基于產品基因與感性意象的飛機裝配工藝裝備設計應用研究

摘要：為提升飛機裝配工藝裝備產品的工業(yè)設計效率，塑造飛機裝配工藝裝備產品在行業(yè)中的品牌效應，提升產品市場競爭力。引入產品族設計理念，提出一種基于產品基因與感性意象的飛機裝配工藝裝備設計方法。首先，收集國內外典型工藝裝備進行特征提取，然后將特征基因與感性意象關聯建立飛機裝配工藝裝備的產品基因庫，再基于數量化理論I構建產品基因與感性意象的數學模型，最后以側壁長桁翻轉工藝裝備設計為例進行驗證?；诋a品基因庫生成的側壁長桁翻轉工藝裝備概念設計方案符合設計預期。該方法通過利用數學模型與產品基因庫有利于工藝裝備概念設計方案的形成，有助于企業(yè)將來推進產品族設計。

關鍵詞：飛機裝配工藝裝備；感性意象；產品基因；產品族；數量化I類理論

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）04-0127-05

Abstract：In order to improve the industrial design efficiency of aircraft assembly process equipment products，shape the brand effect of aircraft assembly process equipment products in the industry，and enhance the market competitiveness of products. A design method of aircraft assembly process equipment based on product gene and kansei image was proposed by introducing the concept of product family design. Firstly，the typical process equipment at home and abroad was collected for feature extraction，and then the product gene bank of aircraft assembly process equipment was established through the association of feature genes and kansei image. Then the mathematical model of product genes and kansei image was constructed based on the quantitative theory I. Finally，the design of side-wall string-turning process equipment was taken as an example for verification.The conceptual design of sidewall stringer turning process equipment based on product gene bank meets the design expectation. This method is beneficial to the formation of conceptual design scheme of process equipment by using mathematical

Keywords：Aircraft assembly process equipment ；Kansei image；Product gene；Product family；Quantitative theory Ⅰ

引言

產品族的概念自誕生以來便受到眾多學者關注，產品族設計方法已被工業(yè)界和學術界廣泛認同[1]，感性意象代表著人對客觀事物的感知，在設計領域常被用于挖掘用戶需求。目前，產品族設計理論與感性意象研究方法已經應用于眾多領域，但在飛機裝配工藝裝備工業(yè)設計領域的應用較少。在汽車造型設計領域，羅仕鑒等人[2]對SUV的側面輪廓線基因進行了提取與表達，構建消費者偏好與產品族外形基因之間的映射模型，提出基于用戶需求偏好驅動的產品族外形基因設計方法；許小俠等人[3]基于語義差異法收集并篩選描述中控面板造型形態(tài)的感性意象詞匯與中控面板樣本，提取最具代表性的形態(tài)曲線，通過數量化理論I構建數學映射模型，從而預測設計元素與感性意象詞匯間的相關性。在工業(yè)機械設計領域，張云帆等人[4]為指導產品族造型設計提出運用層次分析法和模糊評價法來輔助提取品牌意象基因，并以某激光切割機為例進行品牌意象基因提取、產品族造型設計及評價；何玢潔[5]對煤礦井下履帶鉆機設計要素進行分析與提煉，確定意象主題與具象載體，融合于煤礦井下履帶鉆機產品族的造型設計，使設計方案具有更加明顯的風格特征。在商標服飾設計領域，時倩穎等人[6]將民國時期的女性形象商標作為研究對象，運用語義差異法提取影響民國女性形象商標感性意象的造型設計要素，然后基于數量化理論I構建感性意象與民國女性形象商標造型設計要素之間的關聯性模型，該方法能有效地描述民國女性形象商標設計的感性意象表現；李倩文等人[7]運用語義差異法建立男西裝感性意象二維空間，將對感性意象有關鍵影響的男西裝款式設計要素提取出來，再運用數量化理論I構建感性意象與款式設計要素間的關聯模型，該模型可用于男西裝款式的感性評價。在其他產品設計領域，陳豪強等人[8]基于感性意象理論建立了住艙內裝關鍵設計要素模型，通過語義差分法獲取住艙設計方案的感性意象評價并進行因子分析，將感性意象與設計要素進行關聯，為艙室設計提供了參考。

