張濤，蔡薇*，張?zhí)炱?，丁芳芳，龔鑫?/p>

1 武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063

2 武漢理工大學 郵輪游艇設計研究院，湖北 武漢 430063

0 引 言

大型郵輪承載的乘客及工作人員人數眾多，艙室類型和數量繁多，娛樂、生活與安全等設施設備齊全，同時還要兼顧特型船舶的航行性能，所以其總布置極其復雜。以我國擬建造的郵輪為例，該船最大載客人數約5 000 人，為保證船舶的使用功能，船上設計有大量燃油艙、污水艙、灰水艙、淡水艙和食品儲藏艙室，以及龐大的機艙和供電設備，此外，還有供乘客使用的艙室（2 000 多間客房）及各類設施（餐廳、酒吧、娛樂設施等）。

我國在郵輪總體布局設計研究方面近兩年剛剛起步，相關資料少、研究基礎薄弱。國外學者針對郵輪總體布局設計已經展開了大量研究。Parnyakov[1]對郵輪內部設計進行分析，通過優(yōu)化大型功能艙室和客艙的布局設計，提升了郵輪的整體舒適度。Ahola 等[2]探討了郵輪內不同的環(huán)境設計特征對郵輪安全性的影響，并針對游客主觀安全性對郵輪通道提出了優(yōu)化設計方案。Kowollik等[3]從郵輪主題文化的角度出發(fā)，通過縮小郵輪主題文化與游客日常文化之間的差異，提高了游客滿意度。Jo 等[4]采用模糊建模的方法來量化游客的審美偏好，并基于該量化結果優(yōu)化了郵輪的外觀設計。

總布置設計內容有經典的船體分艙與空間劃分、通道設計、錨泊、救生和消防設計與配置、通信導航系統(tǒng)設計與配置等幾大內容，大型郵輪因其特殊性，相對于經典的船舶總布置設計有較大的延伸與拓展，特別是在融合現代信息技術、面向模塊化的設計、面向安全的設計、面向人機工程的設計、面向智能化知識系統(tǒng)的設計等方面，有其獨特之處。本文擬以公理化和模塊化設計原理為基礎，結合世界現有典型大型郵輪系列總布置設計資料[5]，對其總布置設計機理進行剖析。

1 應用公理化設計原理的郵輪主題功能區(qū)域設計機理探究

作為船東的郵輪公司為增大公眾吸引力、拓展新客源市場，往往會推出不同風格的主題郵輪。世界上郵輪運營公司的大型郵輪都有其主題或系列主題[6-7]。同時，郵輪作為移動的“海上城邦”，不同于陸地上的主題建筑，其主題設計不僅要考慮游客的需求，還要考慮相關的郵輪規(guī)范、航行性能等諸多因素。下面，將在剖析大型郵輪主題功能區(qū)域設計需求的基礎上，運用基于公理化設計理論的映射方法，建立郵輪游客需求與功能需求間的關系模型，以探討郵輪功能區(qū)設計與其他功能模塊設計相連接的關鍵技術及限制條件，力圖找到現有主題郵輪到潛在主題郵輪的映射規(guī)律，得出潛在主題郵輪設計的改進部分，為設計符合我國需求的主題郵輪及功能區(qū)域提供依據。

1.1 世界著名郵輪特色主題功能區(qū)域特點與元素提取

首先，從主題居住艙室、主題餐飲區(qū)域及主題娛樂區(qū)域3 個方面探究主題郵輪功能區(qū)域的一般布置特點；其次，從地域特性、時代特性及藝術特性方面提取郵輪主題功能區(qū)域的元素[8]，通過對典型主題郵輪甲板區(qū)域圖的描繪，統(tǒng)計其主題區(qū)域面積，通過數學比例關系的對比，找出主題功能區(qū)域與郵輪各功能區(qū)域之間的數學關系式，從而得出主題功能區(qū)域的設計規(guī)律。

