基于品牌基因設計的雙體游艇造型研究

馬東明 王瑛瑛 錢皓 周俊良

關鍵詞：雙體游艇 基因設計 阿茲慕品牌 造型研究 產品設計

引言

隨著游艇在市場消費比重增加，游艇外觀造型設計受到人民重視。目前，品牌基因設計領域的研究，主要從基因模型的建立，提取，設計與優化等方面出發。例如：侯冠華[1]建立了產品造型基因意象模型；楊延璞[2]等獲取了 SUV外形設計中的關鍵基因提取方法；王炎[3]等對基于基因調優算子的產品平臺進化設計進行研究；羅仕鑒[4]等對SUV產品族側面外形基因進行設計；張云帆[5]等運用品牌意象基因進行產品族造型設計。游艇設計領域的研究，主要從游艇建造材料、結構優化、形態設計等方面出發。例如：陳秋實等[6]基于可靠度設計理論，對雙體游艇進行以艇體鋪層為變量、可靠度為約束的輕量化設計；李淑江[7]對游艇設計要素的形態語義進行分析；樊佳爽[8]等利用云服務平臺進行游艇設計；Valerio Ruggiero[9]對意大利游艇的結構進行優化，使其減少施工影響；Shahroz Khan[10]提出新的數字化游艇設計系統。

上述研究對品牌基因和游艇設計方面起到一定的借鑒作用，但對于游艇品牌基因與雙體游艇設計結合的探索仍存在不足。本文提出游艇品牌基因設計研究理論，并對阿茲慕品牌基因與雙體游艇造型設計進行相關性研究，建立該設計的計算機輔助系統，驗證該方法的合理性，為游艇設計實踐提供參考。

一、阿茲慕品牌基因研究理論

阿茲慕（Azimut）作為意大利豪華游艇品牌，其建造工藝、造型設計等方面都具有一定的研究價值。

通過在阿茲慕品牌若干游艇的造型特征中，找到相似或者相同的特征元素，作為品牌的識別因子應用于設計實踐，從而形成品牌識別特征。與生物進化規律類似，整個品牌的設計過程，也是一個反復迭代和不斷細化的過程[11]。因此，基于遺傳學的設計是開發新產品進行概念設計的有效途徑[12]。

（一）阿茲慕品牌基因的研究流程

基于阿茲慕品牌的雙體游艇造型設計流程內容主要是：收集游艇用戶需求并進行分類與整合，形成用戶需求特征；收集阿茲慕產品，進行分離特征元素、基因提取與編碼賦值，形成阿茲慕品牌基因庫；將用戶需求特征編碼建立阿茲慕品牌基因庫數據對應關系，構建過渡映射模型；將雙體游艇需求要素作為約束條件加入過渡映射模型從而形成映射模型；形成的映射模型運用遺傳算法進行基因進化計算，最終得到最優后代模型，設計流程圖見圖1。

1.用戶需求分析

通過進行調查問卷、查閱各種書刊及互聯網等方式，搜集游艇用戶需求，并且采用相關詞匯進行描述。將用戶需求整理分類，采用SPSS軟件對數據描述的方法進行分析，分為共性需求與個性需求兩大類，分別表示大眾消費者與小眾消費者對游艇需求的設計表達。將這些詞匯運用到游艇造型設計需求的調查中，構建游艇用戶需求特征集，見圖2。

2.阿茲慕品牌產品基因構造

阿茲慕品牌的基因構造是運用基因設計的方法進行深度整理、解讀和發掘阿茲慕品牌背后的內涵價值，運用基因構造手段將阿茲慕品牌的文化內涵與價值內涵應用到雙體游艇的造型設計中，解決阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型設計的問題。

從構造過程、構造手段、阿茲慕品牌基因表現、設計管理四個維度對阿茲慕品牌基因構造理論進行解讀與挖掘，阿茲慕品牌產品基因構造過程圖見圖3。

首先對已有的阿茲慕原始產品族，通過對定位、功能、設計的不同，進行初始分類；其次，通過分析阿茲慕游艇用戶需求，結合阿茲慕品牌的市場定位，品牌形象等內容，進行阿茲慕產品族的初步整理，通過多種手段，實現阿茲慕品牌基因的存儲與表達；再次，在阿茲慕品牌基因表現上，通過對阿茲慕品牌基因的研究，對阿茲慕產品族的特征進行提煉與定型；最后，整合市場、用戶、文化和設計技術等因素，對整個過程進行決策和控制，形成阿茲慕品牌的設計基因。

