劉春花 李魯 李天贈

摘? 要：加強設(shè)計過程的科學(xué)論證被認為制造業(yè)升級的迫切要求，為提升設(shè)計概念的科學(xué)性和合理性，在設(shè)計過程運用循證思維來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計概念的發(fā)展和優(yōu)化。產(chǎn)品設(shè)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(xiàn)有產(chǎn)品進行用戶體驗測試和實驗循證，獲取用戶需求，提出設(shè)計問題；隨后，圍繞設(shè)計問題提出設(shè)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(shè)計概念是否滿足需求；隨后，基于工作機理，執(zhí)行功能原型迭代優(yōu)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(shè)計方案。以干衣機設(shè)計為例論證了該方法的有效性，可為類似的家電產(chǎn)品漸進式創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞：循證思維；用戶需求；產(chǎn)品創(chuàng)新；仿真

基金項目：本文系廣東省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃獲2020年度一般項目“大設(shè)計視域下粵港澳傳統(tǒng)紙玩的多模態(tài)原型庫構(gòu)建及應(yīng)用研究”（2020XJZZ01）研究成果。

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

一、循證思維與漸進式產(chǎn)品創(chuàng)新

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

循證設(shè)計，簡稱EBD（Evidence-based Design），核心思想是“基于證據(jù)的設(shè)計”。它最初起源于循證醫(yī)學(xué)和醫(yī)療空間設(shè)計，目前已經(jīng)越來越多地運用于建筑設(shè)計和工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域。循證設(shè)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(jù)，針對每一個項目的特點，設(shè)計師與業(yè)主合作制定重要的設(shè)計決策[6]，其目標是檢測設(shè)計決策中成功與失敗的方面。循證設(shè)計通過對證據(jù)的理性要求，影響到設(shè)計發(fā)生時的行為和設(shè)計流程。循證設(shè)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(yè)設(shè)計理念從功能主義逐漸被以體驗為中心的設(shè)計所替代，設(shè)計研究更加專注于產(chǎn)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(shè)計學(xué)已經(jīng)由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計，逐漸向可度量的循證設(shè)計改變，許多研究大量使用定量分析和模型預(yù)測等理性的技術(shù)路徑，而數(shù)字仿真技術(shù)熱潮則加快推動了循證設(shè)計在設(shè)計學(xué)的進度[8]。

二、基于循證思維的產(chǎn)品創(chuàng)新流程

基于循證思維的漸進式產(chǎn)品創(chuàng)新理論正逐漸發(fā)展為一項基于科學(xué)理性的設(shè)計理論，其核心是：針對設(shè)計問題開展精致而理性的調(diào)研，基于實驗分析或數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，得出設(shè)計概念；在分析概念特性的基礎(chǔ)上，建立對結(jié)果的假設(shè)與預(yù)測，進一步開展迭代實驗或仿真以驗證假設(shè)，最終輸出設(shè)計。

具體步驟如下：（一）對現(xiàn)有產(chǎn)品進行使用測試和實驗分析，提出設(shè)計問題；（二）針對設(shè)計問題開展精致而理性的調(diào)研，基于用戶體驗和實驗分析的數(shù)據(jù)，得出設(shè)計概念；（三）構(gòu)建初始原型，建立對結(jié)果的假設(shè)與預(yù)測；（四）搭建功能原型測試平臺，探索引起差距的原因規(guī)律；（五）基于工作機理，執(zhí)行功能原型優(yōu)化迭代；（六）建立最終實體樣機，測試最后方案是否滿足預(yù)期，如不滿足返回執(zhí)行第三步，最后輸出方案。

三、循證思維在小家電創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用實例分析

以便攜干衣機設(shè)計為例，為獲得更好的性能和品質(zhì)，針對設(shè)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(fēng)口位置以及出風(fēng)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(yōu)化，獲得最終符合用戶需求的設(shè)計。

（一）設(shè)計問題提出

對產(chǎn)品進行使用體驗分析，獲取用戶的真實需求，是循證設(shè)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?qū)W生、流動群體使用。市場上便攜式干衣機結(jié)構(gòu)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(fēng)使用效率高，烘干效果好，且常常結(jié)合紫外線消毒功能，使用方式大多為拆裝式設(shè)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(jù)研究結(jié)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(shè)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(shè)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(gòu)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(zhì)的選擇、通風(fēng)口的位置的確定。因此在風(fēng)機不改變的情況下，分別改變布料的材質(zhì)、布袋的長度、布袋的長寬比例以及布袋不同的通風(fēng)口位置開展實驗，以探究干衣效果是否與這些因素相關(guān)。

