电力自动化装置的工业造型设计

俞春林，杭仁苹，陈福锋

(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

电力自动化装置的工业造型设计

俞春林1,2，杭仁苹1,2，陈福锋1,2

(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

阐述了电力自动化装置进行工业造型设计的必要性，针对该类产品应用形式的多样化，提出了基于公司品牌战略的产品外观基因(DNA)设计方法。介绍了常规及就地化电力自动化装置工业造型设计的流程，开展针对性的需求分析，将整体外观分割成多个要素，从多个维度解析各独立要素的特征及要素间的联结方式，归纳出适合于电力系统自动化装置特点的产品风格,并在此基础上开展符合生理审美和人机工程的研究与设计。

电力自动化装置；工业造型设计；产品族；外观基因；人机工程；就地化

1 电力自动化装置工业造型设计的必要性

电力自动化装置是维系电网安全、可靠、稳定运行的重要设备。这些设备大多安装在变电站控制室、二次设备舱内或直接就地安装[1]，设备支持本地及远方控制，用户可根据相应权限通过装置界面或后台控制系统进行开关、定值设置、信息复位、数据存取等操作[2]。目前，很多公司在产品开发阶段仅注重产品电气功能及性能，而忽略了装置呈现的外在特征，部分装置的人机界面设计背离人体工学，导致操作人员存在明显的不适感。因此，在装置开发阶段就需引入工业造型设计，以提高产品的整体水平。科技被视作是第1次竞争，而产品的工业造型设计则是第2次竞争，目前的趋势是两次竞争的时间间隔越来越短，很多大型跨国公司在市场长远战略下将功能设计和工业设计并行开发，产品推出时，已经在应用形式和产品外观上十分成熟了。图1a为ABB公司的某系列低压保护装置，在面板的颜色搭配、区域划分等可见风格上明显优于图1b国内某品牌同类产品；此外，ABB公司产品的型号名称和指示灯定义采用插纸的形式，能适应电力类装置的多品种小批量生产需求，而图1b中的产品在更换型号时必须重新印刷，不利于生产预投。

图1 国内外电力自动化装置外观对比

通过引入工业造型设计[3]，并根据电力装置产品族的特点分析其外观基因(DNA)[4-5]，实现产品设计理念、方法及手段的更新，带动新材料和新技术的设计与应用[6]，使产品整体形式满足人的生理-心理审美结构，实现工程技术设计和工业审美设计的交互作用、双向渗透和内在融合[7-8]。

2 电力装置的外观DNA设计

越来越多的产品都以品牌作为产品输出的第1要素。同一代中不同型号的产品以及跨代的产品系列共同构成了该品牌的产品族，产品族中的成员承载不同的功能需求，但这些产品却共享许多共性的特征，使得公司的产品有着共同的识别因素。对电力自动化装置来讲，该产品族包含了具有保护、测量、计量、控制、信息采集、通信、录波等不同功能的装置。这些装置外形尺寸各不相同，人机交互元素种类及数量也存在较大差异，为树立公司形象，给用户留下深刻印象，要求不同产品之间具有统一的视觉识别特征和相似的外观布局效果。只有通过专业的工业造型设计和系统的需求分析，统筹考虑产品族中各成员的整体外观，才能使产品既具有良好的工业特质，又能体现公司的优秀形象，迈出扎实的第一步。当然，造型设计必须紧密结合并能充分满足产品实际功能需求。

在造型设计过程中，应分析各类需求要素的共性及差异性，以共性为主线、差异性为辅线，全盘统筹产品风格。重点设计共性部分，并作为外观风格DNA元素贯穿整个产品线。外观DNA元素应体现公司产品的设计风格，突出公司的企业文化、品牌内涵。

