基于情景分析的智能化家具设计研究

■张宗登 刘宗明 Zhang Zongdeng & Liu Zongming

(1.2.湖南工业大学,湖南株洲 412007)

1 情景分析的特点及构成

1.1 情景分析的特点

所谓情景分析，是指通过考虑未来事件可能发生的结果，进而预测未来可能发生事件过程的方法，属于直观的定性预测方法。情景分析实际上是一种设计知识表达的过程，一般用于产品的概念设计阶段，它要求设计师充分依据现有要素，充分发挥自身的想象力，将产品的使用者置于产品的使用情景之中，通过探讨使用情境中所存在的问题与要素，提出解决问题的方法与路径，进而找到产品设计的概念定位和设计突破口，最终形成合理的设计方案。

情景分析设计是人类的一种常见的智力认知活动，它主要研究如何将人类所获取的设计知识、设计经验与设计灵感融入到设计创新活动中去。也就是说，情景分析设计是研究人类如何获取设计知识与技巧，使设计师的想法、理念、创意和行为适应设计的内外部环境因素，并获得广泛的设计思路和设计洞察力[1]。在概念设计过程中，情景分析设计主要有两种知识表征方式，一是通过设计师的灵感知识进行的设计表征，这需要设计师的智慧、经验、灵感、顿悟、知识背景、洞察力等感知行为与要作用于解决问题的环境知识（包括问题内部知识、领域关联知识、跨领域问题等）共同作用，来激起设计师产生解决问题的创造性构想，从而科学合理地表征并解决设计问题；二是设计问题所具备的详细信息要素的表征，这主要包括对设计问题的深入理解与详细表达、设计内外部环境所处的各种制约因素的分析、设计方法运用的合理运用等[2]。在我们的日程生活中，由于产品的内外制约要素有很多，必然存在设计情景中的某些要素不能使用特定的设计方案，如将玻璃设计成承重结构肯定不如使用金属更适合；将棉花做成燃料，不如将其加工成衣料更符合人的客观实际需求；原木做成的建筑物结构，肯定不如设计成家具更合理。

1.2 情景分析设计的构成

在设计过程中，情景分析的核心内容，是设计问题的知识表征方式，它要求设计师解决如何将设计知识来表征我们所要解决的设计问题。根据设计问题表达的方式不同，可以将情景设计分为设计的外部情景、内部情景、设计子情景三种知识模块。外部情景知识主要是由影响设计问题的外部要素所构成，如市场、销售、使用者等外部要素；内部情景知识主要由设计问题的内部要素构成，如材性、功能等；设计子情景是将情景知识层层分级，是外部情景知识与内部情景知识互相融合，从而提出新设计方案，解决相关设计问题。根据具体设计问题的相关知识结构，可以将情景分析设计知识分为与人相关的设计要素、与产品相关的设计要素、与环境相关的设计要素以及三者之间相互关联的设计要素四个部分。这四个情景知识类型共同构成了情景设计知识信息库，如表1所示。

由表1中可以知道，情景分析设计知识包括四个情景知识模块，即“人”的模块，“产品”模块，“环境”模块和人、产品、环境三者关联模块。每一个知识模块包含着许多情景设计知识要素，这些知识要素对设计定位起着限定和指导作用，从而可以获得产品的情景认识。情景知识信息库可以分为效用知识库，案例知识库，专利知识库，市场知识库，设计知识库等，这些知识库是情景设计分析的纽带和桥梁。情景分析对概念设计至关重要，它对产品概念设计的分析与整合，确定产品设计系统中各项因素，将产品创新构想具体化等分析过程，都是不可或缺的。在进行产品概念设计的过程中，通过产品的情景知识分析，可以对产品所处系统的存在方式和设计属性进行定位。概念设计之初，通过调研资料的分析与归类，并将其转化为相关的情景知识，总结出各个相关情景知识要素之间的联系，从而确立概念设计的目标范围和设计问题。在这个过程中，情景分析主要是充分利用信息库中的信息资源，通过对产品与人的交互情景分析，获得人在一定环境中的各种需求；从人与产品交互情景分析中，获得产品的具体设计构思；通过对产品与环境的交互情景分析，获得产品概念设计的各种约束条件[3]。

