張濤,蔡薇*,張?zhí)炱?,丁芳芳,龔鑫?/p>
1 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430063
2 武漢理工大學(xué) 郵輪游艇設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430063
大型郵輪承載的乘客及工作人員人數(shù)眾多,艙室類型和數(shù)量繁多,娛樂、生活與安全等設(shè)施設(shè)備齊全,同時(shí)還要兼顧特型船舶的航行性能,所以其總布置極其復(fù)雜。以我國擬建造的郵輪為例,該船最大載客人數(shù)約5 000 人,為保證船舶的使用功能,船上設(shè)計(jì)有大量燃油艙、污水艙、灰水艙、淡水艙和食品儲(chǔ)藏艙室,以及龐大的機(jī)艙和供電設(shè)備,此外,還有供乘客使用的艙室(2 000 多間客房)及各類設(shè)施(餐廳、酒吧、娛樂設(shè)施等)。
我國在郵輪總體布局設(shè)計(jì)研究方面近兩年剛剛起步,相關(guān)資料少、研究基礎(chǔ)薄弱。國外學(xué)者針對(duì)郵輪總體布局設(shè)計(jì)已經(jīng)展開了大量研究。Parnyakov[1]對(duì)郵輪內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,通過優(yōu)化大型功能艙室和客艙的布局設(shè)計(jì),提升了郵輪的整體舒適度。Ahola 等[2]探討了郵輪內(nèi)不同的環(huán)境設(shè)計(jì)特征對(duì)郵輪安全性的影響,并針對(duì)游客主觀安全性對(duì)郵輪通道提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。Kowollik等[3]從郵輪主題文化的角度出發(fā),通過縮小郵輪主題文化與游客日常文化之間的差異,提高了游客滿意度。Jo 等[4]采用模糊建模的方法來量化游客的審美偏好,并基于該量化結(jié)果優(yōu)化了郵輪的外觀設(shè)計(jì)。
總布置設(shè)計(jì)內(nèi)容有經(jīng)典的船體分艙與空間劃分、通道設(shè)計(jì)、錨泊、救生和消防設(shè)計(jì)與配置、通信導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置等幾大內(nèi)容,大型郵輪因其特殊性,相對(duì)于經(jīng)典的船舶總布置設(shè)計(jì)有較大的延伸與拓展,特別是在融合現(xiàn)代信息技術(shù)、面向模塊化的設(shè)計(jì)、面向安全的設(shè)計(jì)、面向人機(jī)工程的設(shè)計(jì)、面向智能化知識(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面,有其獨(dú)特之處。本文擬以公理化和模塊化設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ),結(jié)合世界現(xiàn)有典型大型郵輪系列總布置設(shè)計(jì)資料[5],對(duì)其總布置設(shè)計(jì)機(jī)理進(jìn)行剖析。
作為船東的郵輪公司為增大公眾吸引力、拓展新客源市場(chǎng),往往會(huì)推出不同風(fēng)格的主題郵輪。世界上郵輪運(yùn)營公司的大型郵輪都有其主題或系列主題[6-7]。同時(shí),郵輪作為移動(dòng)的“海上城邦”,不同于陸地上的主題建筑,其主題設(shè)計(jì)不僅要考慮游客的需求,還要考慮相關(guān)的郵輪規(guī)范、航行性能等諸多因素。下面,將在剖析大型郵輪主題功能區(qū)域設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上,運(yùn)用基于公理化設(shè)計(jì)理論的映射方法,建立郵輪游客需求與功能需求間的關(guān)系模型,以探討郵輪功能區(qū)設(shè)計(jì)與其他功能模塊設(shè)計(jì)相連接的關(guān)鍵技術(shù)及限制條件,力圖找到現(xiàn)有主題郵輪到潛在主題郵輪的映射規(guī)律,得出潛在主題郵輪設(shè)計(jì)的改進(jìn)部分,為設(shè)計(jì)符合我國需求的主題郵輪及功能區(qū)域提供依據(jù)。
