基于功能分析法的森林巡檢車設(shè)計(jì)

洪貴芝 王文慧 徐易明

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

對(duì)于森林資源而言，火災(zāi)是最大的威脅，也是林業(yè)最可怕的災(zāi)害，它會(huì)給森林帶來最有害，具有毀滅性的后果[1]。同為森林三大災(zāi)害之一的森林病蟲害被稱為“不冒煙的森林火災(zāi)”，我國(guó)每年遭受大面積的森林火災(zāi)與森林病蟲害影響，因此造成森林面積減少，年均人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失較大[2]。因此，做好森林防火、病蟲害防治工作,對(duì)加強(qiáng)對(duì)林業(yè)資源的管理和保護(hù)，具有十分重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外森林巡檢現(xiàn)狀描述及森林巡檢車的優(yōu)勢(shì)分析

1.1 國(guó)內(nèi)外森林巡檢現(xiàn)狀描述

目前，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都在大力研究空中防火系統(tǒng)以彌補(bǔ)地上巡護(hù)和火場(chǎng)偵查能力的不足。中小型特種飛機(jī)，如美國(guó)的賽斯納208 飛機(jī)，中國(guó)哈爾濱飛機(jī)制造公司的運(yùn)-12 飛機(jī)，中電的DA42-MPP 飛機(jī)，它們具有速度快、航程遠(yuǎn)、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)，大范圍林區(qū)火情預(yù)警監(jiān)測(cè)。但特種飛機(jī)一般是在森林火災(zāi)多發(fā)季節(jié)按照預(yù)定航線飛行巡檢，通過紅外傳感器，當(dāng)檢測(cè)到林區(qū)有煙柱等疑似火情時(shí)切換紅外探測(cè)，測(cè)定具體溫度，根據(jù)測(cè)定的溫度判斷火情是否發(fā)生。而森林火災(zāi)一般從地上著起，當(dāng)著火至空中檢測(cè)煙柱響應(yīng)時(shí)火災(zāi)已經(jīng)達(dá)到一定范圍，且對(duì)于茂密的森林而言，樹冠和繁茂的樹葉、枝條都是保溫且遮蔽性很強(qiáng)的天然屏障。僅靠飛機(jī)監(jiān)測(cè)極易錯(cuò)過早期火情的發(fā)生。在地上巡護(hù)方面，我國(guó)一般是靠護(hù)林員進(jìn)行人力巡檢。但森林地貌復(fù)雜，區(qū)域廣，植物種類多樣，林業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜，人員在山中，往往發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，也無法實(shí)施時(shí)準(zhǔn)確掌握火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)、火場(chǎng)溫度、燃燒程度和范圍，無法準(zhǔn)確定位及向上級(jí)部門精確地反饋火情程度。除此之外，林火形勢(shì)變化會(huì)嚴(yán)重威脅護(hù)林人員的生命安全。更重要的是，護(hù)林員巡護(hù)時(shí)從發(fā)生火災(zāi)到森林消防前往火災(zāi)地帶過程中的時(shí)間差易造成火情可控性的大大降低，導(dǎo)致更嚴(yán)重的損失。

1.2 森林巡檢車在森林消防方面的優(yōu)勢(shì)分析

森林巡檢車的作用就是能夠及早的發(fā)現(xiàn)，甚至在其溫度發(fā)生異常還未著火或發(fā)生地下火的時(shí)，可以提早防護(hù)，在發(fā)生早期著火時(shí)能采取一定措施滅火或者控制火勢(shì)減小損失。

1.3 森林巡檢車在森林病蟲害方面的優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)森林病蟲害大約有8000 余種，在全國(guó)范圍內(nèi)常發(fā)生的病蟲害有200 多種，而對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)造成頻發(fā)性災(zāi)害和損失的有100 多種。常見的森林病蟲害大多是突然發(fā)生，一般沒有固定的規(guī)律，而專家很難對(duì)其預(yù)測(cè)[3]。并且具備這種龐大知識(shí)儲(chǔ)備的人才數(shù)量有限，而森林面積之大，蟲類品種繁多，完全靠人力來檢測(cè)森林病蟲害難度極大。森林巡檢車的優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)森林植物種類和環(huán)境因素，設(shè)置易發(fā)病蟲害數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)巡檢車檢測(cè)到設(shè)定數(shù)量值時(shí)，反映給護(hù)林員，以盡早采取措施以避免害蟲泛濫成災(zāi)，另外森林巡檢車配置了噴藥裝置，可針對(duì)幾種蟲類進(jìn)行檢測(cè)和滅除以節(jié)省人力。

