基于AHP/QFD/FBS模型的果園管理機創(chuàng)新設(shè)計研究

文俊中，石元伍，朱瑋辰

基于AHP/QFD/FBS模型的果園管理機創(chuàng)新設(shè)計研究

文俊中1，石元伍2*，朱瑋辰3

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068；2.武漢紡織大學(xué)，武漢 430200；3.北京理工大學(xué)，北京 100081）

改善本土農(nóng)機裝備現(xiàn)行設(shè)計流程在方案創(chuàng)新中的不足，實現(xiàn)果園管理機要素的優(yōu)化和設(shè)計的創(chuàng)新。面向農(nóng)業(yè)4.0場景應(yīng)用，引入工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新思維到農(nóng)機裝備設(shè)計，構(gòu)建層次分析法（AHP）、質(zhì)量功能展開（QFD）和FBS（Function-Behavior-Structure）模型相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計流程。首先，通過AHP和QFD的分析過程，將用戶需求轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵產(chǎn)品特性。然后，結(jié)合相關(guān)特性指標，優(yōu)化、更新、重組產(chǎn)品功能的內(nèi)在屬性，逐步建立概念性功能系統(tǒng)。最后，通過FBS模型的“功能-行為-結(jié)構(gòu)”映射，求解功能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)載體，以滿足產(chǎn)品功能創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)要素為設(shè)計條件。最終完成果園管理機創(chuàng)新設(shè)計。集成AHP/QFD/FBS的創(chuàng)新設(shè)計流程包含完整的需求分析、特性發(fā)掘、功能創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)求解過程。通過設(shè)計實踐，果園管理機在用戶體驗、功能配置、適應(yīng)性和智能化方面得到了提升。該流程在農(nóng)機裝備方案創(chuàng)新中呈現(xiàn)出的有效性，能夠為農(nóng)業(yè)4.0中相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計提供新思路和參考。

農(nóng)業(yè)4.0；果園管理機；創(chuàng)新設(shè)計；功能創(chuàng)新；FBS模型

果園管理涵蓋多種作業(yè)內(nèi)容，傳統(tǒng)的人力勞動效率較低、運營成本過高，在生產(chǎn)管理方面難以適應(yīng)現(xiàn)代果園生產(chǎn)的高效要求[1]。特別是在丘陵地區(qū)，由于地形地貌、人口素質(zhì)和經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的限制，表現(xiàn)更為明顯。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和土地流轉(zhuǎn)，標準化生產(chǎn)用地建設(shè)為發(fā)展農(nóng)業(yè)4.0創(chuàng)造了有利條件。2021年中央一號文件明確“支持高端高智能、丘陵山區(qū)農(nóng)機裝備研發(fā)制造”。同年11月，國務(wù)院印發(fā)了《“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》，提到加強智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)應(yīng)用[2]。因此，除了規(guī)劃建設(shè)標準化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，開發(fā)與農(nóng)業(yè)4.0生產(chǎn)場景下的用戶群體、生產(chǎn)環(huán)境、農(nóng)藝技術(shù)等因素相適應(yīng)的果園管理裝備成為了現(xiàn)代果園農(nóng)業(yè)發(fā)展中的現(xiàn)實需要。先進技術(shù)支持和生產(chǎn)環(huán)境的變化所帶來的新的設(shè)計內(nèi)容，在現(xiàn)行的設(shè)計活動中缺乏靈活性，固化的設(shè)計創(chuàng)新模式導(dǎo)致產(chǎn)品存在著同質(zhì)化嚴重、創(chuàng)新性低的問題。研究如何從農(nóng)業(yè)4.0場景中探尋農(nóng)機裝備發(fā)展趨勢和設(shè)計創(chuàng)新路徑，以確定技術(shù)應(yīng)用方向，對企業(yè)不斷提升產(chǎn)品的核心競爭力具有重要的指導(dǎo)意義。

1 農(nóng)業(yè)4.0視角下的農(nóng)機裝備設(shè)計趨勢

農(nóng)業(yè)4.0是當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的最新階段[3]。它以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化為基礎(chǔ)，涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面。在物聯(lián)網(wǎng)、遙感、農(nóng)情監(jiān)測、人工智能、數(shù)據(jù)分析等集成性智能技術(shù)和先進農(nóng)機裝備應(yīng)用上具有優(yōu)勢，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和科學(xué)管理水平，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化提供了有力的支持。

