基于循证思维的渐进式产品创新方法研究

刘春花 李鲁 李天赠

摘  要：加强设计过程的科学论证被认为制造业升级的迫切要求，为提升设计概念的科学性和合理性，在设计过程运用循证思维来指导产品设计概念的发展和优化。产品设计过程的循证主要包括实验循证和仿真循证，具体过程为：首先，对现有产品进行用户体验测试和实验循证，获取用户需求，提出设计问题；随后，围绕设计问题提出设计概念，并建立初始原型，搭建验证平台，开展循证测试以论证设计概念是否满足需求；随后，基于工作机理，执行功能原型迭代优化，通过实验循证和仿真循证等多种循证手段，逐步形成合理设计方案。以干衣机设计为例论证了该方法的有效性，可为类似的家电产品渐进式创新提供参考。

关键词：循证思维；用户需求；产品创新；仿真

基金项目：本文系广东省哲学社会科学规划获2020年度一般项目“大设计视域下粤港澳传统纸玩的多模态原型库构建及应用研究”（2020XJZZ01）研究成果。

在以技术创新为核心竞争力的今天，工业生产比任何一个时代都更加需要假以系统的、可验证的、理性客观的创造手段和监控方法来保证超规模、产业化、社会化的产品生产与社会服务，以得到可靠的、完整的、严格的质量保证和安全体现。这种思想不仅体现在传统的生产、加工过程之中，更需要首先体现在作为生产力前端的设计过程、创意过程、甚至思维过程之中。因此，运用循证思维，发展“基于证据的设计”，加强设计过程的科学论证被认为制造业代产业升级的迫切要求[1]。同时，随着云计算、大数据、人工智能等新兴技术的兴起，通过技术手段来解决设计论证问题的能力得到了极大的提升，探索设计与先进技术结合的设计模式正逐渐成为创新设计方法研究的新方向[2]。基于技术驱动的设计方法研究主要围绕计算机辅助技术在工业设计中的应用展开，研究人员希望借助于计算机技术提升设计方案形成的的客观科学合理性，到达有效提升设计效率的目的。如利用数值模拟技术可实现产品性能预评估优势，分析产品设计中存在的问题及提出解决方法[3]；利用虚拟现实技术的交互性优势，提高设计方案形成的迭代效率[4]；利用多种快速原型制造技术解决产品在设计中升级或局部调整的问题[5]等。本文基于实验分析与数值模拟等技术手段，提出一种基于循证思维的小家电渐进式产品创新方法，并以便携干衣机的创新设计为例对该方法进行探讨。

一、循证思维与渐进式产品创新

产品创新分为两种：完全创新和渐进式创新。渐进式创新是在产品原有结构的基础上的进一步完善，是一种局部创新，通常包括产品的大小、细节、布局的改良和优化。但是如何更有效地针对用户需求进行改良和优化，则需要进行进行多角度的循证。

循证设计，简称EBD（Evidence-based Design），核心思想是“基于证据的设计”。它最初起源于循证医学和医疗空间设计，目前已经越来越多地运用于建筑设计和工业设计领域。循证设计要求谨慎地、详细地与明智地使用当前研究和实践中的最佳证据，针对每一个项目的特点，设计师与业主合作制定重要的设计决策[6]，其目标是检测设计决策中成功与失败的方面。循证设计通过对证据的理性要求，影响到设计发生时的行为和设计流程。循证设计常用的方法有实验循证、仿真循证以及理论循证等[7]。

随着工业设计理念从功能主义逐渐被以体验为中心的设计所替代，设计研究更加专注于产品与人之间效率与心理感受，并致力于不断探索人机的交互行为、情绪影响、各感官体验问题。在这些研究的推动下，当前设计学已经由传统的经验设计，逐渐向可度量的循证设计改变，许多研究大量使用定量分析和模型预测等理性的技术路径，而数字仿真技术热潮则加快推动了循证设计在设计学的进度[8]。

