基于产品系统设计方法的环境监测设备设计研究

迟方圆　姜勇

关键词：产品系统设计;环境监测设备;产品设计;构成要素

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2022）02-0026-03

1产品系统设计方法概述

产品系统设计方法是一个以设计产品为最终目标的各种科学方法的总称，包括内部系统和外部系统两部分。其中，外部系统是指产品本身与外部环境之间的一种相互联系，而内部系统则是指产品自身的各个要素与其结构之间的相互关系。产品的内部系统和外部系统之间是一种相互促进、互为补充的关系，贯穿于产品的整个生命周期。产品系统的属性为：整体性、综合性、最优化。即，产品系统归属于社会宏微观的大系统，社会宏观系统决定着产品系统的各项因素，以强大的社会影响力和渗透力牵引着产品系统的设计方向，社会微观系统构成决定着产品系统的具体构成因素。

产品系统设计主要构成要素包括：功能要素、结构要素、人因要素、形态要素、色彩要素、环境要素等。

功能要素：用户购买产品本质上是购买产品所能实现的功能。因此，实现功能是产品设计的根本目的。

结构要素：产品的功能是由结构来承载的。

人因要素：包含产品生命周期的各个环节涉及的所有人员，如采购生产、市场销售、实际使用、售后维修、回收处理等。

形态要素：包含具象形态和抽象形态，其中抽象形态是提取事物最基础、最本质的要素或性质。

色彩要素：包含色相、明度、纯度和它们之间的互相影响对人的生理及心理产生的影响。

环境要素：需要充分考虑产品的整个生命周期，如产品的规划定位阶段、关键器件的采购比较阶段、产品的设计生产阶段、产品的销售和使用阶段、产品的维修售后阶段、产品的废弃淘汰回收利用阶段等。

产品系统设计方法是在产品设计时将实用价值与审美需求进行有机结合，既体现出科学的先进性，又体现美学艺术性，使技术与美学和谐统一，达到“人一机一环境”的协调发展。

2环境监测设备概述

环保监测设备产品，包括环境空气类监测仪器、烟尘烟气类监测仪器、水质类监测仪器、颗粒物类采样器及数采仪等五大类。国内当前大部分环保检测设备主要分为在线式和便携式两大类。其中，在线式主要为大中型仪器，多为方形仪器框架，体积重量庞大，内部机械结构复杂，自动化程度高，主要为实现功能性，设计感较低;便携类仪器为中小型仪器，相对体积小重量轻些，根据功能和使用场景的不同，会有一些差异化设计。

3基于产品系统设计方法的环境监测设备设计意义

在十九大报告中，生态文明建设的认识高度、实践深度和推进力度达到前所未有的程度，在政策引导下，涌现出大批设备生产制造企业。由于环保领域的特殊性，行业标准约束了基本的监测原理和方法，而在此基础上的差异化设计也对企业发展起到了至关重要的作用。随着选择性的增多，受众对于产品的要求越来越高，用户群体也更加看重企业的品牌综合实力。产品创新是一个系统工程，对于实现这个系统功能的全方位战略，不仅在于产品创新的质量，还包括选择创新产品的类别、确定创新的模式和方式，以及与技术创新等其他方面的协调等。基于产品系统设计方法进行环境监测设备设计，能使环境监测设备企业在除了核心技术的研究之外，从设计之初就更加充分科学地考虑整个产品生命周期的各个环节，以最少的时间和成本塑造优质统一的品牌形象，与其他同行企业形成明显的差异，从而使企业占据市场优势，在众多的环境监测设备企业中脱颖而出并保持长足发展。

4基于产品系统设计方法的环境监测设备设计思路

4.1基于功能结构要素的环境监测设备设计

如上文所述，首先要确定品牌定位。环境监测设备是一种针对性較强的仪器，以使用功能为主，同时应体现使用者的专业性。因此，宜优选择科技含量高、功能齐全的高端定位。

功能根据不同需求标准可划分为不同类别，如根据需求类别可分为使用功能和精神功能，根据需求重要性可分为必要功能和非必要功能或主要功能和次要功能，根据满意度可分为适度功能、不足功能和过剩功能。根据行业特点，环保监测设备宜充分调研使用功能、必要功能和主要功能，以适度为原则进行产品设计。因此，设计过程应优先考虑产业化过程中的模块化设计、可替换性设计，从而根据不同客户需求实现不同功能的组合。同时设计研发测量精确度高、性能稳定的产品，满足客户的使用需求。