近年來，我國飛機裝配工藝裝備產品雖然已經在標準化、模塊化、參數化等各方面取得了很大的進步，但仍與國外同類產品存在較大差距。相較于國外同類型產品，國內針對飛機裝配工藝裝備產品研發(fā)體系較缺乏工業(yè)設計相關理論的指導，未將產品族設計理論引入工藝裝備的設計研發(fā)中，通常以解決生產實踐中的具體問題為導向，設計出的工藝裝備雖能出色解決生產問題，但在外觀風格的延續(xù)和企業(yè)基因的表達上缺少關注與重視，尚未形成產品族或產品體系，在市場競爭中處于劣勢地位。除此之外，目前針對飛機裝配工藝裝備的研究主要集中于工藝裝備的管理、維護、制造及相關技術等內容，缺少從工業(yè)設計角度出發(fā)，在造型設計及品牌塑造方面的探討與研究。基于此，本文提出一種基于產品基因與感性意象的飛機裝配工藝裝備設計方法，通過側壁長桁翻轉工藝裝備的設計實例，構建產品基因庫，并驗證該方法的可行性，旨在提升企業(yè)飛機裝配工藝裝備市場競爭力，為飛機裝配工藝裝備產品族設計提供了參考。

一、 基因提取與意象實驗

（一）樣本收集與基因提取

相較于傳統(tǒng)意義的產品設計而言，產品族設計考慮的不是單個產品，而是一族產品。國內航空企業(yè)在進行工藝裝備設計時未從發(fā)展戰(zhàn)略上考慮產品系列設計規(guī)劃的重要性，忽略對企業(yè)產品基因的提煉、歸納與應用，未構建屬于企業(yè)的產品基因庫，新產品設計缺乏造型風格的延續(xù)性。首先，基于泛族群產品理論，通過對產品族群分類規(guī)則和泛化程度的控制，收集國內外飛機裝配工藝裝備典型設計樣本以及其他行業(yè)工藝裝備的典型設計樣本，以獲取與飛機裝配工藝裝備設計相關性較強的產品信息[9]。以側壁長桁翻轉工藝裝備為例，按照產品類型進行產品泛化，過程如圖 1所示。相較于消費品來說，大型的工藝裝備，特別是飛機裝配工藝裝備因其行業(yè)與功能的特殊性，在造型、材質、色彩等方面的變化較少，沒有豐富的外觀特征，所以，目前所形成的可搜集的典型產品樣本較少，經過調研并篩選，獲得20個相關工藝裝備典型產品樣本。

所有產品都由多種外觀設計要素構成，不同的外觀設計要素對用戶的感性意象具有不同的影響[10]。本文主要采用形態(tài)分析法和造型特征提取法進行工藝裝備典型產品樣本的特征基因提取。運用形態(tài)分析法可將產品分解成多個獨立的設計項目，設計項目中又可分解為多種可變要素即設計類目，由此建立該產品的相關設計要素體系。造型特征提取法可以將構成產品實體造型元素結構化、組織化，提取結果是對產品輪廓形態(tài)、整體風格、局部信息、色彩搭配的映射[11]。由于工藝裝備產品體形龐大且結構復雜，在特征提取之前可先進行產品結構層次劃分，以利于準確提取產品基因。如圖 2所示，為工藝裝備的結構層次圖，產品族從產品結構層次方面呈現造型結構特征、材質紋理特征、色彩特征，所以在收集好工藝裝備典型樣本的基礎上進行產品特征基因提取時，主要從造型結構因素、材質紋理因素、色彩因素3個角度出發(fā)，建立典型產品樣本特征基因庫，如表 1所示。這樣獨立的提取方式有益于在進行單個特征基因的意象相關性程度分析時，避免各類特征基因間審美意象的影響，保證產品特征基因提取的正確性。與此同時，隨著飛機制造與裝配技術的發(fā)展，審美風潮更替，未來還會迭代產生新的工藝裝備，獨立的提取方式利于提取新的產品特征基因，基因庫將會一直延續(xù)并不斷擴充，指導下一代工藝裝備的工業(yè)設計。

