基于關(guān)系矩陣與模塊劃分的復(fù)雜裝備造型設(shè)計(jì)

摘要：以無人集裝箱運(yùn)輸車為例，探究復(fù)雜裝備類產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法，探討綜合關(guān)系矩陣與造型模塊劃分在方案設(shè)計(jì)初期提升產(chǎn)品造型整體感中的作用與重要性。對目前關(guān)系矩陣與造型設(shè)計(jì)中的模塊劃分進(jìn)行研究，基于無人集裝箱運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，構(gòu)建產(chǎn)品的綜合關(guān)系矩陣，根據(jù)綜合關(guān)系矩陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行造型模塊劃分，以造型模塊為基礎(chǔ)推敲出最終造型方案。構(gòu)建了基于綜合關(guān)系矩陣與模塊劃分的造型設(shè)計(jì)流程，完成了相關(guān)項(xiàng)目的造型設(shè)計(jì)工作。通過在造型設(shè)計(jì)的過程中引入綜合關(guān)系矩陣，使造型的關(guān)系更加合理自然，提升造型的整體感，為同類型復(fù)雜裝備初期造型方案設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)策略與借鑒案例，為未來人工智能輔助設(shè)計(jì)提供流程參考。

關(guān)鍵詞：綜合關(guān)系矩陣；模塊劃分；造型設(shè)計(jì)；AHP（層次分析法）；設(shè)計(jì)流程

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）13-0138-03

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能的發(fā)展，各類無人交通工具與AI 軟件開始進(jìn)入我們的生活，各大重工企業(yè)開始布局無人工程裝備市場，但大部分產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過于工程化缺少整體性，設(shè)計(jì)同質(zhì)化嚴(yán)重，急需建立品牌識別特征。而對于設(shè)計(jì)師來說，當(dāng)前例如midjourney、stablediffusion 這類對抗網(wǎng)絡(luò)生成模型AI 使得過去造型設(shè)計(jì)中只靠靈光一現(xiàn)的窮舉方法變得非常容易替代，更加需要形成具有邏輯性的造型推演方法，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師對于設(shè)計(jì)的主導(dǎo)。本文旨在通過綜合關(guān)系矩陣的使用，提出一種基于造型模塊劃分的復(fù)雜裝備類產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)流程，并以無人集裝箱運(yùn)輸車項(xiàng)目作為驗(yàn)證對象。

一、 綜合關(guān)系矩陣與模塊劃分方法

（一）關(guān)系矩陣與模塊化：基于系統(tǒng)整體論發(fā)展起來的關(guān)系矩陣反映了系統(tǒng)的整體行為，因此是分析涉及各種復(fù)雜影響因素系統(tǒng)的有效手段[1]。關(guān)系矩陣圖是通過找出事件當(dāng)中成對的因素，并將其分別排列成行和列，然后找出行和列當(dāng)中的相關(guān)程度分析的一種方法。使用關(guān)系矩陣能在短時間內(nèi)找到問題的重點(diǎn)，厘清各要素之間的關(guān)系，更好地把握整體[1]。

模塊化思想起源于工業(yè)生產(chǎn)，其目的是簡化設(shè)計(jì)程序和制造過程，縮短產(chǎn)品研制和設(shè)備準(zhǔn)備的時間[2]。模塊化的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對于模塊的劃分，將對象整體拆分為若干模塊進(jìn)行分析，運(yùn)用整體的思想對于復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行簡化。這種拆分的思想與構(gòu)建關(guān)系矩陣的思路是相似的，關(guān)系矩陣在模塊化設(shè)計(jì)中的運(yùn)用使得模塊劃分更加有依據(jù)，使得部件之間的關(guān)系得以量化呈現(xiàn)，便于生產(chǎn)的同時也便于工程師去調(diào)整各個模塊之間的布局關(guān)系，對于設(shè)計(jì)師的造型設(shè)計(jì)工作來說也能夠提供一個數(shù)據(jù)化的參考。

（二）造型設(shè)計(jì)中的模塊劃分：模塊的劃分標(biāo)準(zhǔn)是基于具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目的需求來確定的，由于機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能之間并非一一對應(yīng)的關(guān)系，一個結(jié)構(gòu)實(shí)體通常可以實(shí)現(xiàn)若干種功能，一個功能往往又可通過若干個結(jié)構(gòu)實(shí)體予以實(shí)現(xiàn)，可以視機(jī)械產(chǎn)品中的實(shí)體結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊，將機(jī)械產(chǎn)品的總體功能分解若干個子功能，通過結(jié)構(gòu)模塊將功能模塊轉(zhuǎn)化成實(shí)體模塊，從而實(shí)現(xiàn)總體功能[2]。目前，大部分模塊劃分是以工程師的視角從純粹的功能與產(chǎn)品零件的角度出發(fā)進(jìn)行的，對于造型設(shè)計(jì)來說，這種劃分標(biāo)準(zhǔn)過于具體，需要進(jìn)一步的整合去降低模塊劃分的顆粒度，降低同一層級下造型設(shè)計(jì)元素的數(shù)量來提升造型設(shè)計(jì)的整體性。

