基于多学科融合的邮轮总布置设计机理探究（一）

张涛，蔡薇*，张天奇，丁芳芳，龚鑫鸿

1 武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063

2 武汉理工大学 邮轮游艇设计研究院，湖北 武汉 430063

0 引 言

大型邮轮承载的乘客及工作人员人数众多，舱室类型和数量繁多，娱乐、生活与安全等设施设备齐全，同时还要兼顾特型船舶的航行性能，所以其总布置极其复杂。以我国拟建造的邮轮为例，该船最大载客人数约5 000 人，为保证船舶的使用功能，船上设计有大量燃油舱、污水舱、灰水舱、淡水舱和食品储藏舱室，以及庞大的机舱和供电设备，此外，还有供乘客使用的舱室（2 000 多间客房）及各类设施（餐厅、酒吧、娱乐设施等）。

我国在邮轮总体布局设计研究方面近两年刚刚起步，相关资料少、研究基础薄弱。国外学者针对邮轮总体布局设计已经展开了大量研究。Parnyakov[1]对邮轮内部设计进行分析，通过优化大型功能舱室和客舱的布局设计，提升了邮轮的整体舒适度。Ahola 等[2]探讨了邮轮内不同的环境设计特征对邮轮安全性的影响，并针对游客主观安全性对邮轮通道提出了优化设计方案。Kowollik等[3]从邮轮主题文化的角度出发，通过缩小邮轮主题文化与游客日常文化之间的差异，提高了游客满意度。Jo 等[4]采用模糊建模的方法来量化游客的审美偏好，并基于该量化结果优化了邮轮的外观设计。

总布置设计内容有经典的船体分舱与空间划分、通道设计、锚泊、救生和消防设计与配置、通信导航系统设计与配置等几大内容，大型邮轮因其特殊性，相对于经典的船舶总布置设计有较大的延伸与拓展，特别是在融合现代信息技术、面向模块化的设计、面向安全的设计、面向人机工程的设计、面向智能化知识系统的设计等方面，有其独特之处。本文拟以公理化和模块化设计原理为基础，结合世界现有典型大型邮轮系列总布置设计资料[5]，对其总布置设计机理进行剖析。

1 应用公理化设计原理的邮轮主题功能区域设计机理探究

作为船东的邮轮公司为增大公众吸引力、拓展新客源市场，往往会推出不同风格的主题邮轮。世界上邮轮运营公司的大型邮轮都有其主题或系列主题[6-7]。同时，邮轮作为移动的“海上城邦”，不同于陆地上的主题建筑，其主题设计不仅要考虑游客的需求，还要考虑相关的邮轮规范、航行性能等诸多因素。下面，将在剖析大型邮轮主题功能区域设计需求的基础上，运用基于公理化设计理论的映射方法，建立邮轮游客需求与功能需求间的关系模型，以探讨邮轮功能区设计与其他功能模块设计相连接的关键技术及限制条件，力图找到现有主题邮轮到潜在主题邮轮的映射规律，得出潜在主题邮轮设计的改进部分，为设计符合我国需求的主题邮轮及功能区域提供依据。

1.1 世界著名邮轮特色主题功能区域特点与元素提取

首先，从主题居住舱室、主题餐饮区域及主题娱乐区域3 个方面探究主题邮轮功能区域的一般布置特点；其次，从地域特性、时代特性及艺术特性方面提取邮轮主题功能区域的元素[8]，通过对典型主题邮轮甲板区域图的描绘，统计其主题区域面积，通过数学比例关系的对比，找出主题功能区域与邮轮各功能区域之间的数学关系式，从而得出主题功能区域的设计规律。

对典型主题邮轮的主题功能区域占甲板总面积的百分比进行统计，绘制了典型邮轮主题功能区域面积比例分布图（图1），并对其进行曲线和公式拟合，得到了其曲线拟合图（图2）和拟合公式（1）。

式中：y 为邮轮主题功能区域占甲板总面积的比例；x 为邮轮的功能区域类型，x=1 时表示餐厅区域，x=2 时表示酒吧区域，x=3 时表示娱乐区域，x=4 时表示居住舱室。

图1 典型邮轮主题功能区域面积百分比Fig. 1 Percentage of themed functional area of cruise ships

图2 典型邮轮主题功能面积比例拟合曲线图Fig. 2 Proportional fitting curve of typical themed functional area of cruise ships

下面，对式（1）计算结果与统计结果间的合理度区间进行验证。首先，将x =1，2，3，4 分别代入式（1），计算各主题功能区域的面积。然后，通过式（2）计算其合理度，其值越小说明计算结果越合理。在面积合理区间中，Δ 的最小值为区间的左端点，Δ 的最大值为区间的右端点，相关数据如表1 所示。

