基于基元模型的产品使用方式表征与重构

周 明 薛澄岐 汤文成

(东南大学机械工程学院，南京 211189)

传统的产品设计研究将赋予产品功能、结构、形态以新的品质和资格作为其核心任务［1］，却忽略了以人为本的产品使用方式［2］，从而导致在产品使用过程中引发一系列涉及安全、舒适、高效等人机交互方面的相关问题［3］.以人为本的产品设计是一个创造性的综合信息处理过程，其目的是将用户(人)需求转换为合理的具体物理形式，而合理的物理形式是以合理的使用方式为基础的［4］.

产品使用方式定义了用户与产品之间的人机关系［5］，匹配了产品功能与用户需求的映射结构［6］，确保了产品安全、舒适、高效的人机交互目标［7］，满足了产品可用性要求［8］.基于此，本文借助可拓学理论，针对产品使用方式的时间性、空间性、经常性、反复性以及多样性等特点，建立产品使用方式的可拓机制，提出基于基元模型的产品使用方式表征和重构的理论思想和应用方法，为面向人机工程的产品创新设计提供了一种新的技术途径.

1 产品使用方式基元模型

可拓学以形式化、逻辑化和数学化为基础，定量和定性分析物、事、关系的可拓展性［9］，研究动态问题的状态转换机制，提出解决问题的思路以及相应的测评策略［10］.其中，基元是可拓学的逻辑细胞，是分析问题、解决问题的基础.基元主要包括物元、事元、关系元3个类别和层次，根据研究对象的属性特征选择相应的基元类别和层次形式化描述核心问题［11］.

设基元为 A，A=(O，c，v)，其中，O 为研究对象，c为O的特征，v为关于c的量值.由此，基于多维特征的多维基元所构成的阵列表示为An，An称为研究对象O的n维基元:

式中，n=1，2，3，…;cn为 O 的 n 维行为特征;vn为关于cn的量值.

产品使用方式是具有时间性和空间性的动态行为过程，是“事”的客观呈现，以使用方式为切入点进行产品设计，就是要研究使用方式这一动态行为过程的静态规律和转换机制［12］，求解产品设计过程中多要素对立和不相容问题，寻求使用方式的合理拓展模式.

以产品使用方式为研究对象，其核心是行为动作，而行为动作是“事”的子集，所以，根据可拓学理论，以事元为基础构建使用方式的基元为:As=(Os，cs，vs)，其中，Os为行为动作，cs为 Os的行为特征，主要包括支配对象、施动对象、接受对象、时间、地点、程度、方式、工具等，vs为关于cs的量值.由使用方式的多向性可知，基于行为动作Os的n个行为特征csn及相对应的量值vsn构成使用方式多向基元，则使用方式的基元模型Asn为

式中，csn为关于Os的n维行为特征;vsn为关于csn的量值.

2 产品使用方式表征

产品使用方式表征的目的是具象呈现产品交互的动态行为过程，描述关键行为特征和行为主体的质心轨迹，提取基于时间和空间的产品交互行为序列和行为动作，从而为使用方式的重构奠定形式基础.

由于使用方式As是具有时间性和空间性的动态行为过程，从使用方式的纵向构成而言，与行为时间和行为空间相对应的行为序列和行为动作随着时间(t)和空间(d)的变化而变化，使用方式的时间性和空间性记为

式中，As(t)，As(d)是As关于时间参数t和空间参数 d 的关系元，As(t)=(Os，cs(t)，vs(t))，As(d)=(Os，cs(d)，vs(d));k为使用方式的可拓系数.

由此，使用方式形式化表征如图1所示.其中，tx为使用方式的行为时间，x为时间序列，x=1，2，3，…;Astx(dn)为tx时间内行为主体的关键行为动作，n=1，2，3，….

图1 使用方式形式化表征

3 产品使用方式重构

产品使用方式重构是以产品功能－行为－结构(function－behavior－structure，FBS)为基础，通过调整产品交互过程中行为方式的动作、序列等要素，修正产品的结构形式，提高产品的可用性，满足产品安全、舒适、高效的人机交互目标，从而使产品对于用户需求的变更始终保持较强的适应能力和旺盛的生命力［13］.

