107 高普考高考三級 工業設計 產品設計 考古題詳解

核心觀念

本題為民國 107 年公務人員高等考試三級考試（工業設計類科）《產品設計》之經典系統整合題，測驗考生將「硬體產品設計（Industrial/Product Design）」與「產品服務系統（Product-Service System, PSS）」融會貫通的能力。核心觀念涵蓋：

1. 設計思考（Design Thinking）與雙鑽石模型（Double Diamond）：包含同理與發現（Discover）、問題定義（Define）、概念發展（Develop）與驗證交付（Deliver）。
2. 產品設計規範（Product Design Specification, PDS）：將使用者痛點轉化為具備定量（量化）與定性（質化）的設計工程與服務準則。
3. 類比式設計（Design by Analogy, DbA）：運用表面特徵（Surface Attributes）與深層結構/功能原理（Structural/Functional Relationships）的跨領域知識遷移與重組。
4. 決策評估矩陣（Pugh Matrix / Decision Matrix）：依據加權評選準則進行多方案客觀比對與收斂。
5. 先進材料與成型工藝：複合材料壓力容器（Type IV 容器：高密度聚乙烯 HDPE 內膽、連續玻璃纖維環氧樹脂纏繞成型 Filament Winding、聚丙烯 PP 射出外保護殼）與防爆機構。
6. 物聯網（IoT）與數位服務設計：低功耗窄頻物聯網（NB-IoT/BLE）、應變規秤重傳感（Strain Gauge Load Cell）、動態派工演算法與利害關係人藍圖（Stakeholder Blueprint）。
7. 法規遵循：本題評估與設計須符合以命題當年（民國 107 年）法規為準之《消防法》第 15 條之 2，以及《公共危險物品及可燃性高壓氣體製造儲存處理場所設置標準暨安全管理辦法》中有關液化石油氣容器檢驗、殘氣退費計算（重量計算至公斤以下小數點第一位）與容器合格標示相關規範。

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解題方法

本題採取「系統化設計工程流程」切入，依題意分為四大維度嚴謹展開：

1. 問題界定：以利害關係人地圖（Stakeholder Map）解構「消費者」、「送貨員」、「瓦斯行業者」三方痛點，透過使用者旅程（User Journey）收斂出涵蓋機構、電子、服務與法規的完整 PDS 表格。
2. 構想發展：選取三個異領域成熟產品與服務（智慧行李箱/外送物流系統、快拆飲水機/模組化基座、Gogoro 智慧換電/共享電池架構）作為類比來源，粹取「滑輪配重」、「秤重底座分離」、「數位計量即插即用」之核心結構，開展三套具差異化技術路線的草圖與架構說明。
3. 評估篩選：以傳統鋼瓶為基準（Datum），設定 6 項加權準則建立 Pugh Matrix，透過客觀矩陣計分鎖定最佳定案。
4. 成果提交：給出符合工業製圖規範的第三角法三視圖（標註關鍵毫米 mm 尺寸），拆解工程材料與製造程序，並繪製包含三方互動與前後台接觸點之情境服務藍圖。

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選項分析

本題為申論設計實作題，非客觀選擇題，故無個別選項。國家考試閱卷評分標準依各小題配分（各 25 分）獨立採計：

• 第一小題（25 分）：評分重心在於同理心工具應用深度、痛點是否完全對應題幹（7大痛點）、PDS 表格是否具備具體量化指標。
• 第二小題（25 分）：評分重心在於類比來源之合理性、抽象功能映射之轉化深度，以及三套待選構想是否具備本質上的機構與服務差異（非僅外觀微調）。
• 第三小題（25 分）：評分重心在於評估準則（Criteria）是否緊扣 PDS、評分過程之權重客觀性與矩陣邏輯推導。
• 第四小題（25 分）：評分重心在於工程圖學基礎（三視圖投影方向、尺寸封閉性與標註合理性）、材料與製程之實務可行性（複合材料 Type IV 製程），以及服務情境之角色互動完整度。

