“三農”背景下的農田灌溉車設計探討

摘要：文章基于人性化設計方法，研究“三農”政策背景下設計農田灌溉車的必要性。從功能、外觀、使用體驗以及人性化等角度，設計出適用于農田以及村莊環(huán)境的農田灌溉車，以人性化設計原則為指導，展開農田灌溉車的方案設計。

關鍵詞：“三農”政策;農田灌溉車;人性化設計;產品設計

中圖分類號：S277.94 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）22-00-03

隨著城市的快速建設和迅猛發(fā)展，農田開發(fā)力度越來越小，農田也被越蓋越高的樓房取代[1]，農村居民涌入城市，造成了就業(yè)壓力大等各種社會問題，而農村也出現(xiàn)了糧食匱乏等問題。因此國家對農業(yè)、農村、農民進行大力改革，提高對農業(yè)農機農具的補貼，實現(xiàn)“強農惠農”。但是農村機具相對落后，效率較低，因此大型作業(yè)機械的設計與生產受到了國家的高度關注。文章重點研究大型灌溉車。目前很多專家、產品設計師以及機械工具技術人員對農田灌溉車的灌溉技術與灌溉原理進行了歸納分析與整理。如許友誼等人對輕小型灌溉機的噴射范圍與節(jié)能效果進行研究，將輕小型灌溉機額定流量范圍作為中心議題，衡量灌溉機配套是否合理，從主要結構、工作原理、技術參數(shù)等角度入手，分析灌溉機的優(yōu)缺點。但是基本沒有大型農田灌溉車的設計與應用資料，缺乏重工大型農田灌溉車的設計案例。

1 大型灌溉車概述

大型灌溉車是大型農作物機具種類的一種，兼具全自動化智能的特點，并且灌溉面積大、效率高。目前國外關于大型機械車積累了部分發(fā)展經(jīng)驗，但國內的研究仍相對匱乏。我國對農機農具的扶持與補貼為農業(yè)發(fā)展，尤其是為大型農田噴灌車的發(fā)展提供了較大的機遇，深入研究國內外大型噴灌車的發(fā)展歷程，掌握目前我國大型農田噴灌車的生產能力和水平，對提高農業(yè)機械化水平具有一定的促進作用。

2 現(xiàn)有大型農田灌溉車的優(yōu)缺點

調研發(fā)現(xiàn)，市面現(xiàn)有的灌溉車適應地形能力尚可[2]，能夠降低人工成本，一個人或兩個人就可操控一臺灌溉機進行大面積作業(yè)，在噴灌作業(yè)時不用人工看管。大型農田灌溉車對水質的要求不高，灌溉效果好。但是事物具有兩面性，目前大型灌溉車利用率不高，很容易出現(xiàn)漏與缺的地方，而且機械車的引噴頭在田間工作會對農作物造成傷害與破壞。且不具備節(jié)能灌溉模式，會造成水資源浪費，因此對大型農田灌溉車在操作方式、外觀、功能方面進行合乎其理的設計將產生良好的使用效果。

3 國內外大型灌溉車的發(fā)展狀態(tài)及使用方式

1920年前后，國外地廣人稀，農業(yè)作業(yè)繁重，常因為人手不夠而無法提高農作物種植效率，為減輕勞動人民負擔，美國和俄國首先發(fā)明了灌溉車。在1950年前后，美國對機械車進行改進升級，最早主要以水力和液壓裝置進行驅動，后期美國出現(xiàn)電力控制的灌溉車，在歐洲各國得到認同并廣泛使用。

國內大力發(fā)展灌溉車為20世紀80到90年代，創(chuàng)新生產發(fā)展為20世紀90年代至今。哈爾濱大型灌溉機械負責人員劉冰等人在全國多個城市調研，發(fā)現(xiàn)國內農田灌溉車處于最基礎的設計階段，自動化農田灌溉操作處于最初始階段，最初沒有全自動化、全方位、多角度的灌溉體系和地形適應體系，仍然采用半自動化混合操作，這種半自動化操作方式也會造成人工的浪費。

4 農田灌溉車不能合理使用的原因

通過與30名農田灌溉車駕駛人員的對話與調查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有一些農田灌溉車的設計形態(tài)單一[3]，排除一些不愛護農機具的特殊情況之外，市面現(xiàn)有農田灌溉車設計不合理也是很大的問題。

第一，農田灌溉車的灌溉方式不合理。農民在灌溉過程中會追求更省心、更高效并且更節(jié)水的工作方式。目前的灌溉車仍使用原始的統(tǒng)一平均灌溉形式，這樣的平均灌溉會使農田的灌溉量過多或者不足，造成水資源的極大浪費，對農田肥料的滲透也不足，很容易出現(xiàn)土地的分流和內部排漏，嚴重污染農田的生態(tài)環(huán)境。灌溉的不均造成嚴重的水土流失和積蓄養(yǎng)分流失等土地問題，更增加了人工管控的難度。

