高端海洋裝備工業(yè)設(shè)計探索

高奇峰　鄭剛強　陳琛　白銘玉

摘要：工業(yè)設(shè)計缺位已成為制約高端海洋裝備發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。文章針對高端海洋裝備的造型美感缺失、創(chuàng)新設(shè)計能力不足等方面進行設(shè)計實踐與理論探索。以全海域多功能潛航器與載人觀光潛水器設(shè)計為例進行設(shè)計分析，引入?yún)?shù)化設(shè)計與模塊化設(shè)計理念，指明了高端海洋裝備的創(chuàng)新方向，對促進高端海洋裝備的創(chuàng)新發(fā)展具有積極意義。

關(guān)鍵詞：高端海洋裝備 潛航器設(shè)計 工業(yè)設(shè)計 設(shè)計創(chuàng)新

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）05-0018-04

引言

高端海洋裝備是指具有高科技含量、高技術(shù)ll生、高審美性、高附加值、高性能、高舒適度、高工藝水平等特征的海洋裝備。此處的“高端”首先體現(xiàn)為知識與技術(shù)含量高，往往體現(xiàn)為多學(xué)科知識集成與高精尖技術(shù)應(yīng)用；其次，高端裝備在產(chǎn)業(yè)鏈中往往具有引領(lǐng)地位，其發(fā)展水平對整體產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要影響；另外，高端裝備一般具有高附加值特征，往往處于價值鏈的金字塔尖。高端海洋裝備包括：遠洋郵輪、豪華游艇、高端游船、特種艦艇、潛航器、地效應(yīng)艇、水下滑翔機、深海石油鉆井平臺等水域交通工具與專用裝備。其設(shè)計創(chuàng)新對國家及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略性意義。但是，長期以來，海洋裝備設(shè)計研發(fā)都由科學(xué)家與工程師主導(dǎo)，缺少工業(yè)設(shè)計、藝術(shù)設(shè)計的融入。導(dǎo)致大量高端海洋裝備僅能滿足功能需求與技術(shù)指標，在審美與人性化方面極度缺乏。各類裝備均廣泛存在造型單調(diào)、配色欠佳、艙室空間冷漠、設(shè)備操控不便、人性化考慮不足、文化內(nèi)涵缺失等諸多問題，嚴重制約了高端海洋裝備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與市場推廣。隨著社會經(jīng)濟與人類文明的發(fā)展，以上問題愈加凸顯。為解決這些問題，把工業(yè)設(shè)計方法與技術(shù)引入海洋裝備設(shè)計研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫！

一、工業(yè)設(shè)計是優(yōu)化海洋裝備的重要手段

2012年，中國政府發(fā)布《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確了七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向和主要任務(wù)，隨后又提出了“建設(shè)海洋強國”的戰(zhàn)略目標，提出高端裝備制造產(chǎn)業(yè)要“加快發(fā)展海洋工程裝備”?！吨袊圃?025》把高端海洋裝備和高技術(shù)船舶作為十大重點項目之一加快推進。在“十三五”規(guī)劃重點扶持高端海洋裝備的大背景下，我國的高端海洋裝備發(fā)展空間廣闊。以此為背景，我國急需把高端海洋裝備研發(fā)的高精尖技術(shù)進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，通過自主化、系列化和品牌化實現(xiàn)市場價值。在技術(shù)轉(zhuǎn)化過程中，工業(yè)設(shè)計具有不可替代的作用。

工業(yè)設(shè)計作為一門交叉邊緣學(xué)科，其內(nèi)涵極其豐富。2016年，鄭剛強在第二十一屆中國國際船艇展暨高性能船學(xué)術(shù)報告會上從三個層面對工業(yè)設(shè)計進行了解讀：①從微觀層面分析，工業(yè)設(shè)計是完善人與物之間關(guān)系的學(xué)科——通過對產(chǎn)品使用者及相關(guān)者的需求與感受進行研究，并以此為重要依據(jù)對產(chǎn)品的功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩、空間、配置、使用方式等諸多方面進行科學(xué)性、合理性、藝術(shù)性、人性化的設(shè)計處理，以創(chuàng)造性思維解決相關(guān)問題。②從中觀方面分析，工業(yè)設(shè)計是協(xié)調(diào)生產(chǎn)者與消費者之間關(guān)系的學(xué)科——它貫穿于商業(yè)運營的整體流程，可統(tǒng)合市場調(diào)研、用戶研究、產(chǎn)品開發(fā)、樣機制作、批量生產(chǎn)、市場營銷、用戶體驗、品牌推廣、企業(yè)形象塑造等諸多方面，并對產(chǎn)業(yè)鏈的合理構(gòu)建、推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均能產(chǎn)生重要影響。③從宏觀方面分析，工業(yè)設(shè)計是協(xié)調(diào)生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的學(xué)科——它是科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品實際的重要橋梁，是提升生產(chǎn)力水平的重要支點，是人類破解生存與發(fā)展難題的必要手段之一。

