工业设计在工程机械的应用

0引言

在产品同质化现象严重、市场竞争日趋激烈的今天，产品的竞争力已不再由技术性因素唯一确定，品牌、外形及设计风格等工业设计领域考虑的因素已成为影响购买行为的重要因素[1]。在一般机电产品的设计中，消费者对产品在美学上的主观感受往往是影响用户满意度的关键因素，苹果的iMac电脑就预示着一场“计算机的美学革命”[2]。工业设计的思想与方法已成为小型机电产品提高附加价值与竞争力的主要手段，在这些产品的设计中扮演着举足轻重的作用。随着技术的发展与进步，近年来在大型轨道交通工具的设计与制造中，工业设计也逐渐进入技术人员的视野，并越来越体现出其意义与价值。在高速列车的设计制造领域，国内几家主要企业都先后成立了专门的工业设计部门，着力培养工业设计团队，科研院校也已展开针对列车内室的情感化设计等软性技术的研究[3]。然而，在大型铁路养护机械轨道车的设计中，基于技术的工程设计仍然是其重心所在，基本没有出于工业设计的考虑，在此背景下本文以国内某轨道车制造企业为研究对象，探讨工业设计的思想与方法在大型工程机械制造企业的应用问题。

1某轨道车制造企业的设计现状分析

JY重型工程机械有限公司是国有铁路控股公司，目前已成为轨道车辆、电气化铁路施工维修检测车辆、大中型养路机械及轻轨地铁维修车辆四大产品系列的专业生产厂家，是我国在轨道车制造行业的龙头企业。JY公司沿用了我国制造业传统的“串行设计”[4]工作模式，其轨道车设计流程如图1所示。设计工作从产品规划开始，在决定了产品功能与技术要求之后就进行产品结构设计，然后进行加工工艺设计、模具设计与制造工作，与此同时进行车辆电气系统的设计，检测合格之后就进行产品试制，如果满足要求就进入量产环节。上述产品设计流程是基于JY公司的一系列职能部门的，分别是工程机械研究所、技术应用部、信息技术部及试验检测中心等，这些部门中集中了铁道车辆、铁道电气化、工程机械、流体力学、自动控制、技术经济等专业的技术人员，把开发智能化、高科技含量的新产品作为公司的宗旨。从JY公司的设计模式可以发现，其工作重心是技术创新、结构设计、工艺规划及电气设计，而这些都是技术导向的工作，从设计思想上进行考察，即是典型的“机器中心论”[5]设计思想。这种设计思想与工业设计“以人为本”的设计思想完全相反，在设计中以机器系统的有效性和运行效率为标准，设计往往变成机械设备的简单堆砌，没有整体的考虑与规划，需要什么功能就增添什么设备，经常导致设计的反复。另外，由于各职能部门相互之间的独立性，很容易造成“信息孤岛”而使信息流通不畅，使产品开发周期延长、开发成本居高不下。近年来，JY公司注意到顾客需求多样化的倾向，采用了CAD辅助设计手段，初步建立了公司的产品数据管理系统（PDM），以此提高产品开发的效率。然而，这些措施仍然是基于技术的考虑，设计思想没有发生根本的转变，导致产品在很多细节方面都显得粗糙与缺乏设计，使产品的综合竞争力大打折扣，这就凸显出工业设计的重要性。

2工业设计思想的引入与实现

简单的说工业设计的思想就是“以人为本”，把用户需求作为产品开发的原动力，通过设计解决用户碰到的问题，使产品更有用、更好用和更高效率。人和机器有着本质的区别，人有着生理与心理的种种限制，人的注意资源有限，人有情绪的干扰，人不可能像机器一样长时间检测多个信息源而不出差错，反复的机械劳动往往造成人注意力的减退。以人为本的设计思想正是基于此的考虑，在设计中要求根据人的生理限制合理地设计机械系统的尺寸，同时要考虑人的认知与行为特性进行控制器、显示器的布局与分组设计，另外车辆的色彩与室内的照明设计也要考虑人的心理感受。工业设计的引入，可以在很大程度上改变JY公司的设计现状，工业设计的思想在轨道车的造型设计、涂装设计、作业空间设计、操作界面设计、内室环境设计等方面（见图2）得以实施，并从整体上提高JY公司产品设计的品质。通过工业设计可以改变轨道车造型设计一成不变的局面。在高速列车及地铁、轻轨的设计领域，富有时代象征意义及体现本地传统文化特色的车辆造型层出不穷，给人们带来了很多惊奇，而铁路养护轨道车的造型则没有什么大的变化，在这方面工业设计将有更大的发挥空间；车辆涂装是轨道车外形设计的重要部分，多年来我国轨道车的涂装设计一直保持着大型机械常见的黄色，车辆色彩不仅具有警示作用，而且对人具有很强的心理暗示，在涂装设计中应综合考虑色彩的工效学与心理作用两方面的影响，好的涂装设计可以提升车辆的整体设计水准；同时，轨道车是铁路养护工人工作的场所，其操作界面设计有着特殊的重要地位，而目前的设计对于控制器和显示器的功能布局、编码形式、交互方式、显示方式、信息分组等问题几乎没有考虑，这不但降低了操作界面的工效学效果，而且不利于操作人员的职业健康，如目前JY公司生产的轨道车扶梯一般都设计成垂直的，不但不便于使用，而且有一定的安全隐患，而这正是工业设计要解决的问题；另外，内室环境与作业空间的设计都属于轨道车的内环境设计问题，利用工业设计的方法可以从人体测量数据、人的认知与行为特性入手进行分析，保证设计不但符合功能的要求，而且满足人的心理与情感需求。

