周 明 薛澄岐 湯文成

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究將賦予產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)以新的品質(zhì)和資格作為其核心任務(wù)［1］，卻忽略了以人為本的產(chǎn)品使用方式［2］，從而導(dǎo)致在產(chǎn)品使用過程中引發(fā)一系列涉及安全、舒適、高效等人機(jī)交互方面的相關(guān)問題［3］.以人為本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性的綜合信息處理過程，其目的是將用戶(人)需求轉(zhuǎn)換為合理的具體物理形式，而合理的物理形式是以合理的使用方式為基礎(chǔ)的［4］.

產(chǎn)品使用方式定義了用戶與產(chǎn)品之間的人機(jī)關(guān)系［5］，匹配了產(chǎn)品功能與用戶需求的映射結(jié)構(gòu)［6］，確保了產(chǎn)品安全、舒適、高效的人機(jī)交互目標(biāo)［7］，滿足了產(chǎn)品可用性要求［8］.基于此，本文借助可拓學(xué)理論，針對產(chǎn)品使用方式的時(shí)間性、空間性、經(jīng)常性、反復(fù)性以及多樣性等特點(diǎn)，建立產(chǎn)品使用方式的可拓機(jī)制，提出基于基元模型的產(chǎn)品使用方式表征和重構(gòu)的理論思想和應(yīng)用方法，為面向人機(jī)工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一種新的技術(shù)途徑.

1 產(chǎn)品使用方式基元模型

可拓學(xué)以形式化、邏輯化和數(shù)學(xué)化為基礎(chǔ)，定量和定性分析物、事、關(guān)系的可拓展性［9］，研究動(dòng)態(tài)問題的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，提出解決問題的思路以及相應(yīng)的測評策略［10］.其中，基元是可拓學(xué)的邏輯細(xì)胞，是分析問題、解決問題的基礎(chǔ).基元主要包括物元、事元、關(guān)系元3個(gè)類別和層次，根據(jù)研究對象的屬性特征選擇相應(yīng)的基元類別和層次形式化描述核心問題［11］.

設(shè)基元為 A，A=(O，c，v)，其中，O 為研究對象，c為O的特征，v為關(guān)于c的量值.由此，基于多維特征的多維基元所構(gòu)成的陣列表示為An，An稱為研究對象O的n維基元:

式中，n=1，2，3，…;cn為 O 的 n 維行為特征;vn為關(guān)于cn的量值.

產(chǎn)品使用方式是具有時(shí)間性和空間性的動(dòng)態(tài)行為過程，是“事”的客觀呈現(xiàn)，以使用方式為切入點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，就是要研究使用方式這一動(dòng)態(tài)行為過程的靜態(tài)規(guī)律和轉(zhuǎn)換機(jī)制［12］，求解產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中多要素對立和不相容問題，尋求使用方式的合理拓展模式.

以產(chǎn)品使用方式為研究對象，其核心是行為動(dòng)作，而行為動(dòng)作是“事”的子集，所以，根據(jù)可拓學(xué)理論，以事元為基礎(chǔ)構(gòu)建使用方式的基元為:As=(Os，cs，vs)，其中，Os為行為動(dòng)作，cs為 Os的行為特征，主要包括支配對象、施動(dòng)對象、接受對象、時(shí)間、地點(diǎn)、程度、方式、工具等，vs為關(guān)于cs的量值.由使用方式的多向性可知，基于行為動(dòng)作Os的n個(gè)行為特征csn及相對應(yīng)的量值vsn構(gòu)成使用方式多向基元，則使用方式的基元模型Asn為

式中，csn為關(guān)于Os的n維行為特征;vsn為關(guān)于csn的量值.

2 產(chǎn)品使用方式表征

產(chǎn)品使用方式表征的目的是具象呈現(xiàn)產(chǎn)品交互的動(dòng)態(tài)行為過程，描述關(guān)鍵行為特征和行為主體的質(zhì)心軌跡，提取基于時(shí)間和空間的產(chǎn)品交互行為序列和行為動(dòng)作，從而為使用方式的重構(gòu)奠定形式基礎(chǔ).

