工程機械產品造型特征坐標系構建
——以挖掘機為例

唐珊

澳門科技大學 中國澳門 999078

工程機械產品由于其功能的確定性、技術的限制以及產品的復雜性導致其造型過程受到較大約束。針對工程機械產品造型特征的復雜性問題，張昆等構建了工程機械裝備造型特征的層級結構，提出層級內部造型特征的一致性和層級間造型特征的差異性，并結合語義標尺構建了層級造型特征分析的模糊表達方法。蘇妮娜等通過對遺傳算法部分設計理念的引用，提出一種基于現有基因特征提取、優化和改良的造型設計方法。李雪楠等從角色屬性即產品造型特征在視覺性和表達性上具有的獨特性上出發，提出了造型特征和造型語義的功能、品牌和歷史3個角色屬性及其一致性表達模型。還有學者從產品形象、造型語義、品牌文化、造型特征和涂裝特征方面通過比對、權重分析等研究方法，構建工程機械產品造型設計的方式與途徑。本研究從造型特征的本質內涵出發，對工程機械產品從縱向進化、橫向對比兩個維度構建工程機械產品造型特征坐標系，為工程機械產品造型設計、造型設計評價提供依據。

一、造型特征內涵

在造型設計領域，Jasmin Kaljun等將造型特征分成三個主要元素：藝術元素(elements of art)、語義元素(semantic elements)、技術元素(technical elements)。藝術元素是指產品呈現給人的視覺感知，包括形體、線條、比例、色彩等要素。黑格爾在《美學》一書中也指出，造型藝術的基本特征之一是“以視覺形象為基礎(形體的構成、色彩的調配、線條的組合、明暗的對比等)，突出視覺表現”；語義元素是用戶解讀的產品形態在使用情境中的象征特性；技術元素是實現設計美學元素到產品的主要支撐。

二、工程機械產品造型特征的內涵

Jas-min Kaljun等人關于產品造型特征的研究是基于普遍性產品的造型特征分析，具有寬廣的使用范疇。但工程機械產品由于其獨特性，受使用環境、產品功能定位、工藝材料的限制性更高，因此在工程機械產品造型特征的研究上，對藝術元素、語意元素、技術元素及其關系進行深入解析，見圖1。

圖1 工程機械產品造型特征的內涵

藝術元素是造型特征最終的呈現形式，其原型是由語義元素和技術元素所決定的。從視覺感知層面出發，藝術元素包括形狀、色彩、材質三個方面。其中形狀的描述包括特征線和特征面，可細分為主特征線(面)、次特征線(面)、附加特征線(面)，附加特征線(面)包含LOGO、散熱孔以及其他作為裝飾用的線或面。特征線(面)包含了工程機械產品的家族特征、品牌特征，以符合美學要求的方式傳遞給用戶。

語義元素是產品在使用情景中給用戶形成的象征特性，工程機械產品固有的功能要求決定了這種象征特性，而且象征特性主要是由技術的現實狀況所決定，由此同類產品的象征特性基本一致。如挖掘機的功能特性由動臂、斗桿、挖斗決定，駕駛艙必須位于機身上部以便獲取更好的視野，機身向后延伸起到配重作用，機身與履帶間輔以上下連接件，履帶式保證其通過性與惡劣工況環境下的適應性，挖掘機語義形象見圖2。

圖2 挖掘機語義形象

技術元素包括了生產工藝的改進以及技術研究的進步，保證了藝術元素的落地實現，決定了工程機械產品的語義特性。如無人駕駛可遠程操控的挖掘機，在語義形象上就去掉了駕駛艙，改變了產品的整體形象。

三、工程機械產品造型特征坐標系構建

工程機械產品具有龐雜的產品體系，但都是基于系列和型號來劃分產品。因此，在基于品牌、系列、型號區別的基礎上引入十字坐標系，對工程機械產品體系進行梳理。針對不同品牌不同系列，橫向坐標代表品牌，縱向坐標代表產品系列，以表示，其中：

=品牌，=1，2，3…，用于區分不同品牌；

=系列，=1，2，3…，用于區分同一品牌下產品的不同系列。

針對型號類似的不同品牌同一系列產品，橫向坐標代表品牌，縱向坐標代表產品系列與型號，以表示，其中：

=品牌，=1，2，3…，用于區分不同品牌；

=系列型號，=1，2，3…，用于區分同一品牌下產品的不同系列；=1，2，3…，用于區分同一品牌同一系列下產品的不同型號。

四、以挖掘機為例構建工程機械產品造型特征坐標系

選取卡特彼勒、三一、徐工集團旗下挖掘機產品進行分析，從官網梳理產品型號。不同品牌對挖掘機系列以噸位進行區分，但分類標準不同，而且同一系列中產品型號非常多，為方便統計對比，以履帶式挖掘機為研究對象，產品系列分為小(微)型、中性、大型。

