人机回圈

张希承

摘 要：结合工程设计与产品设计的方法，强调以人为本的设计宗旨，通过数字化建模的多物理模拟方法来整合人的需要、人的能力和人的局限性，在产品设计过程中尽早地考虑人的因素，构建一个系统的人机回圈设计流程框架。

关键词：人机回圈；产品设计；以人为本；设计流程

中图分类号：TP311.52；F426.61 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2017）33-0149-02

一、引言

设计，从最有形的实体到最抽象的形式均是以人为中心，人的动机激励着一切解决人最基本的生理需求和实现自我等高级需求的设计活动。设计由人来完成，为人而服务，因此，人的因素是一切设计活动的核心。然而，我们的产品设计却常常未能在设计过程中尽早地考虑到人的因素，随着设计产品和制造工艺的日趋复杂化，在设计过程中尽早考虑人的需求、人的能力和人的局限性就尤為重要。

二、人因工学在当前产品设计中的缺失

人因工学对设计兼具美好形式与强大功能的产品具有至关重要的作用，但遗憾的是，当前的产品设计常常暴露出人因工学缺失的问题，具体表现在以下三个方面。

首先，产品设计师之间缺乏人因工学方面的交流。设计以人为本的产品需要同时从理性与非理性的角度来高度关注设计中人的因素，需要工程设计师和产品设计师协同合作、密切交流，充分发挥各自的技术与技能，共同分析设计中人的需求、能力与局限性，整体全面地解决设计的问题。

但是，工程设计师和产品设计师都是在不同的领域中，从不同的角度去关注设计中的人因工学。在设计的过程中，工程设计师与产品设计师因为学科、标准与实践领域的差异而缺乏沟通，他们对产品的安全性、适用性和易用性都有自己专门的考量点，这些考量点之间存在着差异与间隙，由此造成设计过程中产品设计师艺术的判断和工程设计师结构的方法不是相互削减，就是相互制约的局面。

其次，产品设计过程中缺乏人因工学的实践。美国有研究表明，在产品设计过程中，98%的决策都是基于设计师以往的经验与直觉。①大多数情况下，设计师都是遵循着基于案例的试误程序来进行设计，即无条理地受设计构思驱导，再试图通过设计解决某一具体问题，最后用人因工学来评估设计的结果。②这种立足于主观经验与直觉的试误式设计只是在设计的最后阶段考虑人因工学，将其作为设计产品的后期评估手段，在设计过程中的重要考量因素，通常会造成较高的设计方案修改成本，若是在设计过程中并没有充分考虑到人的需求、能力与局限性，其弊端是会造成较高的设计方案修改成本。

最后，在整个设计系统中缺乏人因工学意识。人因工学一直被视为一个单独的领域，并没有被完全纳入到设计系统的范畴。人因工学的基本原则是整合与人类生理与认知相关的知识来设计最佳的产品，它是用一种整体的、协作的方式，在人与系统组件之间创建一种有效的互利关系，去提高整个设计系统的性能，优化人类的福祉。

如前文所述，人因工学的方法在设计中主要被用来作为检测点或评估的步骤，而不是用来指导设计，尚未在整个设计系统中发挥作用。由于人因工程学涉及到产品设计中许多重要的方面，如人体测量学、生物力学、机械工程、运动机能学、生理学、心理学等，因此，应该用一种跨学科合作的方法，在设计过程中用人因工学来考量人与人造物之间的相互作用，将人因工学的方法运用于设计的整个周期。

三、将数字人体建模作为整合设计与人因工学的重要媒介

数字人体建模通过数字化模拟分析人体各种复杂的功能（包括物理层面和认知层面），用数字化的人体模型取代真实的人，将其置于一个仿真或虚拟的环境中来预测设计产品性能与安全性。数字人体建模便于设计师在设计早期应用人因工学的原理，在确保产品安全高效的同时，提高设计的效益，节省设计的成本。

此外，数字人体建模还有一个重要的优势，就是能够灵活地导入到虚拟产品开发、产品生命周期管理、计算机辅助工程，以及动态捕捉、视觉追踪和虚拟现实等数字应用软件包中。目前，许多计算机辅助设计和计算机辅助工程软件包里也新增了数字人体建模功能，这样就更便于设计师在设计中通过数字人体建模来考虑人的因素。

数字人体建模提供了一种整合艺术设计与科学技术的人因工学设计方式，能够将产品设计师基于主观判断和扩散灵感特质的创造性思维与工程设计师基于客观分析和结构特质的建构性思维相结合，便于设计师同时从美学与功能的角度考量评估设计的产品，是设计过程中沟通产品设计师与工程设计师的理想媒介，也是将人因工学运用于产品设计的有效工具。

