城市智慧湖邊警示路燈組合設(shè)計(jì)研究

唐畋畋

（濟(jì)南大學(xué),山東濟(jì)南 250000）

一、組合設(shè)計(jì)

組合設(shè)計(jì)是一種具有革命性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式，它通過將多種不同的原理、技術(shù)、形態(tài)、產(chǎn)品的元素按照特定的規(guī)律進(jìn)行有機(jī)地融合，從而實(shí)現(xiàn)更高層次的創(chuàng)新，為消費(fèi)者帶來更多的選擇[1]。采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)，將產(chǎn)品的各個(gè)部分有機(jī)結(jié)合起來，不僅可以滿足不同的應(yīng)用場景，還可以開發(fā)出更加先進(jìn)、更有可持續(xù)性的功能，同時(shí)還可以有效地提高零件的再生利用率，有效地節(jié)約資源，減少對環(huán)境的污染，從而達(dá)到產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。四種組合設(shè)計(jì)方式都能帶來顯著的優(yōu)勢：（1）減少產(chǎn)品生產(chǎn)成本。復(fù)合型產(chǎn)品可以共用生產(chǎn)原料以及加工流，從而節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間和人力物力。（2）縮小產(chǎn)品體積。組合設(shè)計(jì)是將不同功能的多個(gè)產(chǎn)品融合成一個(gè)單一產(chǎn)品，避免了使用多個(gè)產(chǎn)品的煩瑣性，提升了用戶在使用感上的便捷性。[2]（3）優(yōu)化產(chǎn)品功能。組合設(shè)計(jì)使一個(gè)產(chǎn)品具備基本功能之外增添了其他的附加功能，讓產(chǎn)品的功能更加全面。（4）具有綠色設(shè)計(jì)思想。組合設(shè)計(jì)整合多個(gè)功能于一個(gè)產(chǎn)品，使用戶減少了購買成本、生產(chǎn)商減少了生產(chǎn)成本。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，常用以下三種組合設(shè)計(jì)法：

1.產(chǎn)品功能組合。（1）將多種相似功能組合，使產(chǎn)品功能多樣化。這也是更符合綠色設(shè)計(jì)思想的一種方法。（2）將多種功能結(jié)合在一起，構(gòu)建出一個(gè)完整的產(chǎn)品。當(dāng)兩種毫不相關(guān)的功能組合成一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，會產(chǎn)生一種新的解決問題方式。

2.產(chǎn)品形態(tài)組合。（1）將一種或多種形態(tài)組合，在符合形式美法則及人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)意疊加，并在此基礎(chǔ)之上做出形變、重組等變化設(shè)計(jì)出一種新的產(chǎn)品造型。形態(tài)的組合設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品造型藝術(shù)感，使產(chǎn)品外觀更富于變化，增強(qiáng)了藝術(shù)感染力。（2）產(chǎn)品形態(tài)與功能的組合。形態(tài)是產(chǎn)品外在所表現(xiàn)藝術(shù)化與裝飾化的審美特征，功能代表的是事物的使用價(jià)值，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的必要條件，二者相輔相成、不可或缺。

3.產(chǎn)品材料組合。在同一產(chǎn)品中需要將不同部件用以材料進(jìn)行分割，這種組合方式為產(chǎn)品不僅在外觀上增添了層次感，在使用感上也增加了觸覺上的多樣性。

在大霧天氣下湖邊路燈達(dá)到警示行人的作用，需要結(jié)合空氣濕度檢測與3D投影技術(shù)來達(dá)到精準(zhǔn)警備，所以需要采用功能組合的方式來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

通過對多個(gè)因素的綜合分析，我們提出了一套全面的、能夠滿足當(dāng)前實(shí)際情況的、具有創(chuàng)新性和可行性的解決方案。經(jīng)過精心挑選，我們得到了一系列優(yōu)秀的、高效的解決方案。在大霧天氣湖邊警示這個(gè)問題中提取出兩個(gè)相關(guān)元素——大霧天氣監(jiān)測、湖邊警示。通過列舉法列舉出大霧檢測有關(guān)影響因素有：電子監(jiān)控設(shè)備、空氣濕度檢測器、人、互聯(lián)網(wǎng)天氣預(yù)報(bào)；其次列舉出湖邊警示相關(guān)元素有：路燈、警示燈帶、3D全息投影、路障；將得出的兩類影響因素進(jìn)行組合分析，得出一系列新的組合方案，將無效方案刪除后，結(jié)果（如表1）所示。