二、基于循证思维的产品创新流程

基于循证思维的渐进式产品创新理论正逐渐发展为一项基于科学理性的设计理论，其核心是：针对设计问题开展精致而理性的调研，基于实验分析或数值模拟的数据，得出设计概念；在分析概念特性的基础上，建立对结果的假设与预测，进一步开展迭代实验或仿真以验证假设，最终输出设计。

具体步骤如下：（一）对现有产品进行使用测试和实验分析，提出设计问题；（二）针对设计问题开展精致而理性的调研，基于用户体验和实验分析的数据，得出设计概念；（三）构建初始原型，建立对结果的假设与预测；（四）搭建功能原型测试平台，探索引起差距的原因规律；（五）基于工作机理，执行功能原型优化迭代；（六）建立最终实体样机，测试最后方案是否满足预期，如不满足返回执行第三步，最后输出方案。

三、循证思维在小家电创新设计中的应用实例分析

以便携干衣机设计为例，为获得更好的性能和品质，针对设计问题，在原有便携干衣机的概念确定后，对概念进一步演化，采取循证手段分别对干衣机的套袋大小、出风口位置以及出风口形状进行多次实验测试与仿真分析，通过原型迭代与性能优化，获得最终符合用户需求的设计。

（一）设计问题提出

对产品进行使用体验分析，获取用户的真实需求，是循证设计流程的第一步。便携干衣机主要由支架、主机和外罩组成，其特点是价格适中、简单易用、故障率低，适合普通家庭或学生、流动群体使用。市场上便携式干衣机结构一般分为开放式和封闭式两种：开放式偏向于多功能，适合于多种物件烘干；封闭式一般热风使用效率高，烘干效果好，且常常结合紫外线消毒功能，使用方式大多为拆装式设计，采用悬挂或者平放的方式，分按钮控制及遥控控制两种，表1为常见的干衣机竞品对比与使用体验分析。

为了获得竞品的烘干性能以及影响烘干的原因，除了进行客观的用户体验之外，同时运用实验分析的方法，对衣架、盒式和套袋三款进行测试，评估，根据研究结果显示，衣架型干衣机是被用户认可度最大的方式，但是目前衣架原型机存在的两个最大问题：（一）干衣不均匀；（二）烘干时间长，耗能；（三）携带不方便。因此，基于目前已有的衣架型干衣机进行渐进式的演化。

（二）设计演化及初步实验循证

为了方便携带，解决干衣不均匀的问题，便携干衣机的设计概念演化为：胶囊造型，更加便携；套袋可折叠收纳于胶囊中；套袋可伸缩，增强干衣效果。在构建初始原型的时候，遇到的困难有三个：套袋大小的确定、套袋材质的选择、通风口的位置的确定。因此在风机不改变的情况下，分别改变布料的材质、布袋的长度、布袋的长宽比例以及布袋不同的通风口位置开展实验，以探究干衣效果是否与这些因素相关。

1.粗估循证

通过粗估循证获得大致得改进方向，实验方法为：样品内裤干重约22g（受空气湿度影响），将打湿重量控制为55g，将打湿的样品夹到干衣袋内，拉好拉链，干衣机接好电源，将档位调到二档（亮两盏灯），记录开始测试的时间，二十分钟后取出称重，计算并记录烘掉水的克重。风机测试电压为7.5V，风速2.5-2.6m/s。

实验结果表明：（1）干衣效果取决于布袋的大小、通风口位置、布袋底部与内衣裤有无剩余空间；（2）小布袋+布袋侧面设通风口以及袋底与内衣裤留出一定距离这三种结合是最佳方案；（3）但是布袋的长短，通风口的位置如何影响烘干效果，还需进一步开展循证（如表2）。

