系統(tǒng)設(shè)計視角下的珊瑚移植用人工礁體設(shè)計

黃鈺準 張軍 黃暉 張浴陽

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)設(shè)計 珊瑚移植 人工礁體 模塊化 工業(yè)設(shè)計

引言

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是一個龐大的生物群落，直接或間接地支撐著近四分之一的海洋生物，具有極高的生物多樣性，對海洋有無法替代的作用。由于氣候變化與人類活動，海洋生態(tài)環(huán)境不斷遭到破壞，該生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重威脅。生境修復與生物移植是修復珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的有效手段，人工礁體在其中扮演著重要角色。在生境修復上，投放入海的人工礁體能重構(gòu)珊瑚礁生境，從而促進珊瑚等生物附著、生長、繁殖及其種群恢復，加速珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的修復進程[1]。在生物的移植上，人工礁體能為單體珊瑚、珊瑚斷片或珊瑚幼蟲提供附著和生長的硬質(zhì)基底。全球范圍內(nèi)，越來越多地使用人工礁體進行珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的修復活動[2]。然而，為了使人工礁體成為一種有效的恢復工具，人工礁體的設(shè)計、部署和維護需要規(guī)范。其在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造成本、工程性能、運輸效率、操作效率等多方面的設(shè)計考量將直接影響修復效果。

一、人工礁體設(shè)計研究現(xiàn)狀

在自然或生物活動脅迫下死亡的珊瑚通常會退化成碎石，這種基底通常不適合珊瑚的自然定居[3]。珊瑚移植的基本原理是用新的珊瑚群落替換被破壞地區(qū)的死珊瑚群落，以加速自然恢復[4]，這需要待移植的區(qū)域具備穩(wěn)固的基底條件，人工礁體因能通過材料、造型等方面的設(shè)計為珊瑚提供穩(wěn)固而適合的生長附著環(huán)境，是珊瑚移植中較常使用的人造基底。

然而，目前的人工礁體卻普遍缺乏設(shè)計標準[5]，有學者通過總結(jié)國內(nèi)人工礁體類型，發(fā)現(xiàn)我國的人工礁體建設(shè)起步不久，還沒有固定的，可依據(jù)的設(shè)計模式[6]。宋朝祥認為，人工礁體的發(fā)展越來越趨于多樣化，但目前人工礁體的設(shè)計整體還是處于較為初級的階段，沒有詳細國家標準和規(guī)定、具有設(shè)計特征不明顯、設(shè)計重復利用率低、人工礁體設(shè)計流程單一的特點，衍生出對能搭建出各類功能形狀以適應環(huán)境的標準化人工礁體需求，以及能在水下高效進行修復工作的工具、操作方法與操作模式的需求[7]。學者黃暉也認為修復是一項系統(tǒng)的科學工程，需要系統(tǒng)地進行統(tǒng)籌安排與規(guī)劃[8]。

總體來看，目前人工礁體在設(shè)計的研究和實踐層面：1）以珊瑚作為核心服務對象，珊瑚礁修復作為主要目的，人工礁體作為修復落點的研究和設(shè)計實踐相對較少。2）目前人工礁體的研究多為縱向以單一魚礁特性（如水動力、穩(wěn)定性）為研究對象，缺少以系統(tǒng)角度對珊瑚移植行為進行梳理，得出珊瑚移植多方利益者需求，并將其對應到人工礁體的設(shè)計研究。3）人工礁體設(shè)計案例的設(shè)計理論支持薄弱，設(shè)計研究導向的人工礁體實例較少。4）人工礁體的生產(chǎn)沒有統(tǒng)一的造型標準，不易量產(chǎn)，造價較高，缺少配套使用的工具設(shè)備。

在這樣的背景下衍生出了以珊瑚為設(shè)計服務對象，從材料-制造-運輸-投放-產(chǎn)生價值等方面全流程梳理珊瑚移植行為，探究珊瑚移植行為中多方利益者觀點，并將其對應到人工礁體設(shè)計的需求。