表1

將大霧檢測元素與湖邊警示元素進(jìn)行了正交組合，并從中發(fā)現(xiàn)出多種具有創(chuàng)新性與實(shí)用價(jià)值的解決方案，如表2所示。

表2

從（如表2中）可以看出，有五種具有創(chuàng)新性并且具有可行性的組合方案——空氣濕度檢測路燈、空氣濕度檢測警示燈帶、實(shí)況監(jiān)測警示投影燈帶、空氣濕度檢測警示投影燈帶、互聯(lián)網(wǎng)智能投影燈帶。由于其功能的局限性，空氣濕度檢測路燈無法發(fā)揮出應(yīng)有的警示效果。對于空氣濕度檢測警示燈帶這個(gè)方案來說，警示燈帶增加電路成本，且缺乏觀賞性。對于實(shí)況監(jiān)測警示投影燈帶這個(gè)方案來說，實(shí)況監(jiān)測是人工識別，會有判斷誤差。對于互聯(lián)網(wǎng)智能投影燈帶和互聯(lián)網(wǎng)智能投影燈這兩個(gè)組合方案來說互聯(lián)網(wǎng)天氣預(yù)報(bào)具有信息誤差性和滯后性，可能會造成錯(cuò)誤警示。通過引入空氣濕度檢測警示投影燈，我們可以在原有的路燈的基礎(chǔ)上增加監(jiān)測和警示功能，同時(shí)又不占用其他空間。路燈是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它們分布在道路和公園景區(qū)中，間距30-50米，由城市電網(wǎng)供電，一般電壓為220V，因此，將其作為一種新型的照明技術(shù)，可以更好地保護(hù)環(huán)境，提高城市的安全性和可持續(xù)性。通過與路燈共享同一供電線路，不僅可以保證照明的基本功能，而且還能夠給人工湖帶來警示效果，從而有效地解決大霧天氣下湖邊安全隱患的問題。

二、大霧天氣下的城市人工湖環(huán)境分析

（一）秋冬季大霧天氣形成的條件及帶來的視覺影響

霧是一種常見的天氣現(xiàn)象，其特征是大量的水滴和冰晶漂浮于地面上，使得能見度急劇減少。當(dāng)大量的水蒸氣被吸收并凝結(jié)在一起，就會形成一個(gè)完全的飽和狀態(tài)。[3]當(dāng)太陽的光線穿過水滴，它們就會被反射、折射，導(dǎo)致大多數(shù)的光線朝著不同的方向傳播，最終形成一片潔白的霧氣。正是由于霧將大部分色光全部反射，透過霧看遠(yuǎn)處的物體時(shí)，物體上所折射出的色光透過霧會大幅度減弱，霧越濃能透過的色光越弱，人也更難看清物體。

（二）城市人工湖存在的安全隱患

城市人工湖是一種特殊的自然形態(tài)，它們是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、精心規(guī)劃，從城市某一特定區(qū)域開發(fā)而成，既可以作為景觀湖，也可以作為大型水庫。人工湖主要功能有調(diào)節(jié)小氣候，緩解局部“熱島效應(yīng)”，豐富城市景觀，打造生態(tài)平衡等作用。目前大部分城市的人工湖因考慮其整體設(shè)計(jì)上的觀賞性不去設(shè)立護(hù)欄，從而增加了行人的危險(xiǎn)概率。

三、設(shè)計(jì)意義與目標(biāo)