工業(yè)設(shè)計(jì)師與工程師進(jìn)行模塊劃分的出發(fā)點(diǎn)是不完全相同的，設(shè)計(jì)師的模塊劃分不單單是從機(jī)器本身出發(fā)，還會從用戶、品牌特征的角度出發(fā)去對模塊進(jìn)行劃分，將工程師定義的功能結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行二次歸類成為造型模塊去構(gòu)建產(chǎn)品造型的特征，通過特定的不同功能模塊組合去優(yōu)化用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)或去建立特定的品牌特征，是建立在理性基礎(chǔ)上的感性發(fā)散，沒有絕對的對錯之分，只有設(shè)計(jì)目的的區(qū)別，就像道奇挑戰(zhàn)者系列和領(lǐng)克系列車型，日行燈組與前格柵整合與否就體現(xiàn)了品牌的造型特征。

造型模塊是不同功能結(jié)構(gòu)模塊的統(tǒng)合，這種統(tǒng)合的方式是多樣的，但分析維度是相似的，并且造型模塊的大小是根據(jù)造型模塊的造型層級去定義的，在設(shè)計(jì)的過程中總是從整體到局部的設(shè)計(jì)流程[3]，這種造型層級通俗來講就是用戶在第一眼看到產(chǎn)品造型是留下對于色塊體積分區(qū)的整體印象，在進(jìn)行產(chǎn)品造型層級分析的時候就可以通過虛化的手段去將產(chǎn)品圖片轉(zhuǎn)化為色塊和圖形進(jìn)行觀察[4]。

造型模塊的劃分對于工業(yè)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行外觀造型設(shè)計(jì)是有積極意義的，在技術(shù)和工程導(dǎo)向的項(xiàng)目中就需要設(shè)計(jì)師能夠快速整合設(shè)計(jì)輸入，擁有化繁為簡的能力。

二、復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)需求特征及造型設(shè)計(jì)

（一）復(fù)雜裝備類設(shè)計(jì)需求特征：復(fù)雜裝備類產(chǎn)品是指具有特定工作場景（特殊使用情境）、擁有相對封閉工作環(huán)境和用戶的產(chǎn)品，較為常見的就是工程車輛和軍用特種車輛，相對于面向大眾的消費(fèi)級產(chǎn)品在設(shè)計(jì)需求上有所不同，總的來說可以歸為以下幾點(diǎn)：

1. 產(chǎn)品體量大生產(chǎn)數(shù)量小：復(fù)雜裝備類產(chǎn)品大部分是用于工程的車輛或者大型設(shè)備，相比較消費(fèi)級產(chǎn)品其單價高用途專業(yè)性強(qiáng)，市場需求量也相對較小，成本難以被產(chǎn)量平攤。

2. 外觀件工藝簡單：復(fù)雜裝備類產(chǎn)品項(xiàng)目由于其不是面向消費(fèi)者的，幾乎不存在要通過形式去刺激消費(fèi)的需求，并且追求的是產(chǎn)品的堅(jiān)固耐用，所以在工藝上也會選擇更加低成本且耐用的工藝。

3. 結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜：由于復(fù)雜裝備類項(xiàng)目的專業(yè)性很強(qiáng)，所面對的工況往往是非常復(fù)雜的，所以在功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也會考慮周全，這就會使得整個產(chǎn)品系統(tǒng)非常復(fù)雜，這種復(fù)雜還會體現(xiàn)在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的多學(xué)科合作上。

4. 換代周期長：復(fù)雜裝備類產(chǎn)品換代往往是伴隨著技術(shù)的重大革新，商業(yè)或軍事用途的設(shè)備往往會服役多年，綜合考慮換代的經(jīng)濟(jì)成本和學(xué)習(xí)成本的情況下，在沒有嚴(yán)重?fù)p毀和巨大效率提升的情況下不會選擇換代。

