基于拓?fù)湫再|(zhì)分析的電動(dòng)物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)

余云嫻，彭 婧，尹 歡

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024)

城市物流配送的需求愈發(fā)旺盛，純電動(dòng)物流車在城市物流配送領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)不斷凸顯[1]。而市場(chǎng)上的電動(dòng)物流車的造型大都沿襲同款燃油車的造型，缺乏創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。因此，電動(dòng)物流車外觀造型設(shè)計(jì)亟待創(chuàng)新性提升。

形態(tài)仿生作為汽車外觀造型設(shè)計(jì)中的重要手法，通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有感性、模糊性和不確定性。在形態(tài)仿生設(shè)計(jì)過(guò)程中融入數(shù)學(xué)理論分析計(jì)算是必然趨勢(shì)，跨學(xué)科融合尤其是與非線性科學(xué)之間的融合成為了形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中重要研究方向。

對(duì)于電動(dòng)物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)而言，由于設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性與復(fù)雜性，設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免的存在有較大的模糊性、不確定性，設(shè)計(jì)研究也多偏于感性。為了讓設(shè)計(jì)更具有理性、科學(xué)性，可以利用拓?fù)鋵W(xué)研究中的拓?fù)湫再|(zhì)在形態(tài)識(shí)別、形態(tài)變形中的穩(wěn)定性對(duì)電動(dòng)物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行理性約束。

1 拓?fù)湫再|(zhì)與物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性

拓?fù)湫再|(zhì)指的是圖形在拓?fù)渥兓卤３植蛔兊膸缀涡再|(zhì)[2]，主要關(guān)注圖形間的位置關(guān)系，對(duì)于圖形的形狀、大小以及彼此間的距離則不考慮。仿生設(shè)計(jì)和拓?fù)湫再|(zhì)的研究中心都為“形態(tài)”，關(guān)系如圖1所示。

圖1 仿生設(shè)計(jì)與拓?fù)湫再|(zhì)的關(guān)聯(lián)Fig.1 Relationship between bionic design and topological properties

拓?fù)湫再|(zhì)是知覺認(rèn)知中最穩(wěn)定的性質(zhì)，人的視覺認(rèn)知對(duì)拓?fù)湫再|(zhì)的差異具有高度敏感性。因此可以利用拓?fù)湫再|(zhì)的認(rèn)知穩(wěn)定性和識(shí)別敏感性，對(duì)形態(tài)仿生設(shè)計(jì)這個(gè)較為模糊的、不確定的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行理性約束，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的分析與構(gòu)建，從而對(duì)汽車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。

拓?fù)湫再|(zhì)與物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)，從宏觀角度講，體現(xiàn)在3個(gè)方面：在研究任務(wù)上，都關(guān)注形態(tài)變化中的不變性質(zhì)；在研究對(duì)象上，都是將研究對(duì)象拆解成點(diǎn)、線、面等基本構(gòu)成元素進(jìn)行分析；在研究方式上，拓?fù)溲芯恐袌D形“界”的概念與形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中“特征線”的概念在一定程度上是一致的[3]。

圖2 拓?fù)湫再|(zhì)與物流車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)Fig.2 Relationship between topological properties and bionic design of logistics vehicles

先設(shè)定電動(dòng)物流車造型仿生設(shè)計(jì)的基本流程，明確拓?fù)湫再|(zhì)在相應(yīng)流程階段的約束方式，并把生物特征的認(rèn)知、提取、簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)化等各個(gè)要素納入統(tǒng)一的框架(如圖3所示)：仿生對(duì)象的選定、生物形態(tài)特征的認(rèn)知、生物形態(tài)特征的提取、生物形態(tài)特征的簡(jiǎn)化、生物形態(tài)特征的電動(dòng)物流車造型轉(zhuǎn)化[4]。

圖3 形態(tài)仿生設(shè)計(jì)流程Fig.3 Process of bionics design

2 仿生對(duì)象的選定與形態(tài)特征的認(rèn)知

2.1 仿生對(duì)象的選定

本文電動(dòng)物流車的仿生對(duì)象選擇為“虎”，“虎”的形象在汽車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中的運(yùn)用不在少數(shù)，起亞的“虎嘯”式前臉成為起亞品牌的形象特征，利用了“虎嘯”的形態(tài)提高了汽車品牌的識(shí)別度[5]。

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)物流車選擇“虎”的形象，主要原因有：1) 虎行動(dòng)迅猛、四肢強(qiáng)健、體態(tài)雄偉，這與物流車需要快速、平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)末端物流配送相匹配；2) 成年虎每次最多能吃40 kg的食物，而物流車也需要一次性承載盡可能多的貨物；3) 虎是獨(dú)居動(dòng)物，占有自己的領(lǐng)地，界定自己的勢(shì)力范圍，物流車也是有單獨(dú)的配送目的地；4) 虎為百獸之王，“龍生云，虎生風(fēng)”，中國(guó)人民自古喜愛虎的八面威風(fēng)，常常借以形容勇猛善戰(zhàn)的將領(lǐng)為虎將，物流車的形象正是為人民服務(wù)的小戰(zhàn)士，是城市物流配送的“虎將”[6]。

