人機(jī)回圈

張希承

摘 要：結(jié)合工程設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計的方法，強(qiáng)調(diào)以人為本的設(shè)計宗旨，通過數(shù)字化建模的多物理模擬方法來整合人的需要、人的能力和人的局限性，在產(chǎn)品設(shè)計過程中盡早地考慮人的因素，構(gòu)建一個系統(tǒng)的人機(jī)回圈設(shè)計流程框架。

關(guān)鍵詞：人機(jī)回圈；產(chǎn)品設(shè)計；以人為本；設(shè)計流程

中圖分類號：TP311.52；F426.61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）33-0149-02

一、引言

設(shè)計，從最有形的實體到最抽象的形式均是以人為中心，人的動機(jī)激勵著一切解決人最基本的生理需求和實現(xiàn)自我等高級需求的設(shè)計活動。設(shè)計由人來完成，為人而服務(wù)，因此，人的因素是一切設(shè)計活動的核心。然而，我們的產(chǎn)品設(shè)計卻常常未能在設(shè)計過程中盡早地考慮到人的因素，隨著設(shè)計產(chǎn)品和制造工藝的日趨復(fù)雜化，在設(shè)計過程中盡早考慮人的需求、人的能力和人的局限性就尤為重要。

二、人因工學(xué)在當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計中的缺失

人因工學(xué)對設(shè)計兼具美好形式與強(qiáng)大功能的產(chǎn)品具有至關(guān)重要的作用，但遺憾的是，當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計常常暴露出人因工學(xué)缺失的問題，具體表現(xiàn)在以下三個方面。

首先，產(chǎn)品設(shè)計師之間缺乏人因工學(xué)方面的交流。設(shè)計以人為本的產(chǎn)品需要同時從理性與非理性的角度來高度關(guān)注設(shè)計中人的因素，需要工程設(shè)計師和產(chǎn)品設(shè)計師協(xié)同合作、密切交流，充分發(fā)揮各自的技術(shù)與技能，共同分析設(shè)計中人的需求、能力與局限性，整體全面地解決設(shè)計的問題。

但是，工程設(shè)計師和產(chǎn)品設(shè)計師都是在不同的領(lǐng)域中，從不同的角度去關(guān)注設(shè)計中的人因工學(xué)。在設(shè)計的過程中，工程設(shè)計師與產(chǎn)品設(shè)計師因為學(xué)科、標(biāo)準(zhǔn)與實踐領(lǐng)域的差異而缺乏溝通，他們對產(chǎn)品的安全性、適用性和易用性都有自己專門的考量點，這些考量點之間存在著差異與間隙，由此造成設(shè)計過程中產(chǎn)品設(shè)計師藝術(shù)的判斷和工程設(shè)計師結(jié)構(gòu)的方法不是相互削減，就是相互制約的局面。

其次，產(chǎn)品設(shè)計過程中缺乏人因工學(xué)的實踐。美國有研究表明，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，98%的決策都是基于設(shè)計師以往的經(jīng)驗與直覺。①大多數(shù)情況下，設(shè)計師都是遵循著基于案例的試誤程序來進(jìn)行設(shè)計，即無條理地受設(shè)計構(gòu)思驅(qū)導(dǎo)，再試圖通過設(shè)計解決某一具體問題，最后用人因工學(xué)來評估設(shè)計的結(jié)果。②這種立足于主觀經(jīng)驗與直覺的試誤式設(shè)計只是在設(shè)計的最后階段考慮人因工學(xué)，將其作為設(shè)計產(chǎn)品的后期評估手段，在設(shè)計過程中的重要考量因素，通常會造成較高的設(shè)計方案修改成本，若是在設(shè)計過程中并沒有充分考慮到人的需求、能力與局限性，其弊端是會造成較高的設(shè)計方案修改成本。

最后，在整個設(shè)計系統(tǒng)中缺乏人因工學(xué)意識。人因工學(xué)一直被視為一個單獨的領(lǐng)域，并沒有被完全納入到設(shè)計系統(tǒng)的范疇。人因工學(xué)的基本原則是整合與人類生理與認(rèn)知相關(guān)的知識來設(shè)計最佳的產(chǎn)品，它是用一種整體的、協(xié)作的方式，在人與系統(tǒng)組件之間創(chuàng)建一種有效的互利關(guān)系，去提高整個設(shè)計系統(tǒng)的性能，優(yōu)化人類的福祉。

