新型電子設(shè)備方艙設(shè)計研究

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摘要：電子設(shè)備方艙既是電子裝備的重要結(jié)構(gòu)載體，也是裝備的第二形象窗口。文章立足于電子設(shè)備方艙未來發(fā)展趨勢與技術(shù)需求，針對目前應(yīng)用最為廣泛的6米標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備方艙為基礎(chǔ)，通過全過程貫徹工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新理念與方法統(tǒng)一布局規(guī)劃、內(nèi)飾設(shè)計與工程化設(shè)計，應(yīng)用人機設(shè)計與布局優(yōu)化設(shè)計、隱藏式風(fēng)道設(shè)計、LED照明補償設(shè)計等手段進行集成化設(shè)計，提升了某新型電子設(shè)備方艙的整體統(tǒng)一性與人機環(huán)境舒適性。該方艙的研制是方艙工業(yè)設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計契合未來方艙技術(shù)發(fā)展的有益嘗試，為電子設(shè)備方艙技術(shù)的發(fā)展提供重要的技術(shù)積累。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計；工業(yè)設(shè)計理念；電子設(shè)備方艙；集成設(shè)計

1工業(yè)設(shè)計理念概述

工業(yè)設(shè)計旨在引導(dǎo)創(chuàng)新、促進商業(yè)成功及提供更好質(zhì)量的生活，是一種將策略性解決問題的過程應(yīng)用于產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)及體驗的設(shè)計活動。它是一種跨學(xué)科的專業(yè)，將創(chuàng)新、技術(shù)、商業(yè)、研究及消費者緊密聯(lián)系在一起，共同進行創(chuàng)造性活動，并將需解決的問題、提出的解決方案進行可視化，重新解構(gòu)問題，并將其作為建立更好的產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)、體驗或商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的機會，提供新的價值及競爭優(yōu)勢[1]。設(shè)計是通過其輸出物對社會、經(jīng)濟、環(huán)境及倫理問題的回應(yīng)，旨在創(chuàng)造一個更好的世界。

2電子設(shè)備方艙研究現(xiàn)狀與趨勢

電子設(shè)備方艙作為電子設(shè)備的主要載體，操作人員在其中進行各種信息和圖像處理等，完成相應(yīng)的制定工作任務(wù)，是集功能性、裝飾性、人機舒適性等要求為一體的電子產(chǎn)品。現(xiàn)在的電子方艙更多的只是考慮使用功能的要求，對舒適性與人機設(shè)計、可維護性設(shè)計等方面考慮不多。隨著電子裝備技術(shù)的不斷提高和用戶對舒適操作環(huán)境的要求，對電子設(shè)備方艙舒適性與人機設(shè)計、可靠性與可維護性設(shè)計成為未來新式電子方艙的研究趨勢和研究方向[2-5]。文章所述新型電子設(shè)備方艙以目前應(yīng)用較為廣泛的6米標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備方艙為基礎(chǔ)，研究內(nèi)部的典型設(shè)備布局、通風(fēng)散熱、照明、維修性等方面的人機工程考慮。以工業(yè)設(shè)計[3]方法為基礎(chǔ)，以某電子設(shè)備方艙為對象，進行方艙的統(tǒng)一布局規(guī)劃、內(nèi)部空間與裝飾設(shè)計，最終形成方艙的可工程化的概念設(shè)計方案，對現(xiàn)有方艙內(nèi)部的設(shè)備布局進行優(yōu)化和固化，通過人機設(shè)計和布局優(yōu)化、通風(fēng)散熱設(shè)計、維修性設(shè)計等方面來提升方艙的整體集成設(shè)計水平。項目主要研究目標(biāo)包括：(1)以6米方艙（長6058mm×寬2438mm×高2438mm）為基礎(chǔ)進行人機優(yōu)化設(shè)計研究；(2)實現(xiàn)設(shè)備布局的優(yōu)化和固化，通過人機優(yōu)化布局來提升艙內(nèi)整體集成水平；(3)以典型設(shè)備組成（顯控臺3臺、設(shè)備機柜兩臺、備份柜1臺）為基礎(chǔ)，實現(xiàn)開創(chuàng)性的布局設(shè)計；(4)在考慮方艙設(shè)備的可靠性、可維護性的基礎(chǔ)上，強調(diào)整體作業(yè)環(huán)境和人機界面的和諧化。

