孫許方
基于價(jià)值工程的兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器設(shè)計(jì)
孫許方
(中原工學(xué)院 a.機(jī)電學(xué)院 b.工業(yè)設(shè)計(jì)中心,鄭州 450000)
為改善現(xiàn)有兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器的外觀品質(zhì)與交互方式,提升產(chǎn)品的整體價(jià)值,基于價(jià)值工程理論(Value Engineering,VE)提出一種兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先,結(jié)合層次分析法對(duì)兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器產(chǎn)品功能模塊進(jìn)行劃分與功能權(quán)重量化;其次,依據(jù)價(jià)值工程計(jì)算原理依次求出各功能要素的功能系數(shù)、成本系數(shù)和價(jià)值系數(shù),利用價(jià)值機(jī)會(huì)分析獲取關(guān)鍵功能要素的改進(jìn)設(shè)計(jì)方向,為整體價(jià)值提升提供設(shè)計(jì)指導(dǎo);最后,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行排序,最終確定優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在矯正模塊和訓(xùn)練模塊方面的用戶滿意度有明顯提升。將價(jià)值工程理論應(yīng)用于兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器改進(jìn)設(shè)計(jì)中具有一定可行性和有效性,對(duì)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定參考與借鑒意義。
兒童康復(fù);下肢康復(fù)矯正器;價(jià)值工程;層次分析法;功能改進(jìn)設(shè)計(jì)
兒童身體姿態(tài)問(wèn)題不僅關(guān)系到自身的成長(zhǎng)發(fā)育和心理發(fā)展,而且關(guān)系到國(guó)家全民健康的實(shí)現(xiàn)[1]。下肢發(fā)育緩慢、姿勢(shì)問(wèn)題、偏癱、骨折、脊柱側(cè)彎等病理性因素會(huì)造成兒童行走和體態(tài)方面的缺陷,孩童時(shí)期處于姿態(tài)矯正治療的最佳階段,采用合理的物理矯正及訓(xùn)練可有效達(dá)到康復(fù)的目的[2-3]。兒童下肢康復(fù)訓(xùn)練涉及髖、膝、踝、足部位的運(yùn)動(dòng)行為,常需借助訓(xùn)練矯正器輔助下肢姿態(tài)異常的兒童完成康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)[4]。因此,兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器主要針對(duì)有一定自主控制能力的腿型發(fā)育不完善患兒群體,使其可以通過(guò)物理矯正和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式達(dá)到康復(fù)[5]。近年來(lái),兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練廣泛應(yīng)用于兒童醫(yī)院、康復(fù)專科醫(yī)院、社區(qū)康復(fù)中心等機(jī)構(gòu),目前在康復(fù)師急缺(和現(xiàn)實(shí)需求極不對(duì)等)的情況下,兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器產(chǎn)品存在功能單一、矯正訓(xùn)練過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化難以控制、對(duì)康復(fù)師依賴程度較高、患兒訓(xùn)練意愿不高等問(wèn)題,仍有較大的功能改進(jìn)空間。
由于國(guó)內(nèi)兒童下肢訓(xùn)練矯形器研究起步較晚,現(xiàn)有研究主要側(cè)重于機(jī)械結(jié)構(gòu)[6-7]和矯正效果[8]等技術(shù)性能,缺乏從造型、人機(jī)操作和人性化等方面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)價(jià)值提升。價(jià)值工程是指通過(guò)較低的成本支出實(shí)現(xiàn)必要功能,進(jìn)而有效提高產(chǎn)品或項(xiàng)目?jī)r(jià)值的方法,尤其在應(yīng)對(duì)多目標(biāo)設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)決策中有突出優(yōu)勢(shì),已在工業(yè)裝備、家電產(chǎn)品、包裝等設(shè)計(jì)研發(fā)中取得了良好的應(yīng)用效果,如陳國(guó)強(qiáng)等[9]將其應(yīng)用于螺旋壓榨油脂分離設(shè)備的設(shè)計(jì)中,針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)多變和難以確定改進(jìn)設(shè)計(jì)要素的問(wèn)題提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法;朱齡等[10]運(yùn)用價(jià)值工程原理和方法對(duì)高壓噴霧滅火裝置的使用功能和外觀品質(zhì)進(jìn)行了改善,進(jìn)而有效提升了該產(chǎn)品的整體價(jià)值;雷鳴等[11]將價(jià)值工程理論應(yīng)用于出口海外的木包裝容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,以達(dá)到工程節(jié)約成本要求;楊勤等[12]運(yùn)用價(jià)值工程結(jié)合用戶使用體驗(yàn)理論提出了一種產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以彌補(bǔ)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中只關(guān)注成本降低而忽視用戶使用體驗(yàn)的局限。