2.布罩长度对烘干速率影响的循证

开展以下对比实验：（1）布罩在120cm和90cm长时，都对内衣裤和背心进行烘干，保证同样实验条件下，对比不同布罩长度对相同衣物的烘干时间。（2）布罩在120cm、90cm和60cm长时，都对内衣裤进行烘干，保证同样实验条件下，对比不同布罩长度对相同衣物的烘干时间。结果（如表3）显示：布罩长度越短，烘干同样的衣物用时变短，即烘干效率变快。

3.主机的吹风方向对烘干速率的循证

在主机上安装防水盖，目的是为了防止水滴落，接触电机造成危险。但是也由于防水盖的阻挡，干衣机的出风方向是直接自下往上，变成防水盖下方的前后左右四个方向吹出。由前面实验的热成像图也可以看出，热量大多集中在出风口处。所以，为了验证主机的吹风方向是否影响烘干效率，此次实验通过拆下主机的防水盖，选择120cm即布罩的原始长度进行实验。此实验，一是记录拆下与不拆下防水盖，两种情况同等工作时间内干衣布罩内的热量分布情况，二是记录有防水盖和去掉防水盖时，烘干相同衣物各自需要的时间，进行对比（如表4）。

由图像分析可得：（1）当没有烘干衣物时，没有防水盖的布罩内的热量大量向上聚拢；（2）没有烘干衣物时，虽然其最高温比有防水盖的布罩最高温低；（3）但是计算布罩上方热量颜色对应的温度值，没有防水盖的布罩还是高于有防水盖的布罩。烘干相同衣物时，无防水盖的烘干时间比有防水盖的时间明显缩短。综合以上整理的数据得到结论：没有防水盖，布罩热量向上聚拢，通过出汽孔加速与外界对流，烘干同样的衣物用时变短，烘干效率变快。

（三）功能原型迭代测试与仿真循证

1.功能原型测试平台搭建

计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是流体力学的新兴分支，是一种采用数值方法求解流体流动的控制方程组实现对流场和其他物理场研究的技术。CFD技术具有流场计算结果可视化的特点，可模拟实体原型试验中很难捕捉到的气体流动细节。文中采用ANSYS Fluent流体计算软件构建数值计算模型[9]。该模型以测试干衣机原型为实物参照，为降低计算量及避免计算发散，在保留主要特征的情况下，对干衣机机的细节进行一定简化[10]，采用传热模型模拟干衣机流动情况。

从图2的数值模拟结果可知：热空气由上而下进入袋内，除小部分热量朝袋内上部流动，其余都经下边侧出口直接流出；上部衣物对气流有阻挡作用，袋子左右上角，气流速度较低，温度较低，内衣左右边升温缓慢；内衣腔内热空气流动不畅，凸起结构升温缓慢；进风口的气流没有向两边扩散，导致中间温度高，两边温度低，导致衣物干燥程度不均和烘干时间变长。同时大量热量从下部出口跑走，造成浪费，增加了能耗。

2.不同大小套袋的仿真测试结果

用小号干衣袋（230mm*300mm*90mm）和大号干衣袋（285mm*400mm*90mm）进行数值模拟测试（如图3），发现：小号干衣袋相对大号袋，能使得更多的热气上升到达顶部，具有相对较好的干衣效果；进风口的气流过于集中，没有向两边扩散，导致中间温度高，两边温度低，对于薄内裤，影响不明显，但对于厚衣物干衣效果较差。因此，可获得原型优化的方向一：（1）在可容纳规定尺寸衣物的基础上，减小干衣袋的尺寸；（2）改变进风口风道，避免集中出气，使得气流向两边扩散；（3）调整出风口，适当减低下部出风口面积，在袋子上部增加出风小孔，干涉内部气流流动路径，使高温气流流经厚衣物低温区，提高干衣效果。