3基于工業(yè)設(shè)計理念的電子設(shè)備方艙設(shè)計分析

3.1電子設(shè)備方艙設(shè)計流程分析

此次新一代電子設(shè)備方艙的研制，與以往較大的不同點在于全過程貫徹和執(zhí)行工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新的一些理念和方法[6]。不僅僅局限于方艙產(chǎn)品特點及風(fēng)格，而是從類似一些工業(yè)產(chǎn)品如太空艙、飛機、動車一些具有相似應(yīng)用場合和空間約束的產(chǎn)品中提取創(chuàng)新元素，如材質(zhì)、燈光、造型、色彩等。接著對現(xiàn)有電子設(shè)備方艙的內(nèi)部人機及形象定義進行剖析和診斷，從而指出創(chuàng)新或改進的一些方向。定位方艙應(yīng)該符合什么樣的設(shè)計趨勢和設(shè)計定位，然后將創(chuàng)新元素融合到具體設(shè)計中。為了印證設(shè)計效果和規(guī)避一些設(shè)計風(fēng)險，通過縮比手板進行前期的模型實物評審，在此基礎(chǔ)上改進改良，最終再進行具體的工程設(shè)計。在工程設(shè)計過程中，全程以工業(yè)設(shè)計思想為指導(dǎo)，進行融合設(shè)計。從內(nèi)部外購件的選型、內(nèi)飾材料的選擇、施工效果與設(shè)計效果的符合性、一致性等方面進行設(shè)計布控。整個產(chǎn)品的研發(fā)流程示意圖見圖1所示。

3.2電子設(shè)備方艙內(nèi)飾設(shè)計分析

從近幾年的發(fā)展趨勢來看，內(nèi)飾設(shè)計的趨勢是越來越趨向于數(shù)字化和高科技，造型方面趨于簡潔、工整。具有高科技成分的數(shù)字產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，極大地影響了內(nèi)飾設(shè)計的趨勢，產(chǎn)品設(shè)計的風(fēng)格開始引導(dǎo)并影響內(nèi)飾設(shè)計風(fēng)格，具體表現(xiàn)在如下方面：1)在內(nèi)飾造型上，現(xiàn)代豪華客車、飛機等艙體內(nèi)飾設(shè)計在講究簡約大方的同時，更顯數(shù)字化和高科技。這一點在折疊收納和觸摸屏的應(yīng)用上得到了充分的體現(xiàn)，折疊收納更加節(jié)約了空間，使空間得到最大化的利用；觸摸屏則更加便利的實現(xiàn)了人們對一些功能的要求。2)在內(nèi)飾色彩上，設(shè)計人員越來越講究色彩的搭配，在統(tǒng)一風(fēng)格的大前提下，加入適當(dāng)?shù)纳蕦Ρ龋拐w看起來既色彩統(tǒng)一，又不顯單調(diào)呆板。表現(xiàn)內(nèi)飾色彩的形式有多種，色彩分割和塊面劃分都是表現(xiàn)手法之一。3)在內(nèi)飾材料上，艙體設(shè)計實現(xiàn)了多種材料的結(jié)合。例如顯控臺采用金屬與實木的結(jié)合方式，汽車內(nèi)部操作區(qū)域采用塑料、實木與金屬三種材料的結(jié)合方式等等。多種材料相結(jié)合，取長補短，讓每種材料的材質(zhì)特性更加貼合所處區(qū)域的功能。

3.3電子設(shè)備方艙內(nèi)部形象分析

基于產(chǎn)品的人機工程及人文化設(shè)計需求對現(xiàn)有電子設(shè)備方艙的內(nèi)部形象設(shè)計進行剖析，具體分析如下：(1)狹窄而封閉的空間，長時間作業(yè)且高度警惕，會給工作者帶來壓迫感和疲勞感。(2)內(nèi)部功能分區(qū)不明確，棱角分明，冷色調(diào)，給人帶來一種被動適應(yīng)和冰冷感。(3)部件較多且不具有關(guān)聯(lián)性，缺乏細(xì)節(jié)，導(dǎo)致視覺凌亂、精力分散。為了便于對比分析，將方艙的現(xiàn)存問題以及優(yōu)化方向列于表中，見表1所示。通過方艙內(nèi)部形象的優(yōu)化可將原來“冰冷而被動執(zhí)行”轉(zhuǎn)變成“舒適而高效工作”。通過工業(yè)設(shè)計應(yīng)用集成設(shè)計方法，對方艙內(nèi)部進行設(shè)計和改良，提出了三種可行性方案。針對三款概念設(shè)計方案，通過調(diào)查問卷進行方案收納及匯總。聚焦方艙的定位應(yīng)主要體現(xiàn)“整體、連貫、專業(yè)、舒適”四個方面[2,4]。為此從方艙的空間利用率、內(nèi)飾風(fēng)格、維修性、人機舒適性、風(fēng)道設(shè)計、走線設(shè)計等方面對方案進行綜合比較，選定方案三作為后續(xù)工程設(shè)計參考。方案設(shè)計靈感來源于太空艙和動車艙的內(nèi)飾設(shè)置，追求的風(fēng)格是簡潔、整體、未來和科技，效果如圖2所示，平面布局如圖3所示。其中，艙內(nèi)棚頂主燈帶以跑道軌跡方向貫穿于整個艙內(nèi)空間；墻壁次燈帶則延續(xù)主燈帶軌跡，把墻壁空間與頂部空間進行整合，強化其簡潔性和科技感；而腳線輔助燈帶弱化了主燈帶和次燈帶的強勢感，并且提升了空間的輕便性，從而降低沉悶心理。同時，金屬門把手與墻壁腰線融為一體，貫穿整個空間，凸顯其整體性。滅火器柜采用隱藏式設(shè)計，同時加大指示LOGO，突出了方案的整體、簡約特點。

