基于感性工學的通用飛機涂裝設計方法研究

曹玉姝，崔慶康，項松

（1.大邱大學，慶山 38452；2.遼寧通用航空研究院 沈陽 110136）

通用飛機作為民用航空體系的重要組成部分，在飛行訓練、農林勘探、醫療救援、旅游觀光等諸多領域發揮著巨大作用。近年來，隨著國家產業政策以及政府投入力度的不斷增加，我國通用航空產業具備了深厚的發展潛力，自主研發的通用飛機型號不斷增加[1-2]。作為飛機外觀的重要組成部分，涂裝傳達的是用戶對通用飛機的第一印象，對提高其產品附加值和市場競爭力起到了關鍵作用。在產品市場化的進程中，涂裝設計逐漸成為了通用飛機設計的重要環節。此外，由于通用飛機的產品特征在外觀上無法明顯體現，在涂裝效果差或沒有涂裝的情況下會導致用戶的感性認知產生偏差，進而降低好感度。目前在歐美等發達航空國家，通用飛機涂裝已經成為了一個較為成熟的設計領域。相比之下，我國對于通用飛機涂裝設計的重視程度明顯不足，設計目標不清晰，方法缺乏創新。通用飛機涂裝普遍存在設計單調、缺乏美感、與飛機特征不協調等問題。

1 飛機涂裝與感性工學

飛機涂裝是指為達到某種要求對飛機蒙皮以及外露零件的表面進行噴涂處理。從功能角度分析，對飛機涂裝的理解可以包含兩個層面。第一，飛機涂裝是飛機制造過程中的重要工序之一，具有機體表面防護、增強氣動特性等功能。第二，飛機涂裝是一種將飛機機體作為媒介，利用表面噴涂的視覺符號進行信息傳達的方式[3]，具有美化飛機外觀、標識特定信息、傳播文化等功能。

作為人類工業智慧的結晶，飛機的外觀與功能間的協調關系營造出一種獨特的產品美感，這種美激發了人們對飛機的感性認知[4]。而用戶的感性認知是建立在既有產品認知的基礎之上[5]，因此人們對一架飛機的感性認知是通過涂裝與其既有認知的共同作用而產生的。由于飛機功能的復雜性，飛機涂裝帶給人們的是一種多重的、綜合性的感知結果。出色的涂裝設計需要制定合理的設計目標，并綜合考慮飛機的氣動外形、用途范圍、民航法規、工藝水平、涂裝材料、視覺傳達原則等多種影響因素。在飛機的設計過程中，隨著影響因素和設計目標的變化，涂裝設計也需要不斷迭代才能達到滿意的效果。由于人體所具有的視覺誤差，不同的涂裝設計會對飛機外觀的視覺效果造成巨大差異，進而影響用戶對飛機的感知體驗。因此，通用飛機的涂裝設計需要契合用戶的感性認知，才能更好地凸顯其特征，進而提高產品附加值和市場競爭力。

感性工學最早是由日本學者長町三生于20 世紀70 年代開始系統研究的[6-7]，并率先在日本汽車工業得到了成功應用。感性工學旨在將用戶模糊的感性需求進行量化，將用戶的感性偏好轉化為可執行的設計參數，從而指導設計出更加符合用戶心理需求和偏好的產品。發展至今，感性工學已經完成了涵蓋多種方法的理論體系建構，在機械裝備、交通工具、電子產品、包裝等設計領域得到了廣泛應用[8-10]。

