工程机械产品造型特征坐标系构建——以挖掘机为例

唐珊

澳门科技大学 中国澳门 999078

工程机械产品由于其功能的确定性、技术的限制以及产品的复杂性导致其造型过程受到较大约束。针对工程机械产品造型特征的复杂性问题，张昆等构建了工程机械装备造型特征的层级结构，提出层级内部造型特征的一致性和层级间造型特征的差异性，并结合语义标尺构建了层级造型特征分析的模糊表达方法。苏妮娜等通过对遗传算法部分设计理念的引用，提出一种基于现有基因特征提取、优化和改良的造型设计方法。李雪楠等从角色属性即产品造型特征在视觉性和表达性上具有的独特性上出发，提出了造型特征和造型语义的功能、品牌和历史3个角色属性及其一致性表达模型。还有学者从产品形象、造型语义、品牌文化、造型特征和涂装特征方面通过比对、权重分析等研究方法，构建工程机械产品造型设计的方式与途径。本研究从造型特征的本质内涵出发，对工程机械产品从纵向进化、横向对比两个维度构建工程机械产品造型特征坐标系，为工程机械产品造型设计、造型设计评价提供依据。

一、造型特征内涵

在造型设计领域，Jasmin Kaljun等将造型特征分成三个主要元素：艺术元素(elements of art)、语义元素(semantic elements)、技术元素(technical elements)。艺术元素是指产品呈现给人的视觉感知，包括形体、线条、比例、色彩等要素。黑格尔在《美学》一书中也指出，造型艺术的基本特征之一是“以视觉形象为基础(形体的构成、色彩的调配、线条的组合、明暗的对比等)，突出视觉表现”；语义元素是用户解读的产品形态在使用情境中的象征特性；技术元素是实现设计美学元素到产品的主要支撑。

二、工程机械产品造型特征的内涵

Jas-min Kaljun等人关于产品造型特征的研究是基于普遍性产品的造型特征分析，具有宽广的使用范畴。但工程机械产品由于其独特性，受使用环境、产品功能定位、工艺材料的限制性更高，因此在工程机械产品造型特征的研究上，对艺术元素、语意元素、技术元素及其关系进行深入解析，见图1。

图1 工程机械产品造型特征的内涵

艺术元素是造型特征最终的呈现形式，其原型是由语义元素和技术元素所决定的。从视觉感知层面出发，艺术元素包括形状、色彩、材质三个方面。其中形状的描述包括特征线和特征面，可细分为主特征线(面)、次特征线(面)、附加特征线(面)，附加特征线(面)包含LOGO、散热孔以及其他作为装饰用的线或面。特征线(面)包含了工程机械产品的家族特征、品牌特征，以符合美学要求的方式传递给用户。

语义元素是产品在使用情景中给用户形成的象征特性，工程机械产品固有的功能要求决定了这种象征特性，而且象征特性主要是由技术的现实状况所决定，由此同类产品的象征特性基本一致。如挖掘机的功能特性由动臂、斗杆、挖斗决定，驾驶舱必须位于机身上部以便获取更好的视野，机身向后延伸起到配重作用，机身与履带间辅以上下连接件，履带式保证其通过性与恶劣工况环境下的适应性，挖掘机语义形象见图2。

图2 挖掘机语义形象

技术元素包括了生产工艺的改进以及技术研究的进步，保证了艺术元素的落地实现，决定了工程机械产品的语义特性。如无人驾驶可远程操控的挖掘机，在语义形象上就去掉了驾驶舱，改变了产品的整体形象。

三、工程机械产品造型特征坐标系构建

工程机械产品具有庞杂的产品体系，但都是基于系列和型号来划分产品。因此，在基于品牌、系列、型号区别的基础上引入十字坐标系，对工程机械产品体系进行梳理。针对不同品牌不同系列，横向坐标代表品牌，纵向坐标代表产品系列，以表示，其中：

=品牌，=1，2，3…，用于区分不同品牌；

=系列，=1，2，3…，用于区分同一品牌下产品的不同系列。

针对型号类似的不同品牌同一系列产品，横向坐标代表品牌，纵向坐标代表产品系列与型号，以表示，其中：

=品牌，=1，2，3…，用于区分不同品牌；

=系列型号，=1，2，3…，用于区分同一品牌下产品的不同系列；=1，2，3…，用于区分同一品牌同一系列下产品的不同型号。

四、以挖掘机为例构建工程机械产品造型特征坐标系

选取卡特彼勒、三一、徐工集团旗下挖掘机产品进行分析，从官网梳理产品型号。不同品牌对挖掘机系列以吨位进行区分，但分类标准不同，而且同一系列中产品型号非常多，为方便统计对比，以履带式挖掘机为研究对象，产品系列分为小(微)型、中性、大型。