（一）設(shè)計(jì)意義

隨著5G時(shí)代的發(fā)展，智慧路燈伴隨著新型智慧城市的建設(shè)也步入一個(gè)快速發(fā)展階段，城市的不斷建設(shè)使得人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，智慧路燈的功能也逐漸功能多樣化。智慧路燈依據(jù)用環(huán)境的不同，將多種功能進(jìn)行組合性設(shè)計(jì)裝配，減少占用公共空間和生產(chǎn)制造成本，以及后續(xù)的維修成本，通過在一個(gè)產(chǎn)品內(nèi)讓不同功能的相互協(xié)調(diào)工作采用組合設(shè)計(jì)使產(chǎn)品模塊化，提高產(chǎn)品的使用效率。智慧路燈不僅僅是單純地將功能進(jìn)行簡單組合，是對使用需求分析后做出的一個(gè)整合處理，使各功能協(xié)同工作最大化的發(fā)揮產(chǎn)品性能。

（二）設(shè)計(jì)目的

在大霧天氣下的城市人工湖存在很大的安全隱患，我國社會人口逐漸趨于老齡化，老年人口熱衷于早起鍛煉身體，通常在清晨的六點(diǎn)鐘左右選擇出門鍛煉，冬季時(shí)早晨室外溫度低，空氣濕度大，極易形成大霧天氣，使得可見度變低，時(shí)常會發(fā)生老人因晨練在公園失足落水的意外事件。設(shè)計(jì)目標(biāo)在于，通過空氣濕度檢測技術(shù)實(shí)時(shí)檢測空氣濕度，當(dāng)濕度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，達(dá)到了滿足大霧生成的條件，警示投影燈會開啟形成一道警示光帶，從而達(dá)到視覺警示作用從而提醒人們前方是湖水區(qū)域，避免了意外和危險(xiǎn)的發(fā)生。

使用安全性：智慧路燈作為一種公共照明設(shè)備，通常配備多種功能，安全問題首當(dāng)其要。作為戶外使用設(shè)備，在材質(zhì)上要考慮其耐用性，必須具備抗腐蝕性和強(qiáng)韌性，同時(shí)外部的涂層材料要采用綠色環(huán)保型，對周邊的自然環(huán)境起到保護(hù)作用。外形設(shè)計(jì)上，不采取尖銳化形態(tài)，避免市民靠近時(shí)發(fā)生碰擦傷害。

功能表達(dá)明確性：警示路燈的核心功能就是起到警示作用，為確保路燈的警示功能可以提醒到每一位市民，在路燈設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合人機(jī)工程設(shè)定學(xué)警示投影燈的合適擺放位置，并參考市民的平均身高來決定投影燈的高度，讓警示效果達(dá)到最佳。警示投影燈的顏色需要選擇使用視覺沖力大，給人達(dá)到醒目效果，使人們在看到警示燈亮起時(shí)，瞬間接收到警示信息。如圖，警示投影燈設(shè)定在路燈偏下位置，并采用紅色的燈光效果。通過對用戶的反復(fù)調(diào)研，得出最適用的功能設(shè)定。

產(chǎn)品智能性：智能產(chǎn)品已經(jīng)普及到日常生活的方方面面，智慧路燈作為城市化發(fā)展的一大趨勢，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧路燈可以使路燈的功能更加具備智能性，給市民提供更加的服務(wù)體驗(yàn)。智慧路燈頂部的濕度檢測器加上傳感器系統(tǒng)對空氣濕度進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，提升了氣象記錄工作的效率，警示功能更佳精準(zhǔn)，同時(shí)順應(yīng)了當(dāng)下信息化時(shí)代發(fā)展的要求。

四、技術(shù)設(shè)計(jì)

（一）空氣濕度檢測方法

在大氣濕度測量中主要有以下幾種濕度測量方法：（1）18世紀(jì)的發(fā)明的干濕球法已經(jīng)發(fā)展到今天，它不僅是目前最先進(jìn)的濕度測量技術(shù)，而且在近代仍然是高頻率使用方法。該方法必須在濕球附近風(fēng)速達(dá)到2.5m/s以上，對環(huán)境要求比較高。（2）毛發(fā)測量法是一種簡單有效的氣象測量方法，它利用毛發(fā)孔隙吸附水蒸氣而產(chǎn)生的長度變化來檢測空氣濕度，在氣象領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在氣象測量領(lǐng)域應(yīng)用很廣。（3）濕度傳感器法：一種能夠感應(yīng)出氣體中水蒸氣含量，并轉(zhuǎn)換成可輸出信號的傳感器，響應(yīng)速度快，智能化程度高，可應(yīng)用的場合多。通過微波技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確地測量物質(zhì)中的水分含量，這種方法具有響應(yīng)時(shí)間短、操作簡單、可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。通過近紅外測量法，我們可以精確測量水分子的含量。[4]