2 基于感性工學的通用飛機涂裝設計方法

在飛機涂裝設計研究方面，國內學者主要從功能、文化等層面探討飛機涂裝的整體設計原則，而從感性工學角度開展的研究較為有限。宮浩欽[11]從涂裝的功能以及視覺符號的角度，研究了飛機涂裝設計中的功能訴求和文化象征。張臨風等[12]采用了感性工學定性推論的方法，建立了用戶感性需求與直升機涂裝外觀元素間的映射關系。而在其他交通運輸產品的設計領域中感性工學的應用研究十分豐富，為通用飛機涂裝設計提供了有效參考。李明等[13]基于語義差分法與平面設計軟件開發了用戶感性意象數據的可視化工具，并以地鐵車輛造型為案例進行了應用研究；程永勝等[14]將感性工學方法與層次分析法相結合，建立了一種針對工程車造型設計評價的有效方法；蘇暢等[15]運用主成分分析對感性語匯進行處理，得出了A級汽車的車身色彩設計優先級。姚湘等[16]通過因子分析與階層聚類分析，得到了感性語匯與汽車側面形態要素的關聯關系。

通過對比和分析現有研究成果發現，運用感性工學方法能夠有效地將用戶對產品的感性認知進行設計轉化。通過建立和分析通用飛機涂裝的感性語匯空間，能夠進一步明確通用飛機涂裝的設計目標，對于更好地指導和確定涂裝設計方案有著積極意義。本文將前向式感性工學與通用飛機設計流程相結合，提出了一種基于感性工學的通用飛機涂裝設計方法，試圖探索感性工學在通用飛機涂裝設計中的適用性及應用價值，準確定位涂裝的感性設計目標，進而提高用戶對通用飛機外觀的感知體驗。

基于感性工學的通用飛機涂裝設計方法主要包括以下八個步驟，見圖1。

圖1 基于感性工學的通用飛機涂裝設計方法Fig.1 General aircraft painting scheme design method based on Kansei Engineering

1）確定產品定位。按照總體布局形式以及應用場景的不同，通用飛機的分類極其廣泛，不同類型的通用飛機特征存在巨大差異，目標用戶也不盡相同，因此首先要對通用飛機的總體布局和應用場景進行分析以確定目標用戶。

2）選取涂裝樣本。在選取涂裝樣本時應依照兩個原則：一是選擇與案例機型的總體布局特征和應用場景相似的飛機作為產品樣本；二是選擇設計元素特征差異較大的涂裝樣本，如色彩、線條、圖形、字體等。

3）篩選通用飛機設計特征。首先對于通用飛機這類復雜產品，產品設計特征過多會導致感性語匯難以確定。此外，用戶對通用飛機的感性認知與其設計特征有密切關聯，尤其是具有專業知識背景的用戶，但涂裝并不能完全體現通用飛機的所有設計特征。基于上述兩點，需要對設計特征進行分析和篩選，運用專家訪談法來篩選與涂裝關聯程度更高的設計特征。

4）確定感性語匯。通過多渠道搜集與通用飛機相關的感性語匯。使用KJ 法剔除語義相近或與設計特征不相關的感性詞匯，確定與通用飛機特征相匹配的感性語匯，建立通用飛機涂裝的感性語匯空間。

5）問卷調查測量。使用語意差分法設計調查問卷，根據目標用戶的總體特征確定被調查對象，對涂裝樣本的感性評價進行測量。

6）數據分析與結果輸出。使用SPSS 軟件對樣本數據進行處理，具體包括三個環節：首先使用信度分析評價問卷數據的一致性；第二，使用主成分分析及因子分析對數據進行降維，從主成分中得到因子載荷較大的感性語匯，并從通用飛機的設計角度對主成分的構成進行解釋；第三，使用相關分析評估各個感性語匯的相關性水平，確定主要感性語匯的影響因素。

7）制定涂裝設計方案。將數據分析結果作為飛機涂裝的感性設計目標，然后將設計目標分配至具體的涂裝設計要素中，同時考慮其相互之間的關聯性，確定詳細的涂裝設計方案，制作三維渲染圖。