（二）意象詞匯集建立

圍繞飛機裝配工藝裝備設計主題，通過查閱文獻與訪談的方法，收集了數10個與工藝裝備感性意象相關的詞匯，再運用KJ法對數十個意象詞匯依據相互間的關聯性展開屬性分類，最終篩選出對于飛機裝配工藝裝備最具代表性的10個意象詞匯，然后將10個意象詞匯配以反義詞形成10組具有正反雙向語義的意象詞匯對，建立意象詞匯集，如表 2所示。

（三）意象評分實驗

產品造型優(yōu)化通常以具體的產品設計特征為對象，將收集的產品樣本意象信息加以量化，運用相關數學方法建立感性意象與產品外觀設計特征之間的映射關系，設計師可根據映射關系進行針對性的產品造型優(yōu)化[12]。因此，本文基于語義差異法制作問卷，采用李克特7級量表對樣本的意象信息進行定量評估。量表中，根據造型結構基因、材質紋理基因、色彩基因與對應的意象詞匯的關聯度，分為-3分、-2分、-1分、0分、1分、2分、3分，其中0為平衡點，從0向兩端依次代表有點、較和極為。

邀請40名設計專業(yè)學生進行意象評分實驗，年齡范圍為22至25歲，其中男生20人，女生20人，參與者均經過設計專業(yè)課程學習，具有較好的審美能力與意象識別能力。意象評分實驗的評分對象由14幅圖片構成，其中造型結構5幅、材質紋理3幅、色彩6幅。對實驗數據進行收集整理，共計5600個數據，計算得到樣本在每個意象詞匯對下的得分均值，得到140個數值，如表 3、表 4、表 5所示。使用SPSS軟件對三類意象的14個得分均值進行信度分析，其結果中所有克隆巴赫系數值均大于0.7，即表明該實驗數據具有可靠性。

二 、數據分析與模型構建

（一）意象關聯與因子分析

根據三類特征基因的14個意象得分均值，可對數據進行初步的分析，如特征基因與意象詞匯之間的相關性程度分析，從數據的直接表征層面將某特征基因對于某意象的相關性程度的強弱進行關聯。若得分均值大于或等于0.6，則認為該特征基因與正向語義相關性強，小于或等于0.3且大于0則認為該特征基因與正向語義相關性弱，同理，若得分均值小于或等于-0.6則認為該特征基因與反向語義相關性強，大于或等于-0.3且小于0則認為該特征基因與反向語義相關性弱，由此可以得出，這5個造型結構基因、3個材質紋理基因、6個色彩基因與意象詞匯的相關性程度，如表 6、 7、 8所示。

產品樣本特征基因庫通過意象關聯可形成具有意象識別標簽的產品基因庫，基于特征基因與意象的相關性程度，設計師在設計新產品時，可根據新產品的意象定位，在造型結構設計、材質紋理設計、色彩設計3個方面初步參考以下相關性程度表，將與目標意象相關性強的特征基因融入新產品的設計中，可以更準確、更快速達到意象感知的設計預期。

僅依據意象得分均值的分析不具備較強的代表性，還需要進行更深層次的分析，使實驗結果與相關分析具有更強的說服力，可根據實驗數據情況對各感性意象進行內在隱含層面的因子分析，通過降維的方式探究因子與感性意象之間的關聯程度以及感性意象之間的內在聯系。對數據進行KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，如表 9所示，得到KMO取樣適切性量數為0.695，其表明變量間的相關程度無太大差異，同時Bartlett球形檢驗近似卡方值為128.264（自由度為45），顯著性小于0.001，根據檢驗結果可知變量間具有相關性，可以進行因子分析。

主成分分析法是一種通過降維的方式把原有的多個變量提取為主要的少數幾個綜合變量的統(tǒng)計分析方法。如表 10所示，將主成分分析結果中特征根大于1的2個成分提取后，其總方差解釋僅為79.294%，說明此時的解釋效果不夠理想。