由于使用方式As是具有時(shí)間性和空間性的動(dòng)態(tài)行為過程，從使用方式的縱向構(gòu)成而言，與行為時(shí)間和行為空間相對應(yīng)的行為序列和行為動(dòng)作隨著時(shí)間(t)和空間(d)的變化而變化，使用方式的時(shí)間性和空間性記為

式中，As(t)，As(d)是As關(guān)于時(shí)間參數(shù)t和空間參數(shù) d 的關(guān)系元，As(t)=(Os，cs(t)，vs(t))，As(d)=(Os，cs(d)，vs(d));k為使用方式的可拓系數(shù).

由此，使用方式形式化表征如圖1所示.其中，tx為使用方式的行為時(shí)間，x為時(shí)間序列，x=1，2，3，…;Astx(dn)為tx時(shí)間內(nèi)行為主體的關(guān)鍵行為動(dòng)作，n=1，2，3，….

圖1 使用方式形式化表征

3 產(chǎn)品使用方式重構(gòu)

產(chǎn)品使用方式重構(gòu)是以產(chǎn)品功能－行為－結(jié)構(gòu)(function－behavior－structure，F(xiàn)BS)為基礎(chǔ)，通過調(diào)整產(chǎn)品交互過程中行為方式的動(dòng)作、序列等要素，修正產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，提高產(chǎn)品的可用性，滿足產(chǎn)品安全、舒適、高效的人機(jī)交互目標(biāo)，從而使產(chǎn)品對于用戶需求的變更始終保持較強(qiáng)的適應(yīng)能力和旺盛的生命力［13］.

使用方式的初始基元(事元)為Asn，設(shè)B0為事元的任一要素對象，則B0∈Asn，且

根據(jù)功能需求或用戶需求，將B0改變?yōu)橄鄳?yīng)的要素B或者多個(gè)相應(yīng)要素B1，B2，…，Bm(m為正整數(shù))，則稱為使用方式的T重構(gòu)，具體表示為

式中，OT為重構(gòu)方式，OT∈{置換，聚分，增刪，擴(kuò)縮，…};cTn為 OT的特征，包括支配對象、施動(dòng)對象、接受對象、時(shí)間、地點(diǎn)、方式、工具等［9］;vTn為關(guān)于cTn的量值.

由式(4)、(5)，產(chǎn)品使用方式的重構(gòu)記為

對式(6)可簡要解析為:在時(shí)間cT1和地點(diǎn)cT2內(nèi)，以cT3為工具，cT4為方法，對初始使用方式B0實(shí)施重構(gòu)OT，得到重構(gòu)結(jié)果B.合理使用方式的形成往往需要一個(gè)或多個(gè)重構(gòu)規(guī)則相互作用，多次迭代.

1)置換重構(gòu)

根據(jù)可拓分析和共軛原理，采集基于同一功能的不同行為方式，對初始基元中相應(yīng)對象予以置換，置換重構(gòu)還分為同類置換和異類置換.置換重構(gòu)的基元表達(dá)式為

式中，Tr為置換重構(gòu);O′s為置換后的行為動(dòng)作;c′sn為 O′s的特征;v′sn為 c′sn的量值.

2)聚分重構(gòu)

聚分重構(gòu)包括對使用方式的分解和聚合.根據(jù)行為的可拓機(jī)能，在初始使用方式基礎(chǔ)上，通過分解或者聚合調(diào)整產(chǎn)品使用的行為模式，從而使產(chǎn)品使用方式得到進(jìn)一步優(yōu)化.聚分重構(gòu)的基元表達(dá)式為

或

式中，Tg為聚分重構(gòu);Om為與行為要素B1，B2，…，Bm對應(yīng)的分項(xiàng)行為動(dòng)作;O′s為聚分重構(gòu)后聚項(xiàng)行為動(dòng)作;csm為與行為要素 B1，B2，…，Bm對應(yīng)的聚項(xiàng)行為特征;v′s為聚項(xiàng)行為特征的量值.

