基于博弈論組合賦權(quán)-QFD的殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)研究

鄭祖芳 張瀟文

摘要：為改善殘膜回收機(jī)使用過程中的用戶滿意度低與機(jī)械作業(yè)方式單一的問題，文章以用戶需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建博弈論組合賦權(quán)與質(zhì)量功能展開（QFD，也稱“質(zhì)量屋”）相結(jié)合的設(shè)計(jì)流程，開展設(shè)計(jì)研究以獲取解決方案。首先，針對(duì)目標(biāo)用戶采用問卷發(fā)放與半結(jié)構(gòu)化訪談的方式，歸納總結(jié)用戶對(duì)殘膜回收機(jī)的19項(xiàng)實(shí)際需求，從審美性、實(shí)用功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性四個(gè)角度構(gòu)建殘膜回收機(jī)的用戶需求層次模型；其次，借助層次分析法和熵權(quán)法的博弈論加權(quán)方法，綜合判定各指標(biāo)要素的重要性，提高需求評(píng)價(jià)的科學(xué)性與合理性；再次，利用QFD理論將用戶需求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素，通過構(gòu)建殘膜回收機(jī)質(zhì)量屋，確定各設(shè)計(jì)要素的優(yōu)先級(jí)順序，明確設(shè)計(jì)重點(diǎn)；最后，根據(jù)分析結(jié)果，依次從功能、結(jié)構(gòu)、整體外觀三個(gè)方面設(shè)計(jì)符合用戶需求的殘膜回收旋耕一體機(jī)方案。該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)殘膜撿拾、打捆、土地旋耕的一體化作業(yè)，經(jīng)過模糊綜合評(píng)價(jià)驗(yàn)證了方案的可行性，能夠提高機(jī)器的使用效率，以及彌補(bǔ)我國殘膜回收機(jī)在設(shè)計(jì)方面的不足。文章的研究表明，應(yīng)用博弈論組合賦權(quán)-QFD的設(shè)計(jì)方法，能夠突出用戶需求與產(chǎn)品功能的關(guān)系，可輔助設(shè)計(jì)人員從用戶需求的角度出發(fā)，為此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究提供借鑒，同時(shí)為改善農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)拓展了新的思路。

關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī)；設(shè)計(jì)；QFD；用戶需求；博弈論組合賦權(quán)

中圖分類號(hào)：S223.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）09-00-05

目前，機(jī)械化回收殘膜已得到廣泛應(yīng)用，成為解決殘膜污染的主要途徑，近年來我國科研院所相繼開發(fā)出了多種類型的殘膜回收機(jī)，并取得了一定成果。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的提高和智能化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)民對(duì)殘膜回收機(jī)的需求日益增多且呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)。當(dāng)下，殘膜回收機(jī)的研究重點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膜雜分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)及智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［1］等方面，缺少對(duì)殘膜回收機(jī)用戶體驗(yàn)、外觀形象等方面的研究，且功能、使用方式單一，以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品創(chuàng)新研究存在空白，因此本文展開殘膜回收機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研究。在設(shè)計(jì)階段，要全面考慮產(chǎn)品相關(guān)的用戶因素，量化成詳盡的設(shè)計(jì)要素。李曉杰［2］應(yīng)用AHP（層次分析法）計(jì)算了QFD中用戶需求的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了地震救援機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；王向南［3］等將需求與設(shè)計(jì)要求融入QFD-FBS，設(shè)計(jì)出勸導(dǎo)性兒童產(chǎn)品。用戶需求權(quán)重的判定有主觀與客觀賦權(quán)，前者容易夸大專家的主觀判斷，而后者建立在量化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，但最后的結(jié)果卻與實(shí)際相背離。張書濤［4］等根據(jù)博弈論組合賦權(quán)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，提高了文創(chuàng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的科學(xué)性；周愛民［5］等運(yùn)用博弈論組合賦權(quán)求解美度指標(biāo)的綜合權(quán)重，得到了較為客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

綜上所述，本文采用博弈論主客觀組合賦權(quán)求解殘膜回收機(jī)用戶需求綜合重要度，提高用戶權(quán)重的可靠性，QFD將用戶需求與產(chǎn)品特性相聯(lián)系，提升其設(shè)計(jì)合理度，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供依據(jù)。

1 基于博弈論組合賦權(quán)-QFD的設(shè)計(jì)流程構(gòu)建

設(shè)計(jì)模型的構(gòu)建主要包括用戶需求分析、設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)化以及設(shè)計(jì)實(shí)例三個(gè)層面。在用戶需求分析方面，借助問卷調(diào)查及半結(jié)構(gòu)化訪談獲取殘膜回收機(jī)的用戶需求，利用層次分析法（AHP）明確用戶需求指標(biāo)要素，并求取各指標(biāo)的主觀權(quán)重；引入熵權(quán)法輸出各用戶需求的權(quán)重系數(shù)；應(yīng)用博弈論組合賦權(quán)模型，獲得主客觀權(quán)重的最優(yōu)解；引入QFD構(gòu)建殘膜回收機(jī)的質(zhì)量屋，將用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素；最后，依據(jù)量化結(jié)果編寫設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)殘膜回收機(jī)需要綜合考慮多層次因素，構(gòu)建合理的設(shè)計(jì)流程，從而高效完成設(shè)計(jì)決策。