4新型電子設(shè)備方艙設(shè)計實踐

4.1基于漫反射方式的LED燈照明補償設(shè)計

電子方艙在照明設(shè)計上采用LED主輔燈帶相結(jié)合的照明補償設(shè)計。在光照方式上，主燈帶滿足艙內(nèi)環(huán)境的正常作業(yè)的照度。輔助燈帶通過漫反射的方式在方艙頂部和側(cè)面進行補償。使得方艙內(nèi)部光照均勻度高、光線柔和，可以消除“眩光”現(xiàn)象，為真正意義上的見光不見燈具，照射范圍更大。為達(dá)到圖4方艙頂板美工效果示意圖所示的視覺效果，頂板采用分層結(jié)構(gòu)，兩層高度差為90mm，在中間分層部位為方框結(jié)構(gòu)，周邊采用圓弧過渡，過渡圓弧半徑為200mm，沿中間分層方框周邊安裝隱光LED燈帶，結(jié)構(gòu)如圖5所示。上層頂板通過連接角鋁與連接在艙體上的鋁方管安裝梁連接在一起，LED燈體也通過螺釘與連接在方艙體上的鋁方管安裝梁連接在一起。在下層頂板中間設(shè)置一圈LED燈帶，形狀與頂板分層處相同，方框結(jié)構(gòu)周邊亦采用圓弧過渡，LED燈帶與分層處間距確保一致，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。LED燈體與兩側(cè)頂板復(fù)合在一起，在保證達(dá)到美工視覺效果的前提條件下，使下層頂板燈帶兩側(cè)頂板帶和燈帶成為一體，最大程度保證了整塊頂板的強度與剛度。

4.2一體化顯控臺與機柜設(shè)計

較之傳統(tǒng)顯控臺分體設(shè)計并柜布局的設(shè)計方式，首次設(shè)計了組合式三聯(lián)一體化顯控臺，如圖7所示，將三個操作席位的顯控臺設(shè)計為整體，減少了并柜產(chǎn)生的間隙、零碎感。整體效果簡潔、美觀、大方。臺體上部安裝三個工業(yè)級液晶顯示器并設(shè)計有加固安裝結(jié)構(gòu)件，替代了傳統(tǒng)加固顯示器，大大降低了研制成本。操作臺面上設(shè)有鼠標(biāo)、鍵盤、顯控開關(guān)等。操作臺面可以向上翻折，極大地提高了維修性和操作的舒適性。同時，功能機柜尺寸由716mm減少到不足680mm，在不足2100mm的空間內(nèi)布置了三套機柜，并將配電箱安裝于機柜內(nèi)部，提高了操作的可靠性和維護的便捷性。同時在外觀上與方艙內(nèi)飾更統(tǒng)一，并保證了足夠的操作空間性。

4.3抽拉式可翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌設(shè)計

在機柜內(nèi)部創(chuàng)新地采用抽拉式可翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌，與傳統(tǒng)的抽拉式導(dǎo)軌相比，為了兼顧以后導(dǎo)軌間的互換性，在機柜接口形式和材料選擇上，保持與傳統(tǒng)導(dǎo)軌一致，采用鈑金折彎內(nèi)嵌互鎖結(jié)構(gòu)。同時通過改善抽拉式導(dǎo)軌的內(nèi)導(dǎo)軌與分機之間的結(jié)構(gòu)形式，通過鎖緊簧片及滑道設(shè)計，實現(xiàn)分機的垂直翻轉(zhuǎn)。鎖定后進行分機的后向維護，維修人員無需將頭伸進機柜內(nèi)部的分機后方進行檢修和維護，大大提高了分機的維修性，如圖8所示。