如前文所述，人因工學(xué)的方法在設(shè)計中主要被用來作為檢測點或評估的步驟，而不是用來指導(dǎo)設(shè)計，尚未在整個設(shè)計系統(tǒng)中發(fā)揮作用。由于人因工程學(xué)涉及到產(chǎn)品設(shè)計中許多重要的方面，如人體測量學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械工程、運(yùn)動機(jī)能學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)等，因此，應(yīng)該用一種跨學(xué)科合作的方法，在設(shè)計過程中用人因工學(xué)來考量人與人造物之間的相互作用，將人因工學(xué)的方法運(yùn)用于設(shè)計的整個周期。

三、將數(shù)字人體建模作為整合設(shè)計與人因工學(xué)的重要媒介

數(shù)字人體建模通過數(shù)字化模擬分析人體各種復(fù)雜的功能（包括物理層面和認(rèn)知層面），用數(shù)字化的人體模型取代真實的人，將其置于一個仿真或虛擬的環(huán)境中來預(yù)測設(shè)計產(chǎn)品性能與安全性。數(shù)字人體建模便于設(shè)計師在設(shè)計早期應(yīng)用人因工學(xué)的原理，在確保產(chǎn)品安全高效的同時，提高設(shè)計的效益，節(jié)省設(shè)計的成本。

此外，數(shù)字人體建模還有一個重要的優(yōu)勢，就是能夠靈活地導(dǎo)入到虛擬產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品生命周期管理、計算機(jī)輔助工程，以及動態(tài)捕捉、視覺追蹤和虛擬現(xiàn)實等數(shù)字應(yīng)用軟件包中。目前，許多計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助工程軟件包里也新增了數(shù)字人體建模功能，這樣就更便于設(shè)計師在設(shè)計中通過數(shù)字人體建模來考慮人的因素。

數(shù)字人體建模提供了一種整合藝術(shù)設(shè)計與科學(xué)技術(shù)的人因工學(xué)設(shè)計方式，能夠?qū)a(chǎn)品設(shè)計師基于主觀判斷和擴(kuò)散靈感特質(zhì)的創(chuàng)造性思維與工程設(shè)計師基于客觀分析和結(jié)構(gòu)特質(zhì)的建構(gòu)性思維相結(jié)合，便于設(shè)計師同時從美學(xué)與功能的角度考量評估設(shè)計的產(chǎn)品，是設(shè)計過程中溝通產(chǎn)品設(shè)計師與工程設(shè)計師的理想媒介，也是將人因工學(xué)運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計的有效工具。

四、建構(gòu)以人為本的人機(jī)回圈設(shè)計流程

人機(jī)回圈設(shè)計框架就是要利用數(shù)字人體建模的這些優(yōu)勢，將其作為整合設(shè)計與人因工學(xué)的重要媒介，通過數(shù)字人體建模來溝通不同學(xué)科（如生理學(xué)、心理學(xué)、人體測量學(xué)、運(yùn)動機(jī)能學(xué)、生物力學(xué)、工業(yè)工程學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計等）之間的聯(lián)系，在產(chǎn)品開發(fā)過程中較早地、全面地考慮人的因素，設(shè)計真正以人為本的優(yōu)良產(chǎn)品。

優(yōu)良的產(chǎn)品設(shè)計需要在充分利用現(xiàn)有方法與技術(shù)手段的同時，整合從工程設(shè)計到藝術(shù)設(shè)計、從先進(jìn)技術(shù)到資源、財政等方面的技術(shù)與非技術(shù)層面的方法。由于設(shè)計是一個復(fù)雜的整體性的過程，因此沒有哪一種單一的方式或通用的準(zhǔn)則能夠作為一種萬能的優(yōu)良設(shè)計策略，但是卻能夠提出一種協(xié)同的設(shè)計框架，將各種工具和方法囊括其中，同時還能夠隨著時代的發(fā)展，不斷地增加新的工具與方法。

若能夠搭建一種模塊化集成來自各學(xué)科領(lǐng)域、設(shè)計領(lǐng)域、技術(shù)與非技術(shù)領(lǐng)域的不同工具和方法，將其整合到設(shè)計周期的各個階段（概念、建模、仿真等）去提高產(chǎn)品設(shè)計的效率與效果，同時并行地運(yùn)用數(shù)字人體建模和計算機(jī)輔助工程反復(fù)修改設(shè)計構(gòu)思，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)入設(shè)計原型階段，這樣就能夠在設(shè)計過程中盡早地考慮到人的需求、能力與局限性，在制作原型之前就能夠檢測出設(shè)計中的漏洞。