（二）無人集裝箱運(yùn)輸車造型設(shè)計(jì)核心要素分析：復(fù)雜裝備的造型設(shè)計(jì)主要分為兩個方向，一個是以軍用為代表的，以改進(jìn)性能為目標(biāo)，是以工程為主導(dǎo)的，軍用裝備產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)需要嚴(yán)密的功能驗(yàn)證，由于其技術(shù)性極強(qiáng)，最終造型大多也是具有審美性的[5]。另一個方向是以商用工程車輛為代表的，以企業(yè)核心技術(shù)作為支撐，車輛的設(shè)計(jì)沿襲同品牌其他產(chǎn)品線的設(shè)計(jì)特征[6]，前瞻類產(chǎn)品會追求全新的設(shè)計(jì)語言去定義未來的產(chǎn)品基調(diào)。

在設(shè)計(jì)時可以從加工工藝、形面風(fēng)格、色彩搭配這3 個核心要素切入進(jìn)行分析。

加工工藝所指的是車輛外飾件的加工工藝，目前大部分產(chǎn)品采用鈑金折彎作為外觀件成型的主要工藝，采用鈑金折彎工藝能夠有效控制成本但同時也限制了外飾設(shè)計(jì)的可能性，面與面之間也只能采用g0 連續(xù)，并且圓角的使用也會非常受限[7]，考驗(yàn)設(shè)計(jì)師對于造型體量的把控能力。

造型風(fēng)格是受成型工藝影響的[8]，使用單一鈑金件的產(chǎn)品造型風(fēng)格是趨同的，擁有更多成型工藝選擇的產(chǎn)品在造型風(fēng)格上能夠更容易做出代際差異，例如沃爾沃vera 的設(shè)計(jì)就采用了復(fù)雜曲面去體現(xiàn)沃爾沃商用車的家族語言，會給用戶一種現(xiàn)代科技的感覺。

色彩搭配由圖形與材質(zhì)兩方面決定，擁有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品在平面圖形的設(shè)計(jì)上會更加簡潔，而對于復(fù)雜裝備這類簡單形面的產(chǎn)品來說，涂裝設(shè)計(jì)和材質(zhì)選擇就是家族語言體現(xiàn)的重要手段[9]，例如gaussin 的系列產(chǎn)品都是采用鈑金成型，所以通過其特色的薄荷綠色涂裝去形成家族語言。

總的來說，復(fù)雜裝備類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)是以成型工藝為基礎(chǔ)，以色彩搭配作為家族語言表達(dá)手段的，這類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)看似簡單，卻需要設(shè)計(jì)師有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力去做出品牌差異。

（三）無人集裝箱運(yùn)輸車設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析：結(jié)合無人集裝箱運(yùn)輸車項(xiàng)目的設(shè)計(jì)愿景，在設(shè)計(jì)過程中主要需要解決以下幾個難點(diǎn)。

1. 市場不夠成熟：目前國內(nèi)市面上沒有成熟的標(biāo)桿產(chǎn)品，大眾還沒有對無人集裝箱運(yùn)輸產(chǎn)品形成認(rèn)知，在這樣的市場情況下設(shè)計(jì)是沒有參照的，雖然有更多可能性但也存在很多未知問題，廠家就需要盡可能提高自身設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，對于造型設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)師就需要與工程團(tuán)隊(duì)更加緊密配合才能夠完成產(chǎn)品的初期定義。

2. 與歷代產(chǎn)品形成代際差異：作為面向未來無人化作業(yè)的產(chǎn)品線，廠家希望產(chǎn)品能與原有的產(chǎn)品線在風(fēng)格上，技術(shù)上形成代際差異，但在生產(chǎn)工藝上不用做出很大的改變，方案需要有前瞻概念性但同時也要能夠運(yùn)用到近期的落地產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

3. 工程技術(shù)主導(dǎo)下的造型設(shè)計(jì)：由于產(chǎn)品的非消費(fèi)屬性，無人集裝箱運(yùn)輸車的技術(shù)性和工程性特點(diǎn)非常顯著，造型設(shè)計(jì)是對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型展示起到一個輔助作用，作為初代的概念產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)功能是第一位的，后續(xù)產(chǎn)品的造型可以針對性優(yōu)化，當(dāng)前，階段設(shè)計(jì)師需要在苛刻的設(shè)計(jì)輸入條件下完成對于造型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

三、基于綜合關(guān)系矩陣和造型模塊劃分的設(shè)計(jì)流程

針對上述問題，本文提出了基于綜合關(guān)系矩陣和造型模塊劃分的設(shè)計(jì)流程，如圖1，首先將輸入的工程原型分解為功能模塊，然后根據(jù)項(xiàng)目特征確定評價指標(biāo)，尋找相關(guān)人員組建調(diào)研對象組確定指標(biāo)權(quán)重并對各個模塊之間的關(guān)系進(jìn)行評分，最后組成綜合關(guān)系矩陣，根據(jù)不同模塊之間的關(guān)系量化數(shù)據(jù)將功能模塊整合為造型模塊。