農(nóng)機裝備是農(nóng)業(yè)4.0的重要組成部分。2022年5月，在國家工信部發(fā)布的首個智能農(nóng)機技術(shù)線路圖中，面向農(nóng)業(yè)4.0場景應(yīng)用，提出“智能農(nóng)機在靈巧整機架構(gòu)、通用數(shù)字底盤、新型動力系統(tǒng)、融合感知和信息采集系統(tǒng)、一體化作業(yè)機具、新型能源系統(tǒng)等九大前沿和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，逐漸形成無人化產(chǎn)品的最終形態(tài)”。農(nóng)業(yè)4.0視角下的農(nóng)機裝備設(shè)計趨勢以解決農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所面臨的關(guān)鍵問題為導(dǎo)向，面向智能技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，合理兼顧用戶需求、技術(shù)進步和功能優(yōu)化等，是創(chuàng)造未來智慧農(nóng)業(yè)形態(tài)的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。在農(nóng)業(yè)4.0發(fā)展背景下，農(nóng)機裝備應(yīng)當注重智能化、自動化和精細化的設(shè)計方向，關(guān)注需求變化，探索、完善、改進現(xiàn)行設(shè)計創(chuàng)新路徑，利用機器人技術(shù)和人工智能等新技術(shù)的參與，提高產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)新性，以適應(yīng)農(nóng)業(yè)4.0時代的發(fā)展要求。

2 設(shè)計流程分析與構(gòu)建

2.1 農(nóng)機裝備現(xiàn)行設(shè)計流程分析

我國本土化農(nóng)機裝備的發(fā)展是一個復(fù)雜的過程。在此過程中，通過引進國外先進技術(shù)和產(chǎn)品推動了我國農(nóng)機裝備設(shè)計和制造的發(fā)展。國內(nèi)農(nóng)機企業(yè)通常采取逆向工程的設(shè)計思路[4]，即通過反向分析已有產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、原理、參數(shù)等要素，進行優(yōu)化設(shè)計、改進和創(chuàng)新，其流程主要包括明確設(shè)計對象、現(xiàn)有方案綜述、問題發(fā)現(xiàn)、改進設(shè)計、改進方案分析、樣機測試、實驗分析等幾個步驟。逆向工程是一種有效的設(shè)計手段，可以幫助企業(yè)快速開發(fā)產(chǎn)品，以降低開發(fā)成本和風險。然而，逆向工程設(shè)計過于依賴現(xiàn)有產(chǎn)品，缺乏考慮整機系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新思路。如果原有產(chǎn)品的要素存在不足或受到限制，新產(chǎn)品也可能具有類似的問題。農(nóng)機企業(yè)在技術(shù)引進時往往優(yōu)先關(guān)注技術(shù)本身的先進性，而忽略了技術(shù)在本土實踐場景中的適應(yīng)性。此外，設(shè)計過程中缺乏深入的需求分析，導(dǎo)致產(chǎn)品要素與需求脫節(jié)，影響用戶體驗和實際效用。

設(shè)計過程包含概念設(shè)計和構(gòu)型設(shè)計兩方面。目前，我國農(nóng)機裝備設(shè)計主要集中在構(gòu)型設(shè)計階段，缺乏概念設(shè)計創(chuàng)新手段[4]。概念方案的產(chǎn)生強調(diào)創(chuàng)新理念和技術(shù)應(yīng)用，注重產(chǎn)品設(shè)計的前沿性和先進性。農(nóng)機設(shè)計領(lǐng)域的復(fù)雜性要求設(shè)計師需要綜合考慮新需求、新技術(shù)、新理念等多個方面。因此，設(shè)計中應(yīng)當積極引入創(chuàng)新思維和方法，突破傳統(tǒng)設(shè)計模式的束縛，促進跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作與整合創(chuàng)新，以便更好地應(yīng)對農(nóng)業(yè)4.0時代的農(nóng)機發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)實踐要求。

2.2 工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新思維在農(nóng)機設(shè)計中的應(yīng)用