8）設計方案效果驗證。選擇與目標用戶特征相似的調研對象，針對設計方案的三維渲染圖展開評價調研，評估涂裝設計方案是否能夠滿足用戶的感性認知需求。

3 案例研究

3.1 確定產品定位

本文的案例機型為某型四座電動飛機，該機型是滿足CCAR-23 部適航規章的正常類飛機。其總體布局采用前置單發動機、拉進式螺旋槳、上單翼、下置水平尾翼、前三點式起落架設計，最大起飛重量為1260 kg。該機的主要用途為飛行訓練、短途運輸、旅游觀光等，主要定位于專業領域，因此面向的主要用戶為通用飛機運營公司、具有私人飛行駕照的個人用戶、私人飛機購買者以及航空運動愛好者等。目標用戶的總體特征是具備航空專業知識基礎，對飛機的功能及性能指標有一定的了解。

3.2 選取涂裝樣本

通過市場調研、網絡搜集等方式，初步得到40個與案例機型相似的通用飛機樣本。通過涂裝的文字、色彩、圖形、線條等具體設計要素的特點進行分類，刪除其中涂裝設計相似的樣本，確保所選樣本的代表性和全面性。最終得到15 個具有明顯差異的通用飛機涂裝樣本，見圖2。

圖2 通用飛機涂裝樣本Fig.2 General aircraft painting scheme samples

3.3 篩選通用飛機設計特征

首先根據通用飛機總體設計中所涉及的概念及參數[17]，總結出22 項主要的通用飛機設計特征。然后與五名通用航空領域的專家分別進行探討，根據專家的咨詢意見，評價每項設計特征與飛機涂裝的關聯程度。將關聯程度分為三個級別，每個級別對應不同的分值，包括“不明顯的體現（1 分）”“中等的體現（2 分）”“明顯的體現（3 分）”。將評價結果匯總后，總分高于10 分（不含10 分）確定為“明顯的體現”，低于10 分（含10 分）確定為“不明顯的體現”，專家評價結果中有9 項設計特征具有明顯體現，見表1。但由于案例機型的用途較為單一，該特征不適合作為變量進行分析，因此排除了“用途”這一特征。最終確定了8 項能夠在飛機涂裝上明顯體現的設計特征，分別為市場定位、安全性、科技感、動力類型、飛行操縱特性、飛行速度、氣動造型和裝飾。

表1 設計特征與飛機涂裝的關聯程度評價結果Tab.1 Evaluation results of the degree of correlation between design features and aircraft painting

3.4 確定感性語匯

借助互聯網、文獻等渠道廣泛搜集與通用飛機涂裝相關的感性語匯樣本。以8 項通用飛機特征為分類基準，通過KJ 法確定感性語匯的共同特征及相關性，對初步搜集的感性語匯進行歸類和整理，刪除與設計特征不相關的詞匯，最終確定了8 組具有代表性的感性語匯。每組感性語匯對應一項飛機設計特征，見表2。

表2 通用飛機涂裝的感性語匯Tab.2 Kansei vocabularies of general aircraft painting

3.5 問卷調查及數據統計

使用語意差分法對篩選出的8 組感性語匯進行量化。利用李克特量表構建7 級評價尺度，對應分值設置為–3～3，制定調查問卷，見表3。其中，將“高端的”“安全的”“靈巧的”“創新的”“新能源的”“快速的”“流線型的”“簡約的”分值設置為正數，代表更加符合用戶認知的感性語匯，將每組中對應的另一個詞匯設置為負數。由于樣本數量較多，為降低樣本順序對調查結果的影響，在調查問卷中將15 個樣本隨機排列。同時為排除品牌及機型對感性認知的影響，在填寫調查問卷前，會告知所有被調查者忽略樣本的品牌及機型，只針對飛機的涂裝進行打分。

表3 調查問卷示例Tab.3 Questionnaire example

選擇與目標用戶特征相似的被調查者進行問卷調查，共70 人。其中，從事通用飛機設計的工程師30 人，飛行器設計專業學生35 人，通用飛機飛行員5 人。實際發出問卷共計70 份，回收70 份，其中有效問卷63 份。對63 份有效問卷的數據進行統計，得到全部15 個樣本的感性語匯得分平均值，見表4。