第二，農田灌溉車不具備多角度灌溉的功能，仍然是不能自己轉換灌溉角度和調整灌溉量的半自動化人工機械車。工作人員在駕駛灌溉時，要自行掰動控制灌溉量的出口以及轉動灌溉角度轉換軌道，機械車操作問題繁多，極易造成灌溉效率低下的問題。

第三，未合理設計農田機械車。在駕駛過程中，即使工作人員調整了灌溉軌道與灌溉量[4]，但是智能控制、全自動化、多角度灌溉、變量灌溉等問題都沒有得到解決。要想改變現(xiàn)在機械車操作半自動化、操作費力的窘境，就應重新設計灌溉噴頭，優(yōu)化灌溉噴頭配置。實現(xiàn)駕駛操控全自動化智能控制，根據(jù)農作物智能調整灌溉量，以及對灌溉地形、作物分布進行信息化整合，以便均勻灌溉。針對灌溉角度過于單一的問題，設計多角度全方位灌溉噴口，車頭安裝圓形滾輪旋轉噴口，配置360°旋轉裝置，車頂配置360°旋轉裝置，安裝減速減震滾輪裝置，車內安裝軸轉動旋轉水渦輪循環(huán)系統(tǒng)，車尾安裝大型灌溉噴頭，進行多角度高效率灌溉。

5 “三農”政策背景下農田機械車的人性化產品設計原則

人性化設計主要是指以人的需求為設計中心，設計師應重點關注產品的易用性?？v觀國外灌溉車的發(fā)展歷程，探究其科學技術與操作應用模式，可對現(xiàn)在的設計改進提供幫助，因此要以農民使用操作方式、農田情況、周邊環(huán)境作為切入點，結合當前最急切的用戶需求，從功能、操作方式、安全性、用戶體驗與智能化這幾個角度出發(fā)，分析農田灌溉車的改進思路，并以此為農田灌溉車方案改進設計的出發(fā)點，為農田灌溉車設計研究提供分析角度與設計原則。

5.1 易用性原則

保證產品的易用性是改良產品操作的關鍵。由于農田灌溉車的體積與灌溉角度和灌溉量靈活性的要求，要對在不同地段都能攀爬的特殊性要求進行分析。

農田機械車有三種特點。一是體積大，笨重，但是灌溉需要的部件必須足夠靈活。二是農田灌溉車部件的精密度要求較高，如果設計的部件參數(shù)不人性化，就會影響用戶的使用體驗和操作方式。三是農田灌溉車的自動化情況直接影響農作物的質量[5]，針對上述特點，可以增強農田灌溉車的易用性，采取同時操作水和肥料的方式。針對灌溉車笨重的特點，可以增加九個噴水口裝置，在車頭前增加四個渦輪旋轉出水口，車尾增加兩個，車頂一個大噴水口，旁邊各設計一個小的噴口，從而自動調整灌溉量，并為靈活調整灌溉角度打好基礎。要完善灌溉車的機械部件，噴頭、進水管的選擇和管徑、車臂和控制系統(tǒng)都須謹慎管控。可用PMW技術檢驗，設計一款遙控裝置，操控部件的啟動、停止以及軌道上的工作狀態(tài)。針對工作效率不高的問題，應用自動操控技術，與無線控制技術相連，從而實現(xiàn)對農田灌溉車的智能操作控制。

5.2 形態(tài)美原則

農田機械車在滿足高效灌溉、均勻澆灌、一車多用、多角度灌溉等功能的同時，必須在外觀形態(tài)上具有美感[6]。大型農田灌溉車的色彩選擇要和環(huán)境相契合，并運用黑色和其他顏色點綴。多角度農田灌溉車的車體構造復雜，但也應盡量規(guī)整，車子耐磨性非常重要，必須給使用人員帶來安全感和舒服感。

5.3 產品應用人性化原則

人性化設計的理念主要表現(xiàn)在產品改良設計的過程中，人性化設計的具體表現(xiàn)有以下幾點：一是不再只考慮產品的功能，主要以用戶的感受體驗為主;二是從注重技術轉變?yōu)樽⒅厝说母惺?三是從前期注重產品的運用技術到后期轉向注重使用者的體驗和需求表達;四是由注重功能性、作用性轉變?yōu)樽⒅夭煌褂谜咝枨蟮亩鄻有耘c差異性。

6 農田灌溉車的人性化設計考慮因素

第一，全自動化因素。信息技術快速發(fā)展，農田灌溉車的全自動化技術與目前大力發(fā)展糧食的“三農”政策相輔相成，可以減少勞動力的耗費，將更多的精力投入糧食生產擴張版圖上面。增加高科技功能，可以不用親自駕駛就能控制車輛，將傳接器、GPS等技術與灌溉車相結合，運用手機或電腦就能夠控制，從而提高農田灌溉車精準灌溉、定量灌溉、定角度灌溉的效率。

