基于关系矩阵与模块划分的复杂装备造型设计

摘要：以无人集装箱运输车为例，探究复杂装备类产品造型设计方法，探讨综合关系矩阵与造型模块划分在方案设计初期提升产品造型整体感中的作用与重要性。对目前关系矩阵与造型设计中的模块划分进行研究，基于无人集装箱运输车的设计特点，构建产品的综合关系矩阵，根据综合关系矩阵的数据进行造型模块划分，以造型模块为基础推敲出最终造型方案。构建了基于综合关系矩阵与模块划分的造型设计流程，完成了相关项目的造型设计工作。通过在造型设计的过程中引入综合关系矩阵，使造型的关系更加合理自然，提升造型的整体感，为同类型复杂装备初期造型方案设计提供了新的设计策略与借鉴案例，为未来人工智能辅助设计提供流程参考。

关键词：综合关系矩阵；模块划分；造型设计；AHP（层次分析法）；设计流程

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）13-0138-03

引言

随着物联网技术与人工智能的发展，各类无人交通工具与AI 软件开始进入我们的生活，各大重工企业开始布局无人工程装备市场，但大部分产品造型设计过于工程化缺少整体性，设计同质化严重，急需建立品牌识别特征。而对于设计师来说，当前例如midjourney、stablediffusion 这类对抗网络生成模型AI 使得过去造型设计中只靠灵光一现的穷举方法变得非常容易替代，更加需要形成具有逻辑性的造型推演方法，从而实现设计师对于设计的主导。本文旨在通过综合关系矩阵的使用，提出一种基于造型模块划分的复杂装备类产品造型设计流程，并以无人集装箱运输车项目作为验证对象。

一、 综合关系矩阵与模块划分方法

（一）关系矩阵与模块化：基于系统整体论发展起来的关系矩阵反映了系统的整体行为，因此是分析涉及各种复杂影响因素系统的有效手段[1]。关系矩阵图是通过找出事件当中成对的因素，并将其分别排列成行和列，然后找出行和列当中的相关程度分析的一种方法。使用关系矩阵能在短时间内找到问题的重点，厘清各要素之间的关系，更好地把握整体[1]。

模块化思想起源于工业生产，其目的是简化设计程序和制造过程，缩短产品研制和设备准备的时间[2]。模块化的设计重点在于对于模块的划分，将对象整体拆分为若干模块进行分析，运用整体的思想对于复杂的产品系统进行简化。这种拆分的思想与构建关系矩阵的思路是相似的，关系矩阵在模块化设计中的运用使得模块划分更加有依据，使得部件之间的关系得以量化呈现，便于生产的同时也便于工程师去调整各个模块之间的布局关系，对于设计师的造型设计工作来说也能够提供一个数据化的参考。

（二）造型设计中的模块划分：模块的划分标准是基于具体设计项目的需求来确定的，由于机械产品的结构与功能之间并非一一对应的关系，一个结构实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干个结构实体予以实现，可以视机械产品中的实体结构为结构模块，将机械产品的总体功能分解若干个子功能，通过结构模块将功能模块转化成实体模块，从而实现总体功能[2]。目前，大部分模块划分是以工程师的视角从纯粹的功能与产品零件的角度出发进行的，对于造型设计来说，这种划分标准过于具体，需要进一步的整合去降低模块划分的颗粒度，降低同一层级下造型设计元素的数量来提升造型设计的整体性。

工业设计师与工程师进行模块划分的出发点是不完全相同的，设计师的模块划分不单单是从机器本身出发，还会从用户、品牌特征的角度出发去对模块进行划分，将工程师定义的功能结构模块进行二次归类成为造型模块去构建产品造型的特征，通过特定的不同功能模块组合去优化用户的产品体验或去建立特定的品牌特征，是建立在理性基础上的感性发散，没有绝对的对错之分，只有设计目的的区别，就像道奇挑战者系列和领克系列车型，日行灯组与前格栅整合与否就体现了品牌的造型特征。

造型模块是不同功能结构模块的统合，这种统合的方式是多样的，但分析维度是相似的，并且造型模块的大小是根据造型模块的造型层级去定义的，在设计的过程中总是从整体到局部的设计流程[3]，这种造型层级通俗来讲就是用户在第一眼看到产品造型是留下对于色块体积分区的整体印象，在进行产品造型层级分析的时候就可以通过虚化的手段去将产品图片转化为色块和图形进行观察[4]。