表4 樣本的感性語匯平均值Tab.4 Average values of kansei vocabularies in samples

3.6 數據分析

3.6.1 信度分析

首先需要使用信度分析對整體樣本的原始數據進行校驗，當克朗巴哈系數越接近1，表明數據的一致性越好。由表5 可知，樣本數據的克朗巴哈系數為0.849，在0.8～0.9 區間內，同時結果顯示63 份問卷中共有945 個觀察值參與信度分析，無缺失值。

3.6.2 主成分分析及因子分析

首先使用主成分分析對數據進行降維，公因子方差見表5，總方差解釋見表6，旋轉成分矩陣見表7。當KMO 檢驗系數大于0.5 且Bartlett 球形檢驗的顯著性系數小于0.05 時，拒絕變量間相互獨立的假設，說明樣本數據使用主成分分析是適合的[18]。分析結果顯示，KMO 檢驗系數為0.739 且Bartlett 球形檢驗的顯著性系數P值為0，表明適合進行主成分分析。公因子方差代表了提取出的公因子對變量原始信息的解釋率，從表5 可知，通用飛機涂裝感性語匯的公因子方差在0.849～0.968，公因子提取效果較理想。總方差解釋用于顯示主成分因子對總體變量信息的解釋程度，一般選擇特征值大于1 的主成分。從表6 可知，共有三個主成分因子的特征值大于1，累加的方差貢獻率達到90.910%，因此選擇前三個主成分因子。之后使用方差最大正交法進行因子分析，從表7可知，在因子1 中因子載荷較大的變量有“靈巧的”“新能源的”“創新的”，因子載荷分別為0.978、0.970和0.925；在因子2 和因子3 中因子載荷最大的變量分別為“安全的”和“流線型的”，其因子載荷達到了0.915 和0.980。

表5 公因子方差Tab.5 Common factor variance

表6 總方差解釋Tab.6 Explained total variance

表7 旋轉成分矩陣Tab.7 Rotation component matrix

3.6.3 相關分析

首先對通用飛機感性語匯進行正態分布檢驗，結果顯示各個變量基本符合正態分布，可使用Pearson相關系數作為評價變量間相關性水平的指標，輸出通用飛機感性語匯的相關性矩陣，見圖3。Person 相關系數的絕對值越接近1，相關性越強；反之相關性越弱。當相關系數在0.8～1.0 時表明變量高度相關；當相關系數在0.6～0.8 時表明變量強相關；當相關系數在0.4～0.6 時表明變量中等程度相關；當相關系數在0.2～0.4 時表明變量弱相關；當相關系數在0.0～0.2 時表明變量極弱相關或無相關[18]。從圖3 可知，“靈巧的”“創新的”“新能源的”和“快速的”四組感性語匯間具有高度相關性；“安全的”與“高端的”具有強相關性；“流線型的”與其他變量不具有明顯的相關性。

圖3 通用飛機涂裝感性語匯的相關性矩陣Fig.3 Correlation matrix of kansei vocabularies for general aircraft painting

3.6.4 分析結果解釋

主成分分析和因子分析的結果表明，用戶對通用飛機的飛行操縱特性、科技感、安全性、動力類型以及氣動造型的感知更加強烈，這些設計特征在飛機涂裝感性認知中的作用也更加突出。在因子1 上主要貢獻的變量為飛行操縱特性、動力類型和科技感，反映的是用戶對通用飛機性能的感知，可以將因子1 稱為通用飛機涂裝的“性能因子”；因子2 上主要貢獻的變量為安全性，反映的是用戶對飛機的安全性及結構可靠性的感知，可以將因子2 稱為“安全因子”；因子3 上主要貢獻的變量是氣動造型，反映的是用戶對飛機的氣動外形以及布局的感知，可以將其稱為“造型因子”。由此可以得到案例機型涂裝的感性設計目標，即性能因子應凸顯靈巧的操縱特性、新能源動力、創新的科技感；安全因子應凸顯可靠的安全性；造型因子應凸顯流暢的氣動造型。

