新型电子设备方舱设计研究

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摘要：电子设备方舱既是电子装备的重要结构载体，也是装备的第二形象窗口。文章立足于电子设备方舱未来发展趋势与技术需求，针对目前应用最为广泛的6米标准电子设备方舱为基础，通过全过程贯彻工业设计创新理念与方法统一布局规划、内饰设计与工程化设计，应用人机设计与布局优化设计、隐藏式风道设计、LED照明补偿设计等手段进行集成化设计，提升了某新型电子设备方舱的整体统一性与人机环境舒适性。该方舱的研制是方舱工业设计与结构设计契合未来方舱技术发展的有益尝试，为电子设备方舱技术的发展提供重要的技术积累。

关键词：产品设计；工业设计理念；电子设备方舱；集成设计

1工业设计理念概述

工业设计旨在引导创新、促进商业成功及提供更好质量的生活，是一种将策略性解决问题的过程应用于产品、系统、服务及体验的设计活动。它是一种跨学科的专业，将创新、技术、商业、研究及消费者紧密联系在一起，共同进行创造性活动，并将需解决的问题、提出的解决方案进行可视化，重新解构问题，并将其作为建立更好的产品、系统、服务、体验或商业网络的机会，提供新的价值及竞争优势[1]。设计是通过其输出物对社会、经济、环境及伦理问题的回应，旨在创造一个更好的世界。

2电子设备方舱研究现状与趋势

电子设备方舱作为电子设备的主要载体，操作人员在其中进行各种信息和图像处理等，完成相应的制定工作任务，是集功能性、装饰性、人机舒适性等要求为一体的电子产品。现在的电子方舱更多的只是考虑使用功能的要求，对舒适性与人机设计、可维护性设计等方面考虑不多。随着电子装备技术的不断提高和用户对舒适操作环境的要求，对电子设备方舱舒适性与人机设计、可靠性与可维护性设计成为未来新式电子方舱的研究趋势和研究方向[2-5]。文章所述新型电子设备方舱以目前应用较为广泛的6米标准电子设备方舱为基础，研究内部的典型设备布局、通风散热、照明、维修性等方面的人机工程考虑。以工业设计[3]方法为基础，以某电子设备方舱为对象，进行方舱的统一布局规划、内部空间与装饰设计，最终形成方舱的可工程化的概念设计方案，对现有方舱内部的设备布局进行优化和固化，通过人机设计和布局优化、通风散热设计、维修性设计等方面来提升方舱的整体集成设计水平。项目主要研究目标包括：(1)以6米方舱（长6058mm×宽2438mm×高2438mm）为基础进行人机优化设计研究；(2)实现设备布局的优化和固化，通过人机优化布局来提升舱内整体集成水平；(3)以典型设备组成（显控台3台、设备机柜两台、备份柜1台）为基础，实现开创性的布局设计；(4)在考虑方舱设备的可靠性、可维护性的基础上，强调整体作业环境和人机界面的和谐化。

3基于工业设计理念的电子设备方舱设计分析

3.1电子设备方舱设计流程分析

此次新一代电子设备方舱的研制，与以往较大的不同点在于全过程贯彻和执行工业设计的产品设计创新的一些理念和方法[6]。不仅仅局限于方舱产品特点及风格，而是从类似一些工业产品如太空舱、飞机、动车一些具有相似应用场合和空间约束的产品中提取创新元素，如材质、灯光、造型、色彩等。接着对现有电子设备方舱的内部人机及形象定义进行剖析和诊断，从而指出创新或改进的一些方向。定位方舱应该符合什么样的设计趋势和设计定位，然后将创新元素融合到具体设计中。为了印证设计效果和规避一些设计风险，通过缩比手板进行前期的模型实物评审，在此基础上改进改良，最终再进行具体的工程设计。在工程设计过程中，全程以工业设计思想为指导，进行融合设计。从内部外购件的选型、内饰材料的选择、施工效果与设计效果的符合性、一致性等方面进行设计布控。整个产品的研发流程示意图见图1所示。

3.2电子设备方舱内饰设计分析

从近几年的发展趋势来看，内饰设计的趋势是越来越趋向于数字化和高科技，造型方面趋于简洁、工整。具有高科技成分的数字产品的广泛应用，极大地影响了内饰设计的趋势，产品设计的风格开始引导并影响内饰设计风格，具体表现在如下方面：1)在内饰造型上，现代豪华客车、飞机等舱体内饰设计在讲究简约大方的同时，更显数字化和高科技。这一点在折叠收纳和触摸屏的应用上得到了充分的体现，折叠收纳更加节约了空间，使空间得到最大化的利用；触摸屏则更加便利的实现了人们对一些功能的要求。2)在内饰色彩上，设计人员越来越讲究色彩的搭配，在统一风格的大前提下，加入适当的色彩对比，使整体看起来既色彩统一，又不显单调呆板。表现内饰色彩的形式有多种，色彩分割和块面划分都是表现手法之一。3)在内饰材料上，舱体设计实现了多种材料的结合。例如显控台采用金属与实木的结合方式，汽车内部操作区域采用塑料、实木与金属三种材料的结合方式等等。多种材料相结合，取长补短，让每种材料的材质特性更加贴合所处区域的功能。