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解題技巧與常見陷阱

1. 避免重硬體、輕服務：題幹明示「結合產品設計與服務設計」，若僅設計瓦斯桶外觀或僅設計 App 介面，最多僅能拿到該題 50% 分數。必須將瓦斯桶視為「IoT 智慧終端硬體」，服務視為「後台派工與計量營運體系」。
2. 三視圖切忌缺乏工程尺寸：設計手繪三視圖常犯「無尺寸」或「尺寸失真」的錯誤。14 公斤裝瓦斯（液化丙烷/丁烷比重約 0.51）其內容積約需 33 公升，加上氣相空間需約 35 公升。外徑約 $\Phi 310 \sim 320\text{ mm}$、高約 $570 \sim 600\text{ mm}$，尺寸配置必須符合工程熱力學與人體工學。
3. 殘氣與押金法規陷阱：依據民國 107 年規範，瓦斯行應退還殘氣費用，但傳統鋼瓶無法即時得知殘氣量。IoT 秤重感測器之解析度必須設定於 $\pm 100\text{ g}$ 以內，方能提供足以消除爭議的計量基礎。

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【答案】

一、問題界定（25 分）

1. 使用者需求研究與設計目標擬定方法

本案應用設計思考（Design Thinking）的「雙鑽石模型（Double Diamond）」展開需求探索與問題定義：

• 同理心觀察與情境脈絡訪查（Contextual Inquiry）：
• 家庭與營業用戶：實地訪查廚房安置環境，記錄「煮菜到一半斷氣」、「不知鋼瓶有無檢驗合格標籤」、「退瓶時鋼瓶內仍有液體晃動感（殘氣損失）」之焦慮與痛點。
• 搬運送貨員：跟隨物流車進行影子觀察（Shadowing），記錄爬舊公寓 4 至 5 樓搬運 40 公斤鋼瓶（自重 20 公斤 + 瓦斯 20 公斤）對腰椎與肩膀的職業傷害，以及電話溝通地址不清的作業無效工時。
• 瓦斯行經營者：分析營運日誌，統計調度派工混亂、傳統鋼瓶檢驗過期未追蹤、客戶押金紀錄遺失爭議等行政成本。
• 使用者旅程地圖（User Journey Map）與觀點陳述（Point of View, POV）：
• POV 定義：「長期依賴桶裝瓦斯的長者與家庭主婦，需要一種資訊透明、永不斷氣、費用分毫不差的供氣體驗，但目前缺乏可視化與自動化計量工具。」
• POV 定義：「每天高強度勞動的送貨員，需要一種極致輕量、容易搬動、路徑最佳化的配送體系，因為過重的裝載與落後的紙本/電話作業已危害職業安全與效率。」
• 「我們如何能夠（How Might We, HMW）」轉化為設計目標：
• HMW 1：如何利用複合材料減重與視覺穿透性，降低搬運負擔並實現殘量直覺可視化？
• HMW 2：如何利用物聯網傳感技術，在不斷氣的前提下主動預測耗盡時機並自動派工？
• HMW 3：如何以克為單位即時結算殘氣，將押金與資產履歷完全數位化？