3.不同排气孔位置的测试比较

确定了小布袋尺寸后，对小布袋的不同位置进行开口测试。在实验中，把孔开到两侧面上方，直径2.5cm，同时底部开两个0.5cm的排水孔，对比上下同时开孔（上∶下=2∶1）方案，烘干样品内裤的时间大概能缩短5分钟。排气孔越大，烘干效果越好。但排气孔大于4cm时干时，干衣袋未能完全鼓起。风机获得的温度流线图对比如图4所示，获得结论为侧上效果开口比侧下以及顶上效果相对较好。再用原型进行实验测试，获得结论也验证了同样的结论。

4.原主机进风口的仿真测试与造型优化

对原型进一步优化，基于便携干衣机原型的噪声比较大和通风效率不高，因此对风机进风口进行进一步仿真测试和细节优化。由图5分析可得，水滴状截面的进口格栅栏能降低噪声，而且明显地减少阻力。

5.迭代原型的进一步实验测试

为了论证不同开口位置的烘干效果，迭代原型的进一步实验测试分为两部分，一是对套袋不同开口位置的实验测试；二是运用热成像仪对干衣胶囊的终实体样机进行进一步测试。

对不同开口位置的测试结果如表5，结果显示：相对于侧下开口和侧上开口，顶上开口的套袋干衣速度快，水分蒸发量最多，干衣效果最好。

接着，对顶上开口的套袋用热成像仪进行测试（如图6），通过热图像，可以直观地看到，相对于初始原型，热量分布更加均匀，样机已达到预期期望效果。

（四）调整细节和方案输出

调整细节，输出最终方案如图7所示。此产品在正式上市前已经经过用户体验测试、热量实验测试以及仿真测试，该产品在样本试用已达到较好效能。

四、结语

基于循证思维的产品渐进式创新设计理论作为一种以知识集成为基础的设计模式，通过对产品设计涉及的传热、通风等整体知识的整合和运用，形成一种以知识集成为基础的工业设计方法。基于循证设计的原则，通过实验循证、仿真循证以及理论循证等方法对产品设计原型进行测试与优化，为设计的优化和性能提供方向与原则，并为同类型的产品设计提供了设计的依据。随着循证思维的普及，工业设计领域将形成一种以科学方法与证据指导设计的新方法。与此同时，通过实践证据的不断积累，逐步构建起当代设计学学的基础知识和学科体系，并经由多个维度，构建起基于循证设计的新型知识运行机制。

参考文献：

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[3]李天赠，黄红梅，陈家静，赖春敏.基于实验分析与数值模拟技术的产品概念设计方法[J].图学学报，2020（1）：132-140.

[4] Arrighi A. Towards user empowerment in product design： a mixed reality tool for interactive virtual prototyping[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2019（2）：743-754.

[5]吴振东，孙楚俏，艾小群.走向循证的体验设计：基于虚拟现实的认知人因分析平台研究[J].华侨大学学报（哲学社会科学版），2018（3）：157-164.

[6]唐立，康德英，喻佳洁，等.实效性随机对照试验：真实世界研究的重要设计[J].中国循证医学杂志，2017（9）：999-1004.

[7]王勤.日常生活情感建筑理论及在老年建筑循证设计中的应用[J].建筑学报，2016（10）：108-113.

[8]Sung E.Kelley T.R. Identifying design process patterns： a sequential analysis study of design thinking[J]. International Journal of Technology and Design Education，2019（2）：283-302.

[9]刘春花，李天赠.基于抛弃型原型法的锥形油烟机设计研究[J].机械设计，2020（5）：139-144.

[10]Liu， C..Li，T..Liu，S..et al. .Research on Innovative Design of Cone Kitchen Range Hood Based on“UX+CFD”[C]//AICAE 2019.Advanced Science and Industry Research Center：Science and Engineering Research Center，2019：421-427.

作者简介：

刘春花，博士，佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院讲师，研究方向为工业设计创新方法。

李鲁，硕士，广东麦圈科技有限公司高级工业设计师，研究方向为工业设计创新方法。

李天赠，博士，佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院副教授，研究方向为工业设计创新方法、数值模拟。