二、系統(tǒng)設(shè)計及其研究方法

系統(tǒng)設(shè)計是一種適用于復雜、多系統(tǒng)、多利益主體的服務或項目的設(shè)計思維，其主導在復雜項目中提供以人為中心的設(shè)計指導。系統(tǒng)設(shè)計積極整合了系統(tǒng)學科思維和方法，根據(jù)已知的設(shè)計能力（如過程推理、社會研究方法、草圖和可視化）進行調(diào)整，以適應復雜的服務和系統(tǒng)[9]。面對多因素交織的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計的思維能幫助設(shè)計師梳理各因素的關(guān)系，引導設(shè)計師做出有效的設(shè)計決策。例如GIGA-Mapping將復雜的系統(tǒng)拆解并以可視化的形式呈現(xiàn)關(guān)鍵點以輔助設(shè)計[10]，學者Jones也從復雜社會系統(tǒng)的視角解讀了系統(tǒng)設(shè)計的十大原則[11]，并從中衍生出了系統(tǒng)思維視角和設(shè)計思維視角下對應十大原則的方法，其中對系統(tǒng)仿真建模的方法因可以兼顧控制論和定量推理的思維模式，在復雜系統(tǒng)中使預測系統(tǒng)動向成為可能[12]。

本研究將重點應用系統(tǒng)設(shè)計對多利益相關(guān)者的仿真建模方法，基于本次以人工礁體為設(shè)計對象的跨學科系統(tǒng)設(shè)計實踐，探索系統(tǒng)設(shè)計方法在實踐中的效果。一方面將全程參考系統(tǒng)設(shè)計思維，在珊瑚移植系統(tǒng)中對核心利益相關(guān)者行為進行仿真建模分析，以此推導出核心需求并導向人工礁體的設(shè)計；另一方面，以完整的系統(tǒng)設(shè)計實踐研究反思系統(tǒng)設(shè)計在珊瑚移植和人工礁體設(shè)計領(lǐng)域中應用的優(yōu)劣勢。

三、人工礁體設(shè)計實踐

本次實踐由設(shè)計師與珊瑚研究領(lǐng)域?qū)＜乙约巴聊绢I(lǐng)域?qū)＜夜餐献鳎栽O(shè)計開發(fā)珊瑚移植用人工礁體為主要目標，為新設(shè)計人工礁體的配套技術(shù)（如適配新礁體的水下操作工具設(shè)計等）為次要目標。本研究將從信息采集、信息分析處理、分析結(jié)果導向設(shè)計的路徑、設(shè)計結(jié)果四個方面對實踐進行解讀。

（一）珊瑚移植活動流程研究。珊瑚移植活動可以分為水域資質(zhì)評估和珊瑚移植執(zhí)行兩步（圖1的上半部分為水域資質(zhì)評估，下半部分為移植執(zhí)行），本研究將重點關(guān)注人工礁體主要涉及的“珊瑚移植執(zhí)行”環(huán)節(jié)。由于不同移植活動中具體海域情況、人員情況、經(jīng)費情況等多方因素的不同，移植活動需進行本地化的適配和改變，目前國內(nèi)并沒有普適與標準的執(zhí)行流程。本研究將重點描繪在使用范圍上較通用，在操作步驟上較為完整的執(zhí)行流程。

在水域資質(zhì)評估通過后，首先需要進行移植用珊瑚（特定種類的珊瑚碎片、斷枝）的準備工作。該準備工作包含了：1）采集目標種類的珊瑚斷枝或碎片。2）將這些斷枝或碎片（用作母體）進行野外培育待其生長壯大（如果具備野外培育條件及設(shè)備）。3）利用珊瑚無性繁殖的特點，從長大的珊瑚枝丫中截取部分用作移植用珊瑚斷枝或碎片（如果具備野外培育條件及設(shè)備）。4）將收獲的珊瑚斷枝或碎片運送至具備養(yǎng)殖條件的寄存點暫時養(yǎng)殖存放，等待其他執(zhí)行準備（出海船只聯(lián)絡(luò)、水下操作潛水員聯(lián)絡(luò)等）完畢。

