海洋水质监测仪创新开发设计

黄铭玉，黄天杨，陈明月，韩卫国，钟光明

（广东海洋大学 机械工程学院，广东 湛江 524000）

0 引言

21 世纪是海洋的世纪，我国多元化的海洋资源犹如一个包罗万象的宝库，其中的海水资源在当今具有非常广阔的前景。但是近年来，人们肆意的开发海洋资源和内陆河流废水倾入海洋，造成海洋水体的温度、PH、含盐量、生物的物种和数量等等性状发生了不可逆的改变，这使我国的海洋生态环境造成了巨大的破坏。海洋污染让昔日湛蓝的海水变得浑浊，水体中大量的重金属和有毒有机物对海洋生物的毒害，严重影响了海洋的生产力。海水的富营养化使得赤潮在我国的渤海湾、长江口、广东和香港海域频繁发生。在我国，每年由于“海洋癌症”赤潮所影响的经济损失约为10 亿元[1]。因此，海洋水质的监测与治理对于我国的海洋产业和海洋环境的可持续发展是具有重要意义的。运用海洋水质监测仪对海水中各种化学元素的监测是治理海洋水质环境的第一步，同时也是合理运用海水资源的重要手段。海洋监测仪通常为大而复杂的机器，使得监测人员在监测的过程变得繁琐，同时工作效率与监测的实时性也随着降低。由此可见，海洋水质监测仪进行合理化的设计是解决海洋水质问题现状的重中之重。

1 海洋水质监测仪产品设计现状

海洋水质监测仪是用于定期或连续测定海洋水质，分析水质中各项指标成分含量的仪器[2]。海水是一种十分复杂的多组分的水溶液，其含有的污染物质是复杂多变的。由于海水中成分的复杂性与多样性，使得海洋水质监测的难度大大提升。

在海洋水质监测仪研究的初始阶段，水质监测技术还没运用电化学分析法，此阶段的研究进展是十分缓慢的。到后来欧美部分国家从电化学的方法的前提下，对于水质监测仪的进行了自动化技术的运用后，水质监测仪得到了前所未有的发展。在当时已经出现了许多的便携式的水质监测仪，但是由于条件限制导致了水质监测设备的准确性较差。到后来，高性能传感器的推广与无线通信技术的研发，让海洋监测仪的技术迎来了新的阶段。与此同时，我国对于海洋水质监测仪的研究也在不断加大。我国海洋水质监测仪的相关研究开展较欧美国家的发展得晚。但是我国的研究成果是丰硕且发展快速的。在二十一世纪后，我国的海洋水质重视程度进一步提高，水质监测仪的监测效果更加精准。但相对国外的海洋水质监测仪来说监测的准确性、器械的便携性与实时性较差[3-5]。

在海洋水质监测仪的研究初期，监测仪的产品是较为单一的。这个时期的海洋水质监测仪造型上简单，只是基于产品功能的设计。逐渐地人们开始意识到海洋水质监测仪在检测过程中需要取样与检验分开，才能使监测过程的效率大幅度的降低，因此，人们便 开始对海洋水质监测仪的便携性进行合理化的设计。在这阶段，海洋水质监测仪在外观上的设计是比较少的，多的是对于海洋水质监测仪的功能上的提升。虽然随着科技的发展，高性能传感器和无线通信技术的添加使海洋水质监测仪更加便携与时效性强，但是海洋水质监测仪的设计还有许多的不足需要进一步的加强与创新。

2 海洋水质监测仪创新设计要素分析

产品创新设计是指运用新技术或新的设计构思对传统的产品进行全新的设计，或是在产品的造型、材料、功能等上进行创新型的改良设计。根据创新设计的基本要素相关知识，对海洋水质监测仪的功能、形态、色彩、人机、材料、使用环境和操作进行全方位的分析，提取出各个要素中对于创新型海洋水质监测仪的设计方向，从而使海洋水质监测仪的设计满足多元化的需求，同时也为海洋水质监测仪的创新设计提供了新的方向。

2.1 海洋水质监测仪功能分析

由于海洋水质监测项目多且不同类型的物质有不一样的监测方法，导致传统的海洋水质监测仪的监测项目类型是有限的。例如在对海水中的油类物质进行测定时使用荧光分光度法，而硫化物则是运用亚基蓝分光光度法。由此看出，不同物质的测定方法大为不同。不仅是监测项目所对应的监测方法与监测仪器不同，更重要的是海洋水质污染的指标不是由某一项目不达标而判定的。例如，针对同一个污染现象的监测项目就已经十分的繁杂，所需要的监测方法和数据库是庞大的。但是在目前大多数的海洋监测仪功能上只能测定小方向的范围，那么如何扩大海洋监测仪的监测范围可以说是海洋监测仪功能创新要点之一。对于海洋监测仪功能的创新上主要是依托于监测方式的创新与人工智能技术的介入。通过研究新型的监测方法来解决传统海洋监测仪器监测系统的复杂性，同时简化的监测流程可以使得监测仪器监测项目最大化。同时由于人工智能的引入可以将监测大数据通过互联网实现数据的共享，确保了水质监测的实时性。

