海洋水質監測儀創新開發設計

黃銘玉，黃天楊，陳明月，韓衛國，鐘光明

（廣東海洋大學 機械工程學院，廣東 湛江 524000）

0 引言

21 世紀是海洋的世紀，我國多元化的海洋資源猶如一個包羅萬象的寶庫，其中的海水資源在當今具有非常廣闊的前景。但是近年來，人們肆意的開發海洋資源和內陸河流廢水傾入海洋，造成海洋水體的溫度、PH、含鹽量、生物的物種和數量等等性狀發生了不可逆的改變，這使我國的海洋生態環境造成了巨大的破壞。海洋污染讓昔日湛藍的海水變得渾濁，水體中大量的重金屬和有毒有機物對海洋生物的毒害，嚴重影響了海洋的生產力。海水的富營養化使得赤潮在我國的渤海灣、長江口、廣東和香港海域頻繁發生。在我國，每年由于“海洋癌癥”赤潮所影響的經濟損失約為10 億元[1]。因此，海洋水質的監測與治理對于我國的海洋產業和海洋環境的可持續發展是具有重要意義的。運用海洋水質監測儀對海水中各種化學元素的監測是治理海洋水質環境的第一步，同時也是合理運用海水資源的重要手段。海洋監測儀通常為大而復雜的機器，使得監測人員在監測的過程變得繁瑣，同時工作效率與監測的實時性也隨著降低。由此可見，海洋水質監測儀進行合理化的設計是解決海洋水質問題現狀的重中之重。

1 海洋水質監測儀產品設計現狀

海洋水質監測儀是用于定期或連續測定海洋水質，分析水質中各項指標成分含量的儀器[2]。海水是一種十分復雜的多組分的水溶液，其含有的污染物質是復雜多變的。由于海水中成分的復雜性與多樣性，使得海洋水質監測的難度大大提升。

在海洋水質監測儀研究的初始階段，水質監測技術還沒運用電化學分析法，此階段的研究進展是十分緩慢的。到后來歐美部分國家從電化學的方法的前提下，對于水質監測儀的進行了自動化技術的運用后，水質監測儀得到了前所未有的發展。在當時已經出現了許多的便攜式的水質監測儀，但是由于條件限制導致了水質監測設備的準確性較差。到后來，高性能傳感器的推廣與無線通信技術的研發，讓海洋監測儀的技術迎來了新的階段。與此同時，我國對于海洋水質監測儀的研究也在不斷加大。我國海洋水質監測儀的相關研究開展較歐美國家的發展得晚。但是我國的研究成果是豐碩且發展快速的。在二十一世紀后，我國的海洋水質重視程度進一步提高，水質監測儀的監測效果更加精準。但相對國外的海洋水質監測儀來說監測的準確性、器械的便攜性與實時性較差[3-5]。

在海洋水質監測儀的研究初期，監測儀的產品是較為單一的。這個時期的海洋水質監測儀造型上簡單，只是基于產品功能的設計。逐漸地人們開始意識到海洋水質監測儀在檢測過程中需要取樣與檢驗分開，才能使監測過程的效率大幅度的降低，因此，人們便 開始對海洋水質監測儀的便攜性進行合理化的設計。在這階段，海洋水質監測儀在外觀上的設計是比較少的，多的是對于海洋水質監測儀的功能上的提升。雖然隨著科技的發展，高性能傳感器和無線通信技術的添加使海洋水質監測儀更加便攜與時效性強，但是海洋水質監測儀的設計還有許多的不足需要進一步的加強與創新。

2 海洋水質監測儀創新設計要素分析

產品創新設計是指運用新技術或新的設計構思對傳統的產品進行全新的設計，或是在產品的造型、材料、功能等上進行創新型的改良設計。根據創新設計的基本要素相關知識，對海洋水質監測儀的功能、形態、色彩、人機、材料、使用環境和操作進行全方位的分析，提取出各個要素中對于創新型海洋水質監測儀的設計方向，從而使海洋水質監測儀的設計滿足多元化的需求，同時也為海洋水質監測儀的創新設計提供了新的方向。

2.1 海洋水質監測儀功能分析

由于海洋水質監測項目多且不同類型的物質有不一樣的監測方法，導致傳統的海洋水質監測儀的監測項目類型是有限的。例如在對海水中的油類物質進行測定時使用熒光分光度法，而硫化物則是運用亞基藍分光光度法。由此看出，不同物質的測定方法大為不同。不僅是監測項目所對應的監測方法與監測儀器不同，更重要的是海洋水質污染的指標不是由某一項目不達標而判定的。例如，針對同一個污染現象的監測項目就已經十分的繁雜，所需要的監測方法和數據庫是龐大的。但是在目前大多數的海洋監測儀功能上只能測定小方向的范圍，那么如何擴大海洋監測儀的監測范圍可以說是海洋監測儀功能創新要點之一。對于海洋監測儀功能的創新上主要是依托于監測方式的創新與人工智能技術的介入。通過研究新型的監測方法來解決傳統海洋監測儀器監測系統的復雜性，同時簡化的監測流程可以使得監測儀器監測項目最大化。同時由于人工智能的引入可以將監測大數據通過互聯網實現數據的共享，確保了水質監測的實時性。