2 基于博弈論組合賦權(quán)的用戶需求分析

2.1 用戶需求獲取

以地膜使用農(nóng)戶、農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)負(fù)責(zé)人、工程師和設(shè)計(jì)師共100人作為調(diào)研對(duì)象，回收有效問卷89份，并對(duì)其中的26個(gè)調(diào)查對(duì)象進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化訪談，了解目標(biāo)群體對(duì)市場(chǎng)上已有的殘膜回收機(jī)的使用體驗(yàn)，得到其對(duì)殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)的期望和需求。經(jīng)過篩選，將用戶關(guān)注度不高并且實(shí)現(xiàn)成本較高的遙控、降噪等需求剔除，最終確定19個(gè)用戶需求。從審美性、功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性四個(gè)角度，構(gòu)建殘膜回收機(jī)的用戶需求層次模型，如圖1所示。

2.2 用戶需求綜合權(quán)重的確定

2.2.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

針對(duì)殘膜回收機(jī)各指標(biāo)要素的重要度，按照1～9標(biāo)度評(píng)分，由設(shè)計(jì)師和農(nóng)機(jī)技術(shù)人員組成的10人專家小組共同評(píng)分，具體步驟如下［6］。

（1）構(gòu)建判斷矩陣A=（aij）n×n。

式中：aij表示為第i項(xiàng)指標(biāo)因素對(duì)比第j項(xiàng)指標(biāo)的重要程度賦值，n為指標(biāo)元素的個(gè)數(shù)，矩陣A需滿足aij＞0，aji·aij=1，aii =1。

（2）判斷矩陣的一致性查驗(yàn)。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，可進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)分析。

式中：λmax為最大特征根；CR為一致性比率；CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

（3）主觀權(quán)重的獲取。借助Python編程對(duì)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量Vi進(jìn)行歸一化計(jì)算，最終得到各層級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重。

2.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

邀請(qǐng)5名專家使用9級(jí)李克特量表評(píng)價(jià)每個(gè)需求因素的重要性，數(shù)值越大表示重要程度越高。該方法能夠減少主觀經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響，計(jì)算步驟如下［7］。

（1）構(gòu)建專家評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)矩陣B=（bij）n×m，將矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理得到G =（gij）n×m。

（2）求取各個(gè)指標(biāo)的信息熵Ei。

（3）確定指標(biāo)的客觀權(quán)重。

2.2.3 基于博弈論的組合權(quán)重確定

借助博弈論組合賦權(quán)思想，在納什均衡理論的目標(biāo)下，通過線性組合由多個(gè)不同方法獲得的權(quán)值確定最優(yōu)權(quán)重，使指標(biāo)賦權(quán)更加科學(xué)，基本步驟如下［8］。

（1）構(gòu)建權(quán)重向量集W。分別用層次分析法和熵權(quán)法求得殘膜回收機(jī)各評(píng)價(jià)指標(biāo)在該體系中占有的比重ω1與ω2，以此組合為基礎(chǔ)權(quán)重集W={ω1，ω2}。

（2）權(quán)重向量的線性組合。假設(shè)λ={λ1，λ2}為線性組合的系數(shù)，則組合權(quán)重為：

（3）優(yōu)化組合系數(shù)。按照博弈論組合賦權(quán)的基本理論，以組合與各個(gè)權(quán)重之間的偏差最小為前提，對(duì)線性組合系數(shù)λ1，λ2加以優(yōu)化，找出最優(yōu)W，則目標(biāo)函數(shù)為：

（4）將最優(yōu)線性組合系數(shù)歸一化得到λ*i，i=1，2。

（5）確定綜合權(quán)重值W*。

根據(jù)模型，求出主客觀權(quán)重系數(shù)λ1=0.6988，λ2=0.3011，以及各個(gè)指標(biāo)要素的主觀權(quán)重、客觀權(quán)重、組合權(quán)重（見表1），在此基礎(chǔ)上成為設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于QFD設(shè)計(jì)要素確定

根據(jù)用戶需求映射到殘膜回收機(jī)的產(chǎn)品特性，綜合歸納得到12個(gè)設(shè)計(jì)要素：撿拾裝置D1、輸送裝置D2、打捆裝置D3、旋耕裝置D4、控制系統(tǒng)D5、行駛方式D6、結(jié)構(gòu)緊湊D7、底盤結(jié)構(gòu)D8、布局合理D9、色彩比例D10、形態(tài)簡潔D11、材質(zhì)耐用D12。