四、建构以人为本的人机回圈设计流程

人机回圈设计框架就是要利用数字人体建模的这些优势，将其作为整合设计与人因工学的重要媒介，通过数字人体建模来沟通不同学科（如生理学、心理学、人体测量学、运动机能学、生物力学、工业工程学、机械工程学、产品设计等）之间的联系，在产品开发过程中较早地、全面地考虑人的因素，设计真正以人为本的优良产品。

优良的产品设计需要在充分利用现有方法与技术手段的同时，整合从工程设计到艺术设计、从先进技术到资源、财政等方面的技术与非技术层面的方法。由于设计是一个复杂的整体性的过程，因此没有哪一种单一的方式或通用的准则能够作为一种万能的优良设计策略，但是却能够提出一种协同的设计框架，将各种工具和方法囊括其中，同时还能够随着时代的发展，不断地增加新的工具与方法。

若能够搭建一种模块化集成来自各学科领域、设计领域、技术与非技术领域的不同工具和方法，将其整合到设计周期的各个阶段（概念、建模、仿真等）去提高产品设计的效率与效果，同时并行地运用数字人体建模和计算机辅助工程反复修改设计构思，在此基础上再进入设计原型阶段，这样就能够在设计过程中尽早地考虑到人的需求、能力与局限性，在制作原型之前就能够检测出设计中的漏洞。

从某种角度而言，人机回圈设计框架是一种改良版的“虚拟建构”方法。③人机回圈设计框架的主体由数字人体建模工具支撑，通过数字人体建模来模拟人在生理层面和认知层面的需求、能力和局限性，并与计算机辅助工程无缝对接来评估设计产品是否符合人体工学，从而设计以人为本的产品。它不仅关注于最后阶段的人因工学评估，还关注整个设计系统，包括且不局限于概念开发、整体结构和数字建模等设计过程。

图1是根据产品开发步骤构建的以人为本的人机回圈设计框架。在设计框架中，产品设计的过程被划分为顺时针升序排列的4个模块——了解需求、概念生成、原型创建和设计实现。“了解需求”是产品设计的初始阶段，也是整个设计过程中的关键步骤。在此阶段，通过问卷调研、访谈研究用户需求来了解用户的能力和局限性，并通过平面草图和3D建模等方式来生成最初的设计构思，此阶段的工作重心是建模。数字人體建模在 “概念生成”阶段起到了重要的作用，帮助设计师从前一个阶段构思出的一系列设计方案中过滤出既能够反映设计师的创意，又能够满足设计的需求的最佳模型。“原型创建”阶段的工作重点是利用计算机辅助工程等软件进行结构分析，通过结构建模对过滤出来的概念模型进一步检测提炼，创建既能满足客户需求，又能满足工程要求的原型模型。“设计实现”是最后一个阶段，需要进一步提炼完善之前建立的原型，并根据产品的复杂性和设计的要求构建数字的、实体的、或是数字与实体相结合的，能够满足客户需求、制造生产、后期维护和包装工艺的最终原型。（图1）

如图所示，在人机回圈设计框架中，数字人体建模发挥着至关重要的作用。数字人体建模不仅是设计分析的工具，也是设计各环节参与方互相沟通的媒介。数字人体建模将产品的形式、功能与人的因素相联系，将各设计步骤、单位相联系，让设计师能够在整个设计过程中运用人因工学充分考虑产品使用者的需求、能力与局限性，并根据设计对象的性质，灵活地选择、组合不同的方法与技术，设计以人为本的优良产品。

五、结语

人机回圈设计框架将产品设计与工程设计相结合，关照了产品设计过程中科学层面与视觉层面人的因素，整合了各种工具与技术，通过数字人体建模、计算机辅助设计建模和计算机辅助工程建模将人因工学运用于整个设计过程中，使产品设计更加科学、便利，为以人为本的设计提供了一种低成本的设计思路，并能够广泛地运用到各种设计领域，为设计提供更广阔的创造空间。

注释：

①参见S. J. Czaja and S. N. Nair. Human factors engineering and systems design. ？Handbook of Human Factors and Ergonomics， Third Edition， pages 32–49， 2006.

②参见W. Karwowski. The discipline of ergonomics and human factors. Handbook of Human Factors and Ergonomics， 3， 2006.

③虚拟建构（Virtual Build，简称VB）最早由美国福特汽车公司提出，是一种整合了数字人体建模、动态捕捉（Motion Capture，简称MoCap）和虚拟环境（Virtual Environment，简称VE）技术，对产品和过程进行人体工学评估的方法。这种方法由一个物理的或一个描绘了真实工作站（或产品）的虚拟环境组成，但通常仅用于产品设计后期的人体工学评估。