使用方式的初始基元(事元)为Asn，设B0为事元的任一要素对象，则B0∈Asn，且

根据功能需求或用户需求，将B0改变为相应的要素B或者多个相应要素B1，B2，…，Bm(m为正整数)，则称为使用方式的T重构，具体表示为

式中，OT为重构方式，OT∈{置换，聚分，增删，扩缩，…};cTn为 OT的特征，包括支配对象、施动对象、接受对象、时间、地点、方式、工具等［9］;vTn为关于cTn的量值.

由式(4)、(5)，产品使用方式的重构记为

对式(6)可简要解析为:在时间cT1和地点cT2内，以cT3为工具，cT4为方法，对初始使用方式B0实施重构OT，得到重构结果B.合理使用方式的形成往往需要一个或多个重构规则相互作用，多次迭代.

1)置换重构

根据可拓分析和共轭原理，采集基于同一功能的不同行为方式，对初始基元中相应对象予以置换，置换重构还分为同类置换和异类置换.置换重构的基元表达式为

式中，Tr为置换重构;O′s为置换后的行为动作;c′sn为 O′s的特征;v′sn为 c′sn的量值.

2)聚分重构

聚分重构包括对使用方式的分解和聚合.根据行为的可拓机能，在初始使用方式基础上，通过分解或者聚合调整产品使用的行为模式，从而使产品使用方式得到进一步优化.聚分重构的基元表达式为

或

式中，Tg为聚分重构;Om为与行为要素B1，B2，…，Bm对应的分项行为动作;O′s为聚分重构后聚项行为动作;csm为与行为要素 B1，B2，…，Bm对应的聚项行为特征;v′s为聚项行为特征的量值.

3)增删重构

根据FBS模型，通过功能－行为权重评估，在使用方式初始基元的基础上，增加或者删减相应的行为动作.增加或删减的行为动作的特征c可以是一个或是多个.增删重构的基元表达式为

式中，Ta为增删重构;Osm为增加或删减的行为方式;csmn为Osm的行为特征;vsmn为csmn的量值.

4)扩缩重构

根据人体生理学，结合产品相关尺寸，在初始使用方式的基础上，在生理能力范围内对使用方式的行为路径和行为空间加以优化(扩缩调整).扩缩重构主要体现在使用方式行为特征量值的扩大和缩小，行为特征的扩大或缩小不影响行为方式的原有动作和序列.扩缩重构的基元表达式为

式中，Te为扩缩重构;∂为扩缩系数，0＜∂＜1时特征量值缩小，为使用方式缩小重构;∂＞1时特征量值扩大，为使用方式扩大重构.

当然，产品使用方式重构还要受到生理、功能、技术、经济等条件的约束，同时还需要对重构后的新方案从可用性、安全性、舒适性、高效性、创新性以及可持续性等衡量指标上进行优度评价.重构约束和重构评价限于篇幅，在此不再赘述.

4 实例研究

本文提出基于基元模型的产品使用方式表征与重构的方法，其流程见图2.下面以直板手机转型设计为例，运用使用方式的表征和重构推理直板使用方式向滑盖、翻盖、旋盖使用方式的转化过程.

图2 产品使用方式表征与重构流程

4.1 直板手机设计调研

对直板手机使用人群调查，受试对象50人，均有3年以上使用直板手机经验，其中，工业设计师10人、结构专家5人、普通用户35人.通过访谈和问卷，对操作、成本等7项相关要素进行调研，得到直板手机的优缺点，如表1所示.

表1 直板手机优缺点列表

根据直板手机优缺点列表可知，直板手机最大的问题是造型单一、屏幕易划、按键误拨，此外，屏幕和键盘的尺寸要求不可兼得(由于技术成本高、触屏灵敏度导致误操作以及输入速度慢等弊端，本实例不考虑触屏手机).为了解决这些问题，就需要对直板手机使用方式进行分析，从而有针对性地进行转型设计.

4.2 直板手机使用方式表征

通过关键帧图像采集，还原直板手机使用方式和场景，主要有主动通讯和被动通讯2种情况.主动通讯的行为序列为:拿出手机→按键盘拨号或者发信息→归位.被动通讯的行为序列为:拿出手机→看屏幕来电→按键→归位.由此，手机使用行为序列集为取拿，看，按，归位}，其中，x为行为序列数，x=1，2，3，4.