運(yùn)用五級(jí)標(biāo)度法對(duì)矩陣中各用戶需求進(jìn)行重要度賦值，建立質(zhì)量屋，見表2。圖形“●”表示設(shè)計(jì)要素與用戶需求的關(guān)聯(lián)度為“明顯重要”，分?jǐn)?shù)為5分；圖形“○”表示“稍微重要”，分?jǐn)?shù)為3分；圖形“r”表示“同等重要”，分?jǐn)?shù)為1分。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的分析結(jié)果，提出殘膜回收機(jī)在功能上的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，應(yīng)依次滿足機(jī)器的撿拾功能、打捆功能、輸送功能、旋耕功能、自動(dòng)控制功能。

撿拾功能：采用起膜、挑膜和卷膜的多次拾膜方式，改善殘膜漏撿問題。撿拾效果與起膜鏟的排布有關(guān)，可根據(jù)地形和作物的要求組裝排列膜鏟，將其設(shè)計(jì)為可上下旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)入土角度，以適應(yīng)不同的地形；在現(xiàn)有伸縮桿齒的基礎(chǔ)上，將挑膜齒設(shè)計(jì)成上窄下寬的弧形齒，便于順利挑起殘膜，卷膜輥筒蓋可拆卸，方便維修和清理，其四周均勻分布9排挑膜齒，圓周方向有8個(gè)彈齒；液壓控制軸銷轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)起膜鏟和卷膜輥的入土深度，從而解決地膜撿拾困難的問題，實(shí)現(xiàn)高效撿拾殘膜。

打捆功能：采用圓捆打包的方式解決殘膜成型率不高和易松散的問題，滿足用戶對(duì)殘膜收集和壓縮的要求。為避免傳統(tǒng)的鋸齒形鋼輥撕扯殘膜，選用1.5 mm八角形鋼輥，固定于兩側(cè)鏈條上構(gòu)成弧形封閉圓環(huán)，轉(zhuǎn)輥的高速旋轉(zhuǎn)有助于殘膜壓縮生成膜包。采用先提升后卸膜的自卸裝置，當(dāng)打捆機(jī)上升至卸膜高度時(shí)，打捆室艙門開啟，完成卸膜作業(yè)。機(jī)器后方設(shè)有打捆壓力指示燈，實(shí)時(shí)顯示殘膜打捆的壓力狀態(tài)。

輸送功能：因殘膜質(zhì)輕且表面比較光滑，傳統(tǒng)的輸送裝置中圓形鋼輥傳送殘膜易發(fā)生打滑導(dǎo)致殘膜堆積，故在輸送鋼輥的表面增加突起，防止殘膜滑落。

旋耕功能：根據(jù)用戶對(duì)多種農(nóng)藝作業(yè)的使用需求，增加旋耕功能，設(shè)計(jì)旋耕裝置的懸掛模塊接口，液壓懸掛驅(qū)動(dòng)軸控制旋耕裝置的入土深度，其懸掛接口的設(shè)計(jì)應(yīng)便于更換耕作部件。對(duì)旋耕裝置的防護(hù)罩的造型進(jìn)行平滑處理，減速器設(shè)計(jì)成傾斜角度的單獨(dú)罩件，卸膜過程中，卸捆器在膜包的壓力下緩緩下降，套過減速器，支撐在旋耕裝置上端，形成一個(gè)坡度，便于卸載殘膜。

自動(dòng)控制：在現(xiàn)有的電器操控系統(tǒng)添加自動(dòng)控制單元與繼電器，控制機(jī)器起膜、卷膜、輸送、打捆、卸捆與旋耕，使殘膜回收旋耕一體機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)；可調(diào)節(jié)避障模塊設(shè)置在機(jī)身前，能夠準(zhǔn)確地感知前方障礙物；啟動(dòng)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)多種裝置同時(shí)工作，改變傳統(tǒng)殘膜回收后需要使用其他的農(nóng)業(yè)機(jī)械完成耕地整地工作的情況，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械下地的次數(shù)；采用自走式設(shè)計(jì)，解決目前機(jī)器在殘膜回收時(shí)需要拖拉機(jī)牽引的問題，在降低勞動(dòng)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)。其展現(xiàn)的功能模式如圖2所示。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊布局應(yīng)該做到結(jié)構(gòu)緊湊，將起膜鏟、卷膜輥布置在機(jī)器的前部，方便將殘膜從耕層挑起；打捆室設(shè)置于機(jī)器背面，以確?；厥障溆谐渥愕目臻g；行進(jìn)模塊設(shè)置于機(jī)器下部；旋耕裝置懸掛在行進(jìn)模塊的后部，確保機(jī)器在作業(yè)時(shí)能與前置的回收裝置進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)耕地整地的功能。底盤結(jié)構(gòu)采用中置履帶架，方便前端撿拾地膜，后端實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)的懸掛，使用光面導(dǎo)向輪，利用軸套軸的懸掛系統(tǒng)，使其可輕松越過障礙，在土里穩(wěn)定行駛，進(jìn)而適應(yīng)多地形作業(yè)，降低對(duì)土壤的壓實(shí)損害度。

