基于感性設計方法的戰斗機座艙概念設計研究

楊舒婷，張學永，李珍，曹淮，吳磊，毛非一

基于感性設計方法的戰斗機座艙概念設計研究

楊舒婷1，張學永1*，李珍1，曹淮2，吳磊2，毛非一2

（1.中國航空工業集團公司 沈陽飛機設計研究所，沈陽 110035； 2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

基于感性設計方法對戰斗機座艙開展設計研究，探究戰斗機座艙的工業設計方法，以提升飛行員的操作感受和用戶體驗。對相關文獻進行梳理，厘清感性設計的概念和理論來源；對裝備感性設計和飛機座艙的工業設計方法進行文獻回顧；針對以技術為主導的戰斗機座艙設計，其外觀設計受到功能的嚴格限制。通過構建基于創意感性的戰斗機座艙感性設計方法，將“感性”思維融入戰斗機座艙的工業設計程序，通過風格意象、主題分析、主題造型化等設計階段產出設計方案，最后進行驗證評估。根據感性設計方法對戰斗機座艙開展概念設計案例實踐，驗證了感性設計方法的可行性，為戰斗機座艙工業設計提供相應的參考建議。

戰斗機座艙；設計方法；感性設計；意象

隨著航空科技的發展，航空飛行器設計已經成為工業設計和人因工程的重要交叉研究領域。座艙又稱為駕駛艙、操作艙或控制艙，是供機組人員控制、操作、監視和管理航空飛行器的主要工作區域。座艙設計的目的是提供一個舒適、安全、高效的工作環境，確保飛機的安全和平穩運行。戰斗機是用于奪取制空權的核心武器裝備，戰斗機座艙作為飛行員操控航空飛行器的重要工作環境，飛行員需要一邊執行復雜飛行任務，一邊實時執行敏捷的作戰任務。對于戰斗機座艙中復雜的人機界面信息、緊湊的空間環境，通過工業設計方法對座艙開展設計賦能，提高飛行員人機工效和駕駛舒適性、操控安全性，體現源于工業美學、設計心理學、色彩心理學等的“以飛行員為中心”的操控體驗。

綜上所述，在現代戰斗機座艙設計中，工業設計發揮著重要的作用，通過考慮可維護性、人因工效和可達性，優化座艙布局設計，提高飛行員的工作效率和舒適度，提升座艙美學品質和情感體驗。此外，通過優良的工業設計和制造工藝，可提升座艙感官質量，降低飛行員操作疲勞。因此，開展相關探索具有重要的理論研究和實踐意義。

1 感性設計方法概述

感性在《中國漢語大辭典》的釋義為：作用于人的感覺器官而產生的直觀認識。感性設計方法是適用于現代產品設計的情感化設計思維方法，感性意象是用戶在使用產品過程中產生的情感體驗和心理感受。隨著學科的融合發展，感性設計方法逐漸成為工業設計理論的主要研究方向之一。楊裕富[1]將設計方法分為創意理性和創意感性。具體而言，創意理性是指運用可計算、可推理的數學邏輯方式從事設計構思與改良。創意感性是指通過人的情景設想、想象力和聯想力開展產品的創意與設計。基于理性的設計方法，主要關注設計的理性思維，是以問題為中心的設計方法，注重創意結構的實用性和生產的經濟性。基于感性的設計方法，主要聚焦設計的感性，是以感性體驗為中心的設計方法，注重設計內容的感受性與用戶的接受性，見圖1。

圖1 理性設計方法和感性設計方法比較

設計方法論是研究設計方法的邏輯核心，能夠對設計的實現途徑和手段進行規范。設計方法是開展設計實踐的理論指導和依據，主流的設計方法論有直覺設計方法、系統設計方法、用戶研究方法等[2]。張曉晨等[3]針對工業設計概念界定模糊的現狀，梳理歸納工業設計的定義，展開工業設計方法的多維交叉可視化分析。時吉星等[4]對工業設計方法使用問題進行了討論，提出面向企業需求的工業設計方法。在裝備產品感性設計方法研究領域，曹淮等[5]通過對理性設計與感性設計的比較，以IC精密自動劃片機設計研究為例，闡述了基于創意感性的產品開發方法在裝備工業設計中的應用。朱志娟等[6]將演出觀設計程序在設計實踐中進行應用，以TK坦克裝備產品設計為案例，驗證了設計方法的可行性。該文提出在裝備設計中，將產品識別戰略與演出觀設計程序進行結合，可設計出符合企業品牌個性的家族化產品設計。

