高端海洋裝備工業設計探索

高奇峰　鄭剛強　陳琛　白銘玉

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

關鍵詞：高端海洋裝備 潛航器設計 工業設計 設計創新

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”首先體現為知識與技術含量高，往往體現為多學科知識集成與高精尖技術應用；其次，高端裝備在產業鏈中往往具有引領地位，其發展水平對整體產業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。其設計創新對國家及產業發展具有重要的戰略性意義。但是，長期以來，海洋裝備設計研發都由科學家與工程師主導，缺少工業設計、藝術設計的融入。導致大量高端海洋裝備僅能滿足功能需求與技術指標，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、配色欠佳、艙室空間冷漠、設備操控不便、人性化考慮不足、文化內涵缺失等諸多問題，嚴重制約了高端海洋裝備的產業化應用與市場推廣。隨著社會經濟與人類文明的發展，以上問題愈加凸顯。為解決這些問題，把工業設計方法與技術引入海洋裝備設計研發已經迫在眉睫！

一、工業設計是優化海洋裝備的重要手段

2012年，中國政府發布《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》，明確了七大戰略性新興產業的重點發展方向和主要任務，隨后又提出了“建設海洋強國”的戰略目標，提出高端裝備制造產業要“加快發展海洋工程裝備”。《中國制造2025》把高端海洋裝備和高技術船舶作為十大重點項目之一加快推進。在“十三五”規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展空間廣闊。以此為背景，我國急需把高端海洋裝備研發的高精尖技術進行產業轉化，通過自主化、系列化和品牌化實現市場價值。在技術轉化過程中，工業設計具有不可替代的作用。

工業設計作為一門交叉邊緣學科，其內涵極其豐富。2016年，鄭剛強在第二十一屆中國國際船艇展暨高性能船學術報告會上從三個層面對工業設計進行了解讀：①從微觀層面分析，工業設計是完善人與物之間關系的學科——通過對產品使用者及相關者的需求與感受進行研究，并以此為重要依據對產品的功能、形態、結構、色彩、空間、配置、使用方式等諸多方面進行科學性、合理性、藝術性、人性化的設計處理，以創造性思維解決相關問題。②從中觀方面分析，工業設計是協調生產者與消費者之間關系的學科——它貫穿于商業運營的整體流程，可統合市場調研、用戶研究、產品開發、樣機制作、批量生產、市場營銷、用戶體驗、品牌推廣、企業形象塑造等諸多方面，并對產業鏈的合理構建、推動相關產業的發展均能產生重要影響。③從宏觀方面分析，工業設計是協調生產力與生產關系的學科——它是科學技術應用于產品實際的重要橋梁，是提升生產力水平的重要支點，是人類破解生存與發展難題的必要手段之一。

對于高端海洋裝備而言，工業設計重點可聚焦于對裝備實體的設計提升并推動市場化應用。具體而言就是運用工業設計方法與手段對高端海洋裝備的功能、形態、結構、色彩、空間、配置、使用方式進行設計創新。使其美觀實用、結構合理、整體優化；使用戶獲得更好的產品體驗，更有利于市場推廣與產業化提升。通過工業設計手段進行設計創新，—方面可使用戶獲得更好的審美享受——使產品更美觀，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——使產品更實用、結構更合理、色彩更協調、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品的附加價值，提升產品競爭力。

隨著經濟社會的發展，人們對海洋的探索需求日益增加。在各類海洋裝備中，潛航器的研發與產業化是國際研究的熱點。目前國內潛航器研發尚處于科技探索階段，商業化應用尚不成熟。在潛航器造型與內飾設計以及功能應用上尚待深入研究。通過工業設計手段對潛水器進行設計創新，有利于突破傳統潛水器概念的限制，提出新功能、新造型、新材料、新結構、新概念。

二、深海潛航器造型改良設計探索

縱觀全球，近數十年來潛航器發展迅速，但只有少數國家可進行深潛器設計與建造，形成了極高的技術壁壘。俄羅斯的和平號、美國的阿爾文號、日本的6500都實現了水下5000米的深潛，在技術創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設計方法進行設計創新，不但優化其造型特征，提升了艙室空間的藝術氣氛。還有利于引入新材料、新技術、新工藝等進行復合式創新。

在一定程度上提升了其產品價值。中國的載人深潛技術近年來發展迅速，很多技術指標已位居全球前列，但在工業設計的融入方面尚待提升。

（一）造型創意來源及設計理念

仿生設計方法是將仿生學思想與設計學相結合的原創設計方法，廣泛存在于各種設計領域。仿生設計的構思來源廣泛，既可從花鳥魚蟲的姿態形式、結構曲線等實物構成方面汲取靈感進行設計，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計。