以采样器类产品为例，它的使用功能、必要功能和主要功能均为采样，其中采样功能可以分为定流量采样、定体积采样、定时间采样。因此，能够影响采样流量、采样体积、采样时间和采样稳定性的流量计模块就是其中非常重要的模块，可将其进行模块化设计。流量计模块包含管路部分、孔板和计温板三部分。其中管路部分通用，采用模具化设计，孔板部分根据不同的采样需求加工为可替换件，计温板根据客户需求确定是否增加，如图3所示。

4.2基于结构材料要素的环境监测设备设计

作为构成设备本体的材料，首先要保证仪器的结构和质量，同时材料本身的肌理也体现了产品的外观效果。如铝合金与塑料的结合应用，既保证了仪器的强度和韧性，又形成了金属与塑料的质感对比增加丰富度，同时还能减轻产品的总体质量，使设备更加轻便。根据行业特点，环保监测设备宜优先选择合金、碳纤维等结实轻便的新型材料。

材料表面处理工艺的应用具有一举两得的作用。首先，优秀的表面处理工艺可以使设备在色彩和质感上达到理想的效果，提升产品的品质感与档次。同时，设备表面附着一层保护，从而使设备更加耐腐耐用，延长使用寿命，如铝合金的氧化处理、如烤漆的应用。根据行业特点，环保监测设备宜优先选用结实耐用、附着力强、耐候性好的表面处理工艺。

另外，设计过程要综合考虑材料的可回收循环利用、标准化模块可替换设计等。

依然以便携式采样器为例，前后壳体采用ABS工程塑料，表面细颗粒皮纹，中间钣金框架结构，既能保证整体结构的稳定性，又能减轻产品总体质量保证便携性，还具有塑料与金属材质质感和肌理搭配的外观效果。其中，中间的金属钣金具有更加便利的扩展功能，既可以延长长度增加内部结构满足更多功能，也能够方便加工扩展替换不同功能的部件或接口。除了金属材料本身属于可回收材料外，又增加了板材的重复使用率，更加科学环保。同一种材料，不同的表面处理工艺外观效果也不相同，对于铝合金板材，原色氧化、彩色氧化、喷漆、烤漆、喷塑都是常用的表面处理工艺，能起到保护材料防止氧化提高耐候性的作用，技术成熟应用广泛，得到的外观效果丰富多样。如图4为采样器外壳结构示意图。

4.3基于人因要素的环境监测设备设计

现场类设备仪器由于使用环境的复杂性和恶劣性，合理的人机交互和符合人机工学的设计尤其重要。如监测类仪器操作的直观性和操作流程的合理简化、便携式仪器的方便持握、运行过程中的安全保护等。同时，设备设计要充分考虑使用环境的便利性。对于在线仪器来说，一般置于室内的观察室中，主要以稳定、易观察为主。而对于现场仪器来说，更加需要体积小巧、重量轻便的便携式仪器，侧重现场操作和方便运输携带。

以便携式污染源检测仪为例，很多现场使用环境需要带着仪器爬几十米高的烟囱，这就要求仪器越小巧轻便越好，包装也越轻便越好，同时要适用现场复杂恶劣的环境，仪器要稳定可靠、耐脏、耐用。如图5所示，这款仪器采用改性工程塑料，在保证强度的基础上减小重量，满足高低温和酸碱环境中的使用。双控式操作，触摸式彩色大屏，引导式界面操作，让用户不用耗费过多的时间记忆就能按照标准一步步操作进行检测。图6为引导式界面示意图。

4.4基于形态要素的环境监测设备设计

人的第一印象至关重要，而造型设计便是人的第一眼要素的重要组成部分。环境监测设备首先是工业设备，使用环境多为较为恶劣的户外污染现场，因此需要具有工业设备的造型特点，如严谨理性、稳定可靠、结实耐用等。