2.2 海洋水质监测仪形态分析

“形式追随功能”是芝加哥学派的现代主义建筑大师路易斯沙利文的名言之一，主张的是反对矫揉的装饰风格及繁琐的细节部位的样式，采用的是以实用为形式导向。形式追随功能的设计风格在海洋水质监测仪的设计体现上十分明显。例如AMT-FB301 多参数水质监测浮标，是以浮标为载体的化学分析仪器和各种水质传感器的水质监测仪综合体。从形态上可以直观地看出该水质监测仪的功能模块分为浮体、太阳能板、传感器等等。由此看出，对于工程设备的形态是以功能为核心主体的，不加入累赘的装饰，因为即使是美感再强的设计在功能运作上没有升级，那便是没有意义的[6]。在海洋水质监测仪的设计创新上应该以功能为第一导向，在设计形态上把握好尺度，必要的拥有一定的基本标准与要求，同时在形态上有新的改革与创新，毕竟产品的功能与形态是不可分开的、相辅相成的。

2.3 海洋水质监测仪色彩分析

色彩的表现其实是一种视觉的心理感受，色彩在工业设计中是一种表现力充盈的要素，它具有：补偿性、标志性、识别性和专用性四个视觉功能，同时色彩是具有情感的，它能带给用户不一样心理暗示与体验。因此，在对产品的色彩设计时，需要从多方面考虑，如产品的使用环境、产品的功能与造型、产品所要带给用户的体验以及色彩本身的适用性。例如蓝色，带给人的是一种冷静和智慧的体验感，因而使蓝色成为工业邻域与现代科技的代表颜色，在某种程度上来说蓝色的产品预示着产品本身的精密性与技术精湛[7]。对于海洋水质监测仪创新设计色彩要素中，主要运用的是色彩的补偿性，具体体现在色彩调节用户与使用环境和机器之间的关系。结合上海洋水质监测设备的相关特点，在对其进行创新设计时，选择的颜色可以为白色、蓝色等冷色系，使得水质监测仪具有整洁、精准的视觉感受。同时可以加入少部分小面积的提醒色，如黄色与红色来展示出警示作用，既协调了色彩配合，同时又增加了色彩的功能作用。

2.4 海洋水质监测仪人机分析

人机工程是在理性原理的支持下对产品进行合理化的设计过程，结合了生理学、心理学等与人相关的学科，达到所设计的产品具有安全性、高效性与舒适性[8]。有效将人的生理尺度和心理尺度等等各种数据运用到产品设计中，使得产品的功能合理性得到科学理论依据。在海洋水质监测仪的创新设计中，人机要素主要用于解决产品尺寸与人体尺寸之间的问题，使得海洋水质监测仪在运作的时候能最大限度为用户提供安全性与高效性；同时，通过对人机工程中的心理层面对海洋水质监测仪进行相关的情感化设计，使用户在使用的过程中得到一定的情感反馈。例如对于海洋水质监测仪的创新设计中运用一体化的设计，将海洋水质监测取样部件与检测部件一体化，使得产品的体积进一步的缩小，使用户在进行水质监测的过程中减少了操作的复杂性和提高了仪器的便携性。

2.5 海洋水质监测仪材料分析

材料的选择是产品设计的重中之重，好的材料选择可以是产品的价值得到最大化。通常来说，材料选择的影响因素又很多，其中较为主要的有：材料成本、密度、加工性能与使用性能等等[9]。材料的选择方法是复杂的、多重考虑的。其中在新型海洋水质监测仪的材料选择上，不仅要达到传统设计中材料所有的物理性能（比如海洋监测仪在监测过程中的功能、耐腐蚀性等），同时该材料是具有绿色属性的，能够满足以下几点要求：

（1）材料能满足产品的功能；

（2）材料的工艺生产过程尽量减少制造过程对于环境的污染；

（3）材料的经济性；

（4）材料的回收利用性和毒性，尽量选择无毒可回收材料[9]。

海洋污染使得海洋水质发生不可逆的变化，所以在对新型海洋水质监测仪的材料选择上，第一要义是产品的功能保证，核心是围绕着材料的绿色属性。

2.6 海洋水质监测仪使用环境分析

在进行产品的定义中，必不可少的是对于产品使用时的环境进行一定的定义。加入一定的使用环境的分析，可以直观地看出用户在使用产品时的价值、体验与情感。若是没有的使用场景的确定，不仅会造成产品的设计过程中对产品定义的模糊，而且也会导致用户使用时的认识模糊。由此可见，产品设计的过程中对于使用环境的分析是必不可少的。在进行海洋水质监测仪的创新设计时，首先要对海洋环境与用户在进行海水水质监测环境进行分析，确定了海水监测过程中可能会出现海洋环境复杂多变，海水指标变化快，海洋风浪较大造成用户使用困难等等。对海洋水质监测环境进行分析后，可以在设计执行中对产品用户的使用体验与海洋水质监测的准确性作为该产品创新设计的第一要义。其次在对环境所造成的其他方面进行合理化的设计改良及进行产品与环境的协调性考虑[10]。在对海洋水质监测仪的创新设计中，同时要考虑产品对环境的破坏问题，即是上文材料要素中所论述的产品设计时的绿色属性，将维护生态的责任与义务融入于设计中。