造型模块的划分对于工业设计师在进行外观造型设计是有积极意义的，在技术和工程导向的项目中就需要设计师能够快速整合设计输入，拥有化繁为简的能力。

二、复杂装备设计需求特征及造型设计

（一）复杂装备类设计需求特征：复杂装备类产品是指具有特定工作场景（特殊使用情境）、拥有相对封闭工作环境和用户的产品，较为常见的就是工程车辆和军用特种车辆，相对于面向大众的消费级产品在设计需求上有所不同，总的来说可以归为以下几点：

1. 产品体量大生产数量小：复杂装备类产品大部分是用于工程的车辆或者大型设备，相比较消费级产品其单价高用途专业性强，市场需求量也相对较小，成本难以被产量平摊。

2. 外观件工艺简单：复杂装备类产品项目由于其不是面向消费者的，几乎不存在要通过形式去刺激消费的需求，并且追求的是产品的坚固耐用，所以在工艺上也会选择更加低成本且耐用的工艺。

3. 结构功能复杂：由于复杂装备类项目的专业性很强，所面对的工况往往是非常复杂的，所以在功能结构设计上也会考虑周全，这就会使得整个产品系统非常复杂，这种复杂还会体现在设计团队的多学科合作上。

4. 换代周期长：复杂装备类产品换代往往是伴随着技术的重大革新，商业或军事用途的设备往往会服役多年，综合考虑换代的经济成本和学习成本的情况下，在没有严重损毁和巨大效率提升的情况下不会选择换代。

（二）无人集装箱运输车造型设计核心要素分析：复杂装备的造型设计主要分为两个方向，一个是以军用为代表的，以改进性能为目标，是以工程为主导的，军用装备产品的造型设计需要严密的功能验证，由于其技术性极强，最终造型大多也是具有审美性的[5]。另一个方向是以商用工程车辆为代表的，以企业核心技术作为支撑，车辆的设计沿袭同品牌其他产品线的设计特征[6]，前瞻类产品会追求全新的设计语言去定义未来的产品基调。

在设计时可以从加工工艺、形面风格、色彩搭配这3 个核心要素切入进行分析。

加工工艺所指的是车辆外饰件的加工工艺，目前大部分产品采用钣金折弯作为外观件成型的主要工艺，采用钣金折弯工艺能够有效控制成本但同时也限制了外饰设计的可能性，面与面之间也只能采用g0 连续，并且圆角的使用也会非常受限[7]，考验设计师对于造型体量的把控能力。

造型风格是受成型工艺影响的[8]，使用单一钣金件的产品造型风格是趋同的，拥有更多成型工艺选择的产品在造型风格上能够更容易做出代际差异，例如沃尔沃vera 的设计就采用了复杂曲面去体现沃尔沃商用车的家族语言，会给用户一种现代科技的感觉。

色彩搭配由图形与材质两方面决定，拥有复杂曲面的产品在平面图形的设计上会更加简洁，而对于复杂装备这类简单形面的产品来说，涂装设计和材质选择就是家族语言体现的重要手段[9]，例如gaussin 的系列产品都是采用钣金成型，所以通过其特色的薄荷绿色涂装去形成家族语言。

总的来说，复杂装备类产品的造型设计是以成型工艺为基础，以色彩搭配作为家族语言表达手段的，这类产品的造型设计看似简单，却需要设计师有很强的设计能力去做出品牌差异。

（三）无人集装箱运输车设计难点分析：结合无人集装箱运输车项目的设计愿景，在设计过程中主要需要解决以下几个难点。

1. 市场不够成熟：目前国内市面上没有成熟的标杆产品，大众还没有对无人集装箱运输产品形成认知，在这样的市场情况下设计是没有参照的，虽然有更多可能性但也存在很多未知问题，厂家就需要尽可能提高自身设计的标准，对于造型设计而言，设计师就需要与工程团队更加紧密配合才能够完成产品的初期定义。

2. 与历代产品形成代际差异：作为面向未来无人化作业的产品线，厂家希望产品能与原有的产品线在风格上，技术上形成代际差异，但在生产工艺上不用做出很大的改变，方案需要有前瞻概念性但同时也要能够运用到近期的落地产品设计中。

