基于情境理論與ANP的水災(zāi)搜救無人機設(shè)計研究

萬浩田　高矚

摘要：目的：在現(xiàn)代技術(shù)環(huán)境下，無人機的用途已從初步的娛樂和攝影應(yīng)用有所演變，尤其在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)領(lǐng)域，如搜救、環(huán)境測繪、物品運輸、人員搜尋等方面的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛的認可。文章旨在探討無人機在特定應(yīng)用場景，特別是水災(zāi)搜救中的造型設(shè)計和功能定位。盡管無人機技術(shù)在航空航天工程、自動化技術(shù)、電信技術(shù)、制造技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但相對于這些技術(shù)驅(qū)動的領(lǐng)域，工業(yè)設(shè)計的研究相對較少。這種研究的缺乏在一定程度上限制了無人機在災(zāi)后搜救這一特定應(yīng)用場景中的潛在價值。方法：首先采用情境理論對水災(zāi)搜救無人機的應(yīng)用場景進行情境分析，對無人機的使用需求作出界定。隨后，引入ANP法，用于對相關(guān)需求進行權(quán)重計算，從而為設(shè)計師提供明確的設(shè)計決策方向。結(jié)果：結(jié)合情境理論和ANP法，可以為災(zāi)后搜救無人機的造型設(shè)計提供一個系統(tǒng)的分析框架。結(jié)論：這有助于明確設(shè)計要求和優(yōu)先級，并為設(shè)計師提供決策依據(jù)，從而確保無人機更好地滿足實際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：情境理論；ANP；水災(zāi)搜救；無人機

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）24-00-03

1 相關(guān)理論背景與研究方法

1.1 情境理論

情境理論是一種在設(shè)計領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的方法，其主要探討人、物和環(huán)境之間的交互關(guān)系。通過對未來系統(tǒng)環(huán)境的預(yù)測和分析，設(shè)計師可以創(chuàng)造出更適應(yīng)變化的產(chǎn)品。這種方法充分考慮了產(chǎn)品的使用環(huán)境和用戶需求，從而幫助設(shè)計師制定出更具適用性的設(shè)計方案。學(xué)者譚浩在國內(nèi)研究早期首創(chuàng)了“設(shè)計情境”這一概念，其中包括問題情境、求解情境和解情境，并基于此概念構(gòu)建了工業(yè)設(shè)計情境模型［1］。在汽車設(shè)計領(lǐng)域，王巍運用情境語義學(xué)的方法，深入探討了汽車造型中的品牌意象、車型意象、審美意象等多個維度［2］。王瑋采用情境構(gòu)建法，成功設(shè)計了一款旋風(fēng)式垃圾清潔車［3］。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

1996年，運籌學(xué)家T.L.Saaty教授提出了一種名為

Analytic Network Process（網(wǎng)絡(luò)層次分析法，ANP）的定量決策方法。該方法主要用于處理那些準則和元素集之間存在相互依賴和反饋關(guān)系的無結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)決策問題。隨著時間的推移，ANP方法在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如安全水平評估、性能評價、風(fēng)險控制等。

郭俞辰利用ANP方法對施工現(xiàn)場的安全管理水平進行了評估［4］。王鼎方則將ANP與模糊綜合評價法相結(jié)合，對客運站的安全防范系統(tǒng)效能進行了深入的評估［5］。張驍在其碩士論文中，采用ANP方法并結(jié)合32個指標，為預(yù)警機任務(wù)電子系統(tǒng)構(gòu)建了一套完整的效能評估體系［6］。本文使用yaanp軟件計算權(quán)重，得到水災(zāi)搜救無人機的設(shè)計權(quán)重排序。

