高端海洋装备工业设计探索
高奇峰 郑刚强 陈琛 白铭玉
摘要：工业设计缺位已成为制约高端海洋装备发展的关键因素之一。文章针对高端海洋装备的造型美感缺失、创新设计能力不足等方面进行设计实践与理论探索。以全海域多功能潜航器与载人观光潜水器设计为例进行设计分析，引入参数化设计与模块化设计理念，指明了高端海洋装备的创新方向，对促进高端海洋装备的创新发展具有积极意义。
关键词：高端海洋装备 潜航器设计 工业设计 设计创新
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）05-0018-04
引言
高端海洋装备是指具有高科技含量、高技术ll生、高审美性、高附加值、高性能、高舒适度、高工艺水平等特征的海洋装备。此处的“高端”首先体现为知识与技术含量高，往往体现为多学科知识集成与高精尖技术应用；其次，高端装备在产业链中往往具有引领地位，其发展水平对整体产业竞争力具有重要影响；另外，高端装备一般具有高附加值特征，往往处于价值链的金字塔尖。高端海洋装备包括：远洋邮轮、豪华游艇、高端游船、特种舰艇、潜航器、地效应艇、水下滑翔机、深海石油钻井平台等水域交通工具与专用装备。其设计创新对国家及产业发展具有重要的战略性意义。但是，长期以来，海洋装备设计研发都由科学家与工程师主导，缺少工业设计、艺术设计的融入。导致大量高端海洋装备仅能满足功能需求与技术指标，在审美与人性化方面极度缺乏。各类装备均广泛存在造型单调、配色欠佳、舱室空间冷漠、设备操控不便、人性化考虑不足、文化内涵缺失等诸多问题，严重制约了高端海洋装备的产业化应用与市场推广。随着社会经济与人类文明的发展，以上问题愈加凸显。为解决这些问题，把工业设计方法与技术引入海洋装备设计研发已经迫在眉睫！
一、工业设计是优化海洋装备的重要手段
2012年，中国政府发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，明确了七大战略性新兴产业的重点发展方向和主要任务，随后又提出了“建设海洋强国”的战略目标，提出高端装备制造产业要“加快发展海洋工程装备”。《中国制造2025》把高端海洋装备和高技术船舶作为十大重点项目之一加快推进。在“十三五”规划重点扶持高端海洋装备的大背景下，我国的高端海洋装备发展空间广阔。以此为背景，我国急需把高端海洋装备研发的高精尖技术进行产业转化，通过自主化、系列化和品牌化实现市场价值。在技术转化过程中，工业设计具有不可替代的作用。
工业设计作为一门交叉边缘学科，其内涵极其丰富。2016年，郑刚强在第二十一届中国国际船艇展暨高性能船学术报告会上从三个层面对工业设计进行了解读：①从微观层面分析，工业设计是完善人与物之间关系的学科——通过对产品使用者及相关者的需求与感受进行研究，并以此为重要依据对产品的功能、形态、结构、色彩、空间、配置、使用方式等诸多方面进行科学性、合理性、艺术性、人性化的设计处理，以创造性思维解决相关问题。②从中观方面分析，工业设计是协调生产者与消费者之间关系的学科——它贯穿于商業运营的整体流程，可统合市场调研、用户研究、产品开发、样机制作、批量生产、市场营销、用户体验、品牌推广、企业形象塑造等诸多方面，并对产业链的合理构建、推动相关产业的发展均能产生重要影响。③从宏观方面分析，工业设计是协调生产力与生产关系的学科——它是科学技术应用于产品实际的重要桥梁，是提升生产力水平的重要支点，是人类破解生存与发展难题的必要手段之一。
对于高端海洋装备而言，工业设计重点可聚焦于对装备实体的设计提升并推动市场化应用。具体而言就是运用工业设计方法与手段对高端海洋装备的功能、形态、结构、色彩、空间、配置、使用方式进行设计创新。使其美观实用、结构合理、整体优化；使用户获得更好的产品体验，更有利于市场推广与产业化提升。通过工业设计手段进行设计创新，—方面可使用户获得更好的审美享受——使产品更美观，更有品味，更具有个性化特征；另一方面能使用户获得更好的使用体验——使产品更实用、结构更合理、色彩更协调、空间更舒适、更便于操控、更加人性化。二者相加，可大大增加高端海洋产品的附加价值，提升产品竞争力。