选取不同品牌小(微)型、中型、大型系列产品的代表型号后，以主轮廓线作为主特征线，以轮廓线下贯穿前后的特征线作为次特征线，以LOGO位置、散热孔及其他装饰件作为附加特征线。由于造型特征的分析具有主观性和模糊性，将造型特征分析变量引入李克特7点量表()进行模糊评价：

={，，}，=主特征线；=次特征线；=附加特征线；

={，，}，=主特征面；=次特征面；=附加特征面。

对造型特征的认同性评价为：

式中：—评价人员数量；

—造型特征的模糊评价因子(1≤≤7)的隶属度。

模糊评价因子与造型特征对照关系如表1所示：

表1 模糊因子与造型特征一致性对照关系表

确定各部分造型特征后，选取10名设计行业从业人员对造型特征的符合程度进行打分，最终计算李克特量表均值，最终确定挖掘机产品的主特征线/面(黄色线)、次特征线/面(红色线)、附加特征线/面(蓝色线)。

在色彩分析中，通过色彩构成、色彩占比、色彩感受三个维度来描述。在色彩构成和色彩感受上，不同品牌工程机械具有标志性的色彩涂装，长期以来已经形成一种固有印象，主要通过色彩给人的主观感受来描述。徐工集团在近几年的宣传中以“徐工金”取代“徐工黄”，金色具有高贵、尊荣的意思；三一在其起重机、混凝土机械、桩工机械中使用三一红(功能部件)+工程黄(车身)+工程黑(行走机构)的醒目配色，但在挖掘机产品中采用和其他企业的类似配色：工程黄+工程黑/灰，辅以一些品牌辅助色，见表2；色彩占比通过描绘挖掘机侧视图色彩所占的范围，计算各部分面积，并计算与最小色彩面积的比率。

表2 不同品牌工程机械标志性色彩涂装及色彩感受

五、造型特征的一致性判断

针对产品品同系列间家族特征、品牌特征的一致性问题，以表1李克特7点语义评价量表(Likert Scale)为基础，召集30名工业设计从业人员对不同品牌同系列间产品特征线(面)进行比较，构建语义调查问卷。对造型特征F的一致性评价为：

式中：—评价人员数量；

—造型特征的模糊评价因子(1≤≤7)的隶属度；

—造型特征线(面)(=1为主特征线(面)；=2为次特征线(面)；=3为附加特征线(面))；

—工程机械不同品牌(=代表；=代表；=代表)；

—工程机械不同系列(=1为小型；=2为中型；=3为大型)。

通过语义问卷回收和数据整理，根据造型特征的一致性评价公式，计算每项评价因子的比例以及均值，构建小型履带式挖掘机的造型特征一致性的模糊评价量表，见表3。

表3 小型履带式挖掘机造型特征一致性模糊评价量表

综上，挖掘机产品造型特征一致性与差异性分析如下：

(1)从视觉感知层面看，小(微)型挖掘机挖掘能力小，机身短，曲线(面)特征更具灵活性和亲和力；中、大型挖掘机挖载能力强，机身占据空间大，曲面成型难度成本提高，更多采用棱角线(面)体现力量感与一定警示性。

(2)在色彩层面，挖掘机产品采用工程黄+工程黑+辅助色的色彩构成。其中工程黄分布在机身、动臂、斗杆之上，工程黑分布在履带、驾驶舱、挖斗部分。在辅助色上区别较大。

(3)在主特征线(面)上产品体现出家族一致性的特征。区别在于SANY与CAT机身黄色特征面未延伸至驾驶舱下方，XCMG则是以曲线(面)延伸至驾驶舱下方，整体性更强。

(4)在次特征线(面)上不同品牌呈现出不同的特征。XCMG与CAT小(微)系列特征的一致性较为统一，并呈现出各自的品牌特征特性。SANY的次要特征线(面)一致性有20%的调查者较为同意，主要体现在SY135C型号的次要特征线(面)与其他产品未保持一致，出现明显差异。

(5)在附加特征线(面)上除CAT外均呈现出较大差异。附加特征线(面)包括LOGO位置、散热孔位、其他装饰件。CAT在308E2迷你型中侧面机身没有附加特征线(面)，但在其他型号中呈现出一致性的特点。SANY的SY55C、SY65C与SY85C、SY135C呈现出三种不同形态的LOGO外框，散热孔位上SY55C与其他型号不一致，这是导致40%的调查者认为其一致性模糊的主要原因。

结语

通过造型特征的语义阐述，结合工程机械产品的独特性，构建了工程机械产品造型特征坐标系，以挖掘机为例结合李克特7点量表(Likert Scale)对其造型特征的一致性进行了分析。结果表明：工程机械产品造型特征坐标系能够有效展开层级产品造型特征的一致性分析，为企业在产品设计开发时保持其品牌特征与家族特征的一致性提供依据和评判方法。后续将不断扩展工程机械产品坐标系的包含范围，特别是在色彩分析中引入语意模糊评价的量化方法，展开深入的量化研究。