首先,從主題居住艙室、主題餐飲區(qū)域及主題娛樂區(qū)域3 個(gè)方面探究主題郵輪功能區(qū)域的一般布置特點(diǎn);其次,從地域特性、時(shí)代特性及藝術(shù)特性方面提取郵輪主題功能區(qū)域的元素[8],通過對(duì)典型主題郵輪甲板區(qū)域圖的描繪,統(tǒng)計(jì)其主題區(qū)域面積,通過數(shù)學(xué)比例關(guān)系的對(duì)比,找出主題功能區(qū)域與郵輪各功能區(qū)域之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而得出主題功能區(qū)域的設(shè)計(jì)規(guī)律。
對(duì)典型主題郵輪的主題功能區(qū)域占甲板總面積的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制了典型郵輪主題功能區(qū)域面積比例分布圖(圖1),并對(duì)其進(jìn)行曲線和公式擬合,得到了其曲線擬合圖(圖2)和擬合公式(1)。
式中:y 為郵輪主題功能區(qū)域占甲板總面積的比例;x 為郵輪的功能區(qū)域類型,x=1 時(shí)表示餐廳區(qū)域,x=2 時(shí)表示酒吧區(qū)域,x=3 時(shí)表示娛樂區(qū)域,x=4 時(shí)表示居住艙室。
圖1 典型郵輪主題功能區(qū)域面積百分比Fig. 1 Percentage of themed functional area of cruise ships
圖2 典型郵輪主題功能面積比例擬合曲線圖Fig. 2 Proportional fitting curve of typical themed functional area of cruise ships
下面,對(duì)式(1)計(jì)算結(jié)果與統(tǒng)計(jì)結(jié)果間的合理度區(qū)間進(jìn)行驗(yàn)證。首先,將x =1,2,3,4 分別代入式(1),計(jì)算各主題功能區(qū)域的面積。然后,通過式(2)計(jì)算其合理度,其值越小說明計(jì)算結(jié)果越合理。在面積合理區(qū)間中,Δ 的最小值為區(qū)間的左端點(diǎn),Δ 的最大值為區(qū)間的右端點(diǎn),相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。
式中:Pc為公式計(jì)算百分比;Pa為實(shí)際百分比。
表1 擬合公式計(jì)算結(jié)果及差值范圍統(tǒng)計(jì)表Table 1 Fitting formula calculations and statistics of difference range
從表1 中可以看出,雖然計(jì)算得出的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)得出的結(jié)果存在一定的偏差,但是根據(jù)郵輪主題功能區(qū)域曲線擬合的實(shí)際情況,可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果具有一定的合理性。
Suh[9]對(duì)1990 年以來的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了設(shè)計(jì)公理體系。將傳統(tǒng)上以依靠經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)建立成一套以科學(xué)法則、公理為基本的公理體系,這是公理化設(shè)計(jì)(axiomatic design,AD)的出發(fā)點(diǎn)。在該體系中,將設(shè)計(jì)問題分解為需求域、功能域、物理域與過程域4 個(gè)域(圖3),這4 個(gè)域依次按照“之”字映射機(jī)制相關(guān)聯(lián)[10]。
基于公理化設(shè)計(jì)理論的定制產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)模型(product function and structure mode,PFSM)的優(yōu)化算法及構(gòu)建原則,對(duì)現(xiàn)有主題郵輪的功能區(qū)域進(jìn)行分解,將游客需求與功能需求進(jìn)行映射,可得出其相應(yīng)的權(quán)重值。功能需求的權(quán)重值Hij可由式(3)計(jì)算得出。
圖3 AD 示意圖Fig. 3 AD schematic diagram
式中:CRi為游客需求在郵輪功能區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)所占權(quán)重;FRij為游客需求與郵輪功能需求的關(guān)聯(lián)程度,其數(shù)值越大,代表二者的關(guān)聯(lián)度越大,若不相關(guān),則數(shù)值為0。