4.4高效環(huán)控設(shè)計

為保證艙內(nèi)設(shè)備的正常工作和工作人員的工作舒適，艙內(nèi)應(yīng)通風(fēng)良好，并裝有冷暖空調(diào)設(shè)備。該裝置應(yīng)能在外界環(huán)境溫度為50℃時，1h內(nèi)將車廂內(nèi)的溫度（平均溫度）降至30℃以下。采暖空調(diào)應(yīng)能在-40℃條件下，1h將車廂內(nèi)的溫度升至22℃以上。對方艙內(nèi)的冷、熱負(fù)荷進行計算：1)熱負(fù)荷（Q熱）。方艙內(nèi)熱負(fù)荷的來源有以下幾個方面：通過方艙壁板傳入艙內(nèi)的熱量，其中包括夏季方艙外與方艙內(nèi)的空氣溫度之差傳入的熱量，太陽輻射熱傳入方艙內(nèi)的熱量；方艙內(nèi)散出的熱量即方艙內(nèi)的機械設(shè)備、電動設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生的熱量，方艙內(nèi)照明燈散發(fā)的熱量，工作人員散發(fā)的熱量和濕量。2)冷負(fù)荷計算（Q冷）。方艙內(nèi)冷負(fù)荷的來源主要有以下幾個方面，即方艙內(nèi)的空氣吸熱量；內(nèi)部設(shè)備的吸熱量；方艙保溫量；方艙內(nèi)發(fā)熱量。根據(jù)冷、熱負(fù)荷的理論計算，方艙空調(diào)制冷量最少為2400W，制熱量最少4052W。所選空調(diào)FKWD-50和FKWD-50A技術(shù)參數(shù)為：制冷量5000W×2＞2400W，制熱量3000W×2＞5606W。經(jīng)過計算空調(diào)滿足方艙冷、暖要求。

4.5抗振降噪環(huán)境控制設(shè)計

方艙在運輸過程中內(nèi)部各設(shè)備在上下、前后、左右各維度會產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致電子設(shè)備的破壞，如結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂、磨損、性能降低及超出容差范圍等。因此，設(shè)計有效的方艙隔振系統(tǒng)對保證設(shè)備的可靠工作具有非常重要的意義。電子設(shè)備的抗沖擊、振動，主要從兩個方面來解決，其一是加固設(shè)備本身使設(shè)備增強抗沖擊、振動能力；其二是采取沖擊、振動隔離技術(shù)。前者的特點是代價較大。而后者往往是花較小的代價解決問題。方艙內(nèi)部噪聲主要來源于：空調(diào)室外機周期性振動通過支架傳遞給方艙壁板，致使壁板受到激振而產(chǎn)生噪聲；方艙換氣風(fēng)扇（進風(fēng)和排風(fēng)軸流風(fēng)機）產(chǎn)生噪聲；電子設(shè)備強制風(fēng)冷軸流風(fēng)機噪聲；空調(diào)室內(nèi)機工作噪聲及艙內(nèi)照明日光燈交流噪聲；油機噪聲等。針對空調(diào)器室外機的降噪措施主要有：在室外機與支架之間加裝隔振器，使空調(diào)器振動通過隔離而得到衰減，也可以在支架與艙壁之間加裝一層阻尼材料以減少支架對方艙壁板的振動傳遞；改變支架安裝位置與方式，使支架盡量靠近方艙壁板邊緣，同時使支架的斜支撐由在下的受壓改為在上的受拉，改變激振位置；增加支架及壁板安裝處的剛強度，降低激振。艙內(nèi)噪聲主要有通風(fēng)風(fēng)機產(chǎn)生，主要原因是動不平衡，選購風(fēng)機時應(yīng)優(yōu)先選用動平衡風(fēng)機等低噪聲風(fēng)機；合理安排進風(fēng)口、出風(fēng)口之間的距離，減少進氣、排氣阻力，及氣流通過柵格孔時的氣流噪聲；加裝吸音材料等。

5結(jié)語

該新型電子設(shè)備方艙的研制，是工業(yè)設(shè)計方法在產(chǎn)品研制中的系統(tǒng)運用，對于工業(yè)設(shè)計與工程設(shè)計并行協(xié)同設(shè)計的流程體系起到驗證與助推作用。該艙設(shè)計靈感來源于航天飛機與太空艙等狹小封閉的工作空間設(shè)計。通過頂部燈帶的斜邊處理，增強頂部的進深感，擴大操作者的心理視覺空間。將飛機、動車等內(nèi)飾元素，LED燈管漫發(fā)射照明方式及風(fēng)道設(shè)計等引入到方艙設(shè)計中。艙內(nèi)金屬質(zhì)感的腰線貫穿整個空間，凸顯了方艙的“整體、未來、科技、簡約”的特質(zhì)。大大提高了艙內(nèi)的整體統(tǒng)一性與人機舒適性，為今后電子設(shè)備方艙技術(shù)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)積累。

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作者：郭黎 盧德輝 單位：中國電子科技集團公司第三十八研究所