基于品牌基因设计的双体游艇造型研究

马东明 王瑛瑛 钱皓 周俊良

关键词：双体游艇 基因设计 阿兹慕品牌 造型研究 产品设计

引言

随着游艇在市场消费比重增加，游艇外观造型设计受到人民重视。目前，品牌基因设计领域的研究，主要从基因模型的建立，提取，设计与优化等方面出发。例如：侯冠华[1]建立了产品造型基因意象模型；杨延璞[2]等获取了 SUV外形设计中的关键基因提取方法；王炎[3]等对基于基因调优算子的产品平台进化设计进行研究；罗仕鉴[4]等对SUV产品族侧面外形基因进行设计；张云帆[5]等运用品牌意象基因进行产品族造型设计。游艇设计领域的研究，主要从游艇建造材料、结构优化、形态设计等方面出发。例如：陈秋实等[6]基于可靠度设计理论，对双体游艇进行以艇体铺层为变量、可靠度为约束的轻量化设计；李淑江[7]对游艇设计要素的形态语义进行分析；樊佳爽[8]等利用云服务平台进行游艇设计；Valerio Ruggiero[9]对意大利游艇的结构进行优化，使其减少施工影响；Shahroz Khan[10]提出新的数字化游艇设计系统。

上述研究对品牌基因和游艇设计方面起到一定的借鉴作用，但对于游艇品牌基因与双体游艇设计结合的探索仍存在不足。本文提出游艇品牌基因设计研究理论，并对阿兹慕品牌基因与双体游艇造型设计进行相关性研究，建立该设计的计算机辅助系统，验证该方法的合理性，为游艇设计实践提供参考。

一、阿兹慕品牌基因研究理论

阿兹慕（Azimut）作为意大利豪华游艇品牌，其建造工艺、造型设计等方面都具有一定的研究价值。

通过在阿兹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，作为品牌的识别因子应用于设计实践，从而形成品牌识别特征。与生物进化规律类似，整个品牌的设计过程，也是一个反复迭代和不断细化的过程[11]。因此，基于遗传学的设计是开发新产品进行概念设计的有效途径[12]。

（一）阿兹慕品牌基因的研究流程

基于阿兹慕品牌的双体游艇造型设计流程内容主要是：收集游艇用户需求并进行分类与整合，形成用户需求特征；收集阿兹慕产品，进行分离特征元素、基因提取与编码赋值，形成阿兹慕品牌基因库；将用户需求特征编码建立阿兹慕品牌基因库数据对应关系，构建过渡映射模型；将双体游艇需求要素作为约束条件加入过渡映射模型从而形成映射模型；形成的映射模型运用遗传算法进行基因进化计算，最终得到最优后代模型，设计流程图见图1。

1.用户需求分析

通过进行调查问卷、查阅各种书刊及互联网等方式，搜集游艇用户需求，并且采用相关词汇进行描述。将用户需求整理分类，采用SPSS软件对数据描述的方法进行分析，分为共性需求与个性需求两大类，分别表示大众消费者与小众消费者对游艇需求的设计表达。将这些词汇运用到游艇造型设计需求的调查中，构建游艇用户需求特征集，见图2。

2.阿兹慕品牌产品基因构造

阿兹慕品牌的基因构造是运用基因设计的方法进行深度整理、解读和发掘阿兹慕品牌背后的内涵价值，运用基因构造手段将阿兹慕品牌的文化内涵与价值内涵应用到双体游艇的造型设计中，解决阿兹慕品牌基因的双体游艇造型设计的问题。

从构造过程、构造手段、阿兹慕品牌基因表现、设计管理四个维度对阿兹慕品牌基因构造理论进行解读与挖掘，阿兹慕品牌产品基因构造过程图见图3。

首先对已有的阿兹慕原始产品族，通过对定位、功能、设计的不同，进行初始分类；其次，通过分析阿兹慕游艇用户需求，结合阿兹慕品牌的市場定位，品牌形象等内容，进行阿兹慕产品族的初步整理，通过多种手段，实现阿兹慕品牌基因的存储与表达；再次，在阿兹慕品牌基因表现上，通过对阿兹慕品牌基因的研究，对阿兹慕产品族的特征进行提炼与定型；最后，整合市场、用户、文化和设计技术等因素，对整个过程进行决策和控制，形成阿兹慕品牌的设计基因。