4.3 整體外觀設(shè)計(jì)

材質(zhì)耐用和形態(tài)簡潔在整機(jī)外觀造型中所占比重相對(duì)較高，因此弧形挑膜齒所用的材料是彈性和耐磨性強(qiáng)的65 Mn；考慮到底盤的使用要求和工作環(huán)境，采用Q235A碳素鋼，其抗拉強(qiáng)度在370 Mpa到500 Mpa，良好的焊接性能可以滿足底座的強(qiáng)度與韌性要求，確保在作業(yè)過程中不會(huì)變形。機(jī)器整體采用全封閉式罩件，將原來雜亂裸露的零件包裹起來，對(duì)機(jī)器起到防護(hù)作用，并將危險(xiǎn)運(yùn)作區(qū)與使用者進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)；因后方打捆裝置采用圓捆形式，所以將該部位改為多邊形設(shè)計(jì)，簡化空間裝配角度并提高打捆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；打捆裝置內(nèi)部有液壓桿、齒輪和鏈條等關(guān)鍵部件，是維修頻率較高的部分，故在該處設(shè)計(jì)單獨(dú)的罩件，并利用液壓支撐桿完成開合，便于適時(shí)省力地打開，便于打捆裝置的日常維護(hù)。

經(jīng)前文分析，設(shè)計(jì)出殘膜回收旋耕一體機(jī)（見圖3）。

1警報(bào)燈；2前照燈；3避障攝像頭；4挑膜齒；5卷膜輥；6起膜鏟；7散熱格柵；8防護(hù)罩；9急停按鈕；10維修把手；11警示燈；12液壓伸縮桿；13打捆裝置；14打捆壓力指示燈；15卸捆器；16旋耕結(jié)構(gòu)；17行走履帶

4.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)用于解決主觀判斷導(dǎo)致模糊不清的問題，求解過程如下［9］。

（1）明確評(píng)價(jià)要素集。依據(jù)殘膜回收機(jī)的用戶需求評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)構(gòu)建評(píng)估要素集。

（2）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)。借助李克特量表法，構(gòu)建等級(jí)集合：T={很差，較差，一般，較好，很好}，分別取值2、4、6、8、10。

（3）確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重。文中基于博弈論組合賦權(quán)法獲得的綜合權(quán)重值W*，以此確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重。

（4）構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。邀請(qǐng)10名專家和用戶評(píng)價(jià)殘膜回收旋耕一體機(jī)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過整理歸一化后，獲取各評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣。

（5）模糊綜合評(píng)價(jià)求解。使用加權(quán)平均型M（*，+）算子進(jìn)行研究，則有方案的模糊綜合評(píng)價(jià)：P=W*·R=（0，0.027，0.086，0.667，0.22）。結(jié)果表明，認(rèn)為該方案為很差、較差、一般、較好、很好的評(píng)估者分別占0%、2.7%、8.6%、66.7%和22%。由集合最大隸屬度可知，殘膜回收旋耕一體機(jī)設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果為“較好”。

5 結(jié)語

針對(duì)殘膜回收機(jī)設(shè)計(jì)中無法準(zhǔn)確判斷用戶需求的問題，利用博弈論組合賦權(quán)法較大程度地保留了行業(yè)專家的客觀評(píng)價(jià)和主觀判斷，使指標(biāo)權(quán)重更科學(xué)合理；引入QFD理論，將用戶需求轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品特性設(shè)計(jì)要素，可幫助設(shè)計(jì)人員把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)，有效指導(dǎo)針對(duì)殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)，提高用戶滿意度。根據(jù)量化的結(jié)果，從功能、結(jié)構(gòu)、整體外觀方面設(shè)計(jì)殘膜回收旋耕一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)殘膜撿拾、打捆、土地旋耕一體化作業(yè)，提高回收效率，降低能耗，滿足用戶的使用需求。該方法彌補(bǔ)了殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)用戶需求研究的不足，可為其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考。

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［9］ 張寧，馬彧.基于AHP和感性工學(xué)的通風(fēng)設(shè)備造型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)［J］.設(shè)計(jì)，2022，35（19）：105-108.

作者簡介：鄭祖芳（1979—），女，湖北潛江人，博士，講師，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能裝備設(shè)計(jì)。

張瀟文（1997—），女，山東滕州人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能裝備設(shè)計(jì)。