3.用戶需求與產品基因庫的映射關系

將用戶需求特征集與阿茲慕品牌基因庫構建過渡映射模型；導入雙體游艇需求要素，進而轉化成基于阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型基因映射模型；利用遺傳算法對基因進行篩選，保留具有遺傳價值的優質基因，形成具有阿茲慕品牌基因的系列產品族。

（二）阿茲慕品牌基因表示結構

阿茲慕品牌基因表示結構定義了阿茲慕游艇構成的骨架，體現了阿茲慕品牌基因的構成關系。產品是由部件和零件按照特定的約束條件構成的。阿茲慕品牌基因的基本元素就蘊含在部件中，通過一定的運算形成基因表示的矩陣關系，見圖4。

對于阿茲慕品牌（用A表示），在品牌基因表示結構中其產品族用PA表示，P表示產品，則：

二、阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計相關性研究

通過對阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計的關聯與協調性、基于阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計兩要素的具有協調性地變換處理兩方面進行研究。

（一）阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計的關聯性與協調性研究

在基于阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型設計中，阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計的關聯性與協調性體系的構建主要涉及到三大知識板塊，包括初代產品族的研究、雙體游艇造型設計的需求理論和根據該體系模型產生的最優后代理論。

阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計的關聯性與協調性體系的構建：在初代產品族中提煉初代基因根據設計符號學等學科知識，將初代基因進化成造型語言；造型語言與雙體游艇設計需求進行關聯性組合，形成關聯性映射關系；最后利用協調性進行篩選，將協調性不符的基因淘汰，將協調性映射關系進行歸納，產生下一代產品族中的外形基因，由外形基因得以遺傳到下一代，即產生最優后代，其過程如圖5所示。

（二）基于阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計兩要素的具有協調性地變換處理研究

基于阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計兩要素的具有協調性地變換處理研究主要從關聯性形成方式對后代外形基因的影響、變換關聯性順序對后代基因的影響兩方面進行研究與分析。

關聯性形成方式對后代外形基因的影響：在拓撲變換中，隨意地把圖形作變形（如擠壓、拉伸或扭曲等），只要不把它撕裂，不發生粘連，從面不破壞其整體結構，拓撲性質將保持不變。[14]因此對阿茲慕品牌基因表達曲線與雙體游艇造型曲線進行拓撲變換，在一定條件下進行建立拓撲等價關系，這里的拓撲等價（或同胚）就是關聯的因素，從而對后代外形基因產生影響。

變換關聯性順序對后代基因的影響：在工業設計的過程中，產品的風格特征可以看作是一個由各種產品呈現的共同特征所組成的集合，集合中的元素通過不同的構造法則可以構建預期的美感與認知[15]。變換關聯性順序，將產生不同的造型元素與造型語意，由此對不同風格的調和及特定風格下的演變產生一定的影響。

三、設計實踐

以阿茲慕品牌的雙體游艇設計為例，建立計算機輔助游艇設計系統對基于阿茲慕品牌基因雙體游艇造型設計研究理論進行驗證。該設計實踐在對已有的阿茲慕產品模型中進行推理變化，保持阿茲慕品牌基因的相似性與遺傳性。