同时，外观DNA元素应满足产品的使用功能及产品性能：它可以是显性的，体现为形状、颜色、位置关系等；也可以是隐性的，以风格特征、象征意义等形式描述，一般表述为形容性词语，如“简洁”“硬朗”“精致”“可靠”等。图2为国电南京自动化股份有限公司产品风格DNA的提取流程，其中的意向特征是指人们对产品形态的心理感受描述，可以根据感性工学原理用一系列抽象的形态语义进行具体的描述，是用户对产品情感认知的提炼。

图2 产品风格DNA提取流程

该公司的第1代PS6000系列装置的前面板键盘外形设计及第2代EDP02，03系列产品的指示灯布局设计提炼为公司两代产品的DNA元素。在市场上，当公司的各专业同代产品有了快速识别并可以传承的外观DNA元素后，就能很轻易地被认可并留下深刻印象；另外，在做好外观DNA同代横向继承的同时，还应兼顾该元素的跨代纵向继承。

3 电力装置的工业造型设计

在开展电力类产品的工业造型设计时，需要考虑形式法则、造型要素及色彩设计等多个方面，使产品具备实用、美观、大方等基本特点，而要达到以上目的必须要从以下方面入手。

3.1 充分调研，明确需求，建立设计预期目标

国电南京自动化股份有限公司电力自动化业务板块的产品族包括电力系统保护、测控、通信、录波、配网、计量及稳定控制等产品，为确保统一或兼容各产品的设计风格，应制订规范化模板，搜集各类需求信息，形成需求报告。调研对象包括各专业设计人员、生产制造人员、现场服务人员以及市场用户。调研的内容分为风格需求及要素需求两个部分，包括外观意向风格、外形尺寸、界面要素、装配工艺、电气容量、产品性能等方面。

通过调研发现，在风格需求方面，更多的被调研者认为电力自动化装置应具有“简约的”“安全的”“稳定的”意象特征，而不是“柔和的”“保守的”“本土的”(如图3所示)。

图3 风格需求调研分析

在外观要素方面，经过外形尺寸、界面要素调研后，可归纳总结产品族中各成员产品的预期需求，提取各种需求的有效要素，如产品各组成要素的大小、颜色、按键、指示灯、显示屏、主体材质、告警需求等，然后进行分类、统计、筛选，最终形成后续设计的需求输入(见表1)。通过调研可以得出：4U高度主要来自于产品的标准化需求；19″ 的宽度适合搬运、安装等操作，符合人体工程学；塑胶材质的按键具有更佳的操作手感及操作灵敏度。

表1 电力自动化装置的外形要素需求

注：1U=44.45 mm；19″=482.6 mm(等同于双肩宽)。

深入广泛的调研能更全面地了解潜在需求，进行准确的市场定位，拓宽产品的设计预期，减少产品成熟后由于补充需求带来的设计变更。充分的品牌战略研究可使最终的产品设计不偏离品牌战略定位的预期。

3.2 结合需求，突出创新，符合人体工程学

在明确了外观DNA需求、风格需求以及要素需求以后，即可进入工业造型具体设计阶段。在设计初期，应密切关注新材料、新工艺、新设备的发展动态，及时引入创新的设计手法，突出产品的可识别特征，增强辨识度。

电力自动化装置主要由箱体及面板组件构成，箱体部分受行业标准及产品功能制约，其造型特征相对固定，可识别特征一般位于装置前面板，通常涉及键盘、指示灯、液晶屏、通信口等要素的分组及确定，因此面板的布局、用色等需要周密考虑。面板外

形尺寸、结构形式与逻辑功能的区域划分、操作方式密不可分，面板是人机信息传递和交互的主要载体，受生理、心理习惯影响，人们在操作时会本能地、随机地出现错误观察或操作。

面板总体布局设计需符合均衡性原则，例如在设计某电力装置时，可沿着轴线把面板切割为4块，然后再按照对称轴线比较两边的质量，面板的上和下、左和右应具有质量上的平衡和中心的稳定，各造型元素相互调节后形成一种安定静止的现象，以体现稳定性特点。图4a中，左图比右图好，右图重心偏左；图4b中，左图比右图好，右图重心偏上。