選取不同品牌小(微)型、中型、大型系列產品的代表型號后，以主輪廓線作為主特征線，以輪廓線下貫穿前后的特征線作為次特征線，以LOGO位置、散熱孔及其他裝飾件作為附加特征線。由于造型特征的分析具有主觀性和模糊性，將造型特征分析變量引入李克特7點量表()進行模糊評價：

={，，}，=主特征線；=次特征線；=附加特征線；

={，，}，=主特征面；=次特征面；=附加特征面。

對造型特征的認同性評價為：

式中：—評價人員數量；

—造型特征的模糊評價因子(1≤≤7)的隸屬度。

模糊評價因子與造型特征對照關系如表1所示：

表1 模糊因子與造型特征一致性對照關系表

確定各部分造型特征后，選取10名設計行業從業人員對造型特征的符合程度進行打分，最終計算李克特量表均值，最終確定挖掘機產品的主特征線/面(黃色線)、次特征線/面(紅色線)、附加特征線/面(藍色線)。

在色彩分析中，通過色彩構成、色彩占比、色彩感受三個維度來描述。在色彩構成和色彩感受上，不同品牌工程機械具有標志性的色彩涂裝，長期以來已經形成一種固有印象，主要通過色彩給人的主觀感受來描述。徐工集團在近幾年的宣傳中以“徐工金”取代“徐工黃”，金色具有高貴、尊榮的意思；三一在其起重機、混凝土機械、樁工機械中使用三一紅(功能部件)+工程黃(車身)+工程黑(行走機構)的醒目配色，但在挖掘機產品中采用和其他企業的類似配色：工程黃+工程黑/灰，輔以一些品牌輔助色，見表2；色彩占比通過描繪挖掘機側視圖色彩所占的范圍，計算各部分面積，并計算與最小色彩面積的比率。

表2 不同品牌工程機械標志性色彩涂裝及色彩感受

五、造型特征的一致性判斷

針對產品品同系列間家族特征、品牌特征的一致性問題，以表1李克特7點語義評價量表(Likert Scale)為基礎，召集30名工業設計從業人員對不同品牌同系列間產品特征線(面)進行比較，構建語義調查問卷。對造型特征F的一致性評價為：

式中：—評價人員數量；

—造型特征的模糊評價因子(1≤≤7)的隸屬度；

—造型特征線(面)(=1為主特征線(面)；=2為次特征線(面)；=3為附加特征線(面))；

—工程機械不同品牌(=代表；=代表；=代表)；

—工程機械不同系列(=1為小型；=2為中型；=3為大型)。

通過語義問卷回收和數據整理，根據造型特征的一致性評價公式，計算每項評價因子的比例以及均值，構建小型履帶式挖掘機的造型特征一致性的模糊評價量表，見表3。

表3 小型履帶式挖掘機造型特征一致性模糊評價量表

綜上，挖掘機產品造型特征一致性與差異性分析如下：

(1)從視覺感知層面看，小(微)型挖掘機挖掘能力小，機身短，曲線(面)特征更具靈活性和親和力；中、大型挖掘機挖載能力強，機身占據空間大，曲面成型難度成本提高，更多采用棱角線(面)體現力量感與一定警示性。

(2)在色彩層面，挖掘機產品采用工程黃+工程黑+輔助色的色彩構成。其中工程黃分布在機身、動臂、斗桿之上，工程黑分布在履帶、駕駛艙、挖斗部分。在輔助色上區別較大。

(3)在主特征線(面)上產品體現出家族一致性的特征。區別在于SANY與CAT機身黃色特征面未延伸至駕駛艙下方，XCMG則是以曲線(面)延伸至駕駛艙下方，整體性更強。

(4)在次特征線(面)上不同品牌呈現出不同的特征。XCMG與CAT小(微)系列特征的一致性較為統一，并呈現出各自的品牌特征特性。SANY的次要特征線(面)一致性有20%的調查者較為同意，主要體現在SY135C型號的次要特征線(面)與其他產品未保持一致，出現明顯差異。

(5)在附加特征線(面)上除CAT外均呈現出較大差異。附加特征線(面)包括LOGO位置、散熱孔位、其他裝飾件。CAT在308E2迷你型中側面機身沒有附加特征線(面)，但在其他型號中呈現出一致性的特點。SANY的SY55C、SY65C與SY85C、SY135C呈現出三種不同形態的LOGO外框，散熱孔位上SY55C與其他型號不一致，這是導致40%的調查者認為其一致性模糊的主要原因。

結語

通過造型特征的語義闡述，結合工程機械產品的獨特性，構建了工程機械產品造型特征坐標系，以挖掘機為例結合李克特7點量表(Likert Scale)對其造型特征的一致性進行了分析。結果表明：工程機械產品造型特征坐標系能夠有效展開層級產品造型特征的一致性分析，為企業在產品設計開發時保持其品牌特征與家族特征的一致性提供依據和評判方法。后續將不斷擴展工程機械產品坐標系的包含范圍，特別是在色彩分析中引入語意模糊評價的量化方法，展開深入的量化研究。