2 功能分析法原理

功能分析法——探尋功能方案的主要方法。這種方法將復(fù)雜系統(tǒng)的總功能分化為功能單元，再對(duì)每個(gè)功能元求解，進(jìn)行組合，得到系統(tǒng)多種方案，再進(jìn)行分析比較，最后得到最佳功能方案[4]。功能分析法的具體步驟為“需求分析→總功能定義→功能分解→功能元求解→方案綜合”。

3 森林巡檢車需求分析與總功能定義

3.1 森林巡檢車的需求分析

3.1.1 護(hù)林員的工作環(huán)境比較惡劣, 需要面臨嚴(yán)峻的工作環(huán)境和巨大的生活壓力。在巡檢過程中需要攜帶一定數(shù)量的設(shè)備，造成行動(dòng)負(fù)擔(dān)。此外，由于身處密林，護(hù)林員在巡檢過程中極易遭遇野獸，有被野獸襲擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 監(jiān)測(cè)方式獨(dú)立造成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分散，沒有形成全面的監(jiān)測(cè)體系，巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)問題無法及時(shí)上報(bào)，監(jiān)測(cè)效率低。

3.1.3 無人機(jī)無法完成針對(duì)森林高空視野盲區(qū)的巡檢任務(wù)，造成部分監(jiān)測(cè)范圍缺失。

3.1.4 森林地形復(fù)雜，普通載具無法深入林區(qū)，只能進(jìn)行部分巡檢任務(wù)。

3.1.5 現(xiàn)有的人力巡檢動(dòng)速度慢，耗時(shí)耗力。

3.1.6 現(xiàn)有設(shè)備限制。受飛機(jī)性能和火場(chǎng)及附近環(huán)境的限制，航空滅火并不適用于所有的森林火災(zāi)，而且滅火飛機(jī)高昂的價(jià)格和復(fù)雜的使用維護(hù)也制約了其使用和發(fā)展[5]。

3.2 森林巡檢車的設(shè)計(jì)需求

跟據(jù)以上需求分析，森林巡檢車設(shè)計(jì)需求可總結(jié)為以下五點(diǎn)：

3.2.1 全地形行駛——可適應(yīng)森林的復(fù)雜地形，在普通車輛難以機(jī)動(dòng)的地形上行走自如。

3.2.2 多傳感器融合——各種傳感器配合，通過較為全面的信息輸入及時(shí)發(fā)現(xiàn)及判斷森林災(zāi)情隱患。

3.2.3 小且靈活——方便迅速到達(dá)所需前往的地點(diǎn)，在森林中穿行不易受到較大阻礙。

3.2.4 多機(jī)械手協(xié)調(diào)作業(yè)——協(xié)助護(hù)林員處理防護(hù)林問題：滅火裝置，噴藥裝置。

3.2.5 多功能集成——功能豐富，智能化管理林業(yè)：多功能集成原理。

3.2.6 智慧互聯(lián)——手機(jī)和電腦端實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看防護(hù)林情況，并能處理部分狀況總體而言，該森林巡檢車應(yīng)能替代護(hù)林員進(jìn)行森林巡檢工作，具有較好的環(huán)境監(jiān)測(cè)能力，小規(guī)模災(zāi)情處理能力與可視性，并具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.3 森林巡檢車的總功能定義

將設(shè)計(jì)的對(duì)象系統(tǒng)看成是一個(gè)不透明的、不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”，只集中分析比較系統(tǒng)中的三個(gè)基本要素(能量、物料和信息)的輸入輸出關(guān)系，就能突出的表達(dá)系統(tǒng)的核心問題——系統(tǒng)的總功能。根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求，對(duì)該森林巡檢車的總功能定義如圖1 所示。該功能黑箱的輸入為環(huán)境信息與控制信號(hào)，輸出為反饋信息與幫助處理災(zāi)情的一定介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)“巡檢”的總功能。在林區(qū)環(huán)境中，黑箱內(nèi)部即為滿足上述設(shè)計(jì)需求的各功能部件，如圖1。

圖1 森林巡檢車的黑箱示意圖

4 功能分解與設(shè)計(jì)求解

4.1 功能分解

將總功能分解為分功能，直至功能元。功能元是不能分解的最小功能單位，是直接從物理效應(yīng)、邏輯關(guān)系等方面找到解法的基本功能。功能分解可用樹狀圖予以圖示，稱為功能樹，如圖2。

圖2 森林巡檢車的總功能分析

本例從較為抽象的層面上確定了森林巡檢的總功能之后，圍繞需求分析、功能定義與實(shí)際技術(shù)手段對(duì)該總功能進(jìn)行分解，并將巡檢車的總功能分解為如圖2 所示的功能結(jié)構(gòu)，其中功能元是對(duì)子功能的進(jìn)一步細(xì)分，可以選擇相應(yīng)的手段方法加以實(shí)現(xiàn)。[6]