對于高端海洋裝備而言，工業(yè)設(shè)計重點可聚焦于對裝備實體的設(shè)計提升并推動市場化應(yīng)用。具體而言就是運用工業(yè)設(shè)計方法與手段對高端海洋裝備的功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩、空間、配置、使用方式進行設(shè)計創(chuàng)新。使其美觀實用、結(jié)構(gòu)合理、整體優(yōu)化；使用戶獲得更好的產(chǎn)品體驗，更有利于市場推廣與產(chǎn)業(yè)化提升。通過工業(yè)設(shè)計手段進行設(shè)計創(chuàng)新，—方面可使用戶獲得更好的審美享受——使產(chǎn)品更美觀，更有品味，更具有個性化特征；另一方面能使用戶獲得更好的使用體驗——使產(chǎn)品更實用、結(jié)構(gòu)更合理、色彩更協(xié)調(diào)、空間更舒適、更便于操控、更加人性化。二者相加，可大大增加高端海洋產(chǎn)品的附加價值，提升產(chǎn)品競爭力。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對海洋的探索需求日益增加。在各類海洋裝備中，潛航器的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化是國際研究的熱點。目前國內(nèi)潛航器研發(fā)尚處于科技探索階段，商業(yè)化應(yīng)用尚不成熟。在潛航器造型與內(nèi)飾設(shè)計以及功能應(yīng)用上尚待深入研究。通過工業(yè)設(shè)計手段對潛水器進行設(shè)計創(chuàng)新，有利于突破傳統(tǒng)潛水器概念的限制，提出新功能、新造型、新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念。

二、深海潛航器造型改良設(shè)計探索

縱觀全球，近數(shù)十年來潛航器發(fā)展迅速，但只有少數(shù)國家可進行深潛器設(shè)計與建造，形成了極高的技術(shù)壁壘。俄羅斯的和平號、美國的阿爾文號、日本的6500都實現(xiàn)了水下5000米的深潛，在技術(shù)創(chuàng)新和人性化方面取得較大突破。這些潛航器大多引入了工業(yè)設(shè)計方法進行設(shè)計創(chuàng)新，不但優(yōu)化其造型特征，提升了艙室空間的藝術(shù)氣氛。還有利于引入新材料、新技術(shù)、新工藝等進行復(fù)合式創(chuàng)新。

在一定程度上提升了其產(chǎn)品價值。中國的載人深潛技術(shù)近年來發(fā)展迅速，很多技術(shù)指標已位居全球前列，但在工業(yè)設(shè)計的融入方面尚待提升。

（一）造型創(chuàng)意來源及設(shè)計理念

仿生設(shè)計方法是將仿生學(xué)思想與設(shè)計學(xué)相結(jié)合的原創(chuàng)設(shè)計方法，廣泛存在于各種設(shè)計領(lǐng)域。仿生設(shè)計的構(gòu)思來源廣泛，既可從花鳥魚蟲的姿態(tài)形式、結(jié)構(gòu)曲線等實物構(gòu)成方面汲取靈感進行設(shè)計，又可從大型生物的形體感覺、行為活動等方面汲取靈感進行設(shè)計。

設(shè)計源于自然又高于自然，這是未來設(shè)計的重要發(fā)展方向。通過對海洋生物資源庫的探索與選擇，可將自然元素引入設(shè)計構(gòu)思，遵循師法自然的規(guī)律特征。例如，潛水器的色彩搭配、輪廓曲線及其部分構(gòu)件都應(yīng)遵循人與自然和諧相處的自然法則。潛航器運行于常年不見陽光的深海海底，具有獨特的神秘性特征。因此，在設(shè)計來源的選取上，可選擇深海藍鯨的設(shè)計意向。藍鯨具有優(yōu)雅、高貴、神秘的自然屬性，有具有力量感、持久力與堅韌性的品格屬性。在此基礎(chǔ)之上的特性選擇可賦予潛航器由內(nèi)而外的個性化特征（如圖1）。endprint