2.2 生物形態(tài)特征的認(rèn)知

生物形態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指具有穩(wěn)定識(shí)別范式的組織結(jié)構(gòu)，也就是生物形態(tài)在拓?fù)渥兓芯哂胁蛔冃再|(zhì)的組織結(jié)構(gòu)，可分為物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

1) 物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。生物形態(tài)的認(rèn)知應(yīng)具備共性特征，將能夠體現(xiàn)生物形態(tài)主要特征的常用攝影角度確定為常態(tài)角度，進(jìn)行有效劃分物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；儆诓溉閯?dòng)物，虎的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：頭部、頸部、軀干、四肢、尾部。

2) 邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指認(rèn)知過(guò)程中思維的一些穩(wěn)定范式，分有總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等[8]，其中樹型結(jié)構(gòu)最適應(yīng)于分析生物外形結(jié)構(gòu)特征。樹型結(jié)構(gòu)有若干個(gè)層級(jí)，每一層級(jí)又包含若干個(gè)特征結(jié)構(gòu)，下一層級(jí)即將前一層級(jí)的特征結(jié)構(gòu)單獨(dú)視為整體，并找出局部特征結(jié)構(gòu)。在所有局部特征結(jié)構(gòu)中，能以局部特征認(rèn)知到原型形態(tài)的特征結(jié)構(gòu)稱為“顯著特征結(jié)構(gòu)”。因此，樹型結(jié)構(gòu)分析圖可以形成從整體到局部的特征結(jié)構(gòu)層級(jí)認(rèn)識(shí)。但在具體認(rèn)知過(guò)程中，還需對(duì)所有層級(jí)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行認(rèn)知穩(wěn)定性排序。依據(jù)設(shè)計(jì)傳達(dá)過(guò)程中的認(rèn)知原則：認(rèn)知越穩(wěn)定，識(shí)別度越高，對(duì)各層級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，如表1所示，數(shù)字越小代表其特征穩(wěn)定性越高。

表1 生物形態(tài)特征的認(rèn)知穩(wěn)定性排序Table 1 Cognitive stability ranking of biological shape features

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖的層級(jí)按照生物形態(tài)特征的認(rèn)知穩(wěn)定性進(jìn)行排序，如圖4所示。

圖4 生物形態(tài)特征拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖Fig.4 Topological structure tree graph of biological shape features

按生物形態(tài)特征在認(rèn)知中的穩(wěn)定性進(jìn)行排序，分析虎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：第1層級(jí)為視知覺所把握的整體組織，即虎原型形態(tài)；第2層級(jí)因虎無(wú)顯著特征結(jié)構(gòu)，則無(wú)該層級(jí)；第3層級(jí)為虎的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；第4層級(jí)中，將第2層級(jí)的拓樸結(jié)構(gòu)分別看作整體，進(jìn)行局部特征的探尋。探尋的依據(jù)是跟同綱內(nèi)“標(biāo)桿生物”進(jìn)行比較，選擇的日常生活中常見的哺乳類動(dòng)物——牛，具有較為穩(wěn)定的哺乳綱的認(rèn)知范式。如圖5所示，確定同一視角(側(cè)視)的對(duì)比圖片，置于一起作為參照樣本。對(duì)頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)形態(tài)具有特色，具體細(xì)分為耳朵(短又圓)、眼睛(呈黃色，更加犀利兇狠)、鼻部(鼻短，不露鼻孔)、嘴部(呈倒V型)，對(duì)其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較時(shí)，特點(diǎn)不明顯；第5層級(jí)中，虎屬于貓科，與同科內(nèi)“標(biāo)桿生物”——貓進(jìn)行比較，無(wú)明顯特點(diǎn)。形成如圖6所示的“虎”形態(tài)特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖。

圖5 虎與同綱、同科生物的形態(tài)比較Fig.5 Morphology comparison of tiger with homologous biology

圖6 “虎”形態(tài)特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖Fig.6 Topological structure tree graph of tiger morphological character