3. 工程技术主导下的造型设计：由于产品的非消费属性，无人集装箱运输车的技术性和工程性特点非常显著，造型设计是对于产品设计原型展示起到一个辅助作用，作为初代的概念产品，实现功能是第一位的，后续产品的造型可以针对性优化，当前，阶段设计师需要在苛刻的设计输入条件下完成对于造型的创新设计。

三、基于综合关系矩阵和造型模块划分的设计流程

针对上述问题，本文提出了基于综合关系矩阵和造型模块划分的设计流程，如图1，首先将输入的工程原型分解为功能模块，然后根据项目特征确定评价指标，寻找相关人员组建调研对象组确定指标权重并对各个模块之间的关系进行评分，最后组成综合关系矩阵，根据不同模块之间的关系量化数据将功能模块整合为造型模块。

（一）模块关系评价准则：功能模块的综合关系矩阵是由多个维度的判断矩阵依照一定的权重相加所得的，机械零部件设计时会采用基于F-P-B-S 的模块划分方法，针对造型设计的特性在FPBS 的基础上优化为从空间位置、使用流程、材质色彩、功能这几个维度进行相关性评价，空间位置维度即不同的功能模块在空间上的位置距离。使用流程即产品在运转期间各个功能是否存在信息、能量、物料的传递和是否具有用户交互操作的连续性。材质色彩的评价标准一方面是各个功能模块是否存在相似的材质，功能即评判不同的模块之间的功能是否近似。这4 个维度的评价指标标度具体如表1 所示。

（二）模块综合关系矩阵构建与权重确定：对工程原型不同功能模块之间的关系进行分析，确定对应的评价标准后建立出空间位置关系矩阵、使用流程关系矩阵、材质色彩关系矩阵和功能关系矩阵，由于不同的产品类型具有不同的项目偏好，所以针对复杂装备类产品采用AHP（层次分析法）确定不同指标的权重，最后的出产品模块之间的综合关系矩阵。

权重确定首先是以提出的4 个指标为基础建立判断矩阵，将4 个指标v、u、m、f 分别记为a1、a2、a3、a4，构建如下表所示判断矩阵，邀请5 位项目相关工程师和10 位产品设计师组成调研对象组，让他们依照设定的层次判断标度对4 个指标进行两两打分。

再将得到的所有判断矩阵采用几何平均法进行计算出的几何平均值[10]，

后将数据进行归一化处理得到最终的权重向量。最终得到的指标判断矩阵及权重如表2 所示

由数据可见，对港口无人集装箱运输车来说，模块之间的位置空间关系最为重要，其次是功能，最后是使用流程和材质色彩，权重分布整体符合预期。

四、无人集装箱运输车设计实践

（一）无人集装箱运输车造型模块分析：在进行造型模块划分之前，需要设计师充分了解工程原型的布局与简单工作原理。

在进行模块拆解定义时，将工程原型按照独立功能组件进行拆解，共划分出车前屏幕、前激光雷达、轮眉饰板、侧裙、电池箱、集装箱限位板、前摄像头、侧摄像头、调节口、前碰撞板、灯组这11 个单独的功能模块，模块之间存在联系但又相对独立，将这些模块用不同的颜色进行标识，对于可变动位置的部件边界进行模糊，扩大其造型的可能性。

将11 个功能模块进行4 个维度的关系评价，最终的综合关系矩阵如表3 所示。

根据数据将具有较高关联性的模块划分为一个造型模块，最终所有11 个功能模块归纳为6 个造型模块，车前屏幕、灯组、前摄像头具有明确的通信作用所以划分为一个造型模块，前碰撞块由于工程要求独立为一个造型模块，电池箱作为一个单独的造型模块，由于侧摄像头工作范围具有一定的限制所以将其与前激光雷达进行组合，将侧裙、轮眉饰板与调节口整合，集装箱限位作为一个单一的造型模块，划分情况如图2所示，后续造型设计则以这6 个模块作为基础进行造型推演。

（二）方案设计：在方案设计的过程中，需要不断。从项目规划角度出发，希望产品能够树立无人智能化集装箱运输车的标杆形象，在造型设计上可以完全打破原有相关产品线的造型语言，运用全新的造型语言去诠释设计。