表1 情景分析设计知识模块构成

2 情景分析在智能化家具设计中应用

2.1 智能化家具情景设计知识构成

智能化家具是指利用计算机、通讯与网络、自动控制、IC卡及传感器检测等技术，通过适宜的结构与接口，可模拟人的智能活动过程自动实现特定功能，同时与家居生活各相关子系统有机结合在一起，通过统筹管理使家居生活更加舒适、安全、有效的产品的总称[4]。智能化家具必须具备两个基本条件：一是具有同类传统家具的基本功能；二是具有同类传统家具所不拥有的特定功能，如坐具类家具的背斜角、座斜角、座高、扶手高度、靠枕的高度与角度等参数都可以随使用者的要求而自动改变，这样一件家具就具备了一定智能。智能化家具设计主张理性、强调功能、注重技术、追求简洁、突出功能的智能化、便于易于使用等方面的特点。

以智能化家具设计为例，运用情景分析方法，对其进行相关概念设计。就智能化家具而言，家具是设计主体，即目标设计或者源设计，智能化是对家具功能要求的设计限定，在这里已经对家具设计知识进行第一次的过滤。在设计过程中，家具产品的本体知识要素对设计实现具有较为重要的作用，就其结构而言，具有以下几个方面的知识要素：一是“智”充当了智能化家具的大脑，具有指挥功能。其主要任务是按照预先编好的程序进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警等，同时通过连接电路向系统各个部分发出各种控制命令，指挥整个系统有条不紊的工作。二是“能”即能动，通过具体的执行元件完成各种特定功能。三是智能化家具系统中的“连接部位”，连接部位既包括产品—产品交互界面，又指人—产品交互界面，即人与家具的信息交换的界面，它是连接“智”与“能”的桥梁[5]。

智能化家具设计的核心点在“智能”上，使家具实现“智能”是智能化家具设计的基本目标。根据这一特点，笔者将家具本体知识模块作为情景分析的重点，而产品与环境，产品与市场，产品与人等知识模块居于家具本体知识情景分析之后，由此可以把智能化家具内在情景知识分为家具结构知识，家具行为知识和家具功能目标知识三个情景设计知识模块，如图1所示。在智能化家具情景知识分析中，结构知识模块主要有五个大的部分组成，即智能控制设备、智能执行设备、传感装置、家具本体结构和智能传动机构。如果将智能化家具比作人体，家具本体结构与非智能家具一样，是家具的“躯体”，用于连接和支撑其家具功能部分；传感装置是家具的“五官”，用来感知外界和躯体内部的变化，准确测出其当前状态，保证系统进入控制状态；智能控制设备相当于家具的“大脑”，是智能化家具的灵魂；智能传动机构则类似家具的“四肢”，用于完成控制设备传达的任务。

智能化家具行为知识模块主要是指不同的家具结构在“智能化”功能实现过程中通过何种行为发挥作用，如智能控制设备主要是按照预先编好的程序进行数据采集、数据处理、逻辑处理、控制量计算等，并通过连接电路向智能系统的各个部分发出控制命令，指挥整个系统有条不紊的工作；智能执行设备的主要行为是根据控制器发出的指令，直接控制执行装置工作；传感装置的作用是把位移、速度、力、温度、光度等物理量和浓度、成分等化学量转换为电信号；家具本体结构是所有功能的支撑结构，完成系统的结构功能；智能传动机构主要是借助一些传动装置对系统作直接、物理性的作用，来达到系统所希望的状态。

智能化家具功能目标知识主要是表征智能化家具最终所要实现何种智能化的目标，是概念设计思考的落脚点与归宿所在。根据不同领域智能化发展的现状，以及家具产品本身的特点，智能化家具功能目标知识模块主要包括智能尺度参数调节，如角度调节、高度调节、长度调节、宽度调节、开合度调节、升降度调节、折叠度调节、旋转度调节等，智能感觉系数调节，如亮度调节、温度调节、湿度调节、感应度调节等，以及智能保护功能，如消毒、杀菌、防虫、防蛀等。

2.2 智能化家具情景分析设计模型

笔者在前面提到，情景分析主要适用于产品概念设计阶段，就智能化家具而言，构建具有一般性的情景分析设计模型，对智能化家具产品的开发创新具有重要的指导作用。情景分析设计过程通过情景知识的分析来产生设计设想，进而通过情景知识的限定，来优化设计概念的过程。因此情景知识是设计分析的基础，设计限定所产生的矛盾以及设计需求所产生的概念是设计的关键，鉴于此，笔者认为基于情景分析设计的方法，智能化家具设计模型的建构包括三个方面的内容，一是用于情景分析的设计知识，可以分为六个部分；二是情景分析过程中通过不同的设计限定所产生的矛盾冲突；三是根据情景分析，设计需求所形成的设计概念或设想。矛盾冲突与设计设想之间通过互相交融，以达到设计上的平衡，进而形成合理的设计方案，如图2所示。从图2中可以看出，智能化家具情景分析的知识包括六个基础模块，即环境知识模块，智能化家具知识模块，用户知识模块，用户与环境的交互知识模块，智能化家具与环境的交互知识模块，用户与智能化家具的交互知识模块。由于智能化家具的特殊性，关于智能化家具本身的知识模块在前面已经进行了详细介绍。环境知识模块主要是指智能化家具外在物质与精神空间对设计所产生的影响，一般与产品、用户结合起来分析。用户知识模块对设计概念起着的限定作用，用户的身份、地位、认知、爱好、文化、心理、交往人群，购买力不同，对智能化家具产品的需求也不一样，所形成的设计概念也存在较大的差异。