式中：Pc为公式计算百分比；Pa为实际百分比。

表1 拟合公式计算结果及差值范围统计表Table 1 Fitting formula calculations and statistics of difference range

从表1 中可以看出，虽然计算得出的结果与统计得出的结果存在一定的偏差，但是根据邮轮主题功能区域曲线拟合的实际情况，可以认为计算结果具有一定的合理性。

1.2 基于公理化设计的主题功能区域映射

Suh[9]对1990 年以来的设计理念进行了系统研究，提出了设计公理体系。将传统上以依靠经验为主的设计建立成一套以科学法则、公理为基本的公理体系，这是公理化设计（axiomatic design，AD）的出发点。在该体系中，将设计问题分解为需求域、功能域、物理域与过程域4 个域（图3），这4 个域依次按照“之”字映射机制相关联[10]。

基于公理化设计理论的定制产品功能结构模型（product function and structure mode，PFSM）的优化算法及构建原则，对现有主题邮轮的功能区域进行分解，将游客需求与功能需求进行映射，可得出其相应的权重值。功能需求的权重值Hij可由式（3）计算得出。

图3 AD 示意图Fig. 3 AD schematic diagram

式中：CRi为游客需求在邮轮功能区域设计时所占权重；FRij为游客需求与邮轮功能需求的关联程度，其数值越大，代表二者的关联度越大，若不相关，则数值为0。

下面，以“孝文化”为邮轮主题对潜在主题邮轮进行游客需求与功能需求之间的映射，将得出的各部分权重值进行对比，根据对比结果得出潜在主题邮轮功能区域的设计要素，为将现有主题邮轮改造为潜在主题邮轮提供建议。

其中,餐厅区域的需求可以细分为：食品卫生、服务质量、就餐时间、菜肴种类、就餐环境、人口密度及餐品价格。游客需求与餐厅功能需求质量屋的配置表如表2 所示。

表2 游客需求与餐厅功能需求质量屋配置表Table 2 Quality house configuration of tourists' requirements and restaurant functional requirements

酒吧区域的需求可以细分为：酒吧环境、服务质量、服务设施、人口密度、酒吧位置及活动类型。游客需求与酒吧功能需求质量屋配置表如表3 所示。

表3 游客需求与酒吧功能需求质量屋配置表Table 3 Quality house configuration of tourists' requirements and bar functional requirements

居住舱室功能区域的需求可以细分为：安全性、舱房卫生、设施种类、舱房布局、海景窗面积及阳台面积。游客需求与居住舱室功能需求质量屋配置表如表4 所示。

表4 游客需求与居住舱室功能需求质量屋配置表Table 4 Quality house configuration of tourists' requirements and accommodation functional requirements

娱乐功能区域的需求可以细分为：场所面积、娱乐环境、项目多样性、项目参与性、设施种类及活动特色。游客需求与娱乐功能需求质量屋配置表如表5 所示。

表5 游客需求与娱乐功能区域质量屋配置表Table 5 Quality house configuration of tourists' requirements and entertainment functional area

根据邮轮旅客需求及“孝文化”主题的选取，综合专家的评定意见，同理，可以求出潜在邮轮的功能需求权重值H'ij，具体如表6～表9所示。

表6 游客需求与潜在邮轮主题餐厅功能需求质量屋配置表Table 6 Quality house configuration of tourists' requirements and potential restaurant functional requirements

表7 游客需求与潜在邮轮主题酒吧功能需求质量屋配置表Table 7 Quality house configuration of tourists' requirements and potential bar functional requirements

表8 游客需求与潜在邮轮主题居住舱室功能需求质量屋配置表Table 8 Quality house configuration of tourists' requirements and potential accommodation functional requirements

表9 游客需求与潜在邮轮主题娱乐功能区域质量屋配置表Table 9 Quality house configuration of tourists' requirements and potential entertainment functional area