對典型主題郵輪的主題功能區(qū)域占甲板總面積的百分比進行統(tǒng)計，繪制了典型郵輪主題功能區(qū)域面積比例分布圖（圖1），并對其進行曲線和公式擬合，得到了其曲線擬合圖（圖2）和擬合公式（1）。

式中：y 為郵輪主題功能區(qū)域占甲板總面積的比例；x 為郵輪的功能區(qū)域類型，x=1 時表示餐廳區(qū)域，x=2 時表示酒吧區(qū)域，x=3 時表示娛樂區(qū)域，x=4 時表示居住艙室。

圖1 典型郵輪主題功能區(qū)域面積百分比Fig. 1 Percentage of themed functional area of cruise ships

圖2 典型郵輪主題功能面積比例擬合曲線圖Fig. 2 Proportional fitting curve of typical themed functional area of cruise ships

下面，對式（1）計算結果與統(tǒng)計結果間的合理度區(qū)間進行驗證。首先，將x =1，2，3，4 分別代入式（1），計算各主題功能區(qū)域的面積。然后，通過式（2）計算其合理度，其值越小說明計算結果越合理。在面積合理區(qū)間中，Δ 的最小值為區(qū)間的左端點，Δ 的最大值為區(qū)間的右端點，相關數據如表1 所示。

式中：Pc為公式計算百分比；Pa為實際百分比。

表1 擬合公式計算結果及差值范圍統(tǒng)計表Table 1 Fitting formula calculations and statistics of difference range

從表1 中可以看出，雖然計算得出的結果與統(tǒng)計得出的結果存在一定的偏差，但是根據郵輪主題功能區(qū)域曲線擬合的實際情況，可以認為計算結果具有一定的合理性。

1.2 基于公理化設計的主題功能區(qū)域映射

Suh[9]對1990 年以來的設計理念進行了系統(tǒng)研究，提出了設計公理體系。將傳統(tǒng)上以依靠經驗為主的設計建立成一套以科學法則、公理為基本的公理體系，這是公理化設計（axiomatic design，AD）的出發(fā)點。在該體系中，將設計問題分解為需求域、功能域、物理域與過程域4 個域（圖3），這4 個域依次按照“之”字映射機制相關聯[10]。

基于公理化設計理論的定制產品功能結構模型（product function and structure mode，PFSM）的優(yōu)化算法及構建原則，對現有主題郵輪的功能區(qū)域進行分解，將游客需求與功能需求進行映射，可得出其相應的權重值。功能需求的權重值Hij可由式（3）計算得出。

圖3 AD 示意圖Fig. 3 AD schematic diagram

式中：CRi為游客需求在郵輪功能區(qū)域設計時所占權重；FRij為游客需求與郵輪功能需求的關聯程度，其數值越大，代表二者的關聯度越大，若不相關，則數值為0。

下面，以“孝文化”為郵輪主題對潛在主題郵輪進行游客需求與功能需求之間的映射，將得出的各部分權重值進行對比，根據對比結果得出潛在主題郵輪功能區(qū)域的設計要素，為將現有主題郵輪改造為潛在主題郵輪提供建議。

其中,餐廳區(qū)域的需求可以細分為：食品衛(wèi)生、服務質量、就餐時間、菜肴種類、就餐環(huán)境、人口密度及餐品價格。游客需求與餐廳功能需求質量屋的配置表如表2 所示。

表2 游客需求與餐廳功能需求質量屋配置表Table 2 Quality house configuration of tourists' requirements and restaurant functional requirements

酒吧區(qū)域的需求可以細分為：酒吧環(huán)境、服務質量、服務設施、人口密度、酒吧位置及活動類型。游客需求與酒吧功能需求質量屋配置表如表3 所示。

表3 游客需求與酒吧功能需求質量屋配置表Table 3 Quality house configuration of tourists' requirements and bar functional requirements

居住艙室功能區(qū)域的需求可以細分為：安全性、艙房衛(wèi)生、設施種類、艙房布局、海景窗面積及陽臺面積。游客需求與居住艙室功能需求質量屋配置表如表4 所示。

表4 游客需求與居住艙室功能需求質量屋配置表Table 4 Quality house configuration of tourists' requirements and accommodation functional requirements