2 水災(zāi)搜救任務(wù)特點與要求

2.1 水災(zāi)搜救任務(wù)特點

在自然災(zāi)害中，水災(zāi)作為一種嚴重影響人類社會的自然災(zāi)害，所導(dǎo)致的損失已引起學(xué)界和應(yīng)急管理部門的高度關(guān)注。水災(zāi)搜救緊急性體現(xiàn)在其突發(fā)性、規(guī)模性以及潛在的多重影響層面。首先，水災(zāi)事件往往以突發(fā)性著稱，其發(fā)生具有較短的前兆期，應(yīng)急響應(yīng)時間極為有限，因此必須迅速采取救援行動以盡力縮小受災(zāi)范圍。其次，水災(zāi)常常涵蓋廣大區(qū)域，其規(guī)模性可能導(dǎo)致人員、財產(chǎn)以及基礎(chǔ)設(shè)施集中受損，因此迅速且有序的救援行動在水災(zāi)搜救過程中尤為重要。最后，水災(zāi)帶來的淹沒、泥石流等多重影響，可能導(dǎo)致人員被困、居民生活供應(yīng)中斷、交通中斷、供電中斷等問題，進一步凸顯了緊急救援的必要性。因此，水災(zāi)搜救的緊迫性不僅在于其自身的快速發(fā)展特點，更在于其可能引發(fā)的多方面連鎖反應(yīng)，迫使相關(guān)部門在最短的時間內(nèi)采取有效行動，以保障公眾的生命與財產(chǎn)安全。

綜上所述，水災(zāi)搜救存在復(fù)雜性、廣泛性、多樣性、緊急性、風(fēng)險性、協(xié)調(diào)性的特點。

2.2 水災(zāi)搜救的任務(wù)要求

水災(zāi)搜救的首要任務(wù)在于迅速的應(yīng)急響應(yīng)，以減少水災(zāi)造成的損失。因此，要建立高效的搜救體系，確保信息流通暢、決策迅速，以便實施緊急搜索、救援和資源調(diào)配。另外，為解決水災(zāi)中的人員被困問題，搜救隊伍要具備專業(yè)的設(shè)備與指導(dǎo)，這樣才能在復(fù)雜的水域環(huán)境中開展安全有效的救援行動。

水災(zāi)搜救的任務(wù)要求還涉及基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)與恢復(fù)。災(zāi)害可能導(dǎo)致道路、橋梁、電力等基礎(chǔ)設(shè)施受損，影響救援和資源調(diào)配效率。因此，及時的災(zāi)后評估與修復(fù)工作至關(guān)重要，以確保救援隊伍能暢通無阻地進入受災(zāi)區(qū)域，同時保障居民基本的生活需求。此外，水災(zāi)可能導(dǎo)致飲用水和衛(wèi)生設(shè)施中斷，從而引發(fā)疾病傳播的風(fēng)險。因此，維護供水設(shè)施、提供干凈的飲用水以及健全的衛(wèi)生條件是救援任務(wù)的重要組成

部分。

此外，水災(zāi)搜救的任務(wù)要求還包括社會心理支持和長期重建。災(zāi)害往往會給受災(zāi)居民帶來或多或少的心理創(chuàng)傷，因此需要提供心理援助和社會支持，以幫助他們渡過難關(guān)。而長期重建則是要仔細規(guī)劃災(zāi)后恢復(fù)和發(fā)展，修復(fù)受損的基礎(chǔ)設(shè)施，恢復(fù)經(jīng)濟活動，以及增強當?shù)氐目篂?zāi)能力，從而減少將來類似災(zāi)害帶來的不利影響。

3 水災(zāi)搜救無人機的情境分析

3.1 水災(zāi)搜救無人機因素集分析

通過上述分析，基于情境理論，分別從環(huán)境因素、產(chǎn)品情境因素、用戶情境因素、任務(wù)情境因素這四個點分析水災(zāi)搜救無人機的設(shè)計情境，再根據(jù)設(shè)計方法基本要素造型列出水災(zāi)搜救無人機造型要素特征，并構(gòu)建水災(zāi)搜救無人機設(shè)計情境因素影響指標合集（見表1）。

3.2 ANP模型構(gòu)建和填寫判斷矩陣

根據(jù)ANP法，構(gòu)建其控制層與準則層（主要包括四種不同的情境因素）。這些情境因素下的元素集合不僅彼此之間相互作用，而且在每個元素集合內(nèi)部均存在關(guān)聯(lián)性。為了深入理解這些情境因素是如何影響水災(zāi)搜救無人機設(shè)計的，可通過分析它們之間的相互影響和反饋關(guān)系來構(gòu)建一個ANP模型。如圖1，在模型構(gòu)建完成后，填寫判斷矩陣來進一步分析各因素之間的權(quán)重關(guān)系（見表2）。