2 相關文獻綜述

2.1 基于感性設計的工業裝備設計

在工業裝備的感性設計研究領域，蔣佳慧等[7]以工業視覺檢測設備為例，運用感性工學分析造型設計語言與工業產品感性詞匯之間的關系，獲取最優造型設計方案，為工業裝備產品設計提供參考。王莉等[8]基于感性工學和形狀文法，運用形態分析法對農機產品造型要素進行提取，運用定性和定量結合的方法探究感性意向和造型要素之間的關聯，以拖拉機造型為例進行驗證。陳國強等[9]為滿足用戶多樣化感性需求，提出BP神經網絡優化遺傳算法的智能座艙感性意象設計方法。高云[10]歸納了非標產品在工業設計過程中的問題，將改進后的工業設計流程應用在流向試驗器的研發生產中，有效縮短了工業設計周期[10]。劉明遠等[11]提出虛擬感性工學下的農業裝備形態設計方法，并以打捆機為例驗證其有效性。鄭剛強等[12]從工業設計的視角出發，探索符合高端裝備特征的創新設計原理與方法[12]。張宗登等[13]針對工程裝備產品配色問題，運用色彩心理學和感性工學等方法，以裝載挖掘機設計為例，提出工程裝備產品的配色比例區間。蘇建寧等[14]構建了面向品牌風格的機械裝備造型設計方法，并以應力試驗機為例進行了驗證。

2.2 飛機座艙工業設計方法

在飛機座艙造型設計研究領域，劉頓等[15]基于語義差異法和感性意象理論，采用AHP評價方法對座艙空間布局進行評價研究。陳彥蒿等[16]提出基于猶豫模糊集的飛機駕駛艙設計形態綜合評價方法。葉坤武等[17]基于數字軟件模擬方法研究駕駛艙可達域的約束條件，對駕駛艙的布局進行優化。楊莉等[18]分析了客艙工業設計的安全性和舒適性等四項要素，闡述了感性工學、虛擬現實設計等三種適用于飛機客艙的工業設計方法。李轉等[19]運用AHP層次分析和灰色聚類法，通過對飛機客艙工業設計因素的分析，建立層次化評價指標體系，對飛機客艙工業設計方案開展有效評價。在飛機座艙的人機交互領域，趙丹華等[20]通過態勢感知模型，開展戰斗機智能座艙信息系統一體化設計研究。林榕等[21]針對飛機座艙人機交互系統開展綜述研究，梳理面向未來飛機座艙設計的智能人機交互關鍵技術。馮悅等[22]通過分析座艙人機交互方式的發展，明確了戰機座艙人機交互方式的發展趨勢，如基于自然語言理解的語音交互、空間方位的三維音頻告警、視覺跟蹤的眼動交互等。

在飛機座艙的色彩、材質設計研究領域，曹玉姝等[23]提出基于感性工學的飛機涂裝設計方法，探索飛機涂裝的感性詞匯在飛機涂裝設計中的適用性。譚于琳等[24]針對飛機內飾設計開展研究與探討，從色彩材料與表面處理效果的角度尋求新的解決方案，提出飛機內飾天頂設計新概念。初建杰等[25]通過對色彩和材質紋樣的主觀意象進行量化分析，提出飛機客艙座椅色彩和材質紋樣設計方法。左恒峰等[26]以CMF設計為重點對民航客機內飾進行研究，基于感性設計提出飛機內飾的概念性創新思路。談衛等[27]針對感性工程學的設計流程，提出了基于視覺意象的飛機座艙塑料材質設計方法，以不透明塑料材質為例，對座艙操縱臺進行案例設計驗證。

綜上所述，目前學術界對工業裝備的感性設計和飛機座艙布局已有一定的研究基礎，已在部分裝備產品和飛機座艙工業設計中開展研究實踐，但采用感性設計方法對戰斗機座艙開展工業設計研究還存在一定的不足。因此，本文針對戰斗機座艙工業設計開展設計研究，進而探索相關研究路徑和方法。