為提升解釋效果，將初始因子載荷矩陣進行旋轉，因子與原始變量間的關系進行重新分配，使得因子載荷矩陣的系數更加顯著[13]。通過碎石圖，如圖 3所示，可以發(fā)現第4個主成分相比其之后的成分信息差異仍舊很大，第5個主成分因子之后的成分信息較為一致，因此，將提取的因子數設定為4進行分析，此時累積總方差解釋為94.490%，如表 11所示。由此可知，可將10組意象詞匯對降維劃分為4個因子，因子內的各感性意象存在相對較強的內在關聯。

運用最大方差法將因子載荷矩陣正交旋轉，旋轉后的成分矩陣中意象詞匯對的絕對值越大，則說明該因子與感性意象之間的相關性越強[14]，如表 12所示。將4個因子依次解釋為品質因子、時尚因子、個性因子和溫度因子。品質因子包含“生硬的-流暢的”“低端的-高檔的”“粗獷的-優(yōu)雅的”意象詞匯對，這一因子與造型線條、色彩涂裝和紋理質感都有重要聯系，反映人們對設計細節(jié)及品質的感受；時尚因子包含“繁復的-簡潔的”“復古的-時尚的”“壓抑的-輕松的”意象詞匯對，這一因子更多受到產品造型結構、色彩涂裝影響，體現人們對造型結構和色彩設計繁簡及時代潮流的感受；個性因子包含“平靜的-動感的”“普通的-獨特的”“輕浮的-莊嚴的”意象詞匯對，這一因子主要與產品造型結構、色彩涂裝有關，尤其是色彩涂裝，體現人們對于色彩及造型在差異性上的追求；溫度因子包含“冰冷的-溫暖的”意象詞匯對，這一因子主要取決于色彩涂裝的設計，體現人們對產品及產品所處環(huán)境溫度的感知。雖然，因子分析對于方案設計工作沒有具體的實質性作用，但是通過因子分析可了解感性意象之間的聯系，同時，經過對因子分析結果的細致討論后可以得到該因子及其包含的感性意象與產品造型設計要素之間的存在的隱約關聯，以及延伸至感性意象之外的主體感知。

（二）數量化理論模型

意象相關性程度分析展示了單個特征基因與單個感性意象之間的相關性程度，因子分析探究了降維后的因子與感性意象以及感性意象間的內在聯系，除了以上分析外，還可以進一步利用數量化理論I建立關于感性意象與產品特征基因之間的映射模型，探究在多個特征基因綜合影

響下感性意象的變化規(guī)律。數量化I類理論可將感性意象的定性尺度轉化為定量模式下的工學尺度，分析產品特征基因與主體內在感性意象之間的關聯，即可將主體對產品的感性意象轉化為具體的產品外觀設計要素[15]，并且還能得到各外觀設計要素對感性意象的影響程度。將產品基因種類作為項目，基因類型看作是項目中的類目。假設一共有m個項目，第i個項目Xi有ci個類目，那么對于n個樣本來說，δa（i，j）（a=1，2，…，n；i=1，2，…，m；j=1，2，…，ci）是第i個項目之j類目在第a個樣本中的反應，按照如下公式取值，20個工藝裝備樣本的反應矩陣，如表 13所示。

復相關系數R與決斷系數R2是衡量預測模型中設計類目對意象詞匯得分情況解釋程度的重要參考，其數值越接近于1越好，由線性回歸分析可知，對于“繁復的-簡潔的”這個意象詞匯對的實際測量值與預測數值之間的復相關系數R=0.854，決斷系數R2=0.729，由此可知，該預測模型較為理想。同理可得其他感性意象與產品基因的線性回歸模型。

在表 15中，類目得分表示各項目中不同類目對語義意象的影響程度以及偏重方向，當類目得分為正數時，表明其對應的設計類目為正向語義，即偏向“簡潔”，而當類目得分為負數時，則表明其對應的設計類目為負向語義，即偏向“繁復”。造型結構項目A中5個類目A1、A2、A3、A4、A5對于“繁復的-簡潔的”語義意象具有正向影響，而材質紋理項目B中3個類目B1、B2、B3得分都為負值，則起到了反向影響，在色彩項目C中C1類目得分為0.864在該項目中具有最大的正向影響效應。偏相關系數可以反映出各設計類目對語義意象的貢獻程度，通過觀察數據可知，類目偏相關系數與類目得分在語義意象與產品基因的回歸模型空間中具有相似的分布規(guī)律。