3)增刪重構(gòu)

根據(jù)FBS模型，通過功能－行為權(quán)重評估，在使用方式初始基元的基礎(chǔ)上，增加或者刪減相應(yīng)的行為動(dòng)作.增加或刪減的行為動(dòng)作的特征c可以是一個(gè)或是多個(gè).增刪重構(gòu)的基元表達(dá)式為

式中，Ta為增刪重構(gòu);Osm為增加或刪減的行為方式;csmn為Osm的行為特征;vsmn為csmn的量值.

4)擴(kuò)縮重構(gòu)

根據(jù)人體生理學(xué)，結(jié)合產(chǎn)品相關(guān)尺寸，在初始使用方式的基礎(chǔ)上，在生理能力范圍內(nèi)對使用方式的行為路徑和行為空間加以優(yōu)化(擴(kuò)縮調(diào)整).擴(kuò)縮重構(gòu)主要體現(xiàn)在使用方式行為特征量值的擴(kuò)大和縮小，行為特征的擴(kuò)大或縮小不影響行為方式的原有動(dòng)作和序列.擴(kuò)縮重構(gòu)的基元表達(dá)式為

式中，Te為擴(kuò)縮重構(gòu);?為擴(kuò)縮系數(shù)，0＜?＜1時(shí)特征量值縮小，為使用方式縮小重構(gòu);?＞1時(shí)特征量值擴(kuò)大，為使用方式擴(kuò)大重構(gòu).

當(dāng)然，產(chǎn)品使用方式重構(gòu)還要受到生理、功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的約束，同時(shí)還需要對重構(gòu)后的新方案從可用性、安全性、舒適性、高效性、創(chuàng)新性以及可持續(xù)性等衡量指標(biāo)上進(jìn)行優(yōu)度評價(jià).重構(gòu)約束和重構(gòu)評價(jià)限于篇幅，在此不再贅述.

4 實(shí)例研究

本文提出基于基元模型的產(chǎn)品使用方式表征與重構(gòu)的方法，其流程見圖2.下面以直板手機(jī)轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用使用方式的表征和重構(gòu)推理直板使用方式向滑蓋、翻蓋、旋蓋使用方式的轉(zhuǎn)化過程.

圖2 產(chǎn)品使用方式表征與重構(gòu)流程

4.1 直板手機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)研

對直板手機(jī)使用人群調(diào)查，受試對象50人，均有3年以上使用直板手機(jī)經(jīng)驗(yàn)，其中，工業(yè)設(shè)計(jì)師10人、結(jié)構(gòu)專家5人、普通用戶35人.通過訪談和問卷，對操作、成本等7項(xiàng)相關(guān)要素進(jìn)行調(diào)研，得到直板手機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示.

表1 直板手機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)列表

根據(jù)直板手機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)列表可知，直板手機(jī)最大的問題是造型單一、屏幕易劃、按鍵誤撥，此外，屏幕和鍵盤的尺寸要求不可兼得(由于技術(shù)成本高、觸屏靈敏度導(dǎo)致誤操作以及輸入速度慢等弊端，本實(shí)例不考慮觸屏手機(jī)).為了解決這些問題，就需要對直板手機(jī)使用方式進(jìn)行分析，從而有針對性地進(jìn)行轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì).

4.2 直板手機(jī)使用方式表征

通過關(guān)鍵幀圖像采集，還原直板手機(jī)使用方式和場景，主要有主動(dòng)通訊和被動(dòng)通訊2種情況.主動(dòng)通訊的行為序列為:拿出手機(jī)→按鍵盤撥號或者發(fā)信息→歸位.被動(dòng)通訊的行為序列為:拿出手機(jī)→看屏幕來電→按鍵→歸位.由此，手機(jī)使用行為序列集為取拿，看，按，歸位}，其中，x為行為序列數(shù)，x=1，2，3，4.