3 基于感性設計的戰斗機座艙工業設計方法

戰斗機座艙是直接面向制造業的高精尖科技裝備，作為以技術為主導的大型裝備產品，其外觀設計受到座艙功能布局的嚴格限制。而感性設計方法，其與傳統的問題觀設計方法不同，可以使科技理性的座艙造型具有感性設計特點，產生科技與人文融合的創新設計方案。將“創意感性”思維融入“科技理性”的座艙設計全流程，不僅有助于造型創意思維的產生，而且使產品具有人性化和人情味的特征。

在戰斗機座艙工業設計開發中，采用與“問題觀設計”不同的“感性設計”思維。傳統“問題觀設計目標”的戰斗機座艙工業設計流程是：問題設定→收集相關座艙產品市場資料與使用資料→資料分析→組合出新產品特性→提出數個解決問題的座艙造型方案→評估各個造型方案的效益并選擇設計造型方案→修正與修飾造型方案→地面樣機構建→座艙樣機評估測試。這種設計方法在工業美學以及面向用戶的駕乘體驗方面存在一定缺陷。而基于“感性設計”的創意設計流程，則能夠很好地克服傳統的“問題觀設計”流程的弊端，更好地從感性的層面突破原有工業設計方案的思維定式，為提升戰斗機座艙感性品質提供更好的工業設計創意路徑。綜上所述，基于感性設計的戰斗機座艙設計流程為：產品定義→意象初步設定→基于“工業美學”的風格意象→調整初步設定的意象→主題分析（推演出主題和要素）→主題造型化→座艙工業設計評估，如圖2所示。

圖2 戰斗機座艙感性設計方法流程

4 基于感性設計的戰斗機座艙設計實踐

4.1 產品定義

基于對現有國外戰機座艙的設計與需求分析，工業設計任務的重點圍繞座艙空間布局與內飾總體設計展開，涉及多個關鍵組成部分，如飛行員座椅、座艙蓋、座艙儀表板、操縱臺、操縱開關、人機接口設備、通風噴口、內飾板與儀表操縱臺銜接過渡面、結構件搭接和連接件等。設計過程綜合考慮任務作業空間、生命保障安全、使用維護工效與工業造型美學，旨在最大程度地滿足飛行員使用座艙時的生理和心理需求，優化操作可用性與空間利用率，并確保人機界面使用友好。

座艙總體布局方案基于平臺約束和人機工效原則，考慮飛行員的操作流程和人體工程學要求。通過合理安排儀表盤、控制臺以及各種操作元件的位置，旨在提高飛行員的工作效率和操作安全性。內飾形態設計的重點是座艙空間的工業美學營造。在材質和色彩設計方面，關注座艙的視覺效果和品牌形象，選擇適合的材質可以提供舒適的觸感和質感，并考慮其抗磨損和易清潔性。通過色彩設計營造舒適專業和先進的氛圍，同時與飛機整體外觀風格相協調，提升座艙的美學價值。

4.2 意象初步設定

深入廣泛地調研國外戰斗機座艙競品設計趨勢，并跨行業領域調研民用客機和智能汽車等產品的座艙內飾風格設計現狀。主要梳理美國、俄羅斯等的戰斗機發展歷史和關鍵機型，了解設計創新帶來的座艙造型、設計風格布局等設計發展趨勢，并對各個典型機型的座艙風格意象進行總結，見圖3。

工業美學（Industrial Aesthetics）主要研究產品設計形態與文化要素中的美學問題，也稱作“技術美學”。在戰斗機座艙工業設計實踐中，將意象初步設定為“工業美學”，這也是裝備類產品所遵從的美學基調，契合此類產品的設計原則與構成要素。工業美學追求富有力量感且平直的線條、幾何感的連接和強勁的互動，它是現代工業的機械制造、現代建筑的解構主義和機甲科幻的綜合體。工業美學的審美來自于對先進技術與工業發展的呈現，在設計手法上著重體現為功能美、技術美、材料美與秩序美的融合。