娛樂功能區(qū)域的需求可以細分為：場所面積、娛樂環(huán)境、項目多樣性、項目參與性、設施種類及活動特色。游客需求與娛樂功能需求質量屋配置表如表5 所示。

表5 游客需求與娛樂功能區(qū)域質量屋配置表Table 5 Quality house configuration of tourists' requirements and entertainment functional area

根據郵輪旅客需求及“孝文化”主題的選取，綜合專家的評定意見，同理，可以求出潛在郵輪的功能需求權重值H'ij，具體如表6～表9所示。

表6 游客需求與潛在郵輪主題餐廳功能需求質量屋配置表Table 6 Quality house configuration of tourists' requirements and potential restaurant functional requirements

表7 游客需求與潛在郵輪主題酒吧功能需求質量屋配置表Table 7 Quality house configuration of tourists' requirements and potential bar functional requirements

表8 游客需求與潛在郵輪主題居住艙室功能需求質量屋配置表Table 8 Quality house configuration of tourists' requirements and potential accommodation functional requirements

表9 游客需求與潛在郵輪主題娛樂功能區(qū)域質量屋配置表Table 9 Quality house configuration of tourists' requirements and potential entertainment functional area

將潛在主題功能區(qū)域需求權重值的排序與某典型郵輪相應的權重值進行對比，結果如下。

餐廳區(qū)域：

酒吧區(qū)域：

居住艙室：

娛樂區(qū)域：

將潛在主題郵輪功能區(qū)域與某典型郵輪功能區(qū)域相比較，可發(fā)現如下設計規(guī)律。

1） 餐廳區(qū)域：與某典型郵輪餐廳區(qū)域相比，就餐時間的權重值相對來說較小，即排序靠后，而食品衛(wèi)生的權重值相對來說要大，即排序靠前，人口密度與餐品價格的權重值相近。

2） 居住艙室：與某典型郵輪居住艙室相比，安全性、艙房布局的權重值相對較小，設施種類、艙房衛(wèi)生的權重值相對較大。

3） 娛樂區(qū)域：與某典型郵輪娛樂區(qū)域相比，項目參與性的權重值較小，活動特色的權重值相對較大。

因此，若要將某典型郵輪打造成潛在主題郵輪，即以“孝文化”為主題的郵輪，可以在以下方面進行設計改進：對于餐廳區(qū)域，照顧到老年人的身體狀況與飲食衛(wèi)生，需優(yōu)先考慮食品衛(wèi)生，而就餐時間則可相對靠后考慮；對于酒吧區(qū)域，其各功能需求方面的權重值排序相同，也就是在進行改造設計時，只需將某典型郵輪酒吧區(qū)域的娛樂元素轉換成“孝文化”元素即可；對于居住艙室，考慮到老年人的身體狀況與行動能力，應著重在設施種類與艙房衛(wèi)生上下功夫，也就是在進行設計時，將一些必要的設施改換成適合老年人使用的便利設施，注重房間衛(wèi)生，避免疾病等；對于娛樂區(qū)域，應在活動特色上多花心思，多安排一些能吸引老年人的特色活動，由于老年人精力有限，所以郵輪上的互動項目可以相對減少。

2 面向知識工程的郵輪模塊化設計機理探究

郵輪設計建造的模塊化是目前國際郵輪生產中的常用方法。為探索其模塊劃分與提升設計建造效率的機理，下面將分析大型郵輪乘客艙室的配置和布置特點，得到模塊劃分的最小單元模塊—標準單元模塊，根據模塊間的功能、物理、結構邊界條件對標準單元模塊進行模糊聚類，然后借助Matlab 軟件計算生成聚類圖，通過選取閾值得到郵輪模塊的劃分方案。