随着经济社会的发展，人们对海洋的探索需求日益增加。在各类海洋装备中，潜航器的研发与产业化是国际研究的热点。目前国内潜航器研发尚处于科技探索阶段，商业化应用尚不成熟。在潜航器造型与内饰设计以及功能应用上尚待深入研究。通过工业设计手段对潜水器进行设计创新，有利于突破传统潜水器概念的限制，提出新功能、新造型、新材料、新结构、新概念。
二、深海潜航器造型改良设计探索
纵观全球，近数十年来潜航器发展迅速，但只有少数国家可进行深潜器设计与建造，形成了极高的技术壁垒。俄罗斯的和平号、美国的阿尔文号、日本的6500都实现了水下5000米的深潜，在技术创新和人性化方面取得较大突破。这些潜航器大多引入了工业设计方法进行设计创新，不但优化其造型特征，提升了舱室空间的艺术气氛。还有利于引入新材料、新技术、新工艺等进行复合式创新。
在一定程度上提升了其产品价值。中国的载人深潜技术近年来发展迅速，很多技术指标已位居全球前列，但在工业设计的融入方面尚待提升。
（一）造型创意来源及设计理念
仿生设计方法是将仿生学思想与设计学相结合的原创设计方法，广泛存在于各种设计领域。仿生设计的构思来源广泛，既可从花鸟鱼虫的姿态形式、结构曲线等实物构成方面汲取灵感进行设计，又可从大型生物的形体感觉、行为活动等方面汲取灵感进行设计。
设计源于自然又高于自然，这是未来设计的重要发展方向。通过对海洋生物资源库的探索与选择，可将自然元素引入设计构思，遵循师法自然的规律特征。例如，潜水器的色彩搭配、轮廓曲线及其部分构件都应遵循人与自然和谐相处的自然法则。潜航器运行于常年不见阳光的深海海底，具有独特的神秘性特征。因此，在设计来源的选取上，可选择深海蓝鲸的设计意向。蓝鲸具有优雅、高贵、神秘的自然属性，有具有力量感、持久力与坚韧性的品格属性。在此基础之上的特性选择可赋予潜航器由内而外的个性化特征（如图1）。
（二）潜航器造型设计探索
潜航器概念设计过程是思维从无到有，从抽象到具体的过程。具体的演变可通过草图形式来展现。除鲸鱼仿生意向外，潜航器构思还辅以中国传统文化中的帽、衣、长袖等古典着装和金鱼的吉祥寓意。并通过色彩涂装表现东方文化的吉祥寓意与特殊气质。通过大国文化与中华精神的融入，使其庄重感与灵动性并存。设计伊始，融合点、线、面结构的特征化需求，将具有中华文化的符号融入潜航器设计。化抽象为形象，以具体的优雅造型特征来体现潜航器的设计符号化语言。经过大量的草图绘制，得到了多类造型设计方案。经过分析与筛选，确定较符合国人审美的造型方案。在建模过程中，对潜航器细节进行处理与深化，最终确定潜航器的造型方案。
（三）形态结构与功能设计
1.结构布局
为保证水下工作便捷性与行驶安全性，潜航器整体造型呈流线型。舱体两端分别设置有突出的舱体头部和舱体尾部，且均与舱体两端平滑过渡连接。舱体头部容置有伸缩抓手；舱体上方纵向设置有沿舱体纵向设置的脊背棱；舱体尾部设置有推进器和用于增加舱体平衡度的若干尾翼。尾翼均为双尾翼结构，舱体尾部的顶端处设置第一双尾翼。所述舱体尾部的两侧设置有对称的第二双尾翼和第三双尾翼。第—双尾翼与所述脊背棱相连接。头部和尾部分别突出于舱体两端的上侧，且所述舱体头部和所述舱体尾部与舱体两端面的连接面均呈平滑的凹陷结构；舱体头部与前端面的连接处设有前侧观测舷窗，两侧设有侧舷窗；舱体内部设置360°全息投影屏幕，顶部设有舱室进出口（如图2、图3）。
2.功能实现
整体运用仿生设计手法，使舱体运行平稳度高，且造型优美；多个双尾翼结构能够根据水速的大小调节平衡程度；舱体顶部设置抗压脊背棱，利用物理学的方法提高潜艇的抗压能力。在具备了抓握与探测功能之后的潜航器可满足相关科研活动。前置伸缩抓手可伸出舱体头部抓取周边的深海生物、深海矿石或其他的深海物质，非工作状态下也可收纳进舱体内，不影响对周边环境的观测。高强度金属材料可为舱体内的探测仪器提供可靠保护，避免因压强过大与海水腐蚀造成的仪器失灵。潜航器可携带多样的探测设备，为深海稀有金属、深海生物、深海海水成分等成分探测提供保障。潜航器具备了前、左、右三个探测窗口，可为舱内人员提供全面的观测角度。此外，结合功能需求与结构特征，在造型、色彩、空间布置和人性化方面也进行了相关设计创新。