該實踐的設計流程主要為：

（1）對阿茲慕品牌基因樣本進行抽樣提取與表達；

（2）與雙體游艇要素樣本進行函數運算，構建阿茲慕產品外形元素與雙體游艇設計要素之間的映射模型；

（3）將分析得到的數據輸入遺傳算法得到最優后代方案，利用計算機輔助游艇設計，得到最終模型。

（一）阿茲慕品牌基因樣本提取

通過查找數據與文獻，搜集阿茲慕品牌從1997～2019年之間推出的40艘游艇進行造型分析。其中基因樣本提取流程為以下五步，見表1：

（1）利用Photoshop建立坐標軸，對這40艘不同系列游艇以及同一系列的不同型號的游艇分別進行橫向與縱向的對比，篩掉特殊造型的游艇后，進行第一步分類；

（2）將分類后的游艇進一步模塊分解；

（3）提取相似特征進行歸納總結特征元素樣本；

（4）利用Illustrator對特征元素樣本進行曲線，曲面等的特征提?。?/p>

（5）通過總結提取其中五個元素樣本進行分析。對提取的元素樣本進行外形基因編碼，從而得到初始基因設計樣本。

（二）阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計之間的映射

阿茲慕品牌基因與雙體游艇設計需求的映射關系構成是設計的核心部分。游艇各部件的設計需求需要不同的外形基因決定，從而進一步影響產品的整體風格。

將阿茲慕產品外形元素與雙體游艇設計要素的設計可行性量化為阿茲慕產品外形元素與雙體游艇設計要素的匹配值，構建阿茲慕產品外形元素與雙體游艇設計要素之間的映射模型。

在映射關系建立實驗中，需要獲取雙體游艇設計要素樣本，這里選取5個樣本進行評價。實驗流程如下：

（1）樣本選擇：根據表1，將提取的五個外形元素樣本，根據每一種樣本的基因數，組合形成阿茲慕產品外形元素樣本，將這五個外形元素樣本作為評價試驗樣本。

（2）調研用戶：邀請具有代表性的阿茲慕游艇用戶，進行調查問卷。

（3）問卷設計：根據李克特量表，在調查問卷中，提取雙體游艇設計要素的五個詞匯樣本，其中各詞匯左端對應“-2”，右端對應“2”，中點為“0”。

（4）結果分析：根據調查結果，得到被試者對詞匯樣本的分值數據。利用SPSS軟件，將數據進行分析，結果如表2所示。

在上述表格中，Y為雙體游艇設計要素與阿茲慕產品外形元素的匹配值，分別表示為YW1，YW2，YW3，YW4，YW5；q為各設計要素的權重，用以定義各要素對產品外形元素的影響程度，用qW1，qW2，qW3，qW4，qW5，表示。

基于以上數據，用戶對阿茲慕雙體游艇設計的可行性評價分值（S）可以表示為

通過該計算模型對輸入的可行性數據自動調用算法，映射生成新設計方案的可行性。例如：將阿茲慕游艇的前窗元素應用在雙體游艇設計中，其可行性區間為[-1～0]，設計師根據該可行性進一步設計。

（三）在雙體游艇中阿茲慕品牌基因的進化

通過遺傳算法來計算阿茲慕品牌基因的進化，通過導入雙體游艇設計需求，實現阿茲慕品牌基因的整體應用。

1.創建初始種群

使用謝菲爾德（Sheffield）遺傳算法工具箱，在Matlab7.0中進行算法編程。

（1）創建基向量—cr tbase，將阿茲慕產品族作為基本字符集base，產生由向量lind的元素確定基因數量，其中lind指個體長度，作為自變量這里指阿茲慕品牌樣本基因池中的5個變量的長度之和。

（2）創建二進制初始種群—crtbp，通過crtbp創建任意離散隨機種群：[chrom，lind，basev]=crtbp（nind，lind），其中nind指種群個體數。

（3）創建實值初始種群—crtrp，創建一個以隨機二進制編碼的矩陣：nind×lind，通過對自變量賦值，進行十進制到二進制轉化，從而創建初始種群。

2.適度值評估函數尋找符合雙體游艇設計需求的進化函數F（X），并將此函數直接作為遺傳算法所需的適度值評估函數，對可行解用評估函數進行打分，記錄其中最優解。

3.遺傳操作

（1）選擇算子：采用賭輪盤法，經算法調試，其算法參數如下：種群規模NIND：30；個體字串長度PRECI：5。

（2）交叉算子：交叉概率Px：0.9。

（3）變異算子：變異概率Pm：0.02。

4.收斂條件

通過阿茲慕品牌基因進化，對雙體游艇設計需求適應度進行計算，得到解的集合。從而形成新的種群，不斷迭代計算直至得到最優解。三條產品線樣本經過算法尋優后各自的最優后代基因，見表3。

（四）計算機輔助基于阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型設計系統根據建立的阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型設計研究的設計開發流程和工業設計的特點，將優化基因輸入Rhino軟件，通過Rhino對設計方案進行三維造型設計；利用Keyshot軟件進行配色與渲染；進行渲染后得到最終設計方案效果圖，如圖6所示。

總結

本文提出基于阿茲慕品牌基因的雙體游艇造型設計研究理論，并對阿茲慕品牌基因與雙體游艇造型設計進行相關性研究與運算，結合遺傳算法構建基因進化機制，建立該設計的計算機輔助系統，驗證該方法的可行性，本文的研究成果可以為游艇設計實踐提供參考。

考慮到用戶群體的差異性以及用戶體驗等，未來還需對數據進行進一步完善，讓游艇創新形態與風格以及塑造游艇品牌造型語言等方面考慮更多人的因素。