本文將價(jià)值工程理論應(yīng)用于兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器設(shè)計(jì),分析其功能改進(jìn)目標(biāo)并建立功能改進(jìn)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型,將功能改進(jìn)價(jià)值進(jìn)行量化,根據(jù)量化結(jié)果確定改進(jìn)設(shè)計(jì)方向,并為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)決策提供依據(jù),最終在滿足安全矯正的前提下實(shí)現(xiàn)兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器產(chǎn)品價(jià)值的提升。
兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器針對(duì)訓(xùn)練部位可分為踝足訓(xùn)練矯形器、足訓(xùn)練矯正器、髖膝踝足訓(xùn)練矯形器、膝訓(xùn)練矯形器及膝踝足訓(xùn)練矯形器。其中,兒童髖膝踝足訓(xùn)練矯形器適用于各類肌肉、神經(jīng)、代謝等造成的兒童輕、中度下肢骨折和畸形,通過(guò)提供支撐、免荷、輔助站立和行走的周期性康復(fù)訓(xùn)練矯正,其作用在于矯正患兒下肢的非正常力線,穩(wěn)定股骨中段、髖膝關(guān)節(jié)、股骨頭等,限制髖膝關(guān)節(jié)的活動(dòng),以恢復(fù)下肢正常站立和行走[13]。本文以臨床中較為常用的髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器為研究對(duì)象展開(kāi),使用場(chǎng)景為公共康復(fù)訓(xùn)練場(chǎng)所。
在現(xiàn)有兒童髖膝踝足矯形訓(xùn)練中,常需借助髖膝踝足矯正器和訓(xùn)練助行器兩個(gè)部分配合,尤其在雙肢均佩戴髖膝踝足矯正器場(chǎng)景中則助行器作用更為突出。矯形方式主要是通過(guò)外力支具或框架對(duì)骨骼進(jìn)行約束塑型,而助行方式主要是通過(guò)手(肘)部輔助支撐人體以保持站立和行走的平衡,主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。患兒首先正確佩戴合適的矯正器,再借助助行器完成具體的站立和行走動(dòng)作訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程一般會(huì)根據(jù)康復(fù)師的指導(dǎo)完成要求動(dòng)作,在周期性的訓(xùn)練之后由康復(fù)師進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而逐步調(diào)整訓(xùn)練內(nèi)容。
圖1 兒童髖膝踝足矯形訓(xùn)練器材的結(jié)構(gòu)組成
利用價(jià)值工程理論分析康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)的價(jià)值旨在獲取改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,進(jìn)而提高產(chǎn)品價(jià)值。在分析實(shí)施階段,首先將對(duì)象產(chǎn)品或工程的功能區(qū)域進(jìn)行分解,根據(jù)分功能和子功能構(gòu)建功能層次模型;其次,對(duì)各子功能進(jìn)行量化計(jì)算,得到功能系數(shù)、成本系數(shù)和價(jià)值系數(shù);最后,利用價(jià)值工程計(jì)算原理,結(jié)合價(jià)值系數(shù)結(jié)果進(jìn)行價(jià)值分析,獲取產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)方向。
依據(jù)價(jià)值工程理論中的功能邏輯性和獨(dú)立性對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行分解,根據(jù)兒童髖膝踝足矯形主動(dòng)訓(xùn)練活動(dòng)的主體性質(zhì)將總功能劃分為矯正模塊、支撐模塊、移動(dòng)模塊和訓(xùn)練模塊。以市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的兒童髖膝踝足矯形器和訓(xùn)練助行器的產(chǎn)品形式為例,采用層次分析法劃分該訓(xùn)練活動(dòng)的各主要功能模塊,依次分析各零部件或活動(dòng)的基礎(chǔ)功能和附加功能,其中11~34為零部件,41~43為人工輔助活動(dòng),將各主要零部件或活動(dòng)進(jìn)行歸類與編碼,如圖2所示。
圖2 兒童髖膝踝足矯形主動(dòng)訓(xùn)練活動(dòng)功能層次模型
各模塊功能系數(shù)結(jié)果如表2所示。
表1 權(quán)重結(jié)果
Tab.1 Weight result
表2 功能系數(shù)結(jié)果
Tab.2 Functional coefficient result
各子功能成本系數(shù)結(jié)果如表3所示。
表3 成本系數(shù)結(jié)果
Tab.3 Cost coefficient result
表4 價(jià)值系數(shù)結(jié)果
Tab.4 Value coefficient result