（二）潛航器造型設(shè)計探索

潛航器概念設(shè)計過程是思維從無到有，從抽象到具體的過程。具體的演變可通過草圖形式來展現(xiàn)。除鯨魚仿生意向外，潛航器構(gòu)思還輔以中國傳統(tǒng)文化中的帽、衣、長袖等古典著裝和金魚的吉祥寓意。并通過色彩涂裝表現(xiàn)東方文化的吉祥寓意與特殊氣質(zhì)。通過大國文化與中華精神的融入，使其莊重感與靈動性并存。設(shè)計伊始，融合點、線、面結(jié)構(gòu)的特征化需求，將具有中華文化的符號融入潛航器設(shè)計?；橄鬄樾蜗?，以具體的優(yōu)雅造型特征來體現(xiàn)潛航器的設(shè)計符號化語言。經(jīng)過大量的草圖繪制，得到了多類造型設(shè)計方案。經(jīng)過分析與篩選，確定較符合國人審美的造型方案。在建模過程中，對潛航器細節(jié)進行處理與深化，最終確定潛航器的造型方案。

（三）形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

1.結(jié)構(gòu)布局

為保證水下工作便捷性與行駛安全性，潛航器整體造型呈流線型。艙體兩端分別設(shè)置有突出的艙體頭部和艙體尾部，且均與艙體兩端平滑過渡連接。艙體頭部容置有伸縮抓手；艙體上方縱向設(shè)置有沿艙體縱向設(shè)置的脊背棱；艙體尾部設(shè)置有推進器和用于增加艙體平衡度的若干尾翼。尾翼均為雙尾翼結(jié)構(gòu)，艙體尾部的頂端處設(shè)置第一雙尾翼。所述艙體尾部的兩側(cè)設(shè)置有對稱的第二雙尾翼和第三雙尾翼。第—雙尾翼與所述脊背棱相連接。頭部和尾部分別突出于艙體兩端的上側(cè)，且所述艙體頭部和所述艙體尾部與艙體兩端面的連接面均呈平滑的凹陷結(jié)構(gòu)；艙體頭部與前端面的連接處設(shè)有前側(cè)觀測舷窗，兩側(cè)設(shè)有側(cè)舷窗；艙體內(nèi)部設(shè)置360°全息投影屏幕，頂部設(shè)有艙室進出口（如圖2、圖3）。

2.功能實現(xiàn)

整體運用仿生設(shè)計手法，使艙體運行平穩(wěn)度高，且造型優(yōu)美；多個雙尾翼結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)水速的大小調(diào)節(jié)平衡程度；艙體頂部設(shè)置抗壓脊背棱，利用物理學(xué)的方法提高潛艇的抗壓能力。在具備了抓握與探測功能之后的潛航器可滿足相關(guān)科研活動。前置伸縮抓手可伸出艙體頭部抓取周邊的深海生物、深海礦石或其他的深海物質(zhì)，非工作狀態(tài)下也可收納進艙體內(nèi)，不影響對周邊環(huán)境的觀測。高強度金屬材料可為艙體內(nèi)的探測儀器提供可靠保護，避免因壓強過大與海水腐蝕造成的儀器失靈。潛航器可攜帶多樣的探測設(shè)備，為深海稀有金屬、深海生物、深海海水成分等成分探測提供保障。潛航器具備了前、左、右三個探測窗口，可為艙內(nèi)人員提供全面的觀測角度。此外，結(jié)合功能需求與結(jié)構(gòu)特征，在造型、色彩、空間布置和人性化方面也進行了相關(guān)設(shè)計創(chuàng)新。

（四）數(shù)字化建模與渲染

以前期草圖為依據(jù)進行準確尺度的三視圖繪制，將三視圖導(dǎo)入建模軟件中，構(gòu)建出模型的大致框架。在模型的造型基本確定后，運用渲染軟件Keyshot對模型進行渲染，獲取模型的實際效果，檢查模型是否存在破面等瑕疵（如圖4）。后期可給模型賦予材質(zhì)、色彩，經(jīng)過渲染與后期處理后可獲得更加真實的效果（如圖5）。

（五）參數(shù)化設(shè)計與模塊化設(shè)計

在工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新中，可引入?yún)?shù)化設(shè)計與模塊化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計是對高端海洋裝備進行三維數(shù)字模塊的細致分析推敲，將造型的元素設(shè)計精確到幾何參數(shù)的范疇，可將造型語言使用數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來。在前期造型推敲時，可參考數(shù)據(jù)分析模型。在進入到后期實體模型制作時，會最大限度保留造型的細節(jié)特點。無論是精準比例還是尺度規(guī)律都可量化為數(shù)據(jù)，追求審美要素的一致性。裝備造型設(shè)計還要考慮動態(tài)美感。前進時應(yīng)保證動態(tài)穩(wěn)定感，視覺重心的后移和造型元素的整體統(tǒng)一。

