基于循證思維的漸進式產品創新方法研究

劉春花 李魯 李天贈

摘? 要：加強設計過程的科學論證被認為制造業升級的迫切要求，為提升設計概念的科學性和合理性，在設計過程運用循證思維來指導產品設計概念的發展和優化。產品設計過程的循證主要包括實驗循證和仿真循證，具體過程為：首先，對現有產品進行用戶體驗測試和實驗循證，獲取用戶需求，提出設計問題；隨后，圍繞設計問題提出設計概念，并建立初始原型，搭建驗證平臺，開展循證測試以論證設計概念是否滿足需求；隨后，基于工作機理，執行功能原型迭代優化，通過實驗循證和仿真循證等多種循證手段，逐步形成合理設計方案。以干衣機設計為例論證了該方法的有效性，可為類似的家電產品漸進式創新提供參考。

關鍵詞：循證思維；用戶需求；產品創新；仿真

基金項目：本文系廣東省哲學社會科學規劃獲2020年度一般項目“大設計視域下粵港澳傳統紙玩的多模態原型庫構建及應用研究”（2020XJZZ01）研究成果。

在以技術創新為核心競爭力的今天，工業生產比任何一個時代都更加需要假以系統的、可驗證的、理性客觀的創造手段和監控方法來保證超規模、產業化、社會化的產品生產與社會服務，以得到可靠的、完整的、嚴格的質量保證和安全體現。這種思想不僅體現在傳統的生產、加工過程之中，更需要首先體現在作為生產力前端的設計過程、創意過程、甚至思維過程之中。因此，運用循證思維，發展“基于證據的設計”，加強設計過程的科學論證被認為制造業代產業升級的迫切要求[1]。同時，隨著云計算、大數據、人工智能等新興技術的興起，通過技術手段來解決設計論證問題的能力得到了極大的提升，探索設計與先進技術結合的設計模式正逐漸成為創新設計方法研究的新方向[2]。基于技術驅動的設計方法研究主要圍繞計算機輔助技術在工業設計中的應用展開，研究人員希望借助于計算機技術提升設計方案形成的的客觀科學合理性，到達有效提升設計效率的目的。如利用數值模擬技術可實現產品性能預評估優勢，分析產品設計中存在的問題及提出解決方法[3]；利用虛擬現實技術的交互性優勢，提高設計方案形成的迭代效率[4]；利用多種快速原型制造技術解決產品在設計中升級或局部調整的問題[5]等。本文基于實驗分析與數值模擬等技術手段，提出一種基于循證思維的小家電漸進式產品創新方法，并以便攜干衣機的創新設計為例對該方法進行探討。

一、循證思維與漸進式產品創新

產品創新分為兩種：完全創新和漸進式創新。漸進式創新是在產品原有結構的基礎上的進一步完善，是一種局部創新，通常包括產品的大小、細節、布局的改良和優化。但是如何更有效地針對用戶需求進行改良和優化，則需要進行進行多角度的循證。

循證設計，簡稱EBD（Evidence-based Design），核心思想是“基于證據的設計”。它最初起源于循證醫學和醫療空間設計，目前已經越來越多地運用于建筑設計和工業設計領域。循證設計要求謹慎地、詳細地與明智地使用當前研究和實踐中的最佳證據，針對每一個項目的特點，設計師與業主合作制定重要的設計決策[6]，其目標是檢測設計決策中成功與失敗的方面。循證設計通過對證據的理性要求，影響到設計發生時的行為和設計流程。循證設計常用的方法有實驗循證、仿真循證以及理論循證等[7]。

隨著工業設計理念從功能主義逐漸被以體驗為中心的設計所替代，設計研究更加專注于產品與人之間效率與心理感受，并致力于不斷探索人機的交互行為、情緒影響、各感官體驗問題。在這些研究的推動下，當前設計學已經由傳統的經驗設計，逐漸向可度量的循證設計改變，許多研究大量使用定量分析和模型預測等理性的技術路徑，而數字仿真技術熱潮則加快推動了循證設計在設計學的進度[8]。

二、基于循證思維的產品創新流程

基于循證思維的漸進式產品創新理論正逐漸發展為一項基于科學理性的設計理論，其核心是：針對設計問題開展精致而理性的調研，基于實驗分析或數值模擬的數據，得出設計概念；在分析概念特性的基礎上，建立對結果的假設與預測，進一步開展迭代實驗或仿真以驗證假設，最終輸出設計。

具體步驟如下：（一）對現有產品進行使用測試和實驗分析，提出設計問題；（二）針對設計問題開展精致而理性的調研，基于用戶體驗和實驗分析的數據，得出設計概念；（三）構建初始原型，建立對結果的假設與預測；（四）搭建功能原型測試平臺，探索引起差距的原因規律；（五）基于工作機理，執行功能原型優化迭代；（六）建立最終實體樣機，測試最后方案是否滿足預期，如不滿足返回執行第三步，最后輸出方案。