相關分析的結果表明，設計特征的感性認知間存在高度相關性，當用戶對某個設計特征的感知發生變化時可能會導致對其他設計特征感知的變化。在進行涂裝設計時必須綜合考慮這些設計特征之間的關系，通過合理的設計決策來滿足相關性需求。例如飛機的飛行速度與飛行操縱性能之間存在物理關系，因此凸顯快速飛行速度的設計決策能夠給用戶帶來靈巧的操縱特性的感知；凸顯新能源動力的設計決策能夠提升用戶對飛機技術創新的感知；突出飛機安全性的設計決策能夠使用戶認為該產品的市場定位更加高端，能夠帶來更安全舒適的飛行體驗。

3.7 制定涂裝設計方案

根據數據分析得到的感性設計目標，制定涂裝方案中各種設計元素的具體策略。首先，案例飛機采用了上單翼、大展弦比設計，操縱特性十分穩定，在造型上偏向于靈巧的負面感知，因此采用貫穿機身的彩色線條配合大面積的白色來凸顯輕盈、靈巧的感覺；其次，該型號飛機為新能源電動飛機，"electric airplane"使用簡約且具有科技感的字體突出新能源動力的特征；第三，紅色的感性意向代表著熱烈、活力與進取，使用貫穿機身的紅色線條增強動勢，突出飛機的高性能，機型代號采用撞色的字體設計來凸顯飛機的創新性，此外紅色、斜體的字母以及前沖的尖銳線條給人以強烈的速度感，增強了對飛機性能的感受；第四，國籍登記號使用粗線條字體能夠給人以穩重的感覺，烘托安全性氛圍；第五，使用黑色的平滑曲線貫穿紅色線條，在一定程度上弱化了紅色線條的尖銳感，使飛機整體的視覺效果更加柔和。在確定感性設計方案后，使用KeyShot 軟件對涂裝方案進行詳細建模，三維渲染效果見圖4。

圖4 某型電動飛機涂裝方案渲染效果圖Fig.4 Renderings of a certain type of electric aircraft painting scheme

3.8 設計方案效果驗證

在涂裝設計方案完成后，采用用戶調研的方式對涂裝設計方案的效果進行評估，共72 人參與調研。結果顯示73.6%的被調研者對該涂裝方案表示出積極的評價。據此表明，依據感性工學方法制定的通用飛機涂裝設計方案能夠較好地滿足目標用戶的感性需求。案例機型涂裝的實物效果見圖5。

圖5 某型電動飛機涂裝方案實物效果圖Fig.5 Physical renderings of a certain type of electric aircraft painting scheme

4 結語

將感性工學方法應用于通用飛機涂裝設計能夠更加有效地捕獲用戶的感性認知需求，準確定位設計目標，從而幫助設計者更加合理地制定涂裝設計方案。本文以某型正常類通用飛機為例進行了應用研究，建立了適用于通用飛機涂裝的感性語匯空間，通過數據分析確定了面向CCAR-23 部的正常類飛機涂裝的三個設計因子與感性設計目標，對于同等級別飛機的涂裝設計具有一定的參考價值。同時，通用飛機涂裝的設計特征不是孤立存在的，需要綜合考量各個設計特征間的相關性，才能達到更好的設計效果。研究結果表明，感性工學方法在飛機涂裝設計領域具有廣泛的適用性和較高的應用價值，為當前我國通用飛機涂裝設計中存在的問題提供了新的解決思路。

然而，本文主要針對涂裝的目標與策略層面進行研究，未能討論色彩、字體、圖形等具體設計要素與感性認知間的關系，接下來將針對涂裝設計要素對感性認知的影響進行進一步研究。