設計源于自然又高于自然，這是未來設計的重要發展方向。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計構思，遵循師法自然的規律特征。例如，潛水器的色彩搭配、輪廓曲線及其部分構件都應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，在設計來源的選取上，可選擇深海藍鯨的設計意向。藍鯨具有優雅、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。在此基礎之上的特性選擇可賦予潛航器由內而外的個性化特征（如圖1）。endprint

（二）潛航器造型設計探索

潛航器概念設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。除鯨魚仿生意向外，潛航器構思還輔以中國傳統文化中的帽、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東方文化的吉祥寓意與特殊氣質。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。設計伊始，融合點、線、面結構的特征化需求，將具有中華文化的符號融入潛航器設計。化抽象為形象，以具體的優雅造型特征來體現潛航器的設計符號化語言。經過大量的草圖繪制，得到了多類造型設計方案。經過分析與篩選，確定較符合國人審美的造型方案。在建模過程中，對潛航器細節進行處理與深化，最終確定潛航器的造型方案。

（三）形態結構與功能設計

1.結構布局

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；艙體上方縱向設置有沿艙體縱向設置的脊背棱；艙體尾部設置有推進器和用于增加艙體平衡度的若干尾翼。尾翼均為雙尾翼結構，艙體尾部的頂端處設置第一雙尾翼。所述艙體尾部的兩側設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，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構；艙體頭部與前端面的連接處設有前側觀測舷窗，兩側設有側舷窗；艙體內部設置360°全息投影屏幕，頂部設有艙室進出口（如圖2、圖3）。

2.功能實現

整體運用仿生設計手法，使艙體運行平穩度高，且造型優美；多個雙尾翼結構能夠根據水速的大小調節平衡程度；艙體頂部設置抗壓脊背棱，利用物理學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，非工作狀態下也可收納進艙體內，不影響對周邊環境的觀測。高強度金屬材料可為艙體內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，可為艙內人員提供全面的觀測角度。此外，結合功能需求與結構特征，在造型、色彩、空間布置和人性化方面也進行了相關設計創新。

（四）數字化建模與渲染

以前期草圖為依據進行準確尺度的三視圖繪制，將三視圖導入建模軟件中，構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、色彩，經過渲染與后期處理后可獲得更加真實的效果（如圖5）。

（五）參數化設計與模塊化設計

在工業設計創新中，可引入參數化設計與模塊化設計。參數化設計是對高端海洋裝備進行三維數字模塊的細致分析推敲，將造型的元素設計精確到幾何參數的范疇，可將造型語言使用數據表現出來。在前期造型推敲時，可參考數據分析模型。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特點。無論是精準比例還是尺度規律都可量化為數據，追求審美要素的一致性。裝備造型設計還要考慮動態美感。前進時應保證動態穩定感，視覺重心的后移和造型元素的整體統一。

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

三、民用概念潛航器設計探索

水下觀光從早期的淺海觀光演變而來，現已逐步成為重要的海洋旅游項目。把深海潛航技術應用于休閑娛樂市場是當今海洋技術發展的熱點之_，工業設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，其整體設計大致分為總體、結構、壓載、電力、控制、環控六大系統。現針對小型觀光替水器進行概念設計探索。

（一）設計創意構思與定位

受先天條件限制，人類須借助各類輔助設備和艦艇來進行水域活動。是否可設想一種給人更大自由度的水上交通工具（系統）呢？結合球形觀光車、水上步行球/悠波球、“XS企業號”宇宙飛船等多種意向形式的探究，確定潛水器整體風格，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）結構與功能設計

1.結構布局

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，故阻力相應較小。環狀結構在應急狀態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備上浮，保障乘客安全（如圖7）（如圖8）。

2.駕駛方式

傳統潛水器要求駕駛員具有較高的操作水平和豐富的駕駛經驗。本設計允許乘客通過體感交互設備在專業人員的監視和干預下操縱潛水器。專業人員也可遠程操縱潛水器，而乘客無需承擔駕駛任務。（如圖9）。

3.“移動型”母子系統

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

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

（三）數字模型

以前期設計為依據，運用建模軟件構建出模型框架。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）。

結語

高端海洋裝備的工業設計創新應符合時代發展的潮流，解決人與自然的矛盾。具體而言，應將科學技術與藝術美感與相結合，打造具有中國風格與氣質的海洋裝備。工業設計可促進深潛科技的應用與轉化，提高產品附加值，樹立民族品牌形象。未來的研究需進一步結合市場化應用進行，以推動相關產業的發展。endprint