三、循證思維在小家電創新設計中的應用實例分析

以便攜干衣機設計為例，為獲得更好的性能和品質，針對設計問題，在原有便攜干衣機的概念確定后，對概念進一步演化，采取循證手段分別對干衣機的套袋大小、出風口位置以及出風口形狀進行多次實驗測試與仿真分析，通過原型迭代與性能優化，獲得最終符合用戶需求的設計。

（一）設計問題提出

對產品進行使用體驗分析，獲取用戶的真實需求，是循證設計流程的第一步。便攜干衣機主要由支架、主機和外罩組成，其特點是價格適中、簡單易用、故障率低，適合普通家庭或學生、流動群體使用。市場上便攜式干衣機結構一般分為開放式和封閉式兩種：開放式偏向于多功能，適合于多種物件烘干；封閉式一般熱風使用效率高，烘干效果好，且常常結合紫外線消毒功能，使用方式大多為拆裝式設計，采用懸掛或者平放的方式，分按鈕控制及遙控控制兩種，表1為常見的干衣機競品對比與使用體驗分析。

為了獲得競品的烘干性能以及影響烘干的原因，除了進行客觀的用戶體驗之外，同時運用實驗分析的方法，對衣架、盒式和套袋三款進行測試，評估，根據研究結果顯示，衣架型干衣機是被用戶認可度最大的方式，但是目前衣架原型機存在的兩個最大問題：（一）干衣不均勻；（二）烘干時間長，耗能；（三）攜帶不方便。因此，基于目前已有的衣架型干衣機進行漸進式的演化。

（二）設計演化及初步實驗循證

為了方便攜帶，解決干衣不均勻的問題，便攜干衣機的設計概念演化為：膠囊造型，更加便攜；套袋可折疊收納于膠囊中；套袋可伸縮，增強干衣效果。在構建初始原型的時候，遇到的困難有三個：套袋大小的確定、套袋材質的選擇、通風口的位置的確定。因此在風機不改變的情況下，分別改變布料的材質、布袋的長度、布袋的長寬比例以及布袋不同的通風口位置開展實驗，以探究干衣效果是否與這些因素相關。

1.粗估循證

通過粗估循證獲得大致得改進方向，實驗方法為：樣品內褲干重約22g（受空氣濕度影響），將打濕重量控制為55g，將打濕的樣品夾到干衣袋內，拉好拉鏈，干衣機接好電源，將檔位調到二檔（亮兩盞燈），記錄開始測試的時間，二十分鐘后取出稱重，計算并記錄烘掉水的克重。風機測試電壓為7.5V，風速2.5-2.6m/s。

實驗結果表明：（1）干衣效果取決于布袋的大小、通風口位置、布袋底部與內衣褲有無剩余空間；（2）小布袋+布袋側面設通風口以及袋底與內衣褲留出一定距離這三種結合是最佳方案；（3）但是布袋的長短，通風口的位置如何影響烘干效果，還需進一步開展循證（如表2）。

2.布罩長度對烘干速率影響的循證

開展以下對比實驗：（1）布罩在120cm和90cm長時，都對內衣褲和背心進行烘干，保證同樣實驗條件下，對比不同布罩長度對相同衣物的烘干時間。（2）布罩在120cm、90cm和60cm長時，都對內衣褲進行烘干，保證同樣實驗條件下，對比不同布罩長度對相同衣物的烘干時間。結果（如表3）顯示：布罩長度越短，烘干同樣的衣物用時變短，即烘干效率變快。

3.主機的吹風方向對烘干速率的循證

在主機上安裝防水蓋，目的是為了防止水滴落，接觸電機造成危險。但是也由于防水蓋的阻擋，干衣機的出風方向是直接自下往上，變成防水蓋下方的前后左右四個方向吹出。由前面實驗的熱成像圖也可以看出，熱量大多集中在出風口處。所以，為了驗證主機的吹風方向是否影響烘干效率，此次實驗通過拆下主機的防水蓋，選擇120cm即布罩的原始長度進行實驗。此實驗，一是記錄拆下與不拆下防水蓋，兩種情況同等工作時間內干衣布罩內的熱量分布情況，二是記錄有防水蓋和去掉防水蓋時，烘干相同衣物各自需要的時間，進行對比（如表4）。

由圖像分析可得：（1）當沒有烘干衣物時，沒有防水蓋的布罩內的熱量大量向上聚攏；（2）沒有烘干衣物時，雖然其最高溫比有防水蓋的布罩最高溫低；（3）但是計算布罩上方熱量顏色對應的溫度值，沒有防水蓋的布罩還是高于有防水蓋的布罩。烘干相同衣物時，無防水蓋的烘干時間比有防水蓋的時間明顯縮短。綜合以上整理的數據得到結論：沒有防水蓋，布罩熱量向上聚攏，通過出汽孔加速與外界對流，烘干同樣的衣物用時變短，烘干效率變快。