3 生物形態(tài)特征的提取

3.1 生物外形特征的拓?fù)潢P(guān)系建立

拓?fù)潢P(guān)系一般包括位置關(guān)系、連接關(guān)系、包含以及半包含關(guān)系等[9]。分析各部分形態(tài)結(jié)構(gòu)之間的拓?fù)潢P(guān)系有助于更深層次地了解生物形態(tài)特征以及各特征結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。借用地理信息系統(tǒng)中對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的描述框架——4IM，來(lái)對(duì)生物形態(tài)特征各部分的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析、定性。4IM是通過(guò)二維對(duì)象邊界與內(nèi)部的4組交集是空(用“0”表示)或非空(用“1”表示)來(lái)確定拓?fù)潢P(guān)系[10]，假設(shè)仿生生物的兩個(gè)形態(tài)特征結(jié)構(gòu)為A和B，AI、AB分別表示A的內(nèi)部和A的邊界，那么他們的邊界與內(nèi)部的交集構(gòu)成的四元矩陣(4IM)則可以表示為：

矩陣內(nèi)的每一項(xiàng)都有空與非空的可能性，排除沒(méi)有實(shí)際意義的8種結(jié)果，建立如表2中的8種拓?fù)潢P(guān)系。

表2 4IM的8種拓?fù)潢P(guān)系Table 2 8 topological relationships of 4IM

本文選出5種具有代表性的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行形式化定義和拓?fù)錂?quán)重設(shè)定，如表3所示。在形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中，拓?fù)錂?quán)重值越高，對(duì)應(yīng)的仿生生物形態(tài)特征之間的拓?fù)潢P(guān)系也就越緊密，拓?fù)錂?quán)重可構(gòu)建生物各部分形態(tài)特征關(guān)系的尺度，在拓?fù)錂?quán)值公式中幫助計(jì)算出拓?fù)潢P(guān)系的重要程度。

表3 特征拓?fù)潢P(guān)系定義及權(quán)重Table 3 Definition and weight of feature topological relationship

根據(jù)對(duì)5大拓?fù)潢P(guān)系的形式化定義，繪制出虎各形態(tài)結(jié)構(gòu)之間拓?fù)潢P(guān)系表，如表4所示。

表4 虎各形態(tài)結(jié)構(gòu)之間拓?fù)潢P(guān)系Table 4 Topological relationships among morphological structures of tigers

3.2 生物外形特征的拓?fù)錂?quán)值計(jì)算

根據(jù)視知覺相關(guān)理論，人對(duì)事物的認(rèn)知，通常注意到事物的位置、相對(duì)大小、形狀等“性質(zhì)”方面的特征，而不太容易注意事物可量度化的特征，比如絕對(duì)大小、各部分之間的長(zhǎng)度距離等[11]。如圖7所示，表情的多種圖案形式中，前兩排的眼睛和嘴巴的代表形狀發(fā)生變化，但相對(duì)位置和包含關(guān)系保持不變，仍可以有效識(shí)別表情；第3排圖案內(nèi)容形式中相對(duì)位置或包含關(guān)系的改變，產(chǎn)生的結(jié)果不能輕易識(shí)別出圖案表情。因此，在對(duì)生物的主要形態(tài)特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取時(shí)，通常保留結(jié)構(gòu)式樣的主要拓?fù)潢P(guān)系，即保留各結(jié)構(gòu)式樣之間的位置關(guān)系、連接關(guān)系和包含關(guān)系等[12]。

圖7 表情的多種圖案形式Fig.7 A variety of patterned forms of expression

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖可以較為直觀地看出生物形態(tài)特征結(jié)構(gòu)的主次關(guān)系，但是每個(gè)設(shè)計(jì)師的認(rèn)知角度是不同的。地理信息系統(tǒng)(GIS)中的拓?fù)錂?quán)值常用來(lái)對(duì)物流、通訊等進(jìn)行路徑優(yōu)化計(jì)算[10]。因此在提取過(guò)程中，可以通過(guò)借用GIS中的拓?fù)錂?quán)值計(jì)算公式，量化各部分特征結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系的重要程度，優(yōu)先提取拓?fù)錂?quán)值高的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征關(guān)系。為了方便計(jì)算，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型圖中的層級(jí)進(jìn)行重新劃分，從低到高依次為第1層，第2層…第N層，并用拓?fù)潢P(guān)系權(quán)值計(jì)算公式進(jìn)行具體計(jì)算。

式中：i、m為兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)對(duì)象；p、q分別為i、m所在的層級(jí)。K表示層；S(ip,mq)從m層到j(luò)層ip與mq的總拓?fù)錂?quán)值；MK(ip,mq)指ip與mq在第K層的拓?fù)錂?quán)重；IK為第K層的層級(jí)系數(shù)；λ為衰減系數(shù)；ΔK表示ip與mq間隔的層數(shù)。

根據(jù)拓?fù)錂?quán)值的計(jì)算公式，計(jì)算出虎各形態(tài)結(jié)構(gòu)之間的拓?fù)潢P(guān)系權(quán)值，如表5所示，清楚、直觀地呈現(xiàn)外形特征以及特征關(guān)系的重要程度，形成具有通用性、規(guī)范性的提取尺度，對(duì)生物原型特征提取過(guò)程進(jìn)行合理性、準(zhǔn)確性的約束。