（二）全息技術(shù)

全息技術(shù)是一種“無透鏡”的兩步成像法它能在感光膠片上同時(shí)記錄物體的全部信息即物體光的振幅和位相[6]。全息技術(shù)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：（1）全息圖可以捕捉物體的三維立體形態(tài)，它能夠清晰地展示出物體的相位信息，并且具有顯著的視差特性。[5]（2）全息圖記錄的是物體與參考物之間的干涉條紋，因此具有不可分割的特性，使其成為不可破壞的存在。（3）可在不相互干擾的情況下，同時(shí)展示多個(gè)圖像。（4）通過調(diào)節(jié)激光波長，可以大幅度改變?nèi)D的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)放大或縮小的功能。[6]

（三）空氣濕度檢測技術(shù)與路燈的組合

對路燈與哪種空氣濕度檢測技術(shù)組合較為合適進(jìn)行分析。

1.路燈作為城市戶外公共照明設(shè)備，使用場景多樣，對于干濕球法濕度測量顯然達(dá)不到環(huán)境要求。只適合某些特定環(huán)境。

2.由于路燈作為一種重要的照明設(shè)施，其對空氣濕度的監(jiān)控能力有限，因此，為了節(jié)省人力，我們建議采用無須頻繁調(diào)試的方法，而且，當(dāng)空氣濕度低于30%時(shí)，毛發(fā)也可能失去對濕度的敏感性，因此，這種方案并非最佳。

3.濕度傳感器是非密封性器材，這一點(diǎn)非常適合在室外使用，并且智能化水平高，信息傳播速度快，非常適合用于室外使用。

4.微波濕度檢測法多用于泥土、水泥、等建筑材料中的水分檢測，不適用與空氣中的水分檢測，所以此方案不選擇。

5.近紅外測量法易受周圍環(huán)境影響，不具備穩(wěn)定性，需要特定的使用環(huán)境。[7]

通過對各種不同的空氣濕度檢測技術(shù)對比，結(jié)合湖邊路燈的特定的使用環(huán)境以及路燈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用以下的方案設(shè)計(jì)：

在路燈的頂部安裝濕度傳感器裝置，隨著空氣流通的過程，監(jiān)測空氣中的濕度變化，對空氣的濕度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測,監(jiān)測濕度達(dá)到警備條件后，路燈將自動(dòng)開啟全息警戒燈，開啟警戒狀態(tài)。

五、路燈造型設(shè)計(jì)

湖邊路燈不僅是作為公共照明設(shè)施，也是城市形象的重要代表之一。[8]在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到路燈的使用環(huán)境，同時(shí)兼顧到空氣濕度檢測裝置的安裝，路燈的形態(tài)應(yīng)貼近自然，為突與空氣濕度有關(guān)，在路燈造型設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足功能部件組裝條件的基礎(chǔ)上對路燈外形運(yùn)用了仿生設(shè)計(jì)，將路燈的造型借鑒蘑菇的形狀，造型方案如圖2所示。

圖1

圖2

結(jié)語

運(yùn)用組合設(shè)計(jì)法進(jìn)行思維發(fā)散，得出來多種解決在大霧天氣下的城市人工湖安全隱患問題的新方案，將各種解決方式進(jìn)行組合分析，確立出濕度傳感器裝置和全息投影燈結(jié)合路燈的方式來解決問題，最終得出具體的解決技術(shù)方案與產(chǎn)品造型，新的路燈設(shè)計(jì)方案可為解決大霧天氣下城市人工湖邊安全隱患問題提供設(shè)計(jì)參考思路。