系统设计视角下的珊瑚移植用人工礁体设计

黄钰准 张军 黄晖 张浴阳

关键词：系统设计 珊瑚移植 人工礁体 模块化 工业设计

引言

珊瑚礁生态系统是一个庞大的生物群落，直接或间接地支撑着近四分之一的海洋生物，具有极高的生物多样性，对海洋有无法替代的作用。由于气候变化与人类活动，海洋生态环境不断遭到破坏，该生态系统受到严重威胁。生境修复与生物移植是修复珊瑚礁生态系统的有效手段，人工礁体在其中扮演着重要角色。在生境修复上，投放入海的人工礁体能重构珊瑚礁生境，从而促进珊瑚等生物附着、生长、繁殖及其种群恢复，加速珊瑚礁生态系统的修复进程[1]。在生物的移植上，人工礁体能为单体珊瑚、珊瑚断片或珊瑚幼虫提供附着和生长的硬质基底。全球范围内，越来越多地使用人工礁体进行珊瑚礁生态系统的修复活动[2]。然而，为了使人工礁体成为一种有效的恢复工具，人工礁体的设计、部署和维护需要规范。其在材料选择、结构设计、制造成本、工程性能、运输效率、操作效率等多方面的设计考量将直接影响修复效果。

一、人工礁体设计研究现状

在自然或生物活动胁迫下死亡的珊瑚通常会退化成碎石，这种基底通常不适合珊瑚的自然定居[3]。珊瑚移植的基本原理是用新的珊瑚群落替换被破坏地区的死珊瑚群落，以加速自然恢复[4]，这需要待移植的区域具备稳固的基底条件，人工礁体因能通过材料、造型等方面的设计为珊瑚提供稳固而适合的生长附着环境，是珊瑚移植中较常使用的人造基底。

然而，目前的人工礁体却普遍缺乏设计标准[5]，有学者通过总结国内人工礁体类型，发现我国的人工礁体建设起步不久，还没有固定的，可依据的设计模式[6]。宋朝祥认为，人工礁体的发展越来越趋于多样化，但目前人工礁体的设计整体还是处于较为初级的阶段，没有详细国家标准和规定、具有设计特征不明显、设计重复利用率低、人工礁体设计流程单一的特点，衍生出对能搭建出各类功能形状以适应环境的标准化人工礁体需求，以及能在水下高效进行修复工作的工具、操作方法与操作模式的需求[7]。学者黄晖也认为修复是一项系统的科学工程，需要系统地进行统筹安排与规划[8]。

总体来看，目前人工礁体在设计的研究和实践层面：1）以珊瑚作为核心服务对象，珊瑚礁修复作为主要目的，人工礁体作为修复落点的研究和设计实践相对较少。2）目前人工礁体的研究多为纵向以单一鱼礁特性（如水动力、稳定性）为研究对象，缺少以系统角度对珊瑚移植行为进行梳理，得出珊瑚移植多方利益者需求，并将其对应到人工礁体的设计研究。3）人工礁体设计案例的设计理论支持薄弱，设计研究导向的人工礁体实例较少。4）人工礁体的生产没有统一的造型标准，不易量产，造价较高，缺少配套使用的工具设备。

在这样的背景下衍生出了以珊瑚为设计服务对象，从材料-制造-运输-投放-产生价值等方面全流程梳理珊瑚移植行为，探究珊瑚移植行为中多方利益者观点，并将其对应到人工礁体设计的需求。

二、系统设计及其研究方法

系统设计是一种适用于复杂、多系统、多利益主体的服务或项目的设计思维，其主导在复杂项目中提供以人为中心的设计指导。系统设计积极整合了系统学科思维和方法，根据已知的设计能力（如过程推理、社会研究方法、草图和可视化）进行调整，以适应复杂的服务和系统[9]。面对多因素交织的珊瑚礁生态系统，系统设计的思维能帮助设计师梳理各因素的关系，引导设计师做出有效的设计决策。例如GIGA-Mapping将复杂的系统拆解并以可视化的形式呈现关键点以辅助设计[10]，学者Jones也从复杂社会系统的视角解读了系统设计的十大原则[11]，并从中衍生出了系统思维视角和设计思维视角下对应十大原则的方法，其中对系统仿真建模的方法因可以兼顾控制论和定量推理的思维模式，在复杂系统中使预测系统动向成为可能[12]。

本研究将重点应用系统设计对多利益相关者的仿真建模方法，基于本次以人工礁体为设计对象的跨学科系统设计实践，探索系统设计方法在实践中的效果。一方面将全程参考系统设计思维，在珊瑚移植系统中对核心利益相关者行为进行仿真建模分析，以此推导出核心需求并导向人工礁体的设计；另一方面，以完整的系统设计实践研究反思系统设计在珊瑚移植和人工礁体设计领域中应用的优劣势。