根据使用方式基元模型，直板手机使用方式行为动作基元(事元)整合为

由直板手机使用方式行为动作基元(事元)As(tx)，根据使用方式基于时间和空间的可拓关系式As(见式(3))，直板手机使用方式可进一步形式化表征为如图3所示.本实例主要针对直板手机使用过程的整体行为方式，故在使用方式表征中主要表征行为序列 As(t)，而省去了次级行为动作As(d).

图3 直板手机使用方式形式化表征

4.3 手机使用方式分析与行为规划

为了解决直板手机造型单一、屏幕易划、按键误拨以及屏幕和键盘不可兼得的问题，根据直板手机使用方式还原和表征，就需要通过“盖”来保护屏幕或键盘，避免划伤和误拨，并通过“盖”来分割屏幕和键盘的立体空间，同时满足屏幕和键盘的尺寸要求，此外也丰富了手机的造型层次.所以，加盖是直板手机转型设计的主要方向.

对于有盖的手机，在使用过程中首先需要开盖才能使用，所以开盖就成了手机使用过程中的一个重要环节，同时，开盖的过程也决定了手机加盖的方式.通过行为学统计，开盖的行为动作主要有“滑”、“翻”、“旋”.根据使用方式基元模型，开盖的3种行为动作基元(事元)集Aso为

其中

4.4 手机使用方式重构

直板手机加盖后，键盘或屏幕得到保护(对于滑盖和旋盖，主要用于丰富造型层次、保护键盘，而屏幕保护则通过贴膜等手段实现)，同时，屏幕分离到盖上，手机使用方式发生了较大的改变，主要体现为在原有的行为动作上增加了开盖和合盖的行为动作，所以，在本实例中主要采用增删重构中的增重构规则Ta来对手机使用方式进行重构和优化.由As(tx)={取拿，看屏幕，按键盘，归位}、Aso={Ass，Ast，Asr}，直板手机使用方式重构为

则

由于在 Ass，Ast，Asr的行为特征中，均是施动对象以“触觉”方式对接受对象施加动作，所以为了简便，在重构运算中可将行为特征中的施动对象和接受对象予以省略.故

根据式(18)～(20)的手机使用方式增重构方案，分析手机使用行为动作的时间序列，以及开盖行为动作的多样选择性，衍生出3种使用方式，形成以滑盖、翻盖以及旋盖为核心特征的手机交互模式，其形式化表征如图4所示，其中虚线框内为基于时间序列增加的行为动作:滑、翻、旋以及合盖.

图4 增重构后手机使用方式形式化表征

根据手机使用方式的形式化表征(见图4)，推理得到手机使用方式的具体重构方案如图5所示，其中为增删重构运算符号.

图5 手机使用方式的重构方案

对于如图5所示的8个重构方案，选择适用于年轻用户且具有一定创新性的重构方案S3进行形态衍生.设直板手机原始尺寸为l1(长)×l2(宽)，对其使用方式进行增重构，增加的行为动作为滑盖，其特征的量化标准为横向位移d1和纵向位移d2，增重构后手机使用方式基元模型为 A′1(见式(18))，根据用户生理特征和手机结构形式，将手机使用方式基元粒度进一步细化，则

在三维软件 Rhinoceros 4.0 中建构 A′1相应的三维模型，如图6所示.

图6 重构方案S3的三维模型

5 结论

1)构建基于事元的产品使用方式基元模型，形式化表征产品使用方式，呈现产品交互的动态行为过程，为产品设计的数字化运算奠定了基础，并极大地提高了使用方式重构的效度和信度.

2)以基元模型为基础，采用产品使用方式置换、聚分、增删、扩缩重构规则，得到基于产品功能的合理使用方式，满足安全、舒适、高效的人机交互目标和可用性要求，为后期产品形态设计奠定了框架性基础.

3)基于基元模型的产品使用方式表征和重构的方法，进一步丰富了产品设计方法学的理论体系，具有普适性、有效性、实用性和创新性.通过直板手机转型设计实例验证了本方法在产品创新设计中的应用价值.

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