圖3 國外戰斗機座艙競品調研

4.3 基于“工業美學”的風格意象

基于以上分析，將座艙設計的整體風格定義為：“極限航空，極致美學”。產品的造型風格是由造型元素通過不同的組合特征構成的集合形式。形態是產品設計美學的基礎因素，造型風格中的點、線、面、體都對用戶產生相應的情感認知與體驗。在風格意象定義中，因為難以用文字精準描述設計風格，通過“風格意象情緒版”的方法來描繪設計意象，并作為造型設計和空間營造的風格指導。

具體而言，基于“工業美學”的風格意象有以下幾種：

1）力量感的風格意象。在形態設計上采用富有秩序感且平直的線條、幾何感的連接和強勁的互動，用以展現工業美學下座艙的基本設計原則，工業之美融合科技的力量和邏輯嚴謹的構形理念，蘊含沉著冷靜的力量感，為飛行員帶來穩定和安全感。

2）嚴謹理性的設計意象。深入洞察人因要素，在設計上弱化影響用戶人機體驗和工效的裝飾性元素。合理布局座艙各功能性模塊，通過設計手法優化操控面板邊界，使分區邏輯更嚴謹，信息反饋更清晰明確，提升操控的流暢化體驗。在多元素混合中理解并強化座艙布局，通過氛圍燈、模塊分區、色彩提示等元素設計，支持用戶在各種極端飛行場景下的精準操作，提升飛行操控保障。

3）技術美的設計意象。技術美是功能與形式的統一，在座艙設計中形態和色彩、產品的操作便捷性、舒適性等方面，都是衡量技術美的重要標準。技術美代表了座艙的技術先進程度，是戰斗機綜合能力的體現。

4）“視覺降噪”的CMF設計。色彩的心理效應源自色彩的物理光刺激對人的生理產生的影響，偏藍的色調能讓人冷靜，在材質上以低反射率材料來營造座艙“視覺降噪”的作業環境，避免光污染等因素影響安全飛行，見圖4。

圖4 基于“工業美學”的風格意象

4.4 調整初步設定的意象

形態分析法旨在運用系統的分析方法促進設計創作并提出解決方案，運用此方法將產品的整體功能解構成多個不同的子功能。形態分析法將整體功能拆解為多個子系統，是一個化繁為簡的過程。當面對一個復雜的座艙系統集合時，其內在運作原理也潛藏其中，將拆解后各個功能組的形態構成適當簡化，加強設計師對各個子功能的理解能力，進而通過設計師的形態重構完成造型布局，如圖5所示。

圖5 用形態分析法對座艙組成部分進行拆解

通過形態分析法，明確總體系統是由哪些部分構建而成，從而探明其運作原理、組成邏輯和構成方式，并找出其主線和最具特征的代表性元素。形態簡化的過程就是對無序實物進行有序定義的過程，有了秩序和可定義性，才能夠讓設計師在解構與重構過程中，保持設計的初衷。通過形態的簡化，找到構成系統的各個有效的組成部分以及它們的主要特征，建立起滿足重新構型的條件。在本次座艙的設計實踐中，采用了類比與隱喻的設計手法來應用感性設計理念。類比和隱喻的再加工過程是對設計方案的進一步提升，進而衍生出新的形態解讀，使設計方案更富感染力。

4.5 主題分析：推演出主題和要素

基于上述感性設計方法的導入，在設計對象工程總布置的基礎上，提煉出相應的造型意象創新點，在意象上聯想到高山的意境恢宏與立意高遠。通過山河意象進行簡化和抽象設計，山峰和奔流而下的“三江源頭”構成了兩側操控臺的造型特征。山峰的層疊通過兩側墻板的蜿蜒曲面造型來展現，兩側的操控面板通過平直且富含張力的形面造型，描繪“三江源頭”朝氣蓬勃的江河之源，如圖6所示。

4.6 主題造型化

圍繞提升戰斗機飛行員的極致操控體驗，開展座艙空間布局與內飾總體設計，仔細推敲座艙儀表板、操縱臺及人機接口設備、通風噴口、內飾板與儀表操縱臺銜接過渡面、連接件、標識等細節設計。綜合考慮任務作業空間、駕乘體驗與工業造型美學，滿足飛行員使用的生理和心理需求。具體的概念設計方案，如圖7所示。