三、人工礁体设计实践

本次实践由设计师与珊瑚研究领域专家以及土木领域专家共同合作，以设计开发珊瑚移植用人工礁体为主要目标，为新设计人工礁体的配套技术（如适配新礁体的水下操作工具设计等）为次要目标。本研究将从信息采集、信息分析处理、分析结果导向设计的路径、设计结果四个方面对实践进行解读。

（一）珊瑚移植活动流程研究。珊瑚移植活动可以分为水域资质评估和珊瑚移植执行两步（图1的上半部分为水域资质评估，下半部分为移植执行），本研究将重点关注人工礁体主要涉及的“珊瑚移植执行”环节。由于不同移植活动中具体海域情况、人员情况、经费情况等多方因素的不同，移植活动需进行本地化的适配和改变，目前国内并没有普适与标准的执行流程。本研究将重点描绘在使用范围上较通用，在操作步骤上较为完整的执行流程。

在水域资质评估通过后，首先需要进行移植用珊瑚（特定种类的珊瑚碎片、断枝）的准备工作。该准备工作包含了：1）采集目标种类的珊瑚断枝或碎片。2）将这些断枝或碎片（用作母體）进行野外培育待其生长壮大（如果具备野外培育条件及设备）。3）利用珊瑚无性繁殖的特点，从长大的珊瑚枝丫中截取部分用作移植用珊瑚断枝或碎片（如果具备野外培育条件及设备）。4）将收获的珊瑚断枝或碎片运送至具备养殖条件的寄存点暂时养殖存放，等待其他执行准备（出海船只联络、水下操作潜水员联络等）完毕。

当准备工作完成后，进行珊瑚移植活动的执行步骤，该步骤主要包含：人工礁体的投放和安装、与珊瑚的水下移植两部分。在流程上体现为：5）船只运送移植用人工礁体、移植用珊瑚到达指定海域，将人工礁体投放入海（大体量人工礁体的运输和投放需在移植活动执行前进行，一般不与水下移植活动同批）并在海底安放和部署。6）在水下将珊瑚碎片固定在已投放入海的人工礁体上。

（二）珊瑚移植活动利益相关者研究。珊瑚移植活动流程的研究为利益相关者的发现提供了基础，设计师可以通过利益相关者分析发现系统中重要的研究对象并提取其设计需求。学者Mascia将利益相关者类型分为：

关键利益相关者、主要利益相关者、次要利益相关者、第三级利益相关者四种[13]。

基于该分类方法本研究将珊瑚移植活动中的利益相关者整理为下图：

（三）关键利益相关者分析——种植的珊瑚。因果回路图（causalloop diagram，CLD）是表示系统反馈结构的重要工具，它可以快速推测系统各因素关系[14]，珊瑚是生态系统的一部分，其所受的影响因素是复杂而多元的，本研究将使用该方法梳理各影响因子和他们之间的关系。

珊瑚被移植到水下后，一般会遭受人类活动、相关生物、自然补充能力、环境因素4个类别的影响。其中各因素在影响珊瑚的同时，与其他因素互相影响，形成一个复杂的系统。似乎每一个影响因素都可以通过设计介入以增强核心对象（珊瑚）的收益，但不同因素的设计介入有着不同的投入产出比，且很多设计点的效果验证需要较长的反馈周期（如针对一些针对生物的设计需要制作完整原型后投放入海通过观察实验进行验证）。因此在进行设计介入前，一方面需要降低“复杂性”来分析该利益相关者（移植的珊瑚）需求，一方面需要聚焦在可预见的投入产出比较高的影响因素上。降低复杂性的一个方式是从直接影响该利益相关者的影响因素出发，优先对直接影响因素进行投入产出比评估与设计介入（如图3所示，“良好的流场效应”与“珊瑚”成正相关关系，而流场效应与人工礁体的造型直接相关，本次设计实践便从流场效应的效果上推导人工礁体造型设计），逐步追溯整条影响链条。

（四）关键利益相关者分析——种植行为管理者。种植行为管理者需要更关注移植活动各步骤对整个移植活动管理的影响。本研究将在系统平台（system platforms）中以物质、信息、资金、劳力四个流向对种植行为管理者进行分析。系统平台是可视化活动中涉及的所有参与者和组件运行的形式，显示不同参与者及其相互联系（例如：材料、能源、信息等的流动），其能阐明不同的组件和角色之间的连接关系，并显示它们资源交换的方式，同时支持设计师和系统中涉及的所参与者在搭建系统平台时沟通合作，是一种在协商过程或概念开发阶段使用的工具[15]。