3.3电子设备方舱内部形象分析

基于产品的人机工程及人文化设计需求对现有电子设备方舱的内部形象设计进行剖析，具体分析如下：(1)狭窄而封闭的空间，长时间作业且高度警惕，会给工作者带来压迫感和疲劳感。(2)内部功能分区不明确，棱角分明，冷色调，给人带来一种被动适应和冰冷感。(3)部件较多且不具有关联性，缺乏细节，导致视觉凌乱、精力分散。为了便于对比分析，将方舱的现存问题以及优化方向列于表中，见表1所示。通过方舱内部形象的优化可将原来“冰冷而被动执行”转变成“舒适而高效工作”。通过工业设计应用集成设计方法，对方舱内部进行设计和改良，提出了三种可行性方案。针对三款概念设计方案，通过调查问卷进行方案收纳及汇总。聚焦方舱的定位应主要体现“整体、连贯、专业、舒适”四个方面[2,4]。为此从方舱的空间利用率、内饰风格、维修性、人机舒适性、风道设计、走线设计等方面对方案进行综合比较，选定方案三作为后续工程设计参考。方案设计灵感来源于太空舱和动车舱的内饰设置，追求的风格是简洁、整体、未来和科技，效果如图2所示，平面布局如图3所示。其中，舱内棚顶主灯带以跑道轨迹方向贯穿于整个舱内空间；墙壁次灯带则延续主灯带轨迹，把墙壁空间与顶部空间进行整合，强化其简洁性和科技感；而脚线辅助灯带弱化了主灯带和次灯带的强势感，并且提升了空间的轻便性，从而降低沉闷心理。同时，金属门把手与墙壁腰线融为一体，贯穿整个空间，凸显其整体性。灭火器柜采用隐藏式设计，同时加大指示LOGO，突出了方案的整体、简约特点。

4新型电子设备方舱设计实践

4.1基于漫反射方式的LED灯照明补偿设计

电子方舱在照明设计上采用LED主辅灯带相结合的照明补偿设计。在光照方式上，主灯带满足舱内环境的正常作业的照度。辅助灯带通过漫反射的方式在方舱顶部和侧面进行补偿。使得方舱内部光照均匀度高、光线柔和，可以消除“眩光”现象，为真正意义上的见光不见灯具，照射范围更大。为达到图4方舱顶板美工效果示意图所示的视觉效果，顶板采用分层结构，两层高度差为90mm，在中间分层部位为方框结构，周边采用圆弧过渡，过渡圆弧半径为200mm，沿中间分层方框周边安装隐光LED灯带，结构如图5所示。上层顶板通过连接角铝与连接在舱体上的铝方管安装梁连接在一起，LED灯体也通过螺钉与连接在方舱体上的铝方管安装梁连接在一起。在下层顶板中间设置一圈LED灯带，形状与顶板分层处相同，方框结构周边亦采用圆弧过渡，LED灯带与分层处间距确保一致，具体结构如图6所示。LED灯体与两侧顶板复合在一起，在保证达到美工视觉效果的前提条件下，使下层顶板灯带两侧顶板带和灯带成为一体，最大程度保证了整块顶板的强度与刚度。

4.2一体化显控台与机柜设计

较之传统显控台分体设计并柜布局的设计方式，首次设计了组合式三联一体化显控台，如图7所示，将三个操作席位的显控台设计为整体，减少了并柜产生的间隙、零碎感。整体效果简洁、美观、大方。台体上部安装三个工业级液晶显示器并设计有加固安装结构件，替代了传统加固显示器，大大降低了研制成本。操作台面上设有鼠标、键盘、显控开关等。操作台面可以向上翻折，极大地提高了维修性和操作的舒适性。同时，功能机柜尺寸由716mm减少到不足680mm，在不足2100mm的空间内布置了三套机柜，并将配电箱安装于机柜内部，提高了操作的可靠性和维护的便捷性。同时在外观上与方舱内饰更统一，并保证了足够的操作空间性。