根據(jù)使用方式基元模型，直板手機(jī)使用方式行為動(dòng)作基元(事元)整合為

由直板手機(jī)使用方式行為動(dòng)作基元(事元)As(tx)，根據(jù)使用方式基于時(shí)間和空間的可拓關(guān)系式As(見式(3))，直板手機(jī)使用方式可進(jìn)一步形式化表征為如圖3所示.本實(shí)例主要針對直板手機(jī)使用過程的整體行為方式，故在使用方式表征中主要表征行為序列 As(t)，而省去了次級行為動(dòng)作As(d).

圖3 直板手機(jī)使用方式形式化表征

4.3 手機(jī)使用方式分析與行為規(guī)劃

為了解決直板手機(jī)造型單一、屏幕易劃、按鍵誤撥以及屏幕和鍵盤不可兼得的問題，根據(jù)直板手機(jī)使用方式還原和表征，就需要通過“蓋”來保護(hù)屏幕或鍵盤，避免劃傷和誤撥，并通過“蓋”來分割屏幕和鍵盤的立體空間，同時(shí)滿足屏幕和鍵盤的尺寸要求，此外也豐富了手機(jī)的造型層次.所以，加蓋是直板手機(jī)轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì)的主要方向.

對于有蓋的手機(jī)，在使用過程中首先需要開蓋才能使用，所以開蓋就成了手機(jī)使用過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)，開蓋的過程也決定了手機(jī)加蓋的方式.通過行為學(xué)統(tǒng)計(jì)，開蓋的行為動(dòng)作主要有“滑”、“翻”、“旋”.根據(jù)使用方式基元模型，開蓋的3種行為動(dòng)作基元(事元)集Aso為

其中

4.4 手機(jī)使用方式重構(gòu)

直板手機(jī)加蓋后，鍵盤或屏幕得到保護(hù)(對于滑蓋和旋蓋，主要用于豐富造型層次、保護(hù)鍵盤，而屏幕保護(hù)則通過貼膜等手段實(shí)現(xiàn))，同時(shí)，屏幕分離到蓋上，手機(jī)使用方式發(fā)生了較大的改變，主要體現(xiàn)為在原有的行為動(dòng)作上增加了開蓋和合蓋的行為動(dòng)作，所以，在本實(shí)例中主要采用增刪重構(gòu)中的增重構(gòu)規(guī)則Ta來對手機(jī)使用方式進(jìn)行重構(gòu)和優(yōu)化.由As(tx)={取拿，看屏幕，按鍵盤，歸位}、Aso={Ass，Ast，Asr}，直板手機(jī)使用方式重構(gòu)為

則

由于在 Ass，Ast，Asr的行為特征中，均是施動(dòng)對象以“觸覺”方式對接受對象施加動(dòng)作，所以為了簡便，在重構(gòu)運(yùn)算中可將行為特征中的施動(dòng)對象和接受對象予以省略.故

根據(jù)式(18)～(20)的手機(jī)使用方式增重構(gòu)方案，分析手機(jī)使用行為動(dòng)作的時(shí)間序列，以及開蓋行為動(dòng)作的多樣選擇性，衍生出3種使用方式，形成以滑蓋、翻蓋以及旋蓋為核心特征的手機(jī)交互模式，其形式化表征如圖4所示，其中虛線框內(nèi)為基于時(shí)間序列增加的行為動(dòng)作:滑、翻、旋以及合蓋.

圖4 增重構(gòu)后手機(jī)使用方式形式化表征

根據(jù)手機(jī)使用方式的形式化表征(見圖4)，推理得到手機(jī)使用方式的具體重構(gòu)方案如圖5所示，其中為增刪重構(gòu)運(yùn)算符號.