3.用户需求与产品基因库的映射关系

将用户需求特征集与阿兹慕品牌基因库构建过渡映射模型；导入双体游艇需求要素，进而转化成基于阿兹慕品牌基因的双体游艇造型基因映射模型；利用遗传算法对基因进行筛选，保留具有遗传价值的优质基因，形成具有阿兹慕品牌基因的系列产品族。

（二）阿兹慕品牌基因表示结构

阿兹慕品牌基因表示结构定义了阿兹慕游艇构成的骨架，体现了阿兹慕品牌基因的构成关系。产品是由部件和零件按照特定的约束条件构成的。阿兹慕品牌基因的基本元素就蕴含在部件中，通过一定的运算形成基因表示的矩阵关系，见图4。

对于阿兹慕品牌（用A表示），在品牌基因表示结构中其产品族用PA表示，P表示产品，则：

二、阿兹慕品牌基因与双体游艇设计相关性研究

通过对阿兹慕品牌基因与双体游艇设计的关联与协调性、基于阿兹慕品牌基因与双体游艇设计两要素的具有协调性地变换处理两方面进行研究。

（一）阿兹慕品牌基因与双体游艇设计的关联性与协调性研究

在基于阿兹慕品牌基因的双体游艇造型设计中，阿兹慕品牌基因与双体游艇设计的关联性与协调性体系的构建主要涉及到三大知识板块，包括初代产品族的研究、双体游艇造型设计的需求理论和根据该体系模型产生的最优后代理论。

阿兹慕品牌基因与双体游艇设计的关联性与协调性体系的构建：在初代产品族中提炼初代基因根据设计符号学等学科知识，将初代基因进化成造型语言；造型语言与双体游艇设计需求进行关联性组合，形成关联性映射关系；最后利用协调性进行筛选，将协调性不符的基因淘汰，将协调性映射关系进行归纳，产生下一代产品族中的外形基因，由外形基因得以遗传到下一代，即产生最优后代，其过程如图5所示。

（二）基于阿兹慕品牌基因与双体游艇设计两要素的具有协调性地变换处理研究

基于阿兹慕品牌基因与双体游艇设计两要素的具有协调性地变换处理研究主要从关联性形成方式对后代外形基因的影响、变换关联性顺序对后代基因的影响两方面进行研究与分析。

关联性形成方式对后代外形基因的影响：在拓扑变换中，随意地把图形作变形（如挤压、拉伸或扭曲等），只要不把它撕裂，不发生粘连，从面不破坏其整体结构，拓扑性质将保持不变。[14]因此对阿兹慕品牌基因表达曲线与双体游艇造型曲线进行拓扑变换，在一定条件下进行建立拓扑等价关系，这里的拓扑等价（或同胚）就是关联的因素，从而对后代外形基因产生影响。

变换关联性顺序对后代基因的影响：在工业设计的过程中，产品的风格特征可以看作是一个由各种产品呈现的共同特征所组成的集合，集合中的元素通过不同的构造法则可以构建预期的美感与认知[15]。变换关联性顺序，将产生不同的造型元素与造型语意，由此对不同风格的调和及特定风格下的演变产生一定的影响。

三、设计实践

以阿兹慕品牌的双体游艇设计为例，建立计算机辅助游艇设计系统对基于阿兹慕品牌基因双体游艇造型设计研究理论进行验证。该设计实践在对已有的阿兹慕产品模型中进行推理变化，保持阿兹慕品牌基因的相似性与遗传性。