在方案设计上提出了以下几个设计亮点：

1. 未来感造型语言：在获得了最基础的造型模块后，需要进行不同模块之间的造型关系设计，本方案的造型关系灵感来源于高科技建筑风格，不同的模块之间保持一定的距离去体现一种疏离感，这种疏离感让人联想到机械的快速变形，同时为了保持造型的整体感，对于造型模块之间的大小主次关系进行了仔细调整，使得相邻模块造型存在一定的大小节奏变化，改善了由于钣金折弯工艺带来的造型死板问题。同时高强度不锈钢的造型件也为车身零部件提供了支撑，将造型与骨架结合一体，降低了装配成本也便于后续的维护，去除了不必要的装饰，与现有的港口系列产品形成了代际差异。

2. 超大EHMI 交互屏幕：针对港口密集的集装箱调度情况，提出了车语屏与大灯组一体化的设计语言，由于无人驾驶的工况条件下，车辆的大灯只在视野条件不好的情况下为视觉识别系统提供辅助照明，大部分的灯光交互由车语屏提供，地面管理人员可以实时调用车语屏查看车辆运营状态，激光大灯也能够通过点阵式的灯光投影为调度塔台的指挥员提供直观的信息。

3. 两侧快速换电：车辆采用换电设计，两侧各布置3 块电池，并且为了更加紧凑的换电站设计，车体两侧的电池仓采用滑门设计，为换电机械臂提供更大的运动空间。

经过多轮的草图评审和方案修改，最终决定采用如图3 所示的草图方案，后经由电脑建模渲染进行最后一轮方案评审。

结语

文中基于产品的功能模块划分，针对产品造型设计的项目特点提出了造型模块的概念，引入关系矩阵对产品的功能模块进行分析，从空间位置、使用流程、材质色彩、功能4 个指标为基础的构建产品功能模块综合关系矩阵，运用AHP（层次分析法）确定了4 个指标的判断矩阵在综合关系矩阵中的权重，通过对于产品功能模块之间关系的量化帮助设计师更好地归纳出较为适合的造型模块划分方案，总结出了面向复杂装备类产品初期造型设计的优化策略，最后将设计策略运用到了港口无人集装箱运输车的设计项目中，产出了符合项目要求的最终方案，验证了设计策略的可行性。在造型设计的过程中合理把控数学分析的使用能够使得设计师在自主把握设计方向的同时兼顾设计的合理性，为造型设计方案提供一定的数据支撑，对于数学分析的使用与未来对于人工智能的使用是一样的，设计师永远都是作为设计方向的主导，数据的支撑与人工智能的使用都只是一种工具，所以未来设计师需要建立更加合理的工作流与设计策略去面对更加充满挑战的项目环境，体现设计师作为人的价值。

参考文献

[1]张晓晖，王辉，戴福初. 基于关系矩阵和模糊集合的斜坡稳定性综合评价[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19（03）：346-351.

[2]尚淼. 模块化设计思想在工业产品造型设计中的运用[J]. 包装工程，2007，28（04）：96-98，112.

[3]姜芊芊. 面向复杂产品系统的模块划分方法研究[D]. 成都：电子科技大学，2020.

[4]谭正棠，赵江洪. 基于线型特征和图形特征的品牌产品识别设计_谭正棠[J]. 包装工程，2014，35（24）：17-21.

[5]杨建明，李洒，巩超. 军用特种车辆工业设计研究综述_杨建明[J]. 包装工程，2021，42（20）：29-48，10.

[6]戴鹏. 基于模块划分的家族化概念叉车设计研究[D]. 长沙：湖南大学，2020.

[7]李峰，周雄辉，阮雪榆. 钣金零件的特征设计[J]. 机械科学与技术，1999，18（02）：342-344.

[8]付璐. 汽车车身造型设计美学研究[D].长春：吉林大学，2009

[9]翁超，巩淼森，梁峭. 情境视角下就地热再生车辆产品设计策略_翁超[J]. 包装工程，2021，42（02）：129-134，142.

[10]邓雪，李家铭，曾浩健. 层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]. 数学的实践与认识，2012，42（07）：93-100.