将潜在主题功能区域需求权重值的排序与某典型邮轮相应的权重值进行对比，结果如下。

餐厅区域：

酒吧区域：

居住舱室：

娱乐区域：

将潜在主题邮轮功能区域与某典型邮轮功能区域相比较，可发现如下设计规律。

1） 餐厅区域：与某典型邮轮餐厅区域相比，就餐时间的权重值相对来说较小，即排序靠后，而食品卫生的权重值相对来说要大，即排序靠前，人口密度与餐品价格的权重值相近。

2） 居住舱室：与某典型邮轮居住舱室相比，安全性、舱房布局的权重值相对较小，设施种类、舱房卫生的权重值相对较大。

3） 娱乐区域：与某典型邮轮娱乐区域相比，项目参与性的权重值较小，活动特色的权重值相对较大。

因此，若要将某典型邮轮打造成潜在主题邮轮，即以“孝文化”为主题的邮轮，可以在以下方面进行设计改进：对于餐厅区域，照顾到老年人的身体状况与饮食卫生，需优先考虑食品卫生，而就餐时间则可相对靠后考虑；对于酒吧区域，其各功能需求方面的权重值排序相同，也就是在进行改造设计时，只需将某典型邮轮酒吧区域的娱乐元素转换成“孝文化”元素即可；对于居住舱室，考虑到老年人的身体状况与行动能力，应着重在设施种类与舱房卫生上下功夫，也就是在进行设计时，将一些必要的设施改换成适合老年人使用的便利设施，注重房间卫生，避免疾病等；对于娱乐区域，应在活动特色上多花心思，多安排一些能吸引老年人的特色活动，由于老年人精力有限，所以邮轮上的互动项目可以相对减少。

2 面向知识工程的邮轮模块化设计机理探究

邮轮设计建造的模块化是目前国际邮轮生产中的常用方法。为探索其模块划分与提升设计建造效率的机理，下面将分析大型邮轮乘客舱室的配置和布置特点，得到模块划分的最小单元模块—标准单元模块，根据模块间的功能、物理、结构边界条件对标准单元模块进行模糊聚类，然后借助Matlab 软件计算生成聚类图，通过选取阈值得到邮轮模块的划分方案。

2.1 模块划分的直接聚类与邮轮空间元素综合相关度分析

模块化的本质是对复杂系统的标准化，它依据标准化、系列化、通用化等原则对系统进行模块分解及组合，并最终将各类要素有机结合起来，形成具有特定功能的系统[11-12]。从模块层次的角度审视邮轮内部的空间元素，剖析邮轮主要设施的模块化程度、属性特征以及与规范的相关性，可为布局模块相关性的评价提供参考依据。以生成邮轮布局模块为目标，对邮轮上层区域内的各类空间元素进行模块化分析，在模块化基本原理及邮轮空间元素层次性分析的基础上[13]，以模糊聚类理论建立邮轮模块划分流程，并以登乘甲板为例进行实例划分，利用平面拓扑学解决布置冲突性。根据探究的相关规律为邮轮布局优化模型的建立与求解提供理论支持和科学依据。应用模糊聚类法的模块划分流程如图4 所示。

基于以上对功能相关性及几何相关性的讨论，将空间元素i 与j 之间的综合相关度 Rij定义如下：

式中：ω1和ω2分别为功能相关性和结构相关性在综合相关度评定中所占的权重；C1和C2分别为i，j 对应的功能相关性和结构相关性评价值。

首先，以某邮轮登乘甲板为例进行舱室模块划分。为便于表述，对甲板上具有代表性功能的空间元素进行编号，编号规则采用“甲板层号-D-空间元素序号”的形式，如表10 所示。

图4 邮轮模块划分评价及模块方案生成流程图Fig. 4 Flow chart of cruise module partition evaluation and module scheme generation

表10 某邮轮登乘甲板区域内空间元素编号Table 10 Number of space elements in the boarding deck area of a cruise ship

然后，依据定义的综合相关性评价公式，对登乘甲板内的空间元素两两进行相关性评价，求取其综合相关度，对应的模糊关系评价矩阵C4如图5 所示。

通过分析，登乘甲板内空间元素综合相关度R 的范围在0.25～0.85 之间，即阈值λ 低于0.25 时所有元素归入同一布局模块，阈值λ 高于0.85 时则每个元素自成一个模块。由高到低以此选取不同的λ 作为阈值，可形成登乘甲板的聚类谱系，如图6 所示。

由图6 可知，阈值取0.4 时方案的模块划分结果，无论是方案的总体方差水平还是划分方案内空间元素关联程度，均优于其他划分方案。具体划分方案如图7 所示。

图5 登乘甲板模糊关系评价矩阵C4Fig. 5 Fuzzy relation evaluation matrix C4 for boarding deck

图6 登乘甲板内空间元素的聚类谱系图Fig. 6 Cluster spectrum of spatial elements in boarding deck

图7 某典型邮轮登乘甲板模块划分实例Fig. 7 An example of module division for boarding deck of a typical cruise ship