圖5 手機(jī)使用方式的重構(gòu)方案

對于如圖5所示的8個(gè)重構(gòu)方案，選擇適用于年輕用戶且具有一定創(chuàng)新性的重構(gòu)方案S3進(jìn)行形態(tài)衍生.設(shè)直板手機(jī)原始尺寸為l1(長)×l2(寬)，對其使用方式進(jìn)行增重構(gòu)，增加的行為動(dòng)作為滑蓋，其特征的量化標(biāo)準(zhǔn)為橫向位移d1和縱向位移d2，增重構(gòu)后手機(jī)使用方式基元模型為 A′1(見式(18))，根據(jù)用戶生理特征和手機(jī)結(jié)構(gòu)形式，將手機(jī)使用方式基元粒度進(jìn)一步細(xì)化，則

在三維軟件 Rhinoceros 4.0 中建構(gòu) A′1相應(yīng)的三維模型，如圖6所示.

圖6 重構(gòu)方案S3的三維模型

5 結(jié)論

1)構(gòu)建基于事元的產(chǎn)品使用方式基元模型，形式化表征產(chǎn)品使用方式，呈現(xiàn)產(chǎn)品交互的動(dòng)態(tài)行為過程，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)字化運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)，并極大地提高了使用方式重構(gòu)的效度和信度.

2)以基元模型為基礎(chǔ)，采用產(chǎn)品使用方式置換、聚分、增刪、擴(kuò)縮重構(gòu)規(guī)則，得到基于產(chǎn)品功能的合理使用方式，滿足安全、舒適、高效的人機(jī)交互目標(biāo)和可用性要求，為后期產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)奠定了框架性基礎(chǔ).

3)基于基元模型的產(chǎn)品使用方式表征和重構(gòu)的方法，進(jìn)一步豐富了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)的理論體系，具有普適性、有效性、實(shí)用性和創(chuàng)新性.通過直板手機(jī)轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了本方法在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值.

References)

［1］ Howard T J，Dekoninck E A，Culley S J.The use of creative stimuli at early stages of industrial product innovation［J］.Research in Engineering Design，2010，21(4):263－274.

［2］ Cai Wen，Yang Chunyan，Zhang Yongjun.Study on extension strategy－tactics－planning［J］.Engineering Sciences，2004，2(2):88－93.

［3］Otto K N，Wood K L.產(chǎn)品設(shè)計(jì)［M］.齊春萍，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］McDonough W，Braungart M.Cradle to cradle:remaking the way we make things［M］.New York:North Point Press，2002.

［5］馮乙.產(chǎn)品使用方式與其造型概念的關(guān)系研究［D］.北京:清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院，2006.

［6］周力，聶桂平.基于人的活動(dòng)行為的產(chǎn)品用戶研究方法［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，33(3):399－402.Zhou Li，Nie Guiping.Activity－focused product user research method［J］.Journal of Donghua University:Natural Science，2007，33(3):399－402.(in Chinese)

［7］ Hsee C K，Tsai C I.Hedonomics in consumer behavior［M］//Handbook of ConsumerPsychology.New York:Psychology Press，2008:639－658.

［8］ Vertegaal R.The(re)usability of everyday computational things:Why industrial design will be the new interaction design［J］.Interactions，2011，18(1):38－41.

［9］龔京忠，邱靜，李國喜，等.產(chǎn)品模塊可拓變型設(shè)計(jì)方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14(7):1256－1267.Gong Jingzhong，Qiu Jing，Li Guoxi，et al.Extension approach for product module variant design［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2008，14(7):1256－1267.(in Chinese)

［10］ Roy U，Pramanik N，Sudasan R，et al.Function－toform mapping:model，representation and applications in design synthesis［J］. Computer－Aided Design，2001，3(10):699－712.

［11］ Zhao Y W，Huang F L，Li Z F，et al.Research in method of reliability optimization based on multi－objective fuzzy matter－element with fuzzy chance constraint［J］.Key Engineering Materials，2006，315(10):430－435.

［12］ Zhou Ming，Xue Chengqi.Product robust design based on evolutionary algorithm［C］//IEEE 11th International Conference on Computer－Aided Industrial Design and Conceptual Design. Yiwu， China， 2010:273－277.

［13］ Bullinger H－J，Bauer W，Wenzel G.Towards user centered design(UCD)in architecture based on immersive virtual environments［J］.Computers in Industry，2010，61(4):372－379.