表5 虎各形態(tài)結(jié)構(gòu)之間拓?fù)潢P(guān)系權(quán)值Table 5 Topological relationship weight value among morphological structures of tigers

從表中的拓?fù)錂?quán)值數(shù)值得知，在主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系中SA1A2、SA2A3、SA3A4、SA3A5的拓?fù)錂?quán)值最高為16，因此電動(dòng)物流車仿生設(shè)計(jì)中，可優(yōu)先提取頭部與頸部、頸部與軀干、軀干與四肢、軀干與尾部的特征結(jié)構(gòu)關(guān)系，保持對(duì)應(yīng)拓?fù)潢P(guān)系不變；在二級(jí)特征結(jié)構(gòu)的關(guān)系中，優(yōu)先把握好B1，B2，B3，B4與A1的整體關(guān)系。

根據(jù)物流車的造型特征和虎的特征關(guān)系拓?fù)錂?quán)值，提取A1A2作為車頭，提取A2A3作為駕駛室與貨箱，提取A3A4作為車身與輪轂，提取A3A5作為貨倉(cāng)與掀背式尾門，以保證主要拓?fù)潢P(guān)系不變；B1，B2，B3，B4與A1的關(guān)系可作為物流車前臉形態(tài)。

圖8 “虎”形態(tài)與物流車造型Fig.8 Modeling comparison between tiger and logistic vehicles

4 生物形態(tài)特征的簡(jiǎn)化與轉(zhuǎn)換

4.1 生物形態(tài)特征的簡(jiǎn)化

汽車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化過(guò)程主要圍繞兩種知覺模式：一種是汽車造型的知覺形象，另外一種則是生物形態(tài)的心理意象[13]。因此將提取的形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，需要朝著對(duì)應(yīng)的汽車造型形態(tài)靠攏?？梢圆捎米冃闻c夸張、條理與秩序、組合與分離、幾何化等手法對(duì)提取形態(tài)進(jìn)行提煉簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化過(guò)程如圖9，10所示。

圖9 側(cè)身輪廓的簡(jiǎn)化Fig.9 Simplification of side profile

圖10 面部輪廓的簡(jiǎn)化Fig.10 Simplification of facial profile

4.2 生物形態(tài)特征的轉(zhuǎn)化

通過(guò)簡(jiǎn)化得到電動(dòng)物流車主要輪廓線，接下來(lái)就是進(jìn)行尺寸分析、建模、配色方案、渲染等設(shè)計(jì)流程。整車外形以小型化、輕量化為主要側(cè)重點(diǎn)，外形簡(jiǎn)潔、環(huán)保、綠色。盡可能使造型與功能在一定程度上達(dá)到協(xié)調(diào)，避免過(guò)分的外觀裝飾。圖11，12就是最終方案，把虎的形態(tài)特征轉(zhuǎn)化為電動(dòng)物流車的造型。

圖11 電動(dòng)物流車前臉造型Fig.11 Electric logistics car front face shape

圖12 電動(dòng)物流車側(cè)身造型Fig.12 Electric logistics vehicle side shape

5 結(jié)論

1) 電動(dòng)物流車是城市物流車的新秀，其造型設(shè)計(jì)的研究還剛剛起步。而在汽車造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)作為一個(gè)廣泛使用的設(shè)計(jì)方法，發(fā)揮著不可替代的作用。通過(guò)對(duì)自然界形態(tài)的模仿或生物瞬間形態(tài)的捕捉，刺激電動(dòng)物流車造型設(shè)計(jì)的新思路和新方法。

2) 基于理性的研究方式是對(duì)傳統(tǒng)形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的科學(xué)探索與發(fā)展，在生物形態(tài)特征的拓?fù)浞治鲋?，將生物形態(tài)特征及其關(guān)系的重要程度參數(shù)化，一定程度上豐富了形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的理論研究，為后續(xù)研究提供了參考。

3) 形態(tài)仿生設(shè)計(jì)方法的研究具有模糊、感性的特點(diǎn)，數(shù)字化成為未來(lái)汽車造型設(shè)計(jì)研究的一大趨勢(shì)，偏于理性的研究方式是對(duì)傳統(tǒng)造型方法的延續(xù)與發(fā)展。拓?fù)湫再|(zhì)建立的邏輯規(guī)則，對(duì)于電動(dòng)物流車造型設(shè)計(jì)的科學(xué)化生成有著重要推動(dòng)作用，因此，引入拓?fù)鋵W(xué)相關(guān)理論，一定程度上豐富了汽車形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的理論研究，也為電動(dòng)物流車造型設(shè)計(jì)提供了更加科學(xué)、理性的方法，拓寬了設(shè)計(jì)方法的渠道。