下面,以“孝文化”為郵輪主題對(duì)潛在主題郵輪進(jìn)行游客需求與功能需求之間的映射,將得出的各部分權(quán)重值進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果得出潛在主題郵輪功能區(qū)域的設(shè)計(jì)要素,為將現(xiàn)有主題郵輪改造為潛在主題郵輪提供建議。
其中,餐廳區(qū)域的需求可以細(xì)分為:食品衛(wèi)生、服務(wù)質(zhì)量、就餐時(shí)間、菜肴種類、就餐環(huán)境、人口密度及餐品價(jià)格。游客需求與餐廳功能需求質(zhì)量屋的配置表如表2 所示。
表2 游客需求與餐廳功能需求質(zhì)量屋配置表Table 2 Quality house configuration of tourists' requirements and restaurant functional requirements
酒吧區(qū)域的需求可以細(xì)分為:酒吧環(huán)境、服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)設(shè)施、人口密度、酒吧位置及活動(dòng)類型。游客需求與酒吧功能需求質(zhì)量屋配置表如表3 所示。
表3 游客需求與酒吧功能需求質(zhì)量屋配置表Table 3 Quality house configuration of tourists' requirements and bar functional requirements
居住艙室功能區(qū)域的需求可以細(xì)分為:安全性、艙房衛(wèi)生、設(shè)施種類、艙房布局、海景窗面積及陽臺(tái)面積。游客需求與居住艙室功能需求質(zhì)量屋配置表如表4 所示。
表4 游客需求與居住艙室功能需求質(zhì)量屋配置表Table 4 Quality house configuration of tourists' requirements and accommodation functional requirements
娛樂功能區(qū)域的需求可以細(xì)分為:場(chǎng)所面積、娛樂環(huán)境、項(xiàng)目多樣性、項(xiàng)目參與性、設(shè)施種類及活動(dòng)特色。游客需求與娛樂功能需求質(zhì)量屋配置表如表5 所示。
表5 游客需求與娛樂功能區(qū)域質(zhì)量屋配置表Table 5 Quality house configuration of tourists' requirements and entertainment functional area
根據(jù)郵輪旅客需求及“孝文化”主題的選取,綜合專家的評(píng)定意見,同理,可以求出潛在郵輪的功能需求權(quán)重值H'ij,具體如表6~表9所示。
表6 游客需求與潛在郵輪主題餐廳功能需求質(zhì)量屋配置表Table 6 Quality house configuration of tourists' requirements and potential restaurant functional requirements
表7 游客需求與潛在郵輪主題酒吧功能需求質(zhì)量屋配置表Table 7 Quality house configuration of tourists' requirements and potential bar functional requirements
表8 游客需求與潛在郵輪主題居住艙室功能需求質(zhì)量屋配置表Table 8 Quality house configuration of tourists' requirements and potential accommodation functional requirements
表9 游客需求與潛在郵輪主題娛樂功能區(qū)域質(zhì)量屋配置表Table 9 Quality house configuration of tourists' requirements and potential entertainment functional area
將潛在主題功能區(qū)域需求權(quán)重值的排序與某典型郵輪相應(yīng)的權(quán)重值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如下。
餐廳區(qū)域:
酒吧區(qū)域:
居住艙室:
娛樂區(qū)域:
將潛在主題郵輪功能區(qū)域與某典型郵輪功能區(qū)域相比較,可發(fā)現(xiàn)如下設(shè)計(jì)規(guī)律。
1) 餐廳區(qū)域:與某典型郵輪餐廳區(qū)域相比,就餐時(shí)間的權(quán)重值相對(duì)來說較小,即排序靠后,而食品衛(wèi)生的權(quán)重值相對(duì)來說要大,即排序靠前,人口密度與餐品價(jià)格的權(quán)重值相近。
2) 居住艙室:與某典型郵輪居住艙室相比,安全性、艙房布局的權(quán)重值相對(duì)較小,設(shè)施種類、艙房衛(wèi)生的權(quán)重值相對(duì)較大。
3) 娛樂區(qū)域:與某典型郵輪娛樂區(qū)域相比,項(xiàng)目參與性的權(quán)重值較小,活動(dòng)特色的權(quán)重值相對(duì)較大。
因此,若要將某典型郵輪打造成潛在主題郵輪,即以“孝文化”為主題的郵輪,可以在以下方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn):對(duì)于餐廳區(qū)域,照顧到老年人的身體狀況與飲食衛(wèi)生,需優(yōu)先考慮食品衛(wèi)生,而就餐時(shí)間則可相對(duì)靠后考慮;對(duì)于酒吧區(qū)域,其各功能需求方面的權(quán)重值排序相同,也就是在進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí),只需將某典型郵輪酒吧區(qū)域的娛樂元素轉(zhuǎn)換成“孝文化”元素即可;對(duì)于居住艙室,考慮到老年人的身體狀況與行動(dòng)能力,應(yīng)著重在設(shè)施種類與艙房衛(wèi)生上下功夫,也就是在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將一些必要的設(shè)施改換成適合老年人使用的便利設(shè)施,注重房間衛(wèi)生,避免疾病等;對(duì)于娛樂區(qū)域,應(yīng)在活動(dòng)特色上多花心思,多安排一些能吸引老年人的特色活動(dòng),由于老年人精力有限,所以郵輪上的互動(dòng)項(xiàng)目可以相對(duì)減少。
郵輪設(shè)計(jì)建造的模塊化是目前國際郵輪生產(chǎn)中的常用方法。為探索其模塊劃分與提升設(shè)計(jì)建造效率的機(jī)理,下面將分析大型郵輪乘客艙室的配置和布置特點(diǎn),得到模塊劃分的最小單元模塊—標(biāo)準(zhǔn)單元模塊,根據(jù)模塊間的功能、物理、結(jié)構(gòu)邊界條件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元模塊進(jìn)行模糊聚類,然后借助Matlab 軟件計(jì)算生成聚類圖,通過選取閾值得到郵輪模塊的劃分方案。
模塊化的本質(zhì)是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化,它依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化等原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊分解及組合,并最終將各類要素有機(jī)結(jié)合起來,形成具有特定功能的系統(tǒng)[11-12]。從模塊層次的角度審視郵輪內(nèi)部的空間元素,剖析郵輪主要設(shè)施的模塊化程度、屬性特征以及與規(guī)范的相關(guān)性,可為布局模塊相關(guān)性的評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。以生成郵輪布局模塊為目標(biāo),對(duì)郵輪上層區(qū)域內(nèi)的各類空間元素進(jìn)行模塊化分析,在模塊化基本原理及郵輪空間元素層次性分析的基礎(chǔ)上[13],以模糊聚類理論建立郵輪模塊劃分流程,并以登乘甲板為例進(jìn)行實(shí)例劃分,利用平面拓?fù)鋵W(xué)解決布置沖突性。根據(jù)探究的相關(guān)規(guī)律為郵輪布局優(yōu)化模型的建立與求解提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。應(yīng)用模糊聚類法的模塊劃分流程如圖4 所示。
基于以上對(duì)功能相關(guān)性及幾何相關(guān)性的討論,將空間元素i 與j 之間的綜合相關(guān)度 Rij定義如下:
式中:ω1和ω2分別為功能相關(guān)性和結(jié)構(gòu)相關(guān)性在綜合相關(guān)度評(píng)定中所占的權(quán)重;C1和C2分別為i,j 對(duì)應(yīng)的功能相關(guān)性和結(jié)構(gòu)相關(guān)性評(píng)價(jià)值。
首先,以某郵輪登乘甲板為例進(jìn)行艙室模塊劃分。為便于表述,對(duì)甲板上具有代表性功能的空間元素進(jìn)行編號(hào),編號(hào)規(guī)則采用“甲板層號(hào)-D-空間元素序號(hào)”的形式,如表10 所示。
圖4 郵輪模塊劃分評(píng)價(jià)及模塊方案生成流程圖Fig. 4 Flow chart of cruise module partition evaluation and module scheme generation
表10 某郵輪登乘甲板區(qū)域內(nèi)空間元素編號(hào)Table 10 Number of space elements in the boarding deck area of a cruise ship
然后,依據(jù)定義的綜合相關(guān)性評(píng)價(jià)公式,對(duì)登乘甲板內(nèi)的空間元素兩兩進(jìn)行相關(guān)性評(píng)價(jià),求取其綜合相關(guān)度,對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣C4如圖5 所示。
通過分析,登乘甲板內(nèi)空間元素綜合相關(guān)度R 的范圍在0.25~0.85 之間,即閾值λ 低于0.25 時(shí)所有元素歸入同一布局模塊,閾值λ 高于0.85 時(shí)則每個(gè)元素自成一個(gè)模塊。由高到低以此選取不同的λ 作為閾值,可形成登乘甲板的聚類譜系,如圖6 所示。
由圖6 可知,閾值取0.4 時(shí)方案的模塊劃分結(jié)果,無論是方案的總體方差水平還是劃分方案內(nèi)空間元素關(guān)聯(lián)程度,均優(yōu)于其他劃分方案。具體劃分方案如圖7 所示。
圖5 登乘甲板模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣C4Fig. 5 Fuzzy relation evaluation matrix C4 for boarding deck
圖6 登乘甲板內(nèi)空間元素的聚類譜系圖Fig. 6 Cluster spectrum of spatial elements in boarding deck
圖7 某典型郵輪登乘甲板模塊劃分實(shí)例Fig. 7 An example of module division for boarding deck of a typical cruise ship
將劃分方案歸納整理后,模塊名稱和模塊所包含的空間元素如表11 所示。
基于郵輪空間元素的綜合相關(guān)度分析,并應(yīng)用模糊聚類法對(duì)郵輪上層區(qū)域的空間進(jìn)行模塊劃分,可以有效規(guī)整類型復(fù)雜、尺度不一的郵輪內(nèi)部空間,為以后的郵輪布局優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
表11 登乘甲板內(nèi)模塊分類及所含空間元素Table 11 Module classification and space elements in boarding deck
郵輪的尺度大、甲板層數(shù)多,但通過比較不同郵輪的布局形式,發(fā)現(xiàn)不同甲板的功能分布具有一定的規(guī)律性。頻次,即艙室在不同的甲板區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù),通過統(tǒng)計(jì)、分析同一系列郵輪的頻次,能夠反映出該系列郵輪上功能艙室的分布情況及相關(guān)規(guī)律。以“公主”系列郵輪為例(不同郵輪0 甲板的位置可能不同),涉及到乘客功能艙室的甲板通常起始于5 甲板(4 甲板上通常只布置醫(yī)療艙),從5 甲板往上均為服務(wù)于乘客的甲板?;趯?duì)其規(guī)律的分析,進(jìn)行如下劃分:從5 甲板往上的3 層甲板為第Ⅰ部分,從最高甲板往下的4 層甲板為第Ⅲ部分,中間的甲板為第Ⅱ部分。具體劃分結(jié)果如表12 所示。
表12 不同郵輪乘客甲板的劃分結(jié)果Table 12 Partition results of passenger decks on different cruises