三 、實例驗證與方法流程

（一）設計實例驗證

根據“繁復的-簡潔的”意象詞匯對于產品基因線性回歸模型的數據可知，側壁長桁翻轉工裝的設計項目中不同類目對感性意象的影響程度是不同的，為檢驗該回歸模型及結論是否真實有效，以“繁復的-簡潔的”作為設計出發(fā)點和最終評判依據，基于相關性程度分析與“繁復的-簡潔的”意象詞匯對與產品基因線性回歸模型，篩選造型結構基因、材質紋理基因以及色彩基因中得分情況趨近于“繁復的-簡潔的”正向語義的設計類目，應用于側壁長桁翻轉工裝概念設計方案中，再邀請設計專業(yè)學生通過使用李克特7級量表對側壁長桁翻轉工裝概念設計方案進行意象評分并計算意象得分均值，以此達到設計驗證的目的。

結合意象相關性程度分析與“繁復的-簡潔的”意象詞匯對與產品特征基因線性回歸模型，使用3個設計項目中“繁復的-簡潔的”意象得分較高的3個設計類目A1、B1、C1作為側壁長桁翻轉工裝的主要設計元素。此外，由于實際情況下進行方案設計時還需要考慮其他多種因素，例如展示企業(yè)文化、強調品牌特征，所以增加使用該企業(yè)的品牌色C4，同時為符合工廠車間安全色彩使用規(guī)范，提升產品在使用過程中在工作場所中的安全性，增加具有警示提醒作用的色彩C5作為輔助色，設計師以上述需求為基礎通過草圖推演、三維建模、效果渲染最終形成側壁長桁翻轉工裝概念設計方案如圖 4所示。

再次邀請40名設計專業(yè)學生，在觀察過已有的20個典型產品樣本后，運用李克特量表對概念設計方案進行意象評分，整理評分數據如表16所示，可知“Y1”即“繁復的-簡潔的”得分均值為2.025，符合簡潔的設計出發(fā)點，并且該設計方案包含上述所有產品基因。

（二）設計方法流程

如圖 5所示為基于產品基因與感性意象的飛機裝配工藝裝備設計流程，主要有4個階段分別為：特征提取、意象關聯、構建產品基因庫、方案設計。產品族設計的關鍵在于產品族基因庫，而提取產品基因以建立產品基因庫是形成產品族基因庫的重要前提。特征基因經過意象關聯轉變成具有識別標簽的產品基因，設計師可根據新產品的設計定位，在產品基因庫中篩選符合定位的目標基因，并運用工業(yè)設計相關方法及理論，展開產品概念階段的造型結構、材質紋理及色彩等方面設計。在此基礎上，企業(yè)經過多次產品迭代，不斷積累產品基因，才能衍生出屬于企業(yè)的產品族序列，凝聚出具有品牌風格與企業(yè)文化的產品族基因。

結語

為了在激烈的市場競爭中謀生存，造就企業(yè)產品的核心競爭力，飛機裝配工藝裝備產品在追求技術的同時，也需要將相關設計思維及方法作為指導，注重感性工學的研究，構筑起市場和消費者與企業(yè)之間的溝通橋梁，企業(yè)構建產品基因庫，并積極汲取其他企業(yè)優(yōu)秀產品的特征基因，運用工業(yè)設計方法將其融合，這對于產品開發(fā)和改良具有重要作用，企業(yè)可以設計出既具有品牌特色又符合市場流行趨勢，更滿足消費者意象需求的優(yōu)秀產品。

本文以飛機裝配工藝裝備中側壁長桁翻轉工裝為例，收集篩選了國內外典型的工藝裝備產品，獲得造型結構、材質紋理、色彩3個特征基因庫，將特征基因與感性意象關聯，形成飛機裝配工藝裝備的產品基因庫，同時采用數量化Ⅰ類理論構建3類特征基因與意象詞匯間的數學模型，該數學模型以及產品基因庫可以為企業(yè)在產品研發(fā)早期階段提供設計指導，而基于產品基因與感性意象的飛機裝配工藝裝備工業(yè)設計流程可為下一步企業(yè)開展產品族設計奠定基礎。

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