形态要素根据不同分类标准可划分为不同类别，如根据概念可分为质和量。其中，质包含点线面体等，量包含长短大小和粗细等，根据现实可分为自然和人造，其中自然形态包括有机和无机，人造形态包括象征、模仿和装饰等。根据行业特点，硬朗的风格特点可作为环境监测设备的主要风格，设计时应优先运用大面给人以稳定感，通过线条实现转折变化，对不同大小的体积或不同粗细的线条进行有秩序排列组合等方式体现一种严谨感，优先利用无机形态作为设计元素，在工业环境使用中具有更好的融合性和更大的包容性。通过造型、功能和结构有机结合实现产品设计的最优化。

如图7所示，该仪器整体为硬朗风格，透过面的切割实现线条转折，形成钻石状规则的抽象几何形态，既有一种秩序的严谨性，又有丰富的造型感。同时转折变化的结构增加了仪器壳体的强度，承受了更大的负压，从而满足更高的使用性能。

4.5基于色彩要素的环境监测设备设计

形成第一印象的另一个重要因素便是色彩。色彩的合理运用往往能够抓住用户眼球，给人眼前一亮的感觉，同时也要能够与使用环境更好的适应。

产品可通过色彩组合形成横纵系列，如同一结构不同色彩形成产品的纵向系列，同一色彩不同结构则形成产品的横向品牌。用色彩来区分不同的模块，通过不同的排列组合来设计产品，运用色彩装饰产生丰富的视觉效果。

鉴于使用环境的恶劣性，此类产品优先选用较为耐脏的色彩作为主色调，如黑色、灰色、银色等无彩色系。同时，由于使用环境的脏污性，需要在偌大的场景中明显的看到所用仪器，方便使用者观察寻找，色相上便需要搭配较为醒目的提示色。如具有警示作用的红色、橙色，或者是能够给人以清洁感的蓝色、绿色。但这些颜色应与使用环境相适应，可以用明度低一点的颜色，以便能在环境中能显得柔和而不跳脱，让使用者能够更加舒适。

如图8所示，同一外壳结构不同配色形成了产品纵向系列，如ZR-3620系列是不同流量及高中低配置的小流量气体采样器。而图9为同一色彩不同结构配色形成的产品品牌。

4.6基于环境要素的环境监测设备设计

现代产品设计中的环境要素关系到生产者和使用者的实际利益，是可持续发展的需要，贯穿于产品的整个生命周期，即从前期的规划、设计，到中期的生产、销售、使用，以及后期的维护、回收等，都要充分考虑绿色设计。

根据绿色设计的3R原则，在环境监测设备设计中要做到：

1）Reduce减少。如在设计时将产品小型化，充分考虑在生产过程中减少原材料的使用，减少工序方便组装和维修，生产加工表面处理过程中避免二次污染等。

2）Reuse再利用。如进行标准化模块可替换设计、使用可回收重复利用的原材料等。

3）Recycling可循环。如利用自然界的可再生资源，仪器充电方式可利用绿色能源等。

即，在设计初期考虑产品的整个生命周期，从而使环境友好型绿色设计在环境监测设备设计中得到更充分的应用，使其在为环保方面做出功能效益的同时，本身也更具有环保性。

以便携式现场检测仪为例，首先在规划和设计时要考虑尽可能小、尽可能轻，尽可能方便拆卸维修，以便减少物料成本和人工成本。元器件尽量使用通用模块，如流量控制模块，除水干燥模块等，标准化设计减少研发成本，且具有更加普遍的可替换性。材料尽量选用可二次回收利用的金属、塑料等，电池采用可循环充电的锂电池，提高利用率。

5结语

产品系统设计方法作为一门科学工业设计指导方法，在工业发展中發挥的作用越来越大。产品系统设计方法在环境监测设备设计中的应用也将越来越普遍，利用科学的产品系统设计方法作为指导，将会将工业设计的优势发挥出来。设计师应将自己的创意与行业发展特色相结合，综合考虑各方面的因素，从而使产品设计更加优秀，形成良好的品牌效应，以便帮助企业和产品在环境监测设备这一领域占据更大的市场。

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