在情景分析设计过程中，用户、环境及智能化家具三者是相互交融，不可分割的，它们互相交互的过程中，形成了三种具体的设计知识模块。一是用户与环境的交互知识模块，能决定着设计概念的功能和智能化家具产品设计信息传递的是否合理。用户与环境之间的功能活动，能更深层次的挖掘用户的潜在，有针对性的需求；智能化家具产品在环境中信息传递的合理性，对设计概念起着重要的限定作用，不同信息传递方式对应不同设计概念，信息传递的类型也会影响设计概念的种类。同时，智能化家具材料、色彩、功能、形态、风格符号、使用、购买模式的喜好等知识因素，也受外部环境对用户影响。由此可以发现，环境与用户交互知识情景分析，将某种环境下的特定事件的过程分解成了若干细节，使设计师能够注意到用户所没有留意的问题，从而发现智能化家具设计的相关机遇与设想。二是用户与智能化家具之间的交互知识模块，能为设计设想或概念提供直接的目标与需求。通过用户习惯的操作方式、使用步骤、操作的精确性、健康安全要求、信息通道匹配方式和使用者的心理模型、美学要求、情感要求等，来确定智能化家具所要具备的结构、功能、部件设计、工艺材料、产品的形态语言、指示符号、界面排布等多方面的内容。关于用户与智能化家具交互知识模块所涉及的知识很广，包括人体测量学、心理学、认识学、运动学、生理学、美学、医学和工程技术的多个领域。不同的知识，对设计概念起着重要的限定作用，如人体测量学通过的人体尺寸的测量，能确定人体不同部位的尺寸、运动姿势、活动范围、肌力等，这些知识可以决定智能化家具控制器的形状、尺寸、操作方式、所需的驱动力等，进而决定使用者的操作方式、效率、准确性、舒适度等。三是智能化家具与环境的交互知识模块，对设计概念的生产也有着重要的限定作用。就智能化家具而言，智能化产品系统必须要面对大量的周边环境要素带来的问题，如社会经济、现有产品、社会潮流、制度法规（如安全标准）、市场状况、美学价值、技术条件限制、文化规范、品牌形象、用户期待、产品所在的微观环境要求等知识内容，都对智能化产品设计构思产生规范与限定作用。

情景知识是情景分析设计的基础，在智能化家具设计过程中，通过不同模块的情景知识以及情景知识的交互，能发现和挖掘不同的设计需求（需求1、需求2……需求N）；根据不同的设计需求，生成不同的设计概念或设想（设想1、设想2……设想N）；同时，不同模块的情景知识以及情景知识的交互，又能形成不同的限定条件（限定条件1、限定条件2……限定条件N），在限定条件与设计概念的共同作用下，形成完善合理的设计方案。

3 结语

情景分析设计方法一般运用于概念设计知识的表达，是产品概念设计过程中比较有效的一种方法，运用情景分析能产生大量的设计设想与设计方案。与其他设计方法一样，情景分析设计方法可以减少产品开发资源（时间、金钱等）的使用、改善产品功用、提高产品可靠性、降低产品生命周期成本和缩短制造周期[6]。当前，情景分析设计方法仍处于设计探索阶段，有待进一步完善，通过情景分析的设计逻辑与情景知识的设计表征，来探索智能化家具的设计思路，可以大大开拓智能化家具设计的视野，获得源源不断的设计灵感。

[1]檀润华.产品创新设计若干问题研究进展[J].机械工程学报,2003,39(9):11-16.

[2]曹东兴等.概念设计中功能结构建立[J].机电工程,1999,16(2):11-14.

[3]刘晓敏等.基于功能——行为——结构情景设计的未预见发现构造模型驱动产品创新[J].机械工程学报,2006,42(12):186-191.

[4]罗公亮,卢强.智能控制与常规控制[J].自动化学报,1994(3):324-332.

[5]段海燕,吴智慧.智能化——未来家具发展的趋势[J].林产工业,2006,4.(33):16-19.

[6]韩晓建,邓家提.产品概念设计过程的研究[J].计算机集成制造系统-CIMS,2000,12(01):14-17.