4.2 設(shè)計(jì)求解

將總功能分解為最小功能元，通過尋找功能實(shí)現(xiàn)的手段方法，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品總功能。

表1 針對(duì)運(yùn)動(dòng)功能、控制功能、檢測(cè)功能、作業(yè)功能等分解出的最小功能元，分別提出了可能的解決方案。以上形態(tài)學(xué)由矩陣， 可得到可能組合的系統(tǒng)原理方案的數(shù)目N=4x3x1x4x2x1x5x3=1440 種，在以上眾多的組合方案中，由定性到定量進(jìn)行選擇，篩選刪去一些不符合設(shè)計(jì)要求或與各分功能的解不相容的方案，從中選出符合功能目標(biāo)的最佳原理方案。

表1 森林巡檢車的功能求解分析(“棋盤格”分析)

由于森林巡檢車工作環(huán)境的特殊性，本設(shè)計(jì)選擇的功能元解決方案組合為“電動(dòng)機(jī)- 輪胎式多足式交替- 機(jī)械臂- 感煙探測(cè)器- 高光譜遙感監(jiān)測(cè)- 拍照式監(jiān)測(cè)儀- 水槍- 化學(xué)藥劑噴槍”，而這些方面也是下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。

5 森林巡檢車的詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品方案

5.1 造型設(shè)計(jì)

在明確了森林巡檢車的需求、功能與概念設(shè)計(jì)定位之后，對(duì)其外觀造型及關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，生成產(chǎn)品概念效果圖。為滿足小型化的要求，設(shè)計(jì)該巡檢車尺寸為1000×1600×1000(mm)，如圖3 所示。小型化車體使得該巡檢車可以順利通過林區(qū)間隙，并可以在林區(qū)內(nèi)自由轉(zhuǎn)向。

圖3 森林巡檢車的造型設(shè)計(jì)

5.2 運(yùn)動(dòng)功能

借助碳纖維復(fù)合材料，使車輛的尺寸和總重量保持在最低水平，它可以立即將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從輪式移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘧阋苿?dòng)，使其能夠適應(yīng)多種林區(qū)地形。在大多數(shù)情況下巡檢車使用全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)制來行駛，當(dāng)?shù)匦巫兊脧?fù)雜崎嶇，便進(jìn)入多足行走模式。

本巡檢車驅(qū)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，采用混合動(dòng)力混合動(dòng)力汽車(SPHEV)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(SHEV)和并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(PHEV)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可具有更多的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)、電力/ 發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)可為SPHEV 總功率的1/3～1 倍，但可接近或達(dá)到內(nèi)燃機(jī)車輛的動(dòng)力性能水平。可以降低巡檢車的整車質(zhì)量，提高性能，提高經(jīng)濟(jì)性，滿足超低污染的排放要求，更適合在森林系統(tǒng)中行駛。本巡檢車地盤較高，離地間隙大，適合于林地的復(fù)雜地形，不會(huì)對(duì)林地造成破壞。

5.3 滅火裝置

本森林巡檢車采用高壓泵和高壓細(xì)水霧水槍配套，利用高壓水槍具有的直流、噴霧的功能，進(jìn)行滅火處理，高壓水槍軟管的長(zhǎng)度不少于30M，為防止水管之間相互纏繞，軟管卷盤內(nèi)置于車頂部?jī)?nèi)，自動(dòng)伸縮，每個(gè)高壓水槍管都可以360°旋轉(zhuǎn)，可以更好的進(jìn)行滅火工作。

5.4 噴藥裝置

噴藥方式采用靜電噴霧技術(shù)，利用高壓靜電在噴頭與樹木之間產(chǎn)生靜電場(chǎng)，霧滴通過不同的充電方法會(huì)被帶上電荷，在靜電場(chǎng)中可以定向運(yùn)動(dòng)。此噴霧技術(shù)可以使霧滴分散的更加均勻，霧滴漂浮失散的情況減少，沉積效率會(huì)更高，可以更好的對(duì)產(chǎn)生森林病蟲害的部位進(jìn)行處理。噴藥噴頭側(cè)面有支架，支架可以從巡檢車側(cè)面延伸出來，噴頭可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，更好的實(shí)現(xiàn)病蟲害處理的功能。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過對(duì)目前我國(guó)森林巡檢的需求進(jìn)行分析，找到設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，提出了森林巡檢車的概念；按照“需求分析→總功能定義→功能分解→功能元求解→方案綜合”的程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)踐工作?；诠δ芊治龇▽?duì)森林巡檢車的總功能進(jìn)行了分解，并進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，滿足了設(shè)計(jì)需求，驗(yàn)證了基于功能分析法的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)程序與方法的有效性。