第二，符合人機配置因素。在駕駛灌溉車時，駕駛座椅與控制面板的距離、與操控盤的距離、與駕駛手柄的距離以及座椅的舒服度都與人機工程的知識有關系。車子高度、體積、外觀規(guī)整度、構造是否方便灌溉車進入農田，灌溉車的材質是否堅硬，是否能應對外界影響，灌溉車的細節(jié)構造是否好打理都與人機因素密切相關。

第三，全面性因素?？v觀目前技術的發(fā)展和生產創(chuàng)新的能力，經(jīng)過文獻調研發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有能夠全方位、多角度灌溉的大型機械車?？梢栽谲囶^設計四個渦輪增壓旋轉灌溉系統(tǒng)，在車頂設計一個大的灌溉出水口，兩邊分別設計一個小的出水口，這樣可以降低調節(jié)出水量的難度。在車尾設計一個可伸縮的出水口，可以根據(jù)中樞面板的控制和農作物的需要調節(jié)出水口的大小，從而控制灌溉量。

第四，用戶體驗因素。要設計合理可行的農田灌溉車，就必須做好用戶調研，重視灌溉車駕駛者的真實體驗和需求。用Delphi法進行用戶調研，對灌溉車駕駛人員共發(fā)放50份問卷，收到有效問卷46份，用KJ法整理，總結發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)灌溉車駕駛人員希望車子自動化系數(shù)更高，希望車子灌溉出水口更多，灌溉效率高，希望車子操作控制簡易省心。通過用戶需求分析才能設計出合理的人性化產品。

7 “三農”政策背景下的農田灌溉車使用措施的設計構想

文章根據(jù)農田灌溉車的特性和使用方式，從多角度灌溉[7]、全自動化設計和人性化設計的角度出發(fā)對農田灌溉車進行改進設計。

第一，農田灌溉車的多角度灌溉。煩瑣的灌溉工程僅用一臺普通的灌溉車肯定不夠，增加幾輛會增加額外的成本和勞動力，并且?guī)纵v車同時運行會破壞農作物，會造成農田道路擁堵，影響他人出行。因此最科學省力的方法是在車頭、車身、車頂都安裝噴水頭，在噴水頭處配合轉動裝置，在機械車上安裝轉動支架，包括轉動電機、控制開關和讀寫器，用電機控制支架進行360°的轉動，再進行灌溉操作。開關和讀寫器負責瞄準灌溉農田的準確位置，到達一定角度后，駕駛室控制按鈕，使電機轉動一定的角度，增加多噴水頭和軸轉動裝置，做到真正的節(jié)省勞動力。

第二，農田灌溉車全自動化設計。隨著無人駕駛技術的迅猛發(fā)展，全自動化無人駕駛控制車輛變成可能，用PLC控制系統(tǒng)對智能啟動車輛以及自動調整灌溉角度進行自動控制，輸入自動控制的駕駛路線信息、灌溉信息、農作物需求信息，操作控制APP，可設置駕駛速度、灌溉軸轉動角度等，在APP中實現(xiàn)真正的人機交流。

第三，人性化設計。農田灌溉車采用簡約的造型、圓潤的形態(tài)，富有科技美感，黃色與黑色的搭配給人以機械科技的力量之美，車身選用合金或者表面鍍金屬的高分子材料，其優(yōu)點是防腐、耐高低溫又便于清潔。灌溉車車身前中后配備9個灌溉噴頭，依靠電沖力泵控制噴射程度，實現(xiàn)灌溉角度靈活，灌溉水力強勁，從而提高灌溉效率。車前的4個渦輪增加灌溉轉軸系統(tǒng)，同時兼具灌溉和探測路況危機程度的功能，安裝GPS危險探測器，即可提前預知不能走的農田道路，實現(xiàn)提前變道，可在崎嶇路段提前發(fā)出信號警報，也可選擇其余可通行道路，在道路突然出現(xiàn)動物的情況下還能夠自動剎車，實現(xiàn)行走駕駛的安全性和智能化。在車內安裝CSDF感應警報系統(tǒng)，此方案中的農田灌溉機械車的設計應用還在最初設計階段[8]，該設計主要對大型灌溉車進行調研分析，并對比以往的機械車，從設計的人性化原則及具體的設計改進措施角度入手，解決當前設計使用難題，然而機械車內部構造的設計點還有所欠缺，需要進一步思考。希望文章在此能起到拋磚引玉的作用，為相關設計提供靈感和新的設計出發(fā)點。下圖為文章農田灌溉車產品的設計方案。

8 結語

對于農田灌溉機械車來說，增加多角度灌溉噴頭是重要的改進基礎，智能化多角度的灌溉會大大提高工作者的工作效率，省時又省力。因此想要大力推廣農田多角度灌溉車，就需要政府在實行“三農”政策為農田機械車大力撥款的基礎上，招納更多的機械車設計人才，從而推進機械車的投入使用生產，提高灌溉效率，使農田機械車真正做到科技化、智能化與便利化。

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作者簡介：郭皓月（1996—），女，山東青島人，碩士在讀，研究方向：產品設計。

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