當準備工作完成后，進行珊瑚移植活動的執(zhí)行步驟，該步驟主要包含：人工礁體的投放和安裝、與珊瑚的水下移植兩部分。在流程上體現(xiàn)為：5）船只運送移植用人工礁體、移植用珊瑚到達指定海域，將人工礁體投放入海（大體量人工礁體的運輸和投放需在移植活動執(zhí)行前進行，一般不與水下移植活動同批）并在海底安放和部署。6）在水下將珊瑚碎片固定在已投放入海的人工礁體上。

（二）珊瑚移植活動利益相關(guān)者研究。珊瑚移植活動流程的研究為利益相關(guān)者的發(fā)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，設(shè)計師可以通過利益相關(guān)者分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中重要的研究對象并提取其設(shè)計需求。學者Mascia將利益相關(guān)者類型分為：

關(guān)鍵利益相關(guān)者、主要利益相關(guān)者、次要利益相關(guān)者、第三級利益相關(guān)者四種[13]。

基于該分類方法本研究將珊瑚移植活動中的利益相關(guān)者整理為下圖：

（三）關(guān)鍵利益相關(guān)者分析——種植的珊瑚。因果回路圖（causalloop diagram，CLD）是表示系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的重要工具，它可以快速推測系統(tǒng)各因素關(guān)系[14]，珊瑚是生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其所受的影響因素是復雜而多元的，本研究將使用該方法梳理各影響因子和他們之間的關(guān)系。

珊瑚被移植到水下后，一般會遭受人類活動、相關(guān)生物、自然補充能力、環(huán)境因素4個類別的影響。其中各因素在影響珊瑚的同時，與其他因素互相影響，形成一個復雜的系統(tǒng)。似乎每一個影響因素都可以通過設(shè)計介入以增強核心對象（珊瑚）的收益，但不同因素的設(shè)計介入有著不同的投入產(chǎn)出比，且很多設(shè)計點的效果驗證需要較長的反饋周期（如針對一些針對生物的設(shè)計需要制作完整原型后投放入海通過觀察實驗進行驗證）。因此在進行設(shè)計介入前，一方面需要降低“復雜性”來分析該利益相關(guān)者（移植的珊瑚）需求，一方面需要聚焦在可預見的投入產(chǎn)出比較高的影響因素上。降低復雜性的一個方式是從直接影響該利益相關(guān)者的影響因素出發(fā)，優(yōu)先對直接影響因素進行投入產(chǎn)出比評估與設(shè)計介入（如圖3所示，“良好的流場效應”與“珊瑚”成正相關(guān)關(guān)系，而流場效應與人工礁體的造型直接相關(guān)，本次設(shè)計實踐便從流場效應的效果上推導人工礁體造型設(shè)計），逐步追溯整條影響鏈條。

（四）關(guān)鍵利益相關(guān)者分析——種植行為管理者。種植行為管理者需要更關(guān)注移植活動各步驟對整個移植活動管理的影響。本研究將在系統(tǒng)平臺（system platforms）中以物質(zhì)、信息、資金、勞力四個流向?qū)ΨN植行為管理者進行分析。系統(tǒng)平臺是可視化活動中涉及的所有參與者和組件運行的形式，顯示不同參與者及其相互聯(lián)系（例如：材料、能源、信息等的流動），其能闡明不同的組件和角色之間的連接關(guān)系，并顯示它們資源交換的方式，同時支持設(shè)計師和系統(tǒng)中涉及的所參與者在搭建系統(tǒng)平臺時溝通合作，是一種在協(xié)商過程或概念開發(fā)階段使用的工具[15]。