2.1 模塊劃分的直接聚類與郵輪空間元素綜合相關度分析

模塊化的本質是對復雜系統(tǒng)的標準化，它依據標準化、系列化、通用化等原則對系統(tǒng)進行模塊分解及組合，并最終將各類要素有機結合起來，形成具有特定功能的系統(tǒng)[11-12]。從模塊層次的角度審視郵輪內部的空間元素，剖析郵輪主要設施的模塊化程度、屬性特征以及與規(guī)范的相關性，可為布局模塊相關性的評價提供參考依據。以生成郵輪布局模塊為目標，對郵輪上層區(qū)域內的各類空間元素進行模塊化分析，在模塊化基本原理及郵輪空間元素層次性分析的基礎上[13]，以模糊聚類理論建立郵輪模塊劃分流程，并以登乘甲板為例進行實例劃分，利用平面拓撲學解決布置沖突性。根據探究的相關規(guī)律為郵輪布局優(yōu)化模型的建立與求解提供理論支持和科學依據。應用模糊聚類法的模塊劃分流程如圖4 所示。

基于以上對功能相關性及幾何相關性的討論，將空間元素i 與j 之間的綜合相關度 Rij定義如下：

式中：ω1和ω2分別為功能相關性和結構相關性在綜合相關度評定中所占的權重；C1和C2分別為i，j 對應的功能相關性和結構相關性評價值。

首先，以某郵輪登乘甲板為例進行艙室模塊劃分。為便于表述，對甲板上具有代表性功能的空間元素進行編號，編號規(guī)則采用“甲板層號-D-空間元素序號”的形式，如表10 所示。

圖4 郵輪模塊劃分評價及模塊方案生成流程圖Fig. 4 Flow chart of cruise module partition evaluation and module scheme generation

表10 某郵輪登乘甲板區(qū)域內空間元素編號Table 10 Number of space elements in the boarding deck area of a cruise ship

然后，依據定義的綜合相關性評價公式，對登乘甲板內的空間元素兩兩進行相關性評價，求取其綜合相關度，對應的模糊關系評價矩陣C4如圖5 所示。

通過分析，登乘甲板內空間元素綜合相關度R 的范圍在0.25～0.85 之間，即閾值λ 低于0.25 時所有元素歸入同一布局模塊，閾值λ 高于0.85 時則每個元素自成一個模塊。由高到低以此選取不同的λ 作為閾值，可形成登乘甲板的聚類譜系，如圖6 所示。

由圖6 可知，閾值取0.4 時方案的模塊劃分結果，無論是方案的總體方差水平還是劃分方案內空間元素關聯程度，均優(yōu)于其他劃分方案。具體劃分方案如圖7 所示。

圖5 登乘甲板模糊關系評價矩陣C4Fig. 5 Fuzzy relation evaluation matrix C4 for boarding deck

圖6 登乘甲板內空間元素的聚類譜系圖Fig. 6 Cluster spectrum of spatial elements in boarding deck

圖7 某典型郵輪登乘甲板模塊劃分實例Fig. 7 An example of module division for boarding deck of a typical cruise ship

將劃分方案歸納整理后，模塊名稱和模塊所包含的空間元素如表11 所示。

基于郵輪空間元素的綜合相關度分析，并應用模糊聚類法對郵輪上層區(qū)域的空間進行模塊劃分，可以有效規(guī)整類型復雜、尺度不一的郵輪內部空間，為以后的郵輪布局優(yōu)化設計奠定基礎。

表11 登乘甲板內模塊分類及所含空間元素Table 11 Module classification and space elements in boarding deck

2.2 基于頻次統(tǒng)計的乘客艙室模塊布局分析

郵輪的尺度大、甲板層數多，但通過比較不同郵輪的布局形式，發(fā)現不同甲板的功能分布具有一定的規(guī)律性。頻次，即艙室在不同的甲板區(qū)域出現的次數，通過統(tǒng)計、分析同一系列郵輪的頻次，能夠反映出該系列郵輪上功能艙室的分布情況及相關規(guī)律。以“公主”系列郵輪為例（不同郵輪0 甲板的位置可能不同），涉及到乘客功能艙室的甲板通常起始于5 甲板（4 甲板上通常只布置醫(yī)療艙），從5 甲板往上均為服務于乘客的甲板?；趯ζ湟?guī)律的分析，進行如下劃分：從5 甲板往上的3 層甲板為第Ⅰ部分，從最高甲板往下的4 層甲板為第Ⅲ部分，中間的甲板為第Ⅱ部分。具體劃分結果如表12 所示。