3基于工业设计的轨道车设计程序与方法

工业设计的大部分工作在产品设计的前期进行，即产品规划阶段，从用户需求研究开始到贯穿产品开发的全过程，基于工业设计的轨道车设计程序如图3所示。整个轨道车的设计程序可以分为四个阶段，分别是用户需求研究、方案设计、详细设计及检测和试制。用户需求研究和方案设计阶段是轨道车工业设计的重点。用户需求的研究整体上可分为两种方式，一种是从无到有的研究，就是顺向工程。在研究中，可采用现场观察用户操作、设计调查及实验研究的方法，找到用户需求的关键点；另一种是从有到无的研究，就是逆向工程，对已有的设计进行模型重建工作，然后在人机关系计算机仿真分析系统（如Jack软件）中进行模拟分析，从中找到现有设计不符合人机工程学要求的所在。其中，设计调查主要采用问卷调查的方式，目的是调查用户潜在的价值观念、思维方式、行为方式、情感诉求等内容；实验研究主要是对用户视觉特性的研究，因为人类的视觉可以反映其大部分思维活动，因此用对用户视觉特性的研究来反映其思维与认知特性，常用的实验器材是眼动仪及行为分析工具。通过对用户操作的观察、设计调查及实验研究，可以建立用户模型，并提出符合用户需求的设计建议。在用户研究与人机关系仿真分析的基础上，可以明确定义设计定位，用于指导后续的方案设计工作。方案设计阶段主要完成轨道车造型、涂装、人机界面、内室环境及作业空间的创新设计工作，采用工业设计的方法进行方案构思，并从众多方案中择优进行详细设计。详细设计的工作与JY公司目前的设计模式的差别主要是，方案设计与详细设计是并行设计的关系，详细设计的各个阶段，如结构设计、工艺设计及模具设计也是并行设计的关系，改变了以往一个部门设计完成之后转给另一个部门的工作方式，图3中用双向箭头进行表示。

4面向工业设计的工程机械制造企业流程再造

为了实现方案设计与详细设计阶段的并行工作，在原有职能部门的基础上需要对JY公司进行流程再造，设置专门的设计部门，其与其他职能部门级别一样，隶属于公司董事会，在具体的产品开发项目中以设计部门组织的设计专案组形式进行运作。设计专案组的成员可以流动，随着设计进程的发展，可以灵活安排各专业的人员进入专案组，也可以针对具体的设计内容去掉某些专业的人员，如图4所示。在用户研究阶段，可以将市场营销人员纳入设计专案组，协同工业设计人员、用户研究人员及人机工程专家共同研究用户需求；在方案设计阶段，去掉营销人员，将机械设计与工程设计人员纳入专案组，这样可以在产品方案设计时就综合考虑技术的可实施性，减少设计的反复，缩短产品开发周期；在详细设计阶段，去掉专门的用户研究人员，而纳入工艺设计人员，使结构设计、工艺设计与电气系统的设计并行进行，符合并行设计的要求；在检测与试制阶段，可以去掉人机工程专家，加入模具设计与检测人员。产品开发项目完成之后，设计专案组可以临时解散，技术人员回到原来的职能部门，待下一个设计项目开展时重新组建。需要注意的是，在整个轨道车的开发过程中，工业设计人员始终参与设计专案组，确保工业设计的思想在产品开发的每个环节都得以贯彻落实，把设计作为一种企业资源来利用，用工业设计的手段创造产品的附加价值，进而提升产品的竞争力。这种形式有利于开发系列化的产品，用工业设计保留优秀的产品基因，最终形成JY公司的品牌形象。

5结束语

目前，JY公司已设置了专门的工业设计部门，正在展开轨道车工业设计程序的实践工作，在具体的产品项目中尝试设计专案组的效果。下一步的研究工作主要集中在具体设计项目的组织与实施上，例如如何进行体现中国设计传统的轨道车车体设计，以区别于国外的产品，并形成JY公司自己的产品形象等。本文对JY公司的工业设计导入与实施情况进行了分析和总结，希望能为我国的工程机械制造业发展工业设计提供一个可参考的范例。