圖3 兒童髖膝踝足矯形主動(dòng)訓(xùn)練子功能最合適區(qū)域坐標(biāo)圖
根據(jù)圖3可知,兩曲線之內(nèi)為最合適區(qū)域,說(shuō)明位于兩曲線之內(nèi)的子功能要素在功能重要程度和實(shí)際成本之間匹配度較為合適,無(wú)需進(jìn)行功能改進(jìn),而兩曲線之外的功能要素則仍有改進(jìn)設(shè)計(jì)空間;矯正支具11、支具連接件13、髖部固定架14和助行器支架22位于曲線上方,說(shuō)明這些重要子功能所投入的實(shí)際成本較低,進(jìn)而導(dǎo)致該產(chǎn)品功能不足,該類子功能要素仍有較大改善空間,可通過(guò)增加成本來(lái)提升用戶滿意度;康復(fù)師行進(jìn)引導(dǎo)41、康復(fù)師方向引導(dǎo)42和康復(fù)師評(píng)估43位于曲線下方,說(shuō)明這些子功能的實(shí)際成本高于其本身價(jià)值,需通過(guò)降低成本或增加功能以提升價(jià)值。
價(jià)值機(jī)會(huì)分析量表可以通過(guò)各種具體的產(chǎn)品屬性來(lái)將功能特征和價(jià)值聯(lián)系在一起,從情感、美學(xué)、人機(jī)工程、個(gè)性形象、影響力等方面的分析,為產(chǎn)品提升價(jià)值的多方面機(jī)會(huì)[10]。利用價(jià)值機(jī)會(huì)分析量表對(duì)兒童髖膝踝足矯形主動(dòng)訓(xùn)練事件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)方向分析,其中評(píng)價(jià)等級(jí)分為高、中和低,如圖4所示。
根據(jù)價(jià)值機(jī)會(huì)分析對(duì)髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器與交互方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
1)矯正支具11、支具連接件13、髖部固定架14和助行器支架22功能要素的改進(jìn),考慮適當(dāng)增加成本投入以提升產(chǎn)品功能。在造型方面,可以對(duì)矯形器和助行器產(chǎn)品的造型語(yǔ)言進(jìn)行整合,根據(jù)兒童人機(jī)尺寸調(diào)整矯形器各部件,尤其針對(duì)體量較大的助行器支架部分,可以在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,采用較為柔和的曲線以及圓弧倒角一體化處理。產(chǎn)品配色遵循兒童群體受眾和醫(yī)療設(shè)備的雙重特性,以中性色為主,采用明亮、溫暖的輔色搭配,從視覺(jué)層面提升產(chǎn)品親和度。在功能使用方面,其一,擴(kuò)展支具連接件的功能,可以在連接軸內(nèi)部設(shè)置角度限制器,通過(guò)對(duì)下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的約束來(lái)提高訓(xùn)練質(zhì)量;其二,針對(duì)現(xiàn)有矯形器和助行器分離的情況,可以在助行器內(nèi)側(cè)設(shè)置矯形器的連接器,以避免由于軀體與助行器之間過(guò)大位移而產(chǎn)生的矯正訓(xùn)練偏差;其三,借助柔性介質(zhì)提高支具的舒適性。
圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)價(jià)值機(jī)會(huì)分析
2)康復(fù)師行進(jìn)引導(dǎo)41、康復(fù)師方向引導(dǎo)42和康復(fù)師評(píng)估43功能要素的改進(jìn)考慮保持現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上降低人工成本投入,可以利用機(jī)械或智能裝置替代部分康復(fù)師引導(dǎo)工作。在訓(xùn)練交互方式方面,可以利用燈光、聲音、地面標(biāo)識(shí)等進(jìn)行行進(jìn)與方向指示,患兒可根據(jù)指示明確訓(xùn)練路線,提高訓(xùn)練自主性;在治療評(píng)估方面,可以考慮安裝訓(xùn)練記錄儀等影像對(duì)比設(shè)備根據(jù)訓(xùn)練完成程度給予得分,同時(shí)可隨時(shí)再現(xiàn)患兒訓(xùn)練過(guò)程,便于康復(fù)師分析兒童矯正狀況。
對(duì)以上改進(jìn)設(shè)計(jì)方向進(jìn)行篩選與整合,最終產(chǎn)出了4個(gè)具有一定差異且較為完整的兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,如圖5所示。
圖5 兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器改進(jìn)設(shè)計(jì)方案
由于4個(gè)設(shè)計(jì)方案之間各有優(yōu)劣且難以直觀判斷排序,為保證設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的合理性,則利用模糊綜合評(píng)價(jià)法,根據(jù)得到的功能要素權(quán)重結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選。邀請(qǐng)6位熟悉該領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)師和工程師,采用5點(diǎn)李克特量表(1為非常不滿意;2為略微不滿意;3為一般;4為比較滿意;5為非常滿意)對(duì)各方案每個(gè)模塊的功能滿意度進(jìn)行打分,并進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到打分矩陣。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案(1,2,3,4)的最終得分依次為1.954,2.706,3.314和2.474。因此,改進(jìn)設(shè)計(jì)方案3為最佳設(shè)計(jì)方案,如圖6所示。改進(jìn)后的兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器使用與交互方式如圖7所示。