2.2 海洋水質監測儀形態分析

“形式追隨功能”是芝加哥學派的現代主義建筑大師路易斯沙利文的名言之一，主張的是反對矯揉的裝飾風格及繁瑣的細節部位的樣式，采用的是以實用為形式導向。形式追隨功能的設計風格在海洋水質監測儀的設計體現上十分明顯。例如AMT-FB301 多參數水質監測浮標，是以浮標為載體的化學分析儀器和各種水質傳感器的水質監測儀綜合體。從形態上可以直觀地看出該水質監測儀的功能模塊分為浮體、太陽能板、傳感器等等。由此看出，對于工程設備的形態是以功能為核心主體的，不加入累贅的裝飾，因為即使是美感再強的設計在功能運作上沒有升級，那便是沒有意義的[6]。在海洋水質監測儀的設計創新上應該以功能為第一導向，在設計形態上把握好尺度，必要的擁有一定的基本標準與要求，同時在形態上有新的改革與創新，畢竟產品的功能與形態是不可分開的、相輔相成的。

2.3 海洋水質監測儀色彩分析

色彩的表現其實是一種視覺的心理感受，色彩在工業設計中是一種表現力充盈的要素，它具有：補償性、標志性、識別性和專用性四個視覺功能，同時色彩是具有情感的，它能帶給用戶不一樣心理暗示與體驗。因此，在對產品的色彩設計時，需要從多方面考慮，如產品的使用環境、產品的功能與造型、產品所要帶給用戶的體驗以及色彩本身的適用性。例如藍色，帶給人的是一種冷靜和智慧的體驗感，因而使藍色成為工業鄰域與現代科技的代表顏色，在某種程度上來說藍色的產品預示著產品本身的精密性與技術精湛[7]。對于海洋水質監測儀創新設計色彩要素中，主要運用的是色彩的補償性，具體體現在色彩調節用戶與使用環境和機器之間的關系。結合上海洋水質監測設備的相關特點，在對其進行創新設計時，選擇的顏色可以為白色、藍色等冷色系，使得水質監測儀具有整潔、精準的視覺感受。同時可以加入少部分小面積的提醒色，如黃色與紅色來展示出警示作用，既協調了色彩配合，同時又增加了色彩的功能作用。

2.4 海洋水質監測儀人機分析

人機工程是在理性原理的支持下對產品進行合理化的設計過程，結合了生理學、心理學等與人相關的學科，達到所設計的產品具有安全性、高效性與舒適性[8]。有效將人的生理尺度和心理尺度等等各種數據運用到產品設計中，使得產品的功能合理性得到科學理論依據。在海洋水質監測儀的創新設計中，人機要素主要用于解決產品尺寸與人體尺寸之間的問題，使得海洋水質監測儀在運作的時候能最大限度為用戶提供安全性與高效性；同時，通過對人機工程中的心理層面對海洋水質監測儀進行相關的情感化設計，使用戶在使用的過程中得到一定的情感反饋。例如對于海洋水質監測儀的創新設計中運用一體化的設計，將海洋水質監測取樣部件與檢測部件一體化，使得產品的體積進一步的縮小，使用戶在進行水質監測的過程中減少了操作的復雜性和提高了儀器的便攜性。

2.5 海洋水質監測儀材料分析

材料的選擇是產品設計的重中之重，好的材料選擇可以是產品的價值得到最大化。通常來說，材料選擇的影響因素又很多，其中較為主要的有：材料成本、密度、加工性能與使用性能等等[9]。材料的選擇方法是復雜的、多重考慮的。其中在新型海洋水質監測儀的材料選擇上，不僅要達到傳統設計中材料所有的物理性能（比如海洋監測儀在監測過程中的功能、耐腐蝕性等），同時該材料是具有綠色屬性的，能夠滿足以下幾點要求：

（1）材料能滿足產品的功能；

（2）材料的工藝生產過程盡量減少制造過程對于環境的污染；

（3）材料的經濟性；

（4）材料的回收利用性和毒性，盡量選擇無毒可回收材料[9]。

海洋污染使得海洋水質發生不可逆的變化，所以在對新型海洋水質監測儀的材料選擇上，第一要義是產品的功能保證，核心是圍繞著材料的綠色屬性。

2.6 海洋水質監測儀使用環境分析

在進行產品的定義中，必不可少的是對于產品使用時的環境進行一定的定義。加入一定的使用環境的分析，可以直觀地看出用戶在使用產品時的價值、體驗與情感。若是沒有的使用場景的確定，不僅會造成產品的設計過程中對產品定義的模糊，而且也會導致用戶使用時的認識模糊。由此可見，產品設計的過程中對于使用環境的分析是必不可少的。在進行海洋水質監測儀的創新設計時，首先要對海洋環境與用戶在進行海水水質監測環境進行分析，確定了海水監測過程中可能會出現海洋環境復雜多變，海水指標變化快，海洋風浪較大造成用戶使用困難等等。對海洋水質監測環境進行分析后，可以在設計執行中對產品用戶的使用體驗與海洋水質監測的準確性作為該產品創新設計的第一要義。其次在對環境所造成的其他方面進行合理化的設計改良及進行產品與環境的協調性考慮[10]。在對海洋水質監測儀的創新設計中，同時要考慮產品對環境的破壞問題，即是上文材料要素中所論述的產品設計時的綠色屬性，將維護生態的責任與義務融入于設計中。