2.7 海洋水质监测仪操作方式分析

用户在进行产品操作中，无论什么产品都会存在一定的操作障碍[11]。只有产品与人的行为建立有效且正确的联系，才能使用户在使用产品时的鸿沟减小或消失，特别是对于有关生化监测设备的设计，若是仪器的操作方式与用户的行为倾向有太大的差别，会使用户在操作过程中出现失误甚至是出现安全事故。为此，对于海洋水质监测仪创新设计中的操作方式设计过程中，首先，尽量的简化所要操作的步骤与流程，最大程度的减低操作的难易程度与降低操作失误的可能性。在显示屏等人机交互的操作上，尽量提高产品下一步的操作的提醒性，使用用户在操作的每一过程中能接受到仪器的操作指引，最大程度的减少用户使用时的非理性行为的出现，使创新型海洋水质监测仪在操作上更加安全与高效。

3 海洋水质监测仪创新开发设计实践与意义

通过对设计要素的分析，对产品创新设计进行了多方位的设计考究，提高了产品创新设计的完整性与视角多样化。基于以上论述对海洋水质监测仪的设计要素分析，明确了关于海洋水质监测仪创新设计的设计方向，笔者进行了海洋水质监测仪的设计实践如图1、2，该方案的设计遵循了设计调研与方案构思等流程[12]。

图1 手持海洋水质监测仪创新设计

图2 手持海洋水质监测仪色彩设计

（1）在功能与形态上，该设计方案摒弃了传统水质监测仪的较大体块化的设计，采用便携式与模块化的结合，使海洋水质监测仪造型上实现最小化。结合海洋污染监测技术的中的生物传感器、化学传感器和水光学传感器的技术创新[13]，对海洋水质监测仪探头处进行模块化设计，使得海洋水质监测仪的监测范围进一步的扩大。方案与传统的海洋水质监测仪对比下，将探头与监测仪机身的模块化结合可以使用户在进行水质分析的过程中减少了采集后的保存、运输、实验室分析的流程等相关的流程，可直接的在监测现场进行监测与数据统计，大幅度提高了海洋水质监测的效率。该设计方案实现了功能与形态上的融合，保障了海洋水质监测仪的高效性与便携性的同时又加入了模块化的设计，使海洋水质监测仪在高效与使用上又多加一层设计意义。

（2）在海洋水质监测仪的色彩的创新设计上，采用的是白色、蓝色、灰色或黑色为4 种配色方案，在视觉上是该产品具有整洁、精准、专业的视觉效果。同时四种不同的色彩搭配也给用户带来的不一样的心理体验，例如蓝色让用户联想到的是大海，有着沉着、深远的感觉，可以给用户带来信赖、安全和理智的心理暗示。在海洋水质监测仪的材料创新设计上，遵循着绿色设计的原则，不仅是在材料与加工工艺上减少对生态环境的破坏，而且探头与监测仪的一体化设计可以减少监测过程中采集管的使用，进一步的减少了监测耗材的污染。绿色设计原则下的海洋水质监测仪的设计，反映的不仅使人类对于海洋环境的保护意识，更重要的是对全球的可持续发展的反思与意识，同时展示的是设计师的道德心与社会责任感。

（3）在创新型海洋水质监测仪的人机设计上，结合了人手的抓握方式与人手的相关的人机工程尺寸进行设计，可以提高监测过程中用户的舒适性。同时，在新型海洋水质监测仪产品表面嵌入了符合监测时用户视角的显示屏，方便用户进行数据的读取与操作，缓解了用户的重复操作的疲劳，同时使工作效率大幅度的提高。在对海洋水质监测仪的操作设计的过程中，较于传统的监测流程来说，操作的复杂性大幅度的降低，同时在显示屏上进行一系列的指引，使得监测流程操作进行的准确性。在如今科技快速发展的时代，在设计上产品的功能日渐复杂，考虑人机工程的设计能让产品不偏离以人为本的设计理念，同时加入情感化设计，让产品具有情感意义。

4 结语

在海洋水质监测仪的创新设计中，高效、便携、精准已经成为未来海洋水质监测仪必不可少得发展趋势。利用创新设计设计要素分析的方式，能够全方位地将海洋水质检测仪的设计与设计中主要的要素结合，设计出一种满足用户需求、满足社会价值的海洋设备。相信在未来的发展中，海洋水质监测仪的设计将会融入更为系统的设计要素，不仅使得海洋水质监测仪品质得到提升，也助推海洋装备仪器设备产业的健康发展。