圖6 兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器最終設(shè)計(jì)方案
改進(jìn)設(shè)計(jì)后的兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器與訓(xùn)練方式同時(shí)考慮功能改進(jìn)和降低人工成本,提升產(chǎn)品和整體訓(xùn)練活動(dòng)價(jià)值。在矯正模塊中,根據(jù)8~10歲兒童的人機(jī)數(shù)據(jù)調(diào)整矯正支具各維度尺寸,在支具與身體接觸側(cè)增加保護(hù)墊,提升矯正支具與患兒下肢的貼合度,防止訓(xùn)練過(guò)程中摩擦造成的身體不適;踝、膝關(guān)節(jié)處支具連接件可拆卸便于配件更換,同時(shí)增加活動(dòng)角度限制設(shè)置,規(guī)范訓(xùn)練步伐提升矯正效果;髖部固定架主要作用是輔助患兒穩(wěn)定核心,在髖部固定架外側(cè)和助行器支架的對(duì)應(yīng)處增加了連接裝置,防止軀體與助行器距離變換導(dǎo)致的動(dòng)作畸形。在支撐模塊中,將助行器支架主體與扶手部分結(jié)構(gòu)分離,增加高度調(diào)節(jié)功能提高針對(duì)不同身高患兒的適配性。在訓(xùn)練模塊中,增加肢體感應(yīng)裝置輔助康復(fù)師行進(jìn)引導(dǎo),當(dāng)患兒按照要求完成移動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí),會(huì)產(chǎn)生燈光和手部振動(dòng)提示開(kāi)始下一個(gè)動(dòng)作,如未完成要求訓(xùn)練時(shí),則不進(jìn)行訓(xùn)練量計(jì)數(shù),提示再次嘗試動(dòng)作完成,進(jìn)而保證矯正訓(xùn)練的有效性,提高訓(xùn)練趣味性和互動(dòng)反饋;增加雙側(cè)地面投射燈光設(shè)計(jì)輔助康復(fù)師方向引導(dǎo),為患兒周期性訓(xùn)練提供方向引導(dǎo),降低康復(fù)師部分機(jī)械性工作負(fù)荷;增加行進(jìn)記錄功能,用于分析訓(xùn)練過(guò)程中各個(gè)階段的時(shí)間消耗和訓(xùn)練情況,便于康復(fù)師評(píng)估訓(xùn)練效果和患兒康復(fù)程度。
根據(jù)以上構(gòu)建的兒童髖膝踝足矯形主動(dòng)訓(xùn)練活動(dòng)功能層次模型,邀請(qǐng)15位兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器專家級(jí)用戶,對(duì)選出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案3和現(xiàn)有兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器及交互方式M進(jìn)行用戶滿意度評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)問(wèn)卷采用5點(diǎn)評(píng)分制(1為非常不滿意;2為略微不滿意;3為一般;4為比較滿意;5為非常滿意),結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算得到評(píng)價(jià)結(jié)果(如表5所示),結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案3比現(xiàn)有兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器及訓(xùn)練方式x的功能滿意度總體評(píng)價(jià)有明顯提升,尤其在矯正模塊1和訓(xùn)練模塊4方面均有一定提升,同時(shí)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法具有一定有效性。
圖7 兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器使用與交互方式
表5 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)結(jié)果
Tab.5 Evaluation results of improved design scheme
針對(duì)現(xiàn)有兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器用戶滿意度不高、產(chǎn)品價(jià)值有待提升的問(wèn)題,運(yùn)用價(jià)值工程理論對(duì)兒童下肢主動(dòng)訓(xùn)練矯正器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。以兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器與交互方式為對(duì)象,通過(guò)分解產(chǎn)品與訓(xùn)練活動(dòng)的各功能模塊,建立矯正模塊、支撐模塊、移動(dòng)模塊與訓(xùn)練模塊的功能層次模型。利用層次分析法與比例分配法確定出各子功能系數(shù)、成本系數(shù)和價(jià)值系數(shù),結(jié)合價(jià)值分析得到兒童髖膝踝足主動(dòng)訓(xùn)練矯形器與交互方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)方向。