将划分方案归纳整理后，模块名称和模块所包含的空间元素如表11 所示。

基于邮轮空间元素的综合相关度分析，并应用模糊聚类法对邮轮上层区域的空间进行模块划分，可以有效规整类型复杂、尺度不一的邮轮内部空间，为以后的邮轮布局优化设计奠定基础。

表11 登乘甲板内模块分类及所含空间元素Table 11 Module classification and space elements in boarding deck

2.2 基于频次统计的乘客舱室模块布局分析

邮轮的尺度大、甲板层数多，但通过比较不同邮轮的布局形式，发现不同甲板的功能分布具有一定的规律性。频次，即舱室在不同的甲板区域出现的次数，通过统计、分析同一系列邮轮的频次，能够反映出该系列邮轮上功能舱室的分布情况及相关规律。以“公主”系列邮轮为例（不同邮轮0 甲板的位置可能不同），涉及到乘客功能舱室的甲板通常起始于5 甲板（4 甲板上通常只布置医疗舱），从5 甲板往上均为服务于乘客的甲板。基于对其规律的分析，进行如下划分：从5 甲板往上的3 层甲板为第Ⅰ部分，从最高甲板往下的4 层甲板为第Ⅲ部分，中间的甲板为第Ⅱ部分。具体划分结果如表12 所示。

表12 不同邮轮乘客甲板的划分结果Table 12 Partition results of passenger decks on different cruises

为便于数据统计，对第Ⅰ和第Ⅲ部分的甲板进行重新编号，其中，第Ⅰ部分甲板的甲板序号为1，2，3；第Ⅲ部分甲板的甲板序号为X4，X5，X6 和X7。基于数据分析可知，第Ⅰ和第Ⅲ部分甲板的舱室分布具有一定的相似性。将不同邮轮的餐饮舱室、娱乐舱室在各区域出现的频次数据进行叠加处理，叠加之后所获得的数据如表13 所示。同一甲板区域不同类型舱室的频次数值相差较大，数值小说明该种布局方式较特殊，数值大则体现了舱室分布的规律，说明不同邮轮上该类舱室基本都分布在该区域。

随后，可以针对甲板区域间的舱室布局，基于大量的简化布置图，统计获得不同类型舱室在不同甲板区域出现的频次，以此表征舱室布局的规律；基于一套详细的布置图资料，获得舱室的长、宽等尺寸资料；此外，以甲板区域内部的舱室布局为研究对象，将甲板区域的布置图直接储存，以便在布局设计时直接提供参考；获取参考图片时，以甲板区域的区域编号（A，B，C，D）和其内的舱室类型为标准进行检索，按照相似度进行排序。相关统计结果如图8 所示。

根据上述分析，可得以下邮轮舱室布局规律：

1） 主餐厅和自助餐厅这2 类餐厅集中分布于C，D 区域，即甲板纵向方向上的中后部分。其中，主餐厅集中分布于1 甲板和2 甲板；自助餐厅集中分布于X4 号甲板的C，D 区域。

2） 购物类舱室一般集中于低层甲板的B 区域。

3） 有氧运动区、健身中心等运动类舱室对舱室所处的高度有一定的要求，一般分布于第Ⅲ部分甲板上。

4） 剧院集中分布在低层甲板的端部，且一般会占满A 区域的2 甲板和3 甲板的甲板空间。

5） 大型游泳池集中分布于X4 甲板B，C 区域的露天部分；该露天部分甲板上围绕泳池分布了酒吧、特色餐饮店，这些店所占的甲板面积都很小。

6） 邮轮上的按摩中心、水疗场所、理疗室、时尚沙龙通常集中布置于某一甲板的A 区域。

7） 成人休憩区（日光浴区）通常布置于X4 或者X5 甲板的A 区域。

表13 甲板区域的乘客舱室频次统计(不包括居住甲板)Table 13 Frequency statistics of passenger compartment in deck areas (excluding residential decks)

图8 某系列邮轮部分舱室布局频次统计Fig. 8 Frequency statistics of partial cabin layout for a series of cruise ships

3 结 语

本文应用公理化设计原理以及面向知识工程的模块化设计机理，探索了邮轮总布置设计的规律。结果表明，通过发展和完善不同邮轮主题系列游客需求与功能需求间的关系模型，以及对邮轮舱室模块进行合理的划分，可以更加深入地探寻主题邮轮总布置的设计规律。在后期研究中，可以构建模块实例库，并积累大量邮轮设计与模块实例设计的相关信息，形成大型邮轮模块化设计系统。这将会极大地提高设计效率和产品质量，从而实现邮轮的智能模块化设计。