（四）数字化建模与渲染
以前期草图为依据进行准确尺度的三视图绘制，将三视图导入建模软件中，构建出模型的大致框架。在模型的造型基本确定后，运用渲染软件Keyshot对模型进行渲染，获取模型的实际效果，检查模型是否存在破面等瑕疵（如图4）。后期可给模型赋予材质、色彩，经过渲染与后期处理后可获得更加真实的效果（如图5）。
（五）参数化设计与模块化设计
在工业设计创新中，可引入参数化设计与模块化设计。参数化设计是对高端海洋装备进行三维数字模块的细致分析推敲，将造型的元素设计精确到几何参数的范畴，可将造型语言使用数据表现出来。在前期造型推敲时，可参考数据分析模型。在进入到后期实体模型制作时，会最大限度保留造型的细节特点。无论是精准比例还是尺度规律都可量化为数据，追求审美要素的一致性。装备造型设计还要考虑动态美感。前进时应保证动态稳定感，视觉重心的后移和造型元素的整体统一。
模块化设计是指對高端海洋装备各部件进行单独设计，既满足整体性要求，也要体现部分结构的特异性，同中存异，用细节衬托出其厚实感、庄严感与神秘感。潜航器设计应考虑声呐、观察室、勘探抓手、前置摄像、电池、压载铁、生命支持系统、导航通讯系统等重要潜航器系统的设计，从布局、配色、形态等方面综合考虑，满足整体设计需求。潜航器的模块化设计可分为结构模块与功能模块。具有特定的尺寸、形态、界面等交互方式，通过位置尺寸链接与其他结构的相互作用，实现整体功能的运作与功能的多样化，以满足不同需求。
三、民用概念潜航器设计探索
水下观光从早期的浅海观光演变而来，现已逐步成为重要的海洋旅游项目。把深海潜航技术应用于休闲娱乐市场是当今海洋技术发展的热点之_，工业设计在此过程中具有重要的作用。观光潜水器是能够运载乘客在水下运行、浮出水面并保持水面航行的自航运载器。观光潜水器的体形不一，其整体设计大致分为总体、结构、压载、电力、控制、环控六大系统。现针对小型观光替水器进行概念设计探索。
（一）设计创意构思与定位
受先天条件限制，人类须借助各类辅助设备和舰艇来进行水域活动。是否可设想一种给人更大自由度的水上交通工具（系统）呢？结合球形观光车、水上步行球/悠波球、“XS企业号”宇宙飞船等多种意向形式的探究，确定潜水器整体风格，以圆润饱满的造型为主。既可降低水下航行阻力，又显得更温馨宜人，给乘客带来安全感（如图6）。
（二）结构与功能设计
1.结构布局
为减少能耗，潜水器部件的布置需尽量减小运行时的阻力。由潜水器正视图可知，其截面积较小，故阻力相应较小。环状结构在应急状态下可作为抛载装置从潜水器主体上脱离，潜水器主体则配合气囊等压载设备上浮，保障乘客安全（如图7）（如图8）。
2.驾驶方式
传统潜水器要求驾驶员具有较高的操作水平和丰富的驾驶经验。本设计允许乘客通过体感交互设备在专业人员的监视和干预下操纵潜水器。专业人员也可远程操纵潜水器，而乘客无需承担驾驶任务。（如图9）。
3.“移动型”母子系统
可用邮轮、海洋平台等大型水上设施作为母体，以观光潜水器、游艇等小型水上交通工具为子设备，建立海上“移动型”码头系统（如图10）。
母体的活动范围初步设定在近海。子设备以母体为圆心，在一定范围内活动。可称之为母体设备对子设备的“辐射”。母体辐射一定范围的海域，并在此区域内扮演游艇码头与邮轮母港的角色，提供休闲娱乐区、物资补给、内部干式泊位、观光平台等功能。该系统以人的活动需求为本，将海上观光的观光范围由传统的水面观光扩展到“水面+水下”的立体观光。较传统的水下观光设施更加可靠、观光体验更全面。其价值也体现在可促进未来海洋实验室、海上城市的建立，符合可持续发展的战略需求（如图11）。
（三）数字模型
以前期设计为依据，运用建模软件构建出模型框架。并在后期的建模中配合草图不断尝试新的方案。造型基本确定后进行三维渲染，以获取模型的仿真效果（如图12）。
结语
高端海洋装备的工业设计创新应符合时代发展的潮流，解决人与自然的矛盾。具体而言，应将科学技术与艺术美感与相结合，打造具有中国风格与气质的海洋装备。工业设计可促进深潜科技的应用与转化，提高产品附加值，树立民族品牌形象。未来的研究需进一步结合市场化应用进行，以推动相关产业的发展。