工業(yè)設(shè)計是科學(xué)與美學(xué)共生下的創(chuàng)新生產(chǎn)力[5]。以創(chuàng)新為目標，將方法、技術(shù)、工具、理論和流程整合起來，開展綜合性、跨學(xué)科、系統(tǒng)化的設(shè)計活動。工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新思維強調(diào)需求導(dǎo)向，通過綜合考慮多種要素和技術(shù)，對產(chǎn)品系統(tǒng)進行合理規(guī)劃與改進，從而創(chuàng)造出更具競爭力和創(chuàng)新性的產(chǎn)品方案。國內(nèi)一些農(nóng)機企業(yè)和科研院所通過引入工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新思維深入?yún)⑴c農(nóng)機裝備設(shè)計，探索出了有效的創(chuàng)新路徑。例如，中聯(lián)農(nóng)機通過聚焦未來產(chǎn)品數(shù)字化、智能化、綠色化發(fā)展需求，驅(qū)動自主創(chuàng)新，加速工業(yè)設(shè)計美學(xué)、原型創(chuàng)新、產(chǎn)品設(shè)計策略的變革，系列農(nóng)機產(chǎn)品在市場中形成了差異化的競爭優(yōu)勢。湖南大學(xué)跨學(xué)科智能農(nóng)機團隊通過工業(yè)設(shè)計、機械、電控等多學(xué)科的交叉合作，瞄準智慧農(nóng)業(yè)中的農(nóng)機市場需求變化，研發(fā)出了全國首款純電動智能駕駛拖拉機，實現(xiàn)了傳統(tǒng)產(chǎn)品的迭代和創(chuàng)新。

2.3 基于AHP/QFD/FBS的創(chuàng)新設(shè)計流程構(gòu)建

設(shè)計方法是用于指導(dǎo)設(shè)計實踐的規(guī)范性程序、技術(shù)和工具[6]。近年來，基于FBS模型層級映射的創(chuàng)新方法逐漸發(fā)展為集成其他模型或理論的混合式方法模型，并在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域得到了應(yīng)用。其中，集成用戶需求相關(guān)方法的占比較重。李翠玉等[7]通過集成AHP和FBS模型指導(dǎo)了親子互動平衡車在功能和結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，提升了需求的精準度及產(chǎn)品設(shè)計效率。周紅宇等[8]將AHP、FAST，以及FBS相結(jié)合，提升了遙控式抹光機設(shè)計的合理性、易用性和美觀度。陳國強等[9]集成QFD/FBS并對可移動電力監(jiān)測設(shè)備進行設(shè)計，實現(xiàn)了產(chǎn)品各項要素的合理配置。許艷秋等[10]運用QFD和FBS模型參與坐便器的設(shè)計研究，提升了產(chǎn)品的多適性。通過以上文獻可知，AHP可量化用戶需求調(diào)研結(jié)果，得出重要度信息。QFD可建立用戶需求與產(chǎn)品特性間的相關(guān)關(guān)系，為后期創(chuàng)新設(shè)計提供客觀依據(jù)。FBS模型有助于將產(chǎn)品特性進一步細分為具體的功能要求，幫助設(shè)計師全面理解產(chǎn)品功能的互動關(guān)系，優(yōu)化功能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)組合，提高產(chǎn)品的整體性能和效用。AHP、QFD和FBS模型結(jié)合，可以建立一個系統(tǒng)性的設(shè)計流程，見圖1。該流程將各個環(huán)節(jié)和要素綜合考慮，促進設(shè)計過程中不同環(huán)節(jié)之間的緊密協(xié)作和信息傳遞，確保設(shè)計的全面性和一致性，有效避免單一因素導(dǎo)致的設(shè)計缺陷或局限，從而提高創(chuàng)新方案的質(zhì)量和可行性。該流程在特性發(fā)掘和原型創(chuàng)新等方面具有優(yōu)勢，能夠更好地整合數(shù)字化技術(shù)和智能化系統(tǒng)，以推動農(nóng)機裝備設(shè)計與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的緊密結(jié)合。

圖1 農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計流程

3 果園管理機設(shè)計實例

3.1 研究現(xiàn)狀及現(xiàn)有產(chǎn)品分析

果園管理機是一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備，以牽引機械為核心，通過搭配各類機具以幫助果農(nóng)完成果樹灌溉、施肥、噴藥等不同的管理任務(wù)[11]。產(chǎn)品通常由多個模塊組成，可根據(jù)果園的不同管理需求，選擇相應(yīng)的模塊進行組合以實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)。市場現(xiàn)有產(chǎn)品在整體外形、輪式結(jié)構(gòu)、操控區(qū)域等構(gòu)件上較為相似，見表1。功能和性能方面，有關(guān)學(xué)者為提升果園管理機的機械效用，分別對產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和智能化等內(nèi)容進行了相關(guān)研究與改進。例如，張亞等[12]針對果園管理機功能單一、集成化和智能化水平較低的問題，根據(jù)果園特點和作業(yè)要求，設(shè)計了一種智能型果園管理機，通過多功能機械實現(xiàn)了多種農(nóng)藝環(huán)節(jié)的高效作業(yè)。林悅香等[13]根據(jù)果園農(nóng)藝要求設(shè)計了一種快速替換裝置，提高了果園管理機功能替換的便捷性，保障了機械作業(yè)的可操作性、可靠性。劉東琴等[14]通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了整機的輕量化和小型化，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品在喬化果園作業(yè)時通過性差和操作不便的問題?，F(xiàn)有的果園管理機相關(guān)研究重點聚焦于技術(shù)流程和實踐類型等方面，產(chǎn)品的研究和應(yīng)用還處于起步階段。企業(yè)以技術(shù)類比和經(jīng)驗主導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，導(dǎo)致產(chǎn)品存在著同質(zhì)化嚴重、創(chuàng)新性低的問題。

