基于情境理論與ANP的水災搜救無人機設計研究

萬浩田　高矚

摘要：目的：在現代技術環(huán)境下，無人機的用途已從初步的娛樂和攝影應用有所演變，尤其在數據網絡和工業(yè)領域，如搜救、環(huán)境測繪、物品運輸、人員搜尋等方面的應用已經得到廣泛的認可。文章旨在探討無人機在特定應用場景，特別是水災搜救中的造型設計和功能定位。盡管無人機技術在航空航天工程、自動化技術、電信技術、制造技術等領域得到了廣泛應用，但相對于這些技術驅動的領域，工業(yè)設計的研究相對較少。這種研究的缺乏在一定程度上限制了無人機在災后搜救這一特定應用場景中的潛在價值。方法：首先采用情境理論對水災搜救無人機的應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，用于對相關需求進行權重計算，從而為設計師提供明確的設計決策方向。結果：結合情境理論和ANP法，可以為災后搜救無人機的造型設計提供一個系統(tǒng)的分析框架。結論：這有助于明確設計要求和優(yōu)先級，并為設計師提供決策依據，從而確保無人機更好地滿足實際應用需求。

關鍵詞：情境理論；ANP；水災搜救；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 相關理論背景與研究方法

1.1 情境理論

情境理論是一種在設計領域廣泛應用的方法，其主要探討人、物和環(huán)境之間的交互關系。通過對未來系統(tǒng)環(huán)境的預測和分析，設計師可以創(chuàng)造出更適應變化的產品。這種方法充分考慮了產品的使用環(huán)境和用戶需求，從而幫助設計師制定出更具適用性的設計方案。學者譚浩在國內研究早期首創(chuàng)了“設計情境”這一概念，其中包括問題情境、求解情境和解情境，并基于此概念構建了工業(yè)設計情境模型［1］。在汽車設計領域，王巍運用情境語義學的方法，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］。王瑋采用情境構建法，成功設計了一款旋風式垃圾清潔車［3］。

1.2 網絡層次分析法

1996年，運籌學家T.L.Saaty教授提出了一種名為

Analytic Network Process（網絡層次分析法，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系的無結構或半結構決策問題。隨著時間的推移，ANP方法在多個領域得到了廣泛應用，如安全水平評估、性能評價、風險控制等。

郭俞辰利用ANP方法對施工現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方法并結合32個指標，為預警機任務電子系統(tǒng)構建了一套完整的效能評估體系［6］。本文使用yaanp軟件計算權重，得到水災搜救無人機的設計權重排序。

2 水災搜救任務特點與要求

2.1 水災搜救任務特點

在自然災害中，水災作為一種嚴重影響人類社會的自然災害，所導致的損失已引起學界和應急管理部門的高度關注。水災搜救緊急性體現在其突發(fā)性、規(guī)模性以及潛在的多重影響層面。首先，水災事件往往以突發(fā)性著稱，其發(fā)生具有較短的前兆期，應急響應時間極為有限，因此必須迅速采取救援行動以盡力縮小受災范圍。其次，水災常常涵蓋廣大區(qū)域，其規(guī)模性可能導致人員、財產以及基礎設施集中受損，因此迅速且有序的救援行動在水災搜救過程中尤為重要。最后，水災帶來的淹沒、泥石流等多重影響，可能導致人員被困、居民生活供應中斷、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，迫使相關部門在最短的時間內采取有效行動，以保障公眾的生命與財產安全。

綜上所述，水災搜救存在復雜性、廣泛性、多樣性、緊急性、風險性、協(xié)調性的特點。

2.2 水災搜救的任務要求

水災搜救的首要任務在于迅速的應急響應，以減少水災造成的損失。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、救援和資源調配。另外，為解決水災中的人員被困問題，搜救隊伍要具備專業(yè)的設備與指導，這樣才能在復雜的水域環(huán)境中開展安全有效的救援行動。

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

部分。

此外，水災搜救的任務要求還包括社會心理支持和長期重建。災害往往會給受災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。而長期重建則是要仔細規(guī)劃災后恢復和發(fā)展，修復受損的基礎設施，恢復經濟活動，以及增強當地的抗災能力，從而減少將來類似災害帶來的不利影響。

3 水災搜救無人機的情境分析

3.1 水災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、產品情境因素、用戶情境因素、任務情境因素這四個點分析水災搜救無人機的設計情境，再根據設計方法基本要素造型列出水災搜救無人機造型要素特征，并構建水災搜救無人機設計情境因素影響指標合集（見表1）。

3.2 ANP模型構建和填寫判斷矩陣

根據ANP法，構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部均存在關聯性。為了深入理解這些情境因素是如何影響水災搜救無人機設計的，可通過分析它們之間的相互影響和反饋關系來構建一個ANP模型。如圖1，在模型構建完成后，填寫判斷矩陣來進一步分析各因素之間的權重關系（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據。根據本次研究的驗證結果，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)的權重計算奠定了基礎。

3.4 最終排序結果

對各指標下的權量，依據其控制層情境的權量進行加權計算，輸出所有指標的綜合排序結果（見表3），進而得出水災搜救無人機造型設計要素特征權重（見表4）。

4 結語

在水災搜救無人機設計中，應更加偏重于考慮其與用戶之間的聯系，要更加貼合搜救任務中用戶的實際情境，如無人機要能夠迅速啟動并響應命令。這意味著其應具有快速的啟動時間、高效的電池和即時的控制響應。例如，應使無人機在水災環(huán)境中容易被發(fā)現，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雜的水災環(huán)境中開展搜救工作。

在水災搜救無人機造型設計中，結構特征可能涉及無人機的整體框架、部件的布局、連接方式等。設計師應確保無人機的結構既堅固又輕便，能夠適應各種環(huán)境條件，同時要考慮到維護和升級的便利性。總的來說，這些數據為設計師提供了一個明確的框架，可以幫助他們理解在設計無人機造型時應考慮的關鍵要素和優(yōu)先級。在水災搜救無人機造型設計要素特征中，結構特征是最關鍵的，其他三個特征也有其重要性，須綜合考慮，才能設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)設計情境模型及其應用［J］.機械工程學報，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.基于情境的旋風式垃圾清潔車創(chuàng)新設計［D］.西安：長安大學，2018.

［4］ 郭俞辰，王冰，于敏.基于ANP的施工現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］.中國安全防范技術與應用，2020（2）：27-32.

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

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

高矚（1965—），男，上海人，博士，教授，研究方向：交通工具設計形態(tài)學及其產業(yè)化。

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