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(nèi)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(nèi)，拉好拉鏈，干衣機接好電源，將檔位調(diào)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(fēng)機測試電壓為7.5V，風(fēng)速2.5-2.6m/s。

實驗結(jié)果表明：（1）干衣效果取決于布袋的大小、通風(fēng)口位置、布袋底部與內(nèi)衣褲有無剩余空間；（2）小布袋+布袋側(cè)面設(shè)通風(fēng)口以及袋底與內(nèi)衣褲留出一定距離這三種結(jié)合是最佳方案；（3）但是布袋的長短，通風(fēng)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(fēng)方向?qū)娓伤俾实难C

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(fēng)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(fēng)口處。所以，為了驗證主機的吹風(fēng)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(nèi)干衣布罩內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(shù)據(jù)得到結(jié)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(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是流體力學(xué)的新興分支，是一種采用數(shù)值方法求解流體流動的控制方程組實現(xiàn)對流場和其他物理場研究的技術(shù)。CFD技術(shù)具有流場計算結(jié)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(jié)。文中采用ANSYS Fluent流體計算軟件構(gòu)建數(shù)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(fā)散，在保留主要特征的情況下，對干衣機機的細節(jié)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(shù)值模擬結(jié)果可知：熱空氣由上而下進入袋內(nèi)，除小部分熱量朝袋內(nèi)上部流動，其余都經(jīng)下邊側(cè)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(nèi)衣左右邊升溫緩慢；內(nèi)衣腔內(nèi)熱空氣流動不暢，凸起結(jié)構(gòu)升溫緩慢；進風(fēng)口的氣流沒有向兩邊擴散，導(dǎo)致中間溫度高，兩邊溫度低，導(dǎo)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(jié)果

用小號干衣袋（230mm*300mm*90mm）和大號干衣袋（285mm*400mm*90mm）進行數(shù)值模擬測試（如圖3），發(fā)現(xiàn)：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(fēng)口的氣流過于集中，沒有向兩邊擴散，導(dǎo)致中間溫度高，兩邊溫度低，對于薄內(nèi)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(yōu)化的方向一：（1）在可容納規(guī)定尺寸衣物的基礎(chǔ)上，減小干衣袋的尺寸；（2）改變進風(fēng)口風(fēng)道，避免集中出氣，使得氣流向兩邊擴散；（3）調(diào)整出風(fēng)口，適當減低下部出風(fēng)口面積，在袋子上部增加出風(fēng)小孔，干涉內(nèi)部氣流流動路徑，使高溫氣流流經(jīng)厚衣物低溫區(qū)，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(cè)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(nèi)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(fēng)機獲得的溫度流線圖對比如圖4所示，獲得結(jié)論為側(cè)上效果開口比側(cè)下以及頂上效果相對較好。再用原型進行實驗測試，獲得結(jié)論也驗證了同樣的結(jié)論。

4.原主機進風(fēng)口的仿真測試與造型優(yōu)化

對原型進一步優(yōu)化，基于便攜干衣機原型的噪聲比較大和通風(fēng)效率不高，因此對風(fēng)機進風(fēng)口進行進一步仿真測試和細節(jié)優(yōu)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(jié)果如表5，結(jié)果顯示：相對于側(cè)下開口和側(cè)上開口，頂上開口的套袋干衣速度快，水分蒸發(fā)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(yù)期期望效果。

（四）調(diào)整細節(jié)和方案輸出

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

四、結(jié)語

基于循證思維的產(chǎn)品漸進式創(chuàng)新設(shè)計理論作為一種以知識集成為基礎(chǔ)的設(shè)計模式，通過對產(chǎn)品設(shè)計涉及的傳熱、通風(fēng)等整體知識的整合和運用，形成一種以知識集成為基礎(chǔ)的工業(yè)設(shè)計方法?；谘C設(shè)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(chǎn)品設(shè)計原型進行測試與優(yōu)化，為設(shè)計的優(yōu)化和性能提供方向與原則，并為同類型的產(chǎn)品設(shè)計提供了設(shè)計的依據(jù)。隨著循證思維的普及，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域?qū)⑿纬梢环N以科學(xué)方法與證據(jù)指導(dǎo)設(shè)計的新方法。與此同時，通過實踐證據(jù)的不斷積累，逐步構(gòu)建起當代設(shè)計學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)知識和學(xué)科體系，并經(jīng)由多個維度，構(gòu)建起基于循證設(shè)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(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院講師，研究方向為工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新方法。

李魯，碩士，廣東麥圈科技有限公司高級工業(yè)設(shè)計師，研究方向為工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新方法。

李天贈，博士，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院副教授，研究方向為工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新方法、數(shù)值模擬。