模塊化設(shè)計是指對高端海洋裝備各部件進行單獨設(shè)計，既滿足整體性要求，也要體現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)的特異性，同中存異，用細節(jié)襯托出其厚實感、莊嚴感與神秘感。潛航器設(shè)計應(yīng)考慮聲吶、觀察室、勘探抓手、前置攝像、電池、壓載鐵、生命支持系統(tǒng)、導(dǎo)航通訊系統(tǒng)等重要潛航器系統(tǒng)的設(shè)計，從布局、配色、形態(tài)等方面綜合考慮，滿足整體設(shè)計需求。潛航器的模塊化設(shè)計可分為結(jié)構(gòu)模塊與功能模塊。具有特定的尺寸、形態(tài)、界面等交互方式，通過位置尺寸鏈接與其他結(jié)構(gòu)的相互作用，實現(xiàn)整體功能的運作與功能的多樣化，以滿足不同需求。

三、民用概念潛航器設(shè)計探索

水下觀光從早期的淺海觀光演變而來，現(xiàn)已逐步成為重要的海洋旅游項目。把深海潛航技術(shù)應(yīng)用于休閑娛樂市場是當今海洋技術(shù)發(fā)展的熱點之_，工業(yè)設(shè)計在此過程中具有重要的作用。觀光潛水器是能夠運載乘客在水下運行、浮出水面并保持水面航行的自航運載器。觀光潛水器的體形不一，其整體設(shè)計大致分為總體、結(jié)構(gòu)、壓載、電力、控制、環(huán)控六大系統(tǒng)?，F(xiàn)針對小型觀光替水器進行概念設(shè)計探索。

（一）設(shè)計創(chuàng)意構(gòu)思與定位

受先天條件限制，人類須借助各類輔助設(shè)備和艦艇來進行水域活動。是否可設(shè)想一種給人更大自由度的水上交通工具（系統(tǒng)）呢？結(jié)合球形觀光車、水上步行球/悠波球、“XS企業(yè)號”宇宙飛船等多種意向形式的探究，確定潛水器整體風(fēng)格，以圓潤飽滿的造型為主。既可降低水下航行阻力，又顯得更溫馨宜人，給乘客帶來安全感（如圖6）。

（二）結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

1.結(jié)構(gòu)布局

為減少能耗，潛水器部件的布置需盡量減小運行時的阻力。由潛水器正視圖可知，其截面積較小，故阻力相應(yīng)較小。環(huán)狀結(jié)構(gòu)在應(yīng)急狀態(tài)下可作為拋載裝置從潛水器主體上脫離，潛水器主體則配合氣囊等壓載設(shè)備上浮，保障乘客安全（如圖7）（如圖8）。

2.駕駛方式

傳統(tǒng)潛水器要求駕駛員具有較高的操作水平和豐富的駕駛經(jīng)驗。本設(shè)計允許乘客通過體感交互設(shè)備在專業(yè)人員的監(jiān)視和干預(yù)下操縱潛水器。專業(yè)人員也可遠程操縱潛水器，而乘客無需承擔駕駛?cè)蝿?wù)。（如圖9）。

3.“移動型”母子系統(tǒng)

可用郵輪、海洋平臺等大型水上設(shè)施作為母體，以觀光潛水器、游艇等小型水上交通工具為子設(shè)備，建立海上“移動型”碼頭系統(tǒng)（如圖10）。

母體的活動范圍初步設(shè)定在近海。子設(shè)備以母體為圓心，在一定范圍內(nèi)活動。可稱之為母體設(shè)備對子設(shè)備的“輻射”。母體輻射一定范圍的海域，并在此區(qū)域內(nèi)扮演游艇碼頭與郵輪母港的角色，提供休閑娛樂區(qū)、物資補給、內(nèi)部干式泊位、觀光平臺等功能。該系統(tǒng)以人的活動需求為本，將海上觀光的觀光范圍由傳統(tǒng)的水面觀光擴展到“水面+水下”的立體觀光。較傳統(tǒng)的水下觀光設(shè)施更加可靠、觀光體驗更全面。其價值也體現(xiàn)在可促進未來海洋實驗室、海上城市的建立，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求（如圖11）。

（三）數(shù)字模型

以前期設(shè)計為依據(jù)，運用建模軟件構(gòu)建出模型框架。并在后期的建模中配合草圖不斷嘗試新的方案。造型基本確定后進行三維渲染，以獲取模型的仿真效果（如圖12）。

結(jié)語

高端海洋裝備的工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新應(yīng)符合時代發(fā)展的潮流，解決人與自然的矛盾。具體而言，應(yīng)將科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)美感與相結(jié)合，打造具有中國風(fēng)格與氣質(zhì)的海洋裝備。工業(yè)設(shè)計可促進深潛科技的應(yīng)用與轉(zhuǎn)化，提高產(chǎn)品附加值，樹立民族品牌形象。未來的研究需進一步結(jié)合市場化應(yīng)用進行，以推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。endprint