（一）模塊關(guān)系評價準(zhǔn)則：功能模塊的綜合關(guān)系矩陣是由多個維度的判斷矩陣依照一定的權(quán)重相加所得的，機(jī)械零部件設(shè)計(jì)時會采用基于F-P-B-S 的模塊劃分方法，針對造型設(shè)計(jì)的特性在FPBS 的基礎(chǔ)上優(yōu)化為從空間位置、使用流程、材質(zhì)色彩、功能這幾個維度進(jìn)行相關(guān)性評價，空間位置維度即不同的功能模塊在空間上的位置距離。使用流程即產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)期間各個功能是否存在信息、能量、物料的傳遞和是否具有用戶交互操作的連續(xù)性。材質(zhì)色彩的評價標(biāo)準(zhǔn)一方面是各個功能模塊是否存在相似的材質(zhì)，功能即評判不同的模塊之間的功能是否近似。這4 個維度的評價指標(biāo)標(biāo)度具體如表1 所示。

（二）模塊綜合關(guān)系矩陣構(gòu)建與權(quán)重確定：對工程原型不同功能模塊之間的關(guān)系進(jìn)行分析，確定對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)后建立出空間位置關(guān)系矩陣、使用流程關(guān)系矩陣、材質(zhì)色彩關(guān)系矩陣和功能關(guān)系矩陣，由于不同的產(chǎn)品類型具有不同的項(xiàng)目偏好，所以針對復(fù)雜裝備類產(chǎn)品采用AHP（層次分析法）確定不同指標(biāo)的權(quán)重，最后的出產(chǎn)品模塊之間的綜合關(guān)系矩陣。

權(quán)重確定首先是以提出的4 個指標(biāo)為基礎(chǔ)建立判斷矩陣，將4 個指標(biāo)v、u、m、f 分別記為a1、a2、a3、a4，構(gòu)建如下表所示判斷矩陣，邀請5 位項(xiàng)目相關(guān)工程師和10 位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師組成調(diào)研對象組，讓他們依照設(shè)定的層次判斷標(biāo)度對4 個指標(biāo)進(jìn)行兩兩打分。

再將得到的所有判斷矩陣采用幾何平均法進(jìn)行計(jì)算出的幾何平均值[10]，

后將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理得到最終的權(quán)重向量。最終得到的指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重如表2 所示

由數(shù)據(jù)可見，對港口無人集裝箱運(yùn)輸車來說，模塊之間的位置空間關(guān)系最為重要，其次是功能，最后是使用流程和材質(zhì)色彩，權(quán)重分布整體符合預(yù)期。

四、無人集裝箱運(yùn)輸車設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）無人集裝箱運(yùn)輸車造型模塊分析：在進(jìn)行造型模塊劃分之前，需要設(shè)計(jì)師充分了解工程原型的布局與簡單工作原理。

在進(jìn)行模塊拆解定義時，將工程原型按照獨(dú)立功能組件進(jìn)行拆解，共劃分出車前屏幕、前激光雷達(dá)、輪眉飾板、側(cè)裙、電池箱、集裝箱限位板、前攝像頭、側(cè)攝像頭、調(diào)節(jié)口、前碰撞板、燈組這11 個單獨(dú)的功能模塊，模塊之間存在聯(lián)系但又相對獨(dú)立，將這些模塊用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)識，對于可變動位置的部件邊界進(jìn)行模糊，擴(kuò)大其造型的可能性。

將11 個功能模塊進(jìn)行4 個維度的關(guān)系評價，最終的綜合關(guān)系矩陣如表3 所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)將具有較高關(guān)聯(lián)性的模塊劃分為一個造型模塊，最終所有11 個功能模塊歸納為6 個造型模塊，車前屏幕、燈組、前攝像頭具有明確的通信作用所以劃分為一個造型模塊，前碰撞塊由于工程要求獨(dú)立為一個造型模塊，電池箱作為一個單獨(dú)的造型模塊，由于側(cè)攝像頭工作范圍具有一定的限制所以將其與前激光雷達(dá)進(jìn)行組合，將側(cè)裙、輪眉飾板與調(diào)節(jié)口整合，集裝箱限位作為一個單一的造型模塊，劃分情況如圖2所示，后續(xù)造型設(shè)計(jì)則以這6 個模塊作為基礎(chǔ)進(jìn)行造型推演。