（三）功能原型迭代測試與仿真循證

1.功能原型測試平臺搭建

計算機流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是流體力學的新興分支，是一種采用數值方法求解流體流動的控制方程組實現對流場和其他物理場研究的技術。CFD技術具有流場計算結果可視化的特點，可模擬實體原型試驗中很難捕捉到的氣體流動細節。文中采用ANSYS Fluent流體計算軟件構建數值計算模型[9]。該模型以測試干衣機原型為實物參照，為降低計算量及避免計算發散，在保留主要特征的情況下，對干衣機機的細節進行一定簡化[10]，采用傳熱模型模擬干衣機流動情況。

從圖2的數值模擬結果可知：熱空氣由上而下進入袋內，除小部分熱量朝袋內上部流動，其余都經下邊側出口直接流出；上部衣物對氣流有阻擋作用，袋子左右上角，氣流速度較低，溫度較低，內衣左右邊升溫緩慢；內衣腔內熱空氣流動不暢，凸起結構升溫緩慢；進風口的氣流沒有向兩邊擴散，導致中間溫度高，兩邊溫度低，導致衣物干燥程度不均和烘干時間變長。同時大量熱量從下部出口跑走，造成浪費，增加了能耗。

2.不同大小套袋的仿真測試結果

用小號干衣袋（230mm*300mm*90mm）和大號干衣袋（285mm*400mm*90mm）進行數值模擬測試（如圖3），發現：小號干衣袋相對大號袋，能使得更多的熱氣上升到達頂部，具有相對較好的干衣效果；進風口的氣流過于集中，沒有向兩邊擴散，導致中間溫度高，兩邊溫度低，對于薄內褲，影響不明顯，但對于厚衣物干衣效果較差。因此，可獲得原型優化的方向一：（1）在可容納規定尺寸衣物的基礎上，減小干衣袋的尺寸；（2）改變進風口風道，避免集中出氣，使得氣流向兩邊擴散；（3）調整出風口，適當減低下部出風口面積，在袋子上部增加出風小孔，干涉內部氣流流動路徑，使高溫氣流流經厚衣物低溫區，提高干衣效果。

3.不同排氣孔位置的測試比較

確定了小布袋尺寸后，對小布袋的不同位置進行開口測試。在實驗中，把孔開到兩側面上方，直徑2.5cm，同時底部開兩個0.5cm的排水孔，對比上下同時開孔（上∶下=2∶1）方案，烘干樣品內褲的時間大概能縮短5分鐘。排氣孔越大，烘干效果越好。但排氣孔大于4cm時干時，干衣袋未能完全鼓起。風機獲得的溫度流線圖對比如圖4所示，獲得結論為側上效果開口比側下以及頂上效果相對較好。再用原型進行實驗測試，獲得結論也驗證了同樣的結論。

4.原主機進風口的仿真測試與造型優化

對原型進一步優化，基于便攜干衣機原型的噪聲比較大和通風效率不高，因此對風機進風口進行進一步仿真測試和細節優化。由圖5分析可得，水滴狀截面的進口格柵欄能降低噪聲，而且明顯地減少阻力。

5.迭代原型的進一步實驗測試

為了論證不同開口位置的烘干效果，迭代原型的進一步實驗測試分為兩部分，一是對套袋不同開口位置的實驗測試；二是運用熱成像儀對干衣膠囊的終實體樣機進行進一步測試。

對不同開口位置的測試結果如表5，結果顯示：相對于側下開口和側上開口，頂上開口的套袋干衣速度快，水分蒸發量最多，干衣效果最好。

接著，對頂上開口的套袋用熱成像儀進行測試（如圖6），通過熱圖像，可以直觀地看到，相對于初始原型，熱量分布更加均勻，樣機已達到預期期望效果。

（四）調整細節和方案輸出

調整細節，輸出最終方案如圖7所示。此產品在正式上市前已經經過用戶體驗測試、熱量實驗測試以及仿真測試，該產品在樣本試用已達到較好效能。

四、結語

基于循證思維的產品漸進式創新設計理論作為一種以知識集成為基礎的設計模式，通過對產品設計涉及的傳熱、通風等整體知識的整合和運用，形成一種以知識集成為基礎的工業設計方法。基于循證設計的原則，通過實驗循證、仿真循證以及理論循證等方法對產品設計原型進行測試與優化，為設計的優化和性能提供方向與原則，并為同類型的產品設計提供了設計的依據。隨著循證思維的普及，工業設計領域將形成一種以科學方法與證據指導設計的新方法。與此同時，通過實踐證據的不斷積累，逐步構建起當代設計學學的基礎知識和學科體系，并經由多個維度，構建起基于循證設計的新型知識運行機制。

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作者簡介：

劉春花，博士，佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院講師，研究方向為工業設計創新方法。

李魯，碩士，廣東麥圈科技有限公司高級工業設計師，研究方向為工業設計創新方法。

李天贈，博士，佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院副教授，研究方向為工業設計創新方法、數值模擬。