3.3 一致性檢驗

在進行決策分析時，要對已填充的判斷矩陣展開一致性檢驗。當其一致性比例C.R.低于0.1的標準閾值時，意味著矩陣的一致性達標。若超出此閾值，則須進一步審查與修正判斷矩陣的數(shù)據(jù)。根據(jù)本次研究的驗證結(jié)果，所有判斷矩陣的一致性均滿足了小于0.1的標準，從而為后續(xù)的權(quán)重計算奠定了基礎(chǔ)。

3.4 最終排序結(jié)果

對各指標下的權(quán)量，依據(jù)其控制層情境的權(quán)量進行加權(quán)計算，輸出所有指標的綜合排序結(jié)果（見表3），進而得出水災(zāi)搜救無人機造型設(shè)計要素特征權(quán)重（見表4）。

4 結(jié)語

在水災(zāi)搜救無人機設(shè)計中，應(yīng)更加偏重于考慮其與用戶之間的聯(lián)系，要更加貼合搜救任務(wù)中用戶的實際情境，如無人機要能夠迅速啟動并響應(yīng)命令。這意味著其應(yīng)具有快速的啟動時間、高效的電池和即時的控制響應(yīng)。例如，應(yīng)使無人機在水災(zāi)環(huán)境中容易被發(fā)現(xiàn)，可以使用醒目的顏色或特定的標識。對無人機的控制即使在緊急情況下也能快速操作，這就需要一個簡化的用戶界面和清晰的操作指引。此外，無人機應(yīng)配備高分辨率的攝像頭和其他傳感器，以便幫助救援人員在復(fù)雜的水災(zāi)環(huán)境中開展搜救工作。

在水災(zāi)搜救無人機造型設(shè)計中，結(jié)構(gòu)特征可能涉及無人機的整體框架、部件的布局、連接方式等。設(shè)計師應(yīng)確保無人機的結(jié)構(gòu)既堅固又輕便，能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件，同時要考慮到維護和升級的便利性?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)為設(shè)計師提供了一個明確的框架，可以幫助他們理解在設(shè)計無人機造型時應(yīng)考慮的關(guān)鍵要素和優(yōu)先級。在水災(zāi)搜救無人機造型設(shè)計要素特征中，結(jié)構(gòu)特征是最關(guān)鍵的，其他三個特征也有其重要性，須綜合考慮，才能設(shè)計出既實用又美觀的無人機。

參考文獻：

［1］ 譚浩，趙江洪，王巍，等.基于案例的工業(yè)設(shè)計情境模型及其應(yīng)用［J］.機械工程學(xué)報，2006（12）：151-157.

［2］ 王巍，趙江洪.基于情境的汽車造型語義分析［J］.裝

飾，2007（2）：107-108.

［3］ 王瑋.基于情境的旋風(fēng)式垃圾清潔車創(chuàng)新設(shè)計［D］.西安：長安大學(xué)，2018.

［4］ 郭俞辰，王冰，于敏.基于ANP的施工現(xiàn)場安全管理可拓評價研究［J］.安全，2020（10）：57-63.

［5］ 王鼎方，陳文靜，邢更力.基于ANP和模糊綜合評價法的客運站安全防范系統(tǒng)效能評估［J］.中國安全防范技術(shù)與應(yīng)用，2020（2）：27-32.

［6］ 張驍.基于ANP的預(yù)警機任務(wù)電子系統(tǒng)效能評估［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

作者簡介：萬浩田（1997—），男，江蘇淮安人，碩士在讀，研究方向：設(shè)計學(xué)。

高矚（1965—），男，上海人，博士，教授，研究方向：交通工具設(shè)計形態(tài)學(xué)及其產(chǎn)業(yè)化。

基金項目：本論文為2022年度上海市促進文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展財政扶持資金支持項目“‘上海工程技術(shù)大學(xué)工業(yè)設(shè)計中心設(shè)計創(chuàng)新”研究成果，項目編號：2022410013V0