從某種角度而言，人機(jī)回圈設(shè)計框架是一種改良版的“虛擬建構(gòu)”方法。③人機(jī)回圈設(shè)計框架的主體由數(shù)字人體建模工具支撐，通過數(shù)字人體建模來模擬人在生理層面和認(rèn)知層面的需求、能力和局限性，并與計算機(jī)輔助工程無縫對接來評估設(shè)計產(chǎn)品是否符合人體工學(xué)，從而設(shè)計以人為本的產(chǎn)品。它不僅關(guān)注于最后階段的人因工學(xué)評估，還關(guān)注整個設(shè)計系統(tǒng)，包括且不局限于概念開發(fā)、整體結(jié)構(gòu)和數(shù)字建模等設(shè)計過程。

圖1是根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)步驟構(gòu)建的以人為本的人機(jī)回圈設(shè)計框架。在設(shè)計框架中，產(chǎn)品設(shè)計的過程被劃分為順時針升序排列的4個模塊——了解需求、概念生成、原型創(chuàng)建和設(shè)計實現(xiàn)。“了解需求”是產(chǎn)品設(shè)計的初始階段，也是整個設(shè)計過程中的關(guān)鍵步驟。在此階段，通過問卷調(diào)研、訪談研究用戶需求來了解用戶的能力和局限性，并通過平面草圖和3D建模等方式來生成最初的設(shè)計構(gòu)思，此階段的工作重心是建模。數(shù)字人體建模在 “概念生成”階段起到了重要的作用，幫助設(shè)計師從前一個階段構(gòu)思出的一系列設(shè)計方案中過濾出既能夠反映設(shè)計師的創(chuàng)意，又能夠滿足設(shè)計的需求的最佳模型?！霸蛣?chuàng)建”階段的工作重點是利用計算機(jī)輔助工程等軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過結(jié)構(gòu)建模對過濾出來的概念模型進(jìn)一步檢測提煉，創(chuàng)建既能滿足客戶需求，又能滿足工程要求的原型模型?！霸O(shè)計實現(xiàn)”是最后一個階段，需要進(jìn)一步提煉完善之前建立的原型，并根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性和設(shè)計的要求構(gòu)建數(shù)字的、實體的、或是數(shù)字與實體相結(jié)合的，能夠滿足客戶需求、制造生產(chǎn)、后期維護(hù)和包裝工藝的最終原型。（圖1）

如圖所示，在人機(jī)回圈設(shè)計框架中，數(shù)字人體建模發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。數(shù)字人體建模不僅是設(shè)計分析的工具，也是設(shè)計各環(huán)節(jié)參與方互相溝通的媒介。數(shù)字人體建模將產(chǎn)品的形式、功能與人的因素相聯(lián)系，將各設(shè)計步驟、單位相聯(lián)系，讓設(shè)計師能夠在整個設(shè)計過程中運(yùn)用人因工學(xué)充分考慮產(chǎn)品使用者的需求、能力與局限性，并根據(jù)設(shè)計對象的性質(zhì)，靈活地選擇、組合不同的方法與技術(shù)，設(shè)計以人為本的優(yōu)良產(chǎn)品。

五、結(jié)語

人機(jī)回圈設(shè)計框架將產(chǎn)品設(shè)計與工程設(shè)計相結(jié)合，關(guān)照了產(chǎn)品設(shè)計過程中科學(xué)層面與視覺層面人的因素，整合了各種工具與技術(shù)，通過數(shù)字人體建模、計算機(jī)輔助設(shè)計建模和計算機(jī)輔助工程建模將人因工學(xué)運(yùn)用于整個設(shè)計過程中，使產(chǎn)品設(shè)計更加科學(xué)、便利，為以人為本的設(shè)計提供了一種低成本的設(shè)計思路，并能夠廣泛地運(yùn)用到各種設(shè)計領(lǐng)域，為設(shè)計提供更廣闊的創(chuàng)造空間。

注釋：

①參見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.

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

③虛擬建構(gòu)（Virtual Build，簡稱VB）最早由美國福特汽車公司提出，是一種整合了數(shù)字人體建模、動態(tài)捕捉（Motion Capture，簡稱MoCap）和虛擬環(huán)境（Virtual Environment，簡稱VE）技術(shù)，對產(chǎn)品和過程進(jìn)行人體工學(xué)評估的方法。這種方法由一個物理的或一個描繪了真實工作站（或產(chǎn)品）的虛擬環(huán)境組成，但通常僅用于產(chǎn)品設(shè)計后期的人體工學(xué)評估。