表12 不同郵輪乘客甲板的劃分結果Table 12 Partition results of passenger decks on different cruises

為便于數據統(tǒng)計，對第Ⅰ和第Ⅲ部分的甲板進行重新編號，其中，第Ⅰ部分甲板的甲板序號為1，2，3；第Ⅲ部分甲板的甲板序號為X4，X5，X6 和X7?；跀祿治隹芍?，第Ⅰ和第Ⅲ部分甲板的艙室分布具有一定的相似性。將不同郵輪的餐飲艙室、娛樂艙室在各區(qū)域出現的頻次數據進行疊加處理，疊加之后所獲得的數據如表13 所示。同一甲板區(qū)域不同類型艙室的頻次數值相差較大，數值小說明該種布局方式較特殊，數值大則體現了艙室分布的規(guī)律，說明不同郵輪上該類艙室基本都分布在該區(qū)域。

隨后，可以針對甲板區(qū)域間的艙室布局，基于大量的簡化布置圖，統(tǒng)計獲得不同類型艙室在不同甲板區(qū)域出現的頻次，以此表征艙室布局的規(guī)律；基于一套詳細的布置圖資料，獲得艙室的長、寬等尺寸資料；此外，以甲板區(qū)域內部的艙室布局為研究對象，將甲板區(qū)域的布置圖直接儲存，以便在布局設計時直接提供參考；獲取參考圖片時，以甲板區(qū)域的區(qū)域編號（A，B，C，D）和其內的艙室類型為標準進行檢索，按照相似度進行排序。相關統(tǒng)計結果如圖8 所示。

根據上述分析，可得以下郵輪艙室布局規(guī)律：

1） 主餐廳和自助餐廳這2 類餐廳集中分布于C，D 區(qū)域，即甲板縱向方向上的中后部分。其中，主餐廳集中分布于1 甲板和2 甲板；自助餐廳集中分布于X4 號甲板的C，D 區(qū)域。

2） 購物類艙室一般集中于低層甲板的B 區(qū)域。

3） 有氧運動區(qū)、健身中心等運動類艙室對艙室所處的高度有一定的要求，一般分布于第Ⅲ部分甲板上。

4） 劇院集中分布在低層甲板的端部，且一般會占滿A 區(qū)域的2 甲板和3 甲板的甲板空間。

5） 大型游泳池集中分布于X4 甲板B，C 區(qū)域的露天部分；該露天部分甲板上圍繞泳池分布了酒吧、特色餐飲店，這些店所占的甲板面積都很小。

6） 郵輪上的按摩中心、水療場所、理療室、時尚沙龍通常集中布置于某一甲板的A 區(qū)域。

7） 成人休憩區(qū)（日光浴區(qū)）通常布置于X4 或者X5 甲板的A 區(qū)域。

表13 甲板區(qū)域的乘客艙室頻次統(tǒng)計(不包括居住甲板)Table 13 Frequency statistics of passenger compartment in deck areas (excluding residential decks)

圖8 某系列郵輪部分艙室布局頻次統(tǒng)計Fig. 8 Frequency statistics of partial cabin layout for a series of cruise ships

3 結 語

本文應用公理化設計原理以及面向知識工程的模塊化設計機理，探索了郵輪總布置設計的規(guī)律。結果表明，通過發(fā)展和完善不同郵輪主題系列游客需求與功能需求間的關系模型，以及對郵輪艙室模塊進行合理的劃分，可以更加深入地探尋主題郵輪總布置的設計規(guī)律。在后期研究中，可以構建模塊實例庫，并積累大量郵輪設計與模塊實例設計的相關信息，形成大型郵輪模塊化設計系統(tǒng)。這將會極大地提高設計效率和產品質量，從而實現郵輪的智能模塊化設計。