2.7 海洋水質監測儀操作方式分析

用戶在進行產品操作中，無論什么產品都會存在一定的操作障礙[11]。只有產品與人的行為建立有效且正確的聯系，才能使用戶在使用產品時的鴻溝減小或消失，特別是對于有關生化監測設備的設計，若是儀器的操作方式與用戶的行為傾向有太大的差別，會使用戶在操作過程中出現失誤甚至是出現安全事故。為此，對于海洋水質監測儀創新設計中的操作方式設計過程中，首先，盡量的簡化所要操作的步驟與流程，最大程度的減低操作的難易程度與降低操作失誤的可能性。在顯示屏等人機交互的操作上，盡量提高產品下一步的操作的提醒性，使用用戶在操作的每一過程中能接受到儀器的操作指引，最大程度的減少用戶使用時的非理性行為的出現，使創新型海洋水質監測儀在操作上更加安全與高效。

3 海洋水質監測儀創新開發設計實踐與意義

通過對設計要素的分析，對產品創新設計進行了多方位的設計考究，提高了產品創新設計的完整性與視角多樣化。基于以上論述對海洋水質監測儀的設計要素分析，明確了關于海洋水質監測儀創新設計的設計方向，筆者進行了海洋水質監測儀的設計實踐如圖1、2，該方案的設計遵循了設計調研與方案構思等流程[12]。

圖1 手持海洋水質監測儀創新設計

圖2 手持海洋水質監測儀色彩設計

（1）在功能與形態上，該設計方案摒棄了傳統水質監測儀的較大體塊化的設計，采用便攜式與模塊化的結合，使海洋水質監測儀造型上實現最小化。結合海洋污染監測技術的中的生物傳感器、化學傳感器和水光學傳感器的技術創新[13]，對海洋水質監測儀探頭處進行模塊化設計，使得海洋水質監測儀的監測范圍進一步的擴大。方案與傳統的海洋水質監測儀對比下，將探頭與監測儀機身的模塊化結合可以使用戶在進行水質分析的過程中減少了采集后的保存、運輸、實驗室分析的流程等相關的流程，可直接的在監測現場進行監測與數據統計，大幅度提高了海洋水質監測的效率。該設計方案實現了功能與形態上的融合，保障了海洋水質監測儀的高效性與便攜性的同時又加入了模塊化的設計，使海洋水質監測儀在高效與使用上又多加一層設計意義。

（2）在海洋水質監測儀的色彩的創新設計上，采用的是白色、藍色、灰色或黑色為4 種配色方案，在視覺上是該產品具有整潔、精準、專業的視覺效果。同時四種不同的色彩搭配也給用戶帶來的不一樣的心理體驗，例如藍色讓用戶聯想到的是大海，有著沉著、深遠的感覺，可以給用戶帶來信賴、安全和理智的心理暗示。在海洋水質監測儀的材料創新設計上，遵循著綠色設計的原則，不僅是在材料與加工工藝上減少對生態環境的破壞，而且探頭與監測儀的一體化設計可以減少監測過程中采集管的使用，進一步的減少了監測耗材的污染。綠色設計原則下的海洋水質監測儀的設計，反映的不僅使人類對于海洋環境的保護意識，更重要的是對全球的可持續發展的反思與意識，同時展示的是設計師的道德心與社會責任感。

（3）在創新型海洋水質監測儀的人機設計上，結合了人手的抓握方式與人手的相關的人機工程尺寸進行設計，可以提高監測過程中用戶的舒適性。同時，在新型海洋水質監測儀產品表面嵌入了符合監測時用戶視角的顯示屏，方便用戶進行數據的讀取與操作，緩解了用戶的重復操作的疲勞，同時使工作效率大幅度的提高。在對海洋水質監測儀的操作設計的過程中，較于傳統的監測流程來說，操作的復雜性大幅度的降低，同時在顯示屏上進行一系列的指引，使得監測流程操作進行的準確性。在如今科技快速發展的時代，在設計上產品的功能日漸復雜，考慮人機工程的設計能讓產品不偏離以人為本的設計理念，同時加入情感化設計，讓產品具有情感意義。

4 結語

在海洋水質監測儀的創新設計中，高效、便攜、精準已經成為未來海洋水質監測儀必不可少得發展趨勢。利用創新設計設計要素分析的方式，能夠全方位地將海洋水質檢測儀的設計與設計中主要的要素結合，設計出一種滿足用戶需求、滿足社會價值的海洋設備。相信在未來的發展中，海洋水質監測儀的設計將會融入更為系統的設計要素，不僅使得海洋水質監測儀品質得到提升，也助推海洋裝備儀器設備產業的健康發展。