圖6 主題分析：推演出主題和要素

圖7 座艙造型設計方案

4.7 座艙工業設計評估

1）戰斗機座艙的可達性評估。在戰斗機駕駛和飛行過程中，座艙可達性的優劣程度會直接影響飛行員操縱的舒適性和飛行的安全性。當飛行員處于緊張或危急狀態時，若可達性設計不合理，會直接導致操縱失敗而影響飛行安全。因此，對飛機座艙進行可達性分析，可以降低人因問題導致的事故發生概率，提升飛行安全性。采用量化實驗研究方法，通過被試者在座艙開展典型操作任務、填寫可達性檢查表和問卷等，驗證了座艙各功能部件的可達性滿足設計要求。

2）戰斗機座艙的造型體驗評估。采用感性工學評估方法，建立了戰斗機座艙造型的評價指標問卷，對座艙的造型體驗進行量化評估。具體研究方法為：被試者對座艙的造型進行充分觀察、感受和體驗后，針對實際的主觀感受，進行李克特五點量表評價。具體包含被試者對座艙整體造型風格的感受，比如造型風格的硬朗和圓潤等帶來的情緒感受。座艙細節的造型風格感受，比如儀表盤、控制面板、控制按鈕等部件，分別進行造型感受的評分和計算，驗證了座艙造型體驗的適宜性。

3）戰斗機座艙的CMF評估。座艙CMF內飾色彩對飛行員的主觀舒適性具有較大影響，關系到飛行員視覺健康和飛行任務安全。采用感性工學方法，建立了飛機座艙CMF內飾色彩的評價指標體系，對座艙內飾的色彩材質進行量化評估。被試者對座艙的CMF進行充分感受和體驗后，針對主觀感受進行李克特五點量表評價，包含座艙的色彩評估和材質評估。通過體驗和問卷的方式，獲取被試者對座艙色彩和材質肌理的感受，驗證了座艙CMF設計的適合性。

綜上所述，通過戰斗機座艙的可達性評估、造型體驗評估和CMF評估，對座艙整體的使用操作感受、造型感受和色彩材質感受進行驗證，初步證實了感性設計方法的可行性。

5 結語

本文對感性設計的理論來源、方法流程以及戰斗機座艙設計的實踐過程進行了初步論證，后續將應用到更多型號的戰斗機座艙中開展進一步的拓展驗證。依據創意感性和創意理性兩項思維要素，面對戰斗機座艙產品需求和飛行員的用戶體驗訴求，感性設計理念將戰斗機座艙通過感性設計鏈路組合出多種可能性，賦予嚴謹的大型科技裝備更多的情感色彩，進而產生更具情感吸引力的方案。綜上所述，感性設計方法是融合感性與理性設計的整合性設計思路，對大型裝備產品尤其是戰斗機座艙的工業設計具有實際的應用價值。

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Conceptual Design of Fighter Cockpit Based on Emotional Design Method

YANG Shuting1, ZHANG Xueyong1*, LI Zhen1, CAO Huai2, WU Lei2, MAO Feiyi2

(1. Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Aviation Industry Corporation of China Limited, Shenyang 110035, China; 2. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The work aims to conduct a design research on the fighter cockpit based on the emotional design method and explore the industrial design methods for the fighter cockpit, to enhance the pilot's operational experience and user experience. Firstly, the relevant literature was reviewed and the concept and theoretical sources of emotional design were clarified. Then, the literature on equipment emotional design and industrial design methods for the fighter cockpit was reviewed. Secondly, for the fighter cockpit design dominated by technology, the appearance design was strictly limited by functionality. By constructing a creative and emotional design method for the fighter cockpit, the "emotional" thinking was integrated into the industrial design program of the fighter cockpit. Design solutions were produced through design stages such as style image, thematic analysis, and theme modeling, and finally validated and evaluated. Based on the emotional design method, the conceptual design case studies are conducted on the fighter cockpit, verifying the feasibility of the emotional design method and providing corresponding reference suggestions for the industrial design of the fighter cockpit.

fighter cockpit; design method; emotional design; image

TB472

A

1001-3563(2024)04-0033-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.003

2023-09-22