图4 视觉重心分析示意

总之，在设计时应采用容错、避错手法，使产品安全可靠并始终处于最佳工作状态。方便识别、功能突出、保证产品可靠性和提高使用人员的操作绩效是产品设计时所必须考虑的人机要素。

3.3 兼顾生产，精益求精，成本最优

产品的外观好比人的外貌，人们通过它认知产品的外部特征，获得不同的心理感受，体验来自产品的情感传递。外观效果需通过材料的加工及表面处理来实现，因此，造型设计应与生产制造密切相关，能设计出来的不一定能制造出来；此外，还需兼顾零件材料的可获取性、制造的可实现性以及装配的可达成性。造型设计的每个元素都应有相对应的制造手段，每个零部件都应有相应的装配要素及装配方法。

根据要求，电力类装置需具有较高的电磁屏蔽效能，一般选用金属材质作为外观壳体基础材料，以钢或铝材为主，辅以相应的表面处理方式。相比较而言，铝质材料的加工手段更为丰富，且其外观表面处理手段更为多样化(见表2)，因此，大部分厂商均以铝质材料作为装置的主体材料。

表2 铝质材料表面处理方式

此外，还要考虑零件与零件之间、零件与模块之间、模块与模块之间的装配关系，并设计出相应的装配方法。具有快速装配功能的机构或零部件组合，可以降低装配难度、减少装配工时、降低装配成本。

4 结束语

随着智能变电站建设的进一步推广，电力系统二次设备装置的应用模式趋于多样化，安装环境的变化及运维手段的更新对可靠性及可维护性提出了更高的要求。直接安装于变电站户外开关场的现场级就地化继电保护装置要求能适应户外复杂的气候环境、电磁环境及大气环境，同时还须满足户外安装、识别、观测、更换等运维要求。就地化装置相比较常规装置体积更小、防护等级更高，对工业造型设计提出了更高的要求。国电南京自动化股份有限公司就地化保护装置采用了表面回形刻槽设计、合理的色彩搭配、先进的阳极氧化工艺等手段，增强了装置壳体表面的散排积水性能，提高了装置的可识别度，使其更能适应运行环境。

总之，通过工业造型设计，能合理地创新产品形态，使其在适应新发展需求的同时，减少生产成本，便于规模化生产，提高产品利润空间，提升公司的公众形象，大大缩短新产品的设计开发周期。产品设计形态创新是一个持续发展的过程，需要设计人员不断地去研究和探索。

[1]裘愉涛，王德林，胡晨，等.无防护安装就地化保护应用与实践[J].电力系统保护与控制，2015，44(20)：1-5.

[2]国电南京自动化股份有限公司.PS-603U系列线路保护装置说明书[Z].

[3]何卫平，蔡鸿明，秦忠宝，等.面向工业造型设计的产品设计定位方法研究[J].计算机工程与应用，2002，38(4):31-33.

[4]侯亮，王浩伦，穆瑞，等.模块化产品族演进创新方法研究[J].机械工程学报，2012，48(11)：55-64.

[5]罗仕鉴，朱上上.工业设计中基于本体的产品族设计DNA[J].计算机集成制造系统，2009，15(2)：226-233.

[6]王荣祥,任效乾.提高产品设计水平 增强市场竞争能力[J].矿业装备，2011(4)：54-57.

[7]薛澄岐.产品色彩设计[M].南京：东南大学出版社，2007.

[8]陈汗青.产品设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

(本文责编：刘芳)

2017-03-15；

2017-04-17

TM 76

B

1674-1951(2017)05-0036-03

俞春林(1978—)，男，江苏南通人，工程师，从事工业产品设计、机械结构及工艺等方面的研究(E-mail:chunlin-yu@sac-china.com)。

杭仁苹(1982—)，男，江苏南京人，工程师，从事工业产品设计、机械结构及工艺等方面的研究。

陈福锋(1979—)，男，江苏宜兴人，高级工程师，从事继电保护及智能变电站等方面的研究。