系统平台的4种流向揭露了目前珊瑚移植活动在管理层面的行为模式，可以通过挑战现有流向的方式进行设计介入。如图4在物质流板块中，“移植的珊瑚”要经过两次运输才能到达“移植地点”，减少一次海上运输流程将减少移植成本与提高效率，可以将该流向挑战为“移植的珊瑚”经“海上运输方1”直接至“移植地点”，为达成该流向的挑战目标，需要使人工礁体具备野外培育珊瑚的能力，对应到设计上便可以在人工礁体上设计能野外培育有效珊瑚的组件（如网状苗圃），待其长成后再转移固定至人工礁体本体上。需要注意的是，系统流向的挑战会导致整个系统和执行流程发生全方位的改变，因此，“挑战”本身需要进行严格且全方位的评估，防止对整个系统造成负面影响与危害。

（五）种植行为实施者——潜水者。潜水员是珊瑚移植活动在水下的操作者，其需要在陆地环境、轮船甲板和海洋环境中进行搬运、敲击、组装、水下操作等活动。潜水员的操作效率直接影响到珊瑚移植活动的效率，因水下与陆地操作环境有较大差别，潜水员需要克服水流、温度等影響，人工礁体的设计需要充分关注潜水员在移植活动中各步骤的操作习惯、操作效率和舒适度。本研究将通过用户旅程图梳理展示潜水员的珊瑚移植活动旅程。

本研究以场景、阶段、行为、物理触点、劳力类型、支持系统与能力要求七个维度描述珊瑚移植活动中潜水员的行为旅程，可以发现其工作横跨陆地、甲板、海洋三种工作环境。工作内容有大量的体力搬运、以及水下精细操作工作，同时需要体力、潜水技术和操作技巧三方面的能力。同时其工作环境多为热带气候地域的室外，空气中炎热的温度和强紫外线，以及海水环境的低温提高了潜水员的工作强度。将潜水员在流程中的物理触点与其行为旅程对应，可以得出产品设计的机会。如图5中，在“出行准备”阶段潜水员需要“搬运小型移植用人工礁体”，对其对应的物理触点“小型人工礁体”进行造型上的设计使其更便于搬运或者设计辅助搬运的工具或设备都能提高潜水员的操作效率与降低其工作强度。

（六）关键利益相关者需求解读。基于之前对三个关键利益相关者行为的梳理和建模，能从中提取出关键利益相关者的对人工礁体设计的核心需求。

对于种植的珊瑚：（1）人工礁体本身要有良好的生物亲和力和生态安全性，鱼礁所用材料及鱼礁表面处理需要适合珊瑚的附着和生长，不能对现有海洋环境和移植地生态系统产生严重的负面影响。（2）人工礁体在水下需要具备良好的流场效应，一方面能引导海流产生良好的上升流以扬起海底有机物，一方面形成稳定的背涡流为鱼类提供产卵环境。

（3）人工礁体需要具备牢固固定珊瑚的能力，防止海流、台风等因素将移植珊瑚碎片拍落。

对于种移植行为管理者：（1）人工礁体的生产需要控制成本，所使用的原料需要易获取、低成本，制造不能难度过高。（2）人工礁体在水陆两种区域环境都需得到高效的运输，在设计上需要结合运输方式对运输效率不造成较高的负担。（3）人工礁体需要适配珊瑚移植活动，增加移植的效率。（4）人工礁体需降低对投放设备和运输船只的需求，减少对大型船只（运输）和起重机（投放）的需求。

对于潜水员：（1）人工礁体需在水下能够简易的组合或安装。（2）人工礁体需重量轻便。（3）在进行珊瑚移植时，人工礁体的设计需要减轻水下操作的难度。

四、设计结果

（一）模块化人工礁体形式。基于核心利益相关者需求，本研究设计了一种模块化的可组装式人工礁体。其单体采用标准化的形状以降低制作成本，条状造型能减少空间占用提高陆地和水上的运输效率，以模块化的形式将传统的完整鱼礁拆解成标准的部件，支持陆地、甲板、水下组装，在降低成本提高运输效率的同时，让移植活动管理中也更加灵活，能根据海底具体情况决定组装规模和形状。同时，也能根据需求组装成大体量的人工礁体，在效果上，大体量且结构复杂的人工礁体结构对珊瑚礁生态系统的恢复更有帮助，但传统大体量人工礁体体形巨大且形状不规则运输效率低，同时具有成本、投放难度、设备需求等方面的限制（如需要大型运输船和起重机），而这种对带起重机设备的大型船只很难驶入珊瑚生长的浅滩，是传统珊瑚移植技术的难题。模块化的形式允许不断装配增加部件，可在水下组装成大规模和大体量的集合体，这对结构和工程特性带来了更高的要求，并体现在了最终的造型和连接方式设计上。（图6）