该实践的设计流程主要为：

（1）对阿兹慕品牌基因样本进行抽样提取与表达；

（2）与双体游艇要素样本进行函数运算，构建阿兹慕产品外形元素与双体游艇设计要素之间的映射模型；

（3）将分析得到的数据输入遗传算法得到最优后代方案，利用计算机辅助游艇设计，得到最终模型。

（一）阿兹慕品牌基因样本提取

通过查找数据与文献，搜集阿兹慕品牌从1997～2019年之間推出的40艘游艇进行造型分析。其中基因样本提取流程为以下五步，见表1：

（1）利用Photoshop建立坐标轴，对这40艘不同系列游艇以及同一系列的不同型号的游艇分别进行横向与纵向的对比，筛掉特殊造型的游艇后，进行第一步分类；

（2）将分类后的游艇进一步模块分解；

（3）提取相似特征进行归纳总结特征元素样本；

（4）利用Illustrator对特征元素样本进行曲线，曲面等的特征提取；

（5）通过总结提取其中五个元素样本进行分析。对提取的元素样本进行外形基因编码，从而得到初始基因设计样本。

（二）阿兹慕品牌基因与双体游艇设计之间的映射

阿兹慕品牌基因与双体游艇设计需求的映射关系构成是设计的核心部分。游艇各部件的设计需求需要不同的外形基因决定，从而进一步影响产品的整体风格。

将阿兹慕产品外形元素与双体游艇设计要素的设计可行性量化为阿兹慕产品外形元素与双体游艇设计要素的匹配值，构建阿兹慕产品外形元素与双体游艇设计要素之间的映射模型。

在映射关系建立实验中，需要获取双体游艇设计要素样本，这里选取5个样本进行评价。实验流程如下：

（1）样本选择：根据表1，将提取的五个外形元素样本，根据每一种样本的基因数，组合形成阿兹慕产品外形元素样本，将这五个外形元素样本作为评价试验样本。

（2）调研用户：邀请具有代表性的阿兹慕游艇用户，进行调查问卷。

（3）问卷设计：根据李克特量表，在调查问卷中，提取双体游艇设计要素的五个词汇样本，其中各词汇左端对应“-2”，右端对应“2”，中点为“0”。

（4）结果分析：根据调查结果，得到被试者对词汇样本的分值数据。利用SPSS软件，将数据进行分析，结果如表2所示。

在上述表格中，Y为双体游艇设计要素与阿兹慕产品外形元素的匹配值，分别表示为YW1，YW2，YW3，YW4，YW5；q为各设计要素的权重，用以定义各要素对产品外形元素的影响程度，用qW1，qW2，qW3，qW4，qW5，表示。

基于以上数据，用户对阿兹慕双体游艇设计的可行性评价分值（S）可以表示为

通过该计算模型对输入的可行性数据自动调用算法，映射生成新设计方案的可行性。例如：将阿兹慕游艇的前窗元素应用在双体游艇设计中，其可行性区间为[-1～0]，设计师根据该可行性进一步设计。

（三）在双体游艇中阿兹慕品牌基因的进化

通过遗传算法来计算阿兹慕品牌基因的进化，通过导入双体游艇设计需求，实现阿兹慕品牌基因的整体应用。

1.创建初始种群

使用谢菲尔德（Sheffield）遗传算法工具箱，在Matlab7.0中进行算法编程。

（1）创建基向量—cr tbase，将阿兹慕产品族作为基本字符集base，产生由向量lind的元素确定基因数量，其中lind指个体长度，作为自变量这里指阿兹慕品牌样本基因池中的5个变量的长度之和。

（2）创建二进制初始种群—crtbp，通过crtbp创建任意离散随机种群：[chrom，lind，basev]=crtbp（nind，lind），其中nind指种群个体数。

（3）创建实值初始种群—crtrp，创建一个以随机二进制编码的矩阵：nind×lind，通过对自变量赋值，进行十进制到二进制转化，从而创建初始种群。

2.适度值评估函数寻找符合双体游艇设计需求的进化函数F（X），并将此函数直接作为遗传算法所需的适度值评估函数，对可行解用评估函数进行打分，记录其中最优解。

3.遗传操作

（1）选择算子：采用赌轮盘法，经算法调试，其算法参数如下：种群规模NIND：30；个体字串长度PRECI：5。

（2）交叉算子：交叉概率Px：0.9。

（3）变异算子：变异概率Pm：0.02。

4.收敛条件

通过阿兹慕品牌基因进化，对双体游艇设计需求适应度进行计算，得到解的集合。从而形成新的种群，不断迭代计算直至得到最优解。三条产品线样本经过算法寻优后各自的最优后代基因，见表3。

（四）计算机辅助基于阿兹慕品牌基因的双体游艇造型设计系统根据建立的阿兹慕品牌基因的双体游艇造型设计研究的设计开发流程和工业设计的特点，将优化基因输入Rhino软件，通过Rhino对设计方案进行三维造型设计；利用Keyshot软件进行配色与渲染；进行渲染后得到最终设计方案效果图，如图6所示。

总结

本文提出基于阿兹慕品牌基因的双体游艇造型设计研究理论，并对阿兹慕品牌基因与双体游艇造型设计进行相关性研究与运算，结合遗传算法构建基因进化机制，建立该设计的计算机辅助系统，验证该方法的可行性，本文的研究成果可以为游艇设计实践提供参考。

考虑到用户群体的差异性以及用户体验等，未来还需对数据进行进一步完善，让游艇创新形态与风格以及塑造游艇品牌造型语言等方面考虑更多人的因素。