2. 現有產品與服務設計規範圖表（PDS, Product Design Specification）

類別	設計要項（Parameters）	現有傳統鋼瓶與服務現況	創新複合材料與 IoT 服務規範目標（Metrics）
物理與結構	滿載總重量	約 $39 \sim 41\text{ kg}$（20 公斤鋼瓶空重約 20 公斤）	$\le 21\text{ kg}$（14 公斤複合桶空重約 7 公斤）
	耐腐蝕與外觀	金屬烤漆，易生鏽、外觀粗獷髒污	HDPE＋玻纖複合材質，防腐蝕、防爆、耐刮磨外殼
	搬運便利性	單手提環、圓柱邊緣，難以抓握且壓迫手指	雙人/單人雙把手整合設計，可搭配滑輪機構或專用扣具
功能與安全	殘量可視化	完全不透明，僅能靠敲擊或搖晃盲測	半透明液位條窗（可直接看見液態面）＋ 電子計量顯示
	安全與防爆	鋼瓶遇高溫火場具物理爆炸（BLEVE）高風險	複合材料遇火燒產生微孔洩壓不破裂；具備過壓安全閥
	檢驗履歷追蹤	依賴金屬檢驗環與紙本黏貼，容易變造或脫落	桶身內嵌 NFC/RFID 晶片，數位加密履歷，過期自動鎖定
物聯網與服務	瓦斯存量監測	零監測，用戶常面臨「洗澡/烹飪途中斷氣」	IoT 高精度應變規秤重傳感（誤差 $\le \pm 50\text{ g}$），定時上傳
	訂購與派工流程	用戶人工電話叫送；瓦斯行手寫派單	App 自動閾值警示（剩餘 15% 主動推播）、一鍵下單或自動排程派工
	計費與殘氣處理	無法量化，殘氣無償被回收，引發消費糾紛	換桶時系統自動讀取剩餘重量，按克精準退費折抵下期帳單
	押金與合約管理	紙本押金單，常因遺失或折舊爭議不退足額	雲端電子合約與虛擬錢包，換桶/退桶押金原額秒級返還
法規遵循	法源規範	符合《消防法》與危險物品安全管理辦法	符合民國 107 年高壓氣體容器標準、取得經濟部標準檢驗局認證

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二、構想發展（25 分）

1. 類比式設計（Design by Analogy）分析與萃取

【類比來源 A：智慧行李箱 / 共享滑輪車】
 - 具象特徵：伸縮拉桿、靜音萬向輪、箱體整合拉手。
 - 抽象結構：將「垂直背負/肩抗」的純人體搬運力學，轉化為「水平滾動/斜拉」的低阻力輪軸槓桿機構。
 - 遷移重組：將底座與防護外框結合耐磨越野滑輪，使送貨員在平地與低階梯可直接拖拉，大幅減輕脊椎受力。

【類比來源 B：桶裝飲水機快拆座 / 智慧體脂秤】
 - 具象特徵：底座分離式對位卡椎、倒插式快拆逆止閥、高精度四點式電阻應變感測板。
 - 抽象結構：計量模組與被裝載容器「機能分離」；容器負責輕量容納，底座負責能源供應與數據採集。
 - 遷移重組：設計一體化智慧「秤重物聯盤（IoT Smart Pad）」，瓦斯桶放置其上即時連線，換桶時僅換氣瓶、不換感測底座，降低桶身製造成本。

【類比來源 C：Gogoro 智慧換電系統 / 智慧自動販賣機】
 - 具象特徵：NFC 握把即碰認證、電池健康度即時上傳、雲端全自動派工平衡調度。
 - 抽象結構：封閉資產數位孿生化（Digital Twin），將單次買斷硬體轉為「購買氣體服務（Gas as a Service）」。
 - 遷移重組：瓦斯桶把手內建雙頻 RFID/NFC 晶片，送貨員智慧手持終端一碰即完成「空桶回收-新桶綁定-殘氣扣抵」一條龍驗證。

2. 三套待選產品與服務設計概念草圖與說明

構想一：【分離式智慧底盤與模組化複合桶】（Smart-Dock & Modular Cylinder）

• 產品特點：瓦斯桶本體採輕量化 Type IV 複合材料，底部設計防呆導向旋轉卡扣；家庭端配置常駐式「IoT 智慧藍牙/NB-IoT 秤重底盤」，底盤由居家 AC 電源或鋰電池供電。
• 服務模式：換桶時送貨員只取走氣瓶，原底盤自動辨識新瓶重量與序號。App 24 小時監控殘量，當預估可用天數低於 3 天時發送通知，點選確認後自動由最近的瓦斯行派工。