4.3抽拉式可翻转导轨设计

在机柜内部创新地采用抽拉式可翻转导轨，与传统的抽拉式导轨相比，为了兼顾以后导轨间的互换性，在机柜接口形式和材料选择上，保持与传统导轨一致，采用钣金折弯内嵌互锁结构。同时通过改善抽拉式导轨的内导轨与分机之间的结构形式，通过锁紧簧片及滑道设计，实现分机的垂直翻转。锁定后进行分机的后向维护，维修人员无需将头伸进机柜内部的分机后方进行检修和维护，大大提高了分机的维修性，如图8所示。

4.4高效环控设计

为保证舱内设备的正常工作和工作人员的工作舒适，舱内应通风良好，并装有冷暖空调设备。该装置应能在外界环境温度为50℃时，1h内将车厢内的温度（平均温度）降至30℃以下。采暖空调应能在-40℃条件下，1h将车厢内的温度升至22℃以上。对方舱内的冷、热负荷进行计算：1)热负荷（Q热）。方舱内热负荷的来源有以下几个方面：通过方舱壁板传入舱内的热量，其中包括夏季方舱外与方舱内的空气温度之差传入的热量，太阳辐射热传入方舱内的热量；方舱内散出的热量即方舱内的机械设备、电动设备在工作过程中产生的热量，方舱内照明灯散发的热量，工作人员散发的热量和湿量。2)冷负荷计算（Q冷）。方舱内冷负荷的来源主要有以下几个方面，即方舱内的空气吸热量；内部设备的吸热量；方舱保温量；方舱内发热量。根据冷、热负荷的理论计算，方舱空调制冷量最少为2400W，制热量最少4052W。所选空调FKWD-50和FKWD-50A技术参数为：制冷量5000W×2＞2400W，制热量3000W×2＞5606W。经过计算空调满足方舱冷、暖要求。

4.5抗振降噪环境控制设计

方舱在运输过程中内部各设备在上下、前后、左右各维度会产生振动，从而导致电子设备的破坏，如结构疲劳、断裂、磨损、性能降低及超出容差范围等。因此，设计有效的方舱隔振系统对保证设备的可靠工作具有非常重要的意义。电子设备的抗冲击、振动，主要从两个方面来解决，其一是加固设备本身使设备增强抗冲击、振动能力；其二是采取冲击、振动隔离技术。前者的特点是代价较大。而后者往往是花较小的代价解决问题。方舱内部噪声主要来源于：空调室外机周期性振动通过支架传递给方舱壁板，致使壁板受到激振而产生噪声；方舱换气风扇（进风和排风轴流风机）产生噪声；电子设备强制风冷轴流风机噪声；空调室内机工作噪声及舱内照明日光灯交流噪声；油机噪声等。针对空调器室外机的降噪措施主要有：在室外机与支架之间加装隔振器，使空调器振动通过隔离而得到衰减，也可以在支架与舱壁之间加装一层阻尼材料以减少支架对方舱壁板的振动传递；改变支架安装位置与方式，使支架尽量靠近方舱壁板边缘，同时使支架的斜支撑由在下的受压改为在上的受拉，改变激振位置；增加支架及壁板安装处的刚强度，降低激振。舱内噪声主要有通风风机产生，主要原因是动不平衡，选购风机时应优先选用动平衡风机等低噪声风机；合理安排进风口、出风口之间的距离，减少进气、排气阻力，及气流通过栅格孔时的气流噪声；加装吸音材料等。

5结语

该新型电子设备方舱的研制，是工业设计方法在产品研制中的系统运用，对于工业设计与工程设计并行协同设计的流程体系起到验证与助推作用。该舱设计灵感来源于航天飞机与太空舱等狭小封闭的工作空间设计。通过顶部灯带的斜边处理，增强顶部的进深感，扩大操作者的心理视觉空间。将飞机、动车等内饰元素，LED灯管漫发射照明方式及风道设计等引入到方舱设计中。舱内金属质感的腰线贯穿整个空间，凸显了方舱的“整体、未来、科技、简约”的特质。大大提高了舱内的整体统一性与人机舒适性，为今后电子设备方舱技术的发展提供了重要的技术积累。

参考文献

[1]张恒志，孟利清．工业设计价值观演变研究[J]．工业设计，2019（02）：83-84．

[2]赵淑影．人机工程学在工业设计中的重要性解读[J]．工业设计，2018（05）：94-95．

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[4]丁玉兰．人机工程学（第三版）[M]．北京：北京理工大学出版社，2005．

[5]李岳彬，魏世丞，盛忠起，等．方舱技术发展综述[J]．机械设计，2019，36（04）：5-11．

[6]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴．电子设备结构设计原理[M]．南京：东南大学出版社，2001．

作者：郭黎 卢德辉 单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所