（二）造型与结构设计。如图7所示，本设计模块化的组装构件分为礁体单体和连接构件两种，单体的长度为72厘米，截面尺寸为9×9厘米。重量约为10公斤每根，在海水浮力的帮助下一名潜水员能一次携带两根下潜并开始操作。其由一根头尾具备膨胀螺丝螺纹的钢筋贯穿混凝土部件整体（所有金属部件表面均喷附特氟龙防腐蚀涂料），混凝土表面随机具有随机分布的凹陷、小洞以及用作珊瑚固定的接口。连接构件为互相垂直的三向混凝土构件，每个方向头尾具有连接单体的螺丝接口（共6个）。

在表面处理上该人工礁体单体考虑为三种体量的生物提供生存环境，高粗糙度的表面适合微生物（如硝化细菌）生长，多孔洞和凹陷为微小的珊瑚礁生物提供生存空间，当其组装成具有空间的三维结构时为一些较大的珊瑚礁生物提供生存空间。并在整体表面喷附珊瑚石粉末，增加表面粗糙度的同时，提高生物亲和力。

设计中一项创新的功能是水下珊瑚的快捷插接口，采取快卸扣固定的形式，水下操作时潜水员只需要将陶瓷片上的插口对准人工礁体表面的接口进行按压就能将其固定在人工礁体上。相较于传统使用水下胶水粘连，或是在水下岩石上打钉的珊瑚固定方式，降低了潜水员水下工作的强度和时间，该快卸插接装置由两个部分组成：1.陶瓷片：珊瑚养殖常用的基底，具有良好的生物亲和力；2.生物塑料插扣。对于种植行为的管理者而言，需要在移植前的准备阶段将需要移植的珊瑚碎片/断枝固定陶瓷片上，这延承了室内养殖珊瑚技术的常规手段不会造成额外的操作负担，且从整体上看，所用的物料（如钉子、胶水、珊瑚碎片等）集成在了一起，更方便管理和操作。

各单体在组装模式上主要有三种组装模式：

三棱锥——因为侧面为空心斜面能削减海浪的能量，具有较高的稳定性。同时单个三棱锥造价便宜，对管理者负担小更具灵活性，水下操作也更加简单适合小规模的珊瑚移植活动。但因其形成的三维结构较为简单，辅助珊瑚礁生态系统的恢复和形成能力有限。

六面体——具有较复杂的三维结构，辅助珊瑚礁生态系统的恢复能力较好，同时因为该结构能通过组装拼接出多个六面体结构，具有较多人工干预的空间（如在一些不抢占珊瑚生态位的位置培養辅助珊瑚礁生态系统回复的其他生物）。但因其结构复杂，同时也加重了水下的组装难度，延长了潜水员的水下工作时间。

扩展形态——在具备较复杂三维结构和较多人工干预空间之外，具有较强的海底环境适应能力，突出的结构能适应斜坡、复杂岩石地形等海洋环境。但这种形态结构强度不高，限制了在其上所能移植的珊瑚数量和重量，如图8。

后续的原型制作也良好地印证了该组装模式和珊瑚快卸固定模式的可行性，如图9。

总的来说，本次模块化人工礁体的设计为解决传统礁体运输效率低、水下操作困难、移植成本高等问题提供了新的方向，其中的一些设计点（如水下快捷插接口）可以应用在其他海洋生物的保护中，为水下生态保护行动带来了新的可能性。

结论

对于人工礁体及相关配套技术设备的设计开发。系统设计思维能全流程分析解读珊瑚移植行为，从多方利益相关者的维度梳理珊瑚移植活动中人工礁体的功能需求，帮助设计师理解珊瑚移植这一复杂的珊瑚礁生态系统修复行为，有助于在设计阶段对人工礁体进行功能推导。但水下海况复杂，施工困难，操作困难等条件限制仍然为整合实现核心利益相关者需求带来挑战，人工礁体的设计需要多学科介入以解决难题。模块化人工礁体的设计能极大地提高珊瑚移植效率，但具体的形式与功能边界仍然需要不断探讨。

对于系统设计相关方法的应用。由于目前相关方法、流程本身不具备完整性与系统性，需要实践（或项目）主要执行负责人在项目伊始就对实践各环节做好系统性的规划，并在各阶段选择适合的系统设计方法（因为面对问题的复杂性与系统性，不同问题不同阶段的方法选择往往差别巨大，甚至需要对各方法进行改变以适配本地化实践）。同时为保证工作效率与执行成果，执行人负责人本身需要具备较强的系统思维与对系统设计知识有着较深的理解。这些严格的条件限制了系统设计在设计实践中的应用，并连锁影响了系统设计积累实践以发展相关理论方法的过程，系统设计目前更像设计师向复杂领域试探的触角，能从复杂领域获取关键信息，但在实际介入其中时仍然面临挑战。