（二）方案設(shè)計(jì)：在方案設(shè)計(jì)的過程中，需要不斷。從項(xiàng)目規(guī)劃角度出發(fā)，希望產(chǎn)品能夠樹立無人智能化集裝箱運(yùn)輸車的標(biāo)桿形象，在造型設(shè)計(jì)上可以完全打破原有相關(guān)產(chǎn)品線的造型語言，運(yùn)用全新的造型語言去詮釋設(shè)計(jì)。

在方案設(shè)計(jì)上提出了以下幾個設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：

1. 未來感造型語言：在獲得了最基礎(chǔ)的造型模塊后，需要進(jìn)行不同模塊之間的造型關(guān)系設(shè)計(jì)，本方案的造型關(guān)系靈感來源于高科技建筑風(fēng)格，不同的模塊之間保持一定的距離去體現(xiàn)一種疏離感，這種疏離感讓人聯(lián)想到機(jī)械的快速變形，同時為了保持造型的整體感，對于造型模塊之間的大小主次關(guān)系進(jìn)行了仔細(xì)調(diào)整，使得相鄰模塊造型存在一定的大小節(jié)奏變化，改善了由于鈑金折彎工藝帶來的造型死板問題。同時高強(qiáng)度不銹鋼的造型件也為車身零部件提供了支撐，將造型與骨架結(jié)合一體，降低了裝配成本也便于后續(xù)的維護(hù)，去除了不必要的裝飾，與現(xiàn)有的港口系列產(chǎn)品形成了代際差異。

2. 超大EHMI 交互屏幕：針對港口密集的集裝箱調(diào)度情況，提出了車語屏與大燈組一體化的設(shè)計(jì)語言，由于無人駕駛的工況條件下，車輛的大燈只在視野條件不好的情況下為視覺識別系統(tǒng)提供輔助照明，大部分的燈光交互由車語屏提供，地面管理人員可以實(shí)時調(diào)用車語屏查看車輛運(yùn)營狀態(tài)，激光大燈也能夠通過點(diǎn)陣式的燈光投影為調(diào)度塔臺的指揮員提供直觀的信息。

3. 兩側(cè)快速換電：車輛采用換電設(shè)計(jì)，兩側(cè)各布置3 塊電池，并且為了更加緊湊的換電站設(shè)計(jì)，車體兩側(cè)的電池倉采用滑門設(shè)計(jì)，為換電機(jī)械臂提供更大的運(yùn)動空間。

經(jīng)過多輪的草圖評審和方案修改，最終決定采用如圖3 所示的草圖方案，后經(jīng)由電腦建模渲染進(jìn)行最后一輪方案評審。

結(jié)語

文中基于產(chǎn)品的功能模塊劃分，針對產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的項(xiàng)目特點(diǎn)提出了造型模塊的概念，引入關(guān)系矩陣對產(chǎn)品的功能模塊進(jìn)行分析，從空間位置、使用流程、材質(zhì)色彩、功能4 個指標(biāo)為基礎(chǔ)的構(gòu)建產(chǎn)品功能模塊綜合關(guān)系矩陣，運(yùn)用AHP（層次分析法）確定了4 個指標(biāo)的判斷矩陣在綜合關(guān)系矩陣中的權(quán)重，通過對于產(chǎn)品功能模塊之間關(guān)系的量化幫助設(shè)計(jì)師更好地歸納出較為適合的造型模塊劃分方案，總結(jié)出了面向復(fù)雜裝備類產(chǎn)品初期造型設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，最后將設(shè)計(jì)策略運(yùn)用到了港口無人集裝箱運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，產(chǎn)出了符合項(xiàng)目要求的最終方案，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)策略的可行性。在造型設(shè)計(jì)的過程中合理把控?cái)?shù)學(xué)分析的使用能夠使得設(shè)計(jì)師在自主把握設(shè)計(jì)方向的同時兼顧設(shè)計(jì)的合理性，為造型設(shè)計(jì)方案提供一定的數(shù)據(jù)支撐，對于數(shù)學(xué)分析的使用與未來對于人工智能的使用是一樣的，設(shè)計(jì)師永遠(yuǎn)都是作為設(shè)計(jì)方向的主導(dǎo)，數(shù)據(jù)的支撐與人工智能的使用都只是一種工具，所以未來設(shè)計(jì)師需要建立更加合理的工作流與設(shè)計(jì)策略去面對更加充滿挑戰(zhàn)的項(xiàng)目環(huán)境，體現(xiàn)設(shè)計(jì)師作為人的價值。

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