源設備“低碳、環保”的內涵，達到視覺上的統一和語義上的協調;在吊耳、地腳等需重點關注區域，以黃色（RAL1012）進行涂裝，在暗角較多的狹窄空間內能有效引起用戶注意，避免誤操作可能性，減少由單一顏色涂裝引起的視覺疲勞，將色彩設計與功能、情感緊密相結合。

3） 標識設計。VI 標識設計是體現產品家族性特征最簡單且行之有效的方法。對發電機進行VI 標識設計的內容包括：標志、標識、銘牌、型號、字體等。具體來說，包括開展發電機表面LOGO 的涂裝、產品型號的涂裝、產品銘牌的設計等;此外，發電機的警示標識設計也與用戶安全息息相關，警示標識數量、位置與大小均依照相關國家標準進行重新設計，同時結合人機工程學數據和應用考察結果，進一步加強警示標識的醒目度和可見性。發電機產品工業優化后最終效果圖， 如圖5所示。

5 結語

隨著時代的發展和對人的因素越來越重視，從用戶體驗的角度去開展工業產品的設計顯得極為重要。文章以配套風力發電機組的雙饋風力發電機為研究對象，依據相關理論，提升了發電機產品的操作舒適度、維修便利度，實現了發電機產品外形的創新，為后續發電機產品的研制提供了設計范例和一定的參考。從戰略層、范圍層、結構層、框架層、表現層五個用戶體驗層次出發，結合具體的產品特征及使用環境進行分析，將人文關懷轉化到產品形態之中，提升了產品安全性、實用性、便利性、美觀性，從而為用戶創造出更加良好的使用體驗。