改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于:提升產(chǎn)品造型的親和度與整體性,提高產(chǎn)品視覺(jué)辨識(shí)度;改善產(chǎn)品尺寸的可調(diào)節(jié)性,適應(yīng)不同身高范圍兒童的肢體維度,增加肢體貼合度,提高使用友好性;將矯正支具和助行器支架設(shè)置連接,一方面提升產(chǎn)品的支撐性輔助患兒行進(jìn),另一方面避免支具與助行器出現(xiàn)不當(dāng)間距,以保證實(shí)現(xiàn)有效矯正動(dòng)作,提升訓(xùn)練效果;通過(guò)燈光、投影等媒介替代部分康復(fù)師引導(dǎo)工作,在降低康復(fù)訓(xùn)練人工成本的同時(shí)提升產(chǎn)品價(jià)值。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)出4個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)功能要素權(quán)重對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選,并通過(guò)功能滿意度評(píng)價(jià)驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的有效性。本文主要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分析,在后續(xù)研究中,可拓展至包含產(chǎn)品維修等全生命周期,從企業(yè)角度考慮結(jié)合加工制造等多個(gè)方面的研發(fā)因素,為產(chǎn)品迭代和優(yōu)化升級(jí)提供理論依據(jù)。
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Design of Children's Lower Limb Active Training Orthosis Based on Value Engineering
SUN Xufang
(a. School of Mechatronics Engineering, b. Industrial Design Center, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450000, China)
The work aims to propose an improved design of children's lower limb active training orthosis based on the theory of value engineering, in order to improve the appearance quality and interaction mode of the existing children's lower limb active training orthosis and enhance the overall value of the product. Firstly, product function modules were divided and function weights were quantified based on analytic hierarchy process. Secondly, the functional coefficient, cost coefficient and value coefficient of each functional element were obtained successively according to the calculation principle of value engineering and the improved design direction of key functional elements was obtained through the analysis of value opportunities, so as to provide design guidance for the overall value enhancement. Finally, the fuzzy comprehensive evaluation was used to sort several improved design schemes, and the optimal design scheme was finally determined. The results of design evaluation and verification show that the improved design scheme has significantly improved the user satisfaction in the aspects of correction module and training module. The application of value engineering theory in the improved design of children's lower limb active training orthosis has certain feasibility and effectiveness, and has certain reference significance for the design of related products.
children's rehabilitation; lower limb rehabilitation orthosis; value engineering; analytic hierarchy process; functional improvement design
TB472
A
1001-3563(2024)02-0163-08
10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.02.017
2023-08-26
河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)(212102210346)