系統(tǒng)平臺的4種流向揭露了目前珊瑚移植活動在管理層面的行為模式，可以通過挑戰(zhàn)現(xiàn)有流向的方式進行設(shè)計介入。如圖4在物質(zhì)流板塊中，“移植的珊瑚”要經(jīng)過兩次運輸才能到達“移植地點”，減少一次海上運輸流程將減少移植成本與提高效率，可以將該流向挑戰(zhàn)為“移植的珊瑚”經(jīng)“海上運輸方1”直接至“移植地點”，為達成該流向的挑戰(zhàn)目標，需要使人工礁體具備野外培育珊瑚的能力，對應到設(shè)計上便可以在人工礁體上設(shè)計能野外培育有效珊瑚的組件（如網(wǎng)狀苗圃），待其長成后再轉(zhuǎn)移固定至人工礁體本體上。需要注意的是，系統(tǒng)流向的挑戰(zhàn)會導致整個系統(tǒng)和執(zhí)行流程發(fā)生全方位的改變，因此，“挑戰(zhàn)”本身需要進行嚴格且全方位的評估，防止對整個系統(tǒng)造成負面影響與危害。

（五）種植行為實施者——潛水者。潛水員是珊瑚移植活動在水下的操作者，其需要在陸地環(huán)境、輪船甲板和海洋環(huán)境中進行搬運、敲擊、組裝、水下操作等活動。潛水員的操作效率直接影響到珊瑚移植活動的效率，因水下與陸地操作環(huán)境有較大差別，潛水員需要克服水流、溫度等影響，人工礁體的設(shè)計需要充分關(guān)注潛水員在移植活動中各步驟的操作習慣、操作效率和舒適度。本研究將通過用戶旅程圖梳理展示潛水員的珊瑚移植活動旅程。

本研究以場景、階段、行為、物理觸點、勞力類型、支持系統(tǒng)與能力要求七個維度描述珊瑚移植活動中潛水員的行為旅程，可以發(fā)現(xiàn)其工作橫跨陸地、甲板、海洋三種工作環(huán)境。工作內(nèi)容有大量的體力搬運、以及水下精細操作工作，同時需要體力、潛水技術(shù)和操作技巧三方面的能力。同時其工作環(huán)境多為熱帶氣候地域的室外，空氣中炎熱的溫度和強紫外線，以及海水環(huán)境的低溫提高了潛水員的工作強度。將潛水員在流程中的物理觸點與其行為旅程對應，可以得出產(chǎn)品設(shè)計的機會。如圖5中，在“出行準備”階段潛水員需要“搬運小型移植用人工礁體”，對其對應的物理觸點“小型人工礁體”進行造型上的設(shè)計使其更便于搬運或者設(shè)計輔助搬運的工具或設(shè)備都能提高潛水員的操作效率與降低其工作強度。

（六）關(guān)鍵利益相關(guān)者需求解讀。基于之前對三個關(guān)鍵利益相關(guān)者行為的梳理和建模，能從中提取出關(guān)鍵利益相關(guān)者的對人工礁體設(shè)計的核心需求。

對于種植的珊瑚：（1）人工礁體本身要有良好的生物親和力和生態(tài)安全性，魚礁所用材料及魚礁表面處理需要適合珊瑚的附著和生長，不能對現(xiàn)有海洋環(huán)境和移植地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的負面影響。（2）人工礁體在水下需要具備良好的流場效應，一方面能引導海流產(chǎn)生良好的上升流以揚起海底有機物，一方面形成穩(wěn)定的背渦流為魚類提供產(chǎn)卵環(huán)境。