 [ 構想一 草圖示意 ]
 ┌───────────────┐
 │ 複合防護手把 │ <--- 人體工學雙提手
 ┌┴───────────────┴┐
 │ ┌───────────┐ │
 │ │ 半透明液位│ │ <--- 透光條可直接目視殘量
 │ │ 觀測條 │ │
 │ └───────────┘ │
 │ 玻纖纏繞增強層 │
 │ (總重 21 kg) │
 └┬───────────────┬┘
 ══╧═══════════════╧══ <--- 專用旋緊防呆卡扣
 ┌─────────────────┐
 │ IoT 智慧秤重底盤│ <--- 永久放置家中，內建應變規與 NB-IoT
 └─────────────────┘

構想二：【一體式越野滑輪與拉桿複合桶】（Roll-Gas Mobile Cylinder）

• 產品特點：針對無電梯公寓之極致搬運改善。外保護殼側面整合高強度伸縮式鋁合金拉桿，底部兩側內嵌一對抗震耐磨大直徑 PU 越野滑輪，手把頂端內嵌低功耗液晶儀表與太陽能補充電池板。
• 服務模式：送貨員可如同拉高階登機箱般一口氣拉動兩瓶瓦斯進出電梯或平地滾動，爬梯時搭配外殼背面斜向人體工學肋條進行滑移省力。殘氣由桶身液晶螢幕直顯，現場列印電子收據。

 [ 構想二 草圖示意 ]
 ┌───┐ 
 │ T │ <------------- 伸縮式防滑拉桿
 │ 型│
 ┌───┴───┴───┐
 │ 整合式儀表 │ <--------- 頂部 LCD 殘量與狀態顯示
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 │ │
 │ 複合材料桶身 │
 │ │
 │ [半透外殼] │
 │ │
 └┬────────────┬┘
 (O)════════════(O) <-------- 內嵌式 $\Phi 80\text{ mm}$ 寬胎越野滑輪

構想三：【蜂巢式微型快充共享置換站與快拆管閥】（Smart-Swap Energy Pod）

• 產品特點：氣瓶採 7 公斤裝（滿載 10.5 公斤）之超輕量規格，支援單手輕鬆提攜。閥門改為專利磁吸式「防呆自鎖快拆閥（Quick-Snap Coupler）」，免用扳手旋緊即可安全斷漏。
• 服務模式：除專人配送外，更於社區大樓或便利商店設置「24 小時智慧瓦斯換電櫃（氣瓶儲能櫃）」。用戶透過 App 刷條碼即可自助隨到隨換，殘氣自動依退回重量即時退刷信用卡。

 [ 構想三 草圖示意 ]
 ┌───────────┐
 │ 單手抓握環│
 ┌┴───────────┴┐
 │ [快拆自鎖閥]│ <--------- 專利推入式快拆接頭（免板手）
 │ │
 │ 7kg 迷你裝 │
 │ 複合材料瓶 │
 │ (滿載10.5kg)│
 └─────────────┘
 │ 
 ▼ 置入
 ┌───┬───┬───┐
 │ │ │ │ <----------- 社區/超商 24h 智慧自動換氣櫃
 ├───┼───┼───┤ (刷卡取新瓶，投入舊瓶自動結算殘氣)
 │ │ │ │
 └───┴───┴───┘

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三、評估篩選（25 分）

1. 評估篩選方法與準則設定

本案採用工程設計界廣泛應用的普氏決策矩陣（Pugh Decision Matrix）結合加權計分法。

• 基準解（Datum）：以市場現有「傳統 20 公斤裝鋼瓶及其電話配送服務」為基準（所有準則得分設為 0）。
• 評選準則（Selection Criteria）與加權比重（Weight, $W$）：

1. 搬運負擔減輕程度（$W = 25\%$）：評估人體工學、重量以及對送貨員職業傷害改善度。
2. 生產與營運成本可行性（$W = 15\%$）：包含桶身開模、複合材料纏繞工藝、電子感測器部署及維護成本。