為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),對(duì)第Ⅰ和第Ⅲ部分的甲板進(jìn)行重新編號(hào),其中,第Ⅰ部分甲板的甲板序號(hào)為1,2,3;第Ⅲ部分甲板的甲板序號(hào)為X4,X5,X6 和X7。基于數(shù)據(jù)分析可知,第Ⅰ和第Ⅲ部分甲板的艙室分布具有一定的相似性。將不同郵輪的餐飲艙室、娛樂艙室在各區(qū)域出現(xiàn)的頻次數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理,疊加之后所獲得的數(shù)據(jù)如表13 所示。同一甲板區(qū)域不同類型艙室的頻次數(shù)值相差較大,數(shù)值小說明該種布局方式較特殊,數(shù)值大則體現(xiàn)了艙室分布的規(guī)律,說明不同郵輪上該類艙室基本都分布在該區(qū)域。
隨后,可以針對(duì)甲板區(qū)域間的艙室布局,基于大量的簡(jiǎn)化布置圖,統(tǒng)計(jì)獲得不同類型艙室在不同甲板區(qū)域出現(xiàn)的頻次,以此表征艙室布局的規(guī)律;基于一套詳細(xì)的布置圖資料,獲得艙室的長、寬等尺寸資料;此外,以甲板區(qū)域內(nèi)部的艙室布局為研究對(duì)象,將甲板區(qū)域的布置圖直接儲(chǔ)存,以便在布局設(shè)計(jì)時(shí)直接提供參考;獲取參考圖片時(shí),以甲板區(qū)域的區(qū)域編號(hào)(A,B,C,D)和其內(nèi)的艙室類型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢索,按照相似度進(jìn)行排序。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示。
根據(jù)上述分析,可得以下郵輪艙室布局規(guī)律:
1) 主餐廳和自助餐廳這2 類餐廳集中分布于C,D 區(qū)域,即甲板縱向方向上的中后部分。其中,主餐廳集中分布于1 甲板和2 甲板;自助餐廳集中分布于X4 號(hào)甲板的C,D 區(qū)域。
2) 購物類艙室一般集中于低層甲板的B 區(qū)域。
3) 有氧運(yùn)動(dòng)區(qū)、健身中心等運(yùn)動(dòng)類艙室對(duì)艙室所處的高度有一定的要求,一般分布于第Ⅲ部分甲板上。
4) 劇院集中分布在低層甲板的端部,且一般會(huì)占滿A 區(qū)域的2 甲板和3 甲板的甲板空間。
5) 大型游泳池集中分布于X4 甲板B,C 區(qū)域的露天部分;該露天部分甲板上圍繞泳池分布了酒吧、特色餐飲店,這些店所占的甲板面積都很小。
6) 郵輪上的按摩中心、水療場(chǎng)所、理療室、時(shí)尚沙龍通常集中布置于某一甲板的A 區(qū)域。
7) 成人休憩區(qū)(日光浴區(qū))通常布置于X4 或者X5 甲板的A 區(qū)域。
表13 甲板區(qū)域的乘客艙室頻次統(tǒng)計(jì)(不包括居住甲板)Table 13 Frequency statistics of passenger compartment in deck areas (excluding residential decks)
圖8 某系列郵輪部分艙室布局頻次統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Frequency statistics of partial cabin layout for a series of cruise ships
本文應(yīng)用公理化設(shè)計(jì)原理以及面向知識(shí)工程的模塊化設(shè)計(jì)機(jī)理,探索了郵輪總布置設(shè)計(jì)的規(guī)律。結(jié)果表明,通過發(fā)展和完善不同郵輪主題系列游客需求與功能需求間的關(guān)系模型,以及對(duì)郵輪艙室模塊進(jìn)行合理的劃分,可以更加深入地探尋主題郵輪總布置的設(shè)計(jì)規(guī)律。在后期研究中,可以構(gòu)建模塊實(shí)例庫,并積累大量郵輪設(shè)計(jì)與模塊實(shí)例設(shè)計(jì)的相關(guān)信息,形成大型郵輪模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這將會(huì)極大地提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,從而實(shí)現(xiàn)郵輪的智能模塊化設(shè)計(jì)。