（3）人工礁體需要具備牢固固定珊瑚的能力，防止海流、臺風等因素將移植珊瑚碎片拍落。

對于種移植行為管理者：（1）人工礁體的生產(chǎn)需要控制成本，所使用的原料需要易獲取、低成本，制造不能難度過高。（2）人工礁體在水陸兩種區(qū)域環(huán)境都需得到高效的運輸，在設(shè)計上需要結(jié)合運輸方式對運輸效率不造成較高的負擔。（3）人工礁體需要適配珊瑚移植活動，增加移植的效率。（4）人工礁體需降低對投放設(shè)備和運輸船只的需求，減少對大型船只（運輸）和起重機（投放）的需求。

對于潛水員：（1）人工礁體需在水下能夠簡易的組合或安裝。（2）人工礁體需重量輕便。（3）在進行珊瑚移植時，人工礁體的設(shè)計需要減輕水下操作的難度。

四、設(shè)計結(jié)果

（一）模塊化人工礁體形式。基于核心利益相關(guān)者需求，本研究設(shè)計了一種模塊化的可組裝式人工礁體。其單體采用標準化的形狀以降低制作成本，條狀造型能減少空間占用提高陸地和水上的運輸效率，以模塊化的形式將傳統(tǒng)的完整魚礁拆解成標準的部件，支持陸地、甲板、水下組裝，在降低成本提高運輸效率的同時，讓移植活動管理中也更加靈活，能根據(jù)海底具體情況決定組裝規(guī)模和形狀。同時，也能根據(jù)需求組裝成大體量的人工礁體，在效果上，大體量且結(jié)構(gòu)復雜的人工礁體結(jié)構(gòu)對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的恢復更有幫助，但傳統(tǒng)大體量人工礁體體形巨大且形狀不規(guī)則運輸效率低，同時具有成本、投放難度、設(shè)備需求等方面的限制（如需要大型運輸船和起重機），而這種對帶起重機設(shè)備的大型船只很難駛?cè)肷汉魃L的淺灘，是傳統(tǒng)珊瑚移植技術(shù)的難題。模塊化的形式允許不斷裝配增加部件，可在水下組裝成大規(guī)模和大體量的集合體，這對結(jié)構(gòu)和工程特性帶來了更高的要求，并體現(xiàn)在了最終的造型和連接方式設(shè)計上。（圖6）

（二）造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計。如圖7所示，本設(shè)計模塊化的組裝構(gòu)件分為礁體單體和連接構(gòu)件兩種，單體的長度為72厘米，截面尺寸為9×9厘米。重量約為10公斤每根，在海水浮力的幫助下一名潛水員能一次攜帶兩根下潛并開始操作。其由一根頭尾具備膨脹螺絲螺紋的鋼筋貫穿混凝土部件整體（所有金屬部件表面均噴附特氟龍防腐蝕涂料），混凝土表面隨機具有隨機分布的凹陷、小洞以及用作珊瑚固定的接口。連接構(gòu)件為互相垂直的三向混凝土構(gòu)件，每個方向頭尾具有連接單體的螺絲接口（共6個）。

在表面處理上該人工礁體單體考慮為三種體量的生物提供生存環(huán)境，高粗糙度的表面適合微生物（如硝化細菌）生長，多孔洞和凹陷為微小的珊瑚礁生物提供生存空間，當其組裝成具有空間的三維結(jié)構(gòu)時為一些較大的珊瑚礁生物提供生存空間。并在整體表面噴附珊瑚石粉末，增加表面粗糙度的同時，提高生物親和力。

設(shè)計中一項創(chuàng)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，水下操作時潛水員只需要將陶瓷片上的插口對準人工礁體表面的接口進行按壓就能將其固定在人工礁體上。相較于傳統(tǒng)使用水下膠水粘連，或是在水下巖石上打釘?shù)纳汉鞴潭ǚ绞剑档土藵撍畣T水下工作的強度和時間，該快卸插接裝置由兩個部分組成：1.陶瓷片：珊瑚養(yǎng)殖常用的基底，具有良好的生物親和力；2.生物塑料插扣。對于種植行為的管理者而言，需要在移植前的準備階段將需要移植的珊瑚碎片/斷枝固定陶瓷片上，這延承了室內(nèi)養(yǎng)殖珊瑚技術(shù)的常規(guī)手段不會造成額外的操作負擔，且從整體上看，所用的物料（如釘子、膠水、珊瑚碎片等）集成在了一起，更方便管理和操作。

各單體在組裝模式上主要有三種組裝模式：

三棱錐——因為側(cè)面為空心斜面能削減海浪的能量，具有較高的穩(wěn)定性。同時單個三棱錐造價便宜，對管理者負擔小更具靈活性，水下操作也更加簡單適合小規(guī)模的珊瑚移植活動。但因其形成的三維結(jié)構(gòu)較為簡單，輔助珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的恢復和形成能力有限。

六面體——具有較復雜的三維結(jié)構(gòu)，輔助珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的恢復能力較好，同時因為該結(jié)構(gòu)能通過組裝拼接出多個六面體結(jié)構(gòu)，具有較多人工干預的空間（如在一些不搶占珊瑚生態(tài)位的位置培養(yǎng)輔助珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)回復的其他生物）。但因其結(jié)構(gòu)復雜，同時也加重了水下的組裝難度，延長了潛水員的水下工作時間。

擴展形態(tài)——在具備較復雜三維結(jié)構(gòu)和較多人工干預空間之外，具有較強的海底環(huán)境適應能力，突出的結(jié)構(gòu)能適應斜坡、復雜巖石地形等海洋環(huán)境。但這種形態(tài)結(jié)構(gòu)強度不高，限制了在其上所能移植的珊瑚數(shù)量和重量，如圖8。

后續(xù)的原型制作也良好地印證了該組裝模式和珊瑚快卸固定模式的可行性，如圖9。

總的來說，本次模塊化人工礁體的設(shè)計為解決傳統(tǒng)礁體運輸效率低、水下操作困難、移植成本高等問題提供了新的方向，其中的一些設(shè)計點（如水下快捷插接口）可以應用在其他海洋生物的保護中，為水下生態(tài)保護行動帶來了新的可能性。

結(jié)論

對于人工礁體及相關(guān)配套技術(shù)設(shè)備的設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計思維能全流程分析解讀珊瑚移植行為，從多方利益相關(guān)者的維度梳理珊瑚移植活動中人工礁體的功能需求，幫助設(shè)計師理解珊瑚移植這一復雜的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)修復行為，有助于在設(shè)計階段對人工礁體進行功能推導。但水下海況復雜，施工困難，操作困難等條件限制仍然為整合實現(xiàn)核心利益相關(guān)者需求帶來挑戰(zhàn)，人工礁體的設(shè)計需要多學科介入以解決難題。模塊化人工礁體的設(shè)計能極大地提高珊瑚移植效率，但具體的形式與功能邊界仍然需要不斷探討。

對于系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)方法的應用。由于目前相關(guān)方法、流程本身不具備完整性與系統(tǒng)性，需要實踐（或項目）主要執(zhí)行負責人在項目伊始就對實踐各環(huán)節(jié)做好系統(tǒng)性的規(guī)劃，并在各階段選擇適合的系統(tǒng)設(shè)計方法（因為面對問題的復雜性與系統(tǒng)性，不同問題不同階段的方法選擇往往差別巨大，甚至需要對各方法進行改變以適配本地化實踐）。同時為保證工作效率與執(zhí)行成果，執(zhí)行人負責人本身需要具備較強的系統(tǒng)思維與對系統(tǒng)設(shè)計知識有著較深的理解。這些嚴格的條件限制了系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計實踐中的應用，并連鎖影響了系統(tǒng)設(shè)計積累實踐以發(fā)展相關(guān)理論方法的過程，系統(tǒng)設(shè)計目前更像設(shè)計師向復雜領(lǐng)域試探的觸角，能從復雜領(lǐng)域獲取關(guān)鍵信息，但在實際介入其中時仍然面臨挑戰(zhàn)。