3.2 基于AHP的用戶需求分析

AHP法，是美國運籌學(xué)家Staaty于1970年提出的一種對事物進行多目標問題決策分析的方法[8]。為了解現(xiàn)代果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，從中探索智能技術(shù)新的應(yīng)用熱點及現(xiàn)實需求。通過對贛南地區(qū)標準化臍橙種植基地的12名果園經(jīng)營者、62名一線農(nóng)戶、14名一線農(nóng)業(yè)技術(shù)專家，以及有關(guān)方面的機械工程師和工業(yè)設(shè)計師進行調(diào)研，最終在產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、外觀和適應(yīng)性方面確定了17項具體需求。按照AHP先分解后綜合的基本思路，首先將用戶需求按從屬關(guān)系構(gòu)建層級結(jié)構(gòu)。頂層為目標層，即果園管理機用戶需求（）；中間層為準則層，包含功能需求（1）、適應(yīng)性需求（2）、結(jié)構(gòu)需求（3）、外觀需求（4）四項；底層為指標層，1～17分別對應(yīng)上一層級的細分要素，見圖2。

表1 產(chǎn)品案例

Tab.1 Product cases

圖2 果園管理機用戶需求層級結(jié)構(gòu)模型

歸一化后得出用戶需求權(quán)重向量W=(0.555 5, 0.271 6, 0.124 7, 0.048 2)。為保證權(quán)重結(jié)果的有效性及合理性，引入比值R對判斷矩陣一致性進行檢驗，見式（2）。

表2 標度的含義

Tab.2 Meaning of scale

表3I取值表

Tab.3 RI value

表4 準則層判斷矩陣及權(quán)重

Tab.4 Criteria level judgment matrix and weight

表51指標層判斷矩陣及權(quán)重

Tab.5 B1 index level judgment matrix and weight

表62指標層判斷矩陣及權(quán)重

Tab.6 B2 index level judgment matrix and weight

表73準則層判斷矩陣及權(quán)重

Tab.7 B3 index level judgment matrix and weight

表84準則層判斷矩陣及權(quán)重

Tab.8 B4 index level judgment matrix and weight

將準則層中各要素的權(quán)重值與其所屬的指標層要素的權(quán)重值相乘，可以計算出各項需求要素的綜合權(quán)重，并得出綜合權(quán)重序列，以指導(dǎo)后續(xù)分析和方案創(chuàng)新，見表9。

表9 用戶需求綜合權(quán)重及排序

Tab.9 Comprehensive weight and ranking of user demand

3.3 產(chǎn)品特性分析與規(guī)劃

3.3.1 總特性規(guī)劃

通過咨詢專家建議、查閱相關(guān)技術(shù)資料，分級規(guī)劃形成果園管理機總特性列表，見表10。列表分為五項一級特性，分別是：基礎(chǔ)作業(yè)功能、智能程序與系統(tǒng)、行駛運動、整體外觀設(shè)計、操作控制。這些特性涵蓋了果園管理機整機架構(gòu)內(nèi)的底盤驅(qū)動模塊、車身車架模塊、整機功能模塊和農(nóng)機控制系統(tǒng)。其中，基礎(chǔ)作業(yè)功能包含可滿足果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中基本農(nóng)藝作業(yè)需要的功能特性，例如藥物投入、水肥管理和果實采收等；智能程序與系統(tǒng)則主要體現(xiàn)在病蟲害識別和成熟度判斷等方面；行駛運動是底盤模塊特性的主要內(nèi)容，包含自動導(dǎo)航行駛、底盤通過性和行駛穩(wěn)定性等五項；整體外觀設(shè)計包括產(chǎn)品尺寸、造型和色彩等要素；操作控制則包括遠程調(diào)度、工具自動切換、緊急停止、機具懸掛和照明控制。

表10 用戶需求綜合權(quán)重及排序

Tab.10 Comprehensive weight and ranking of user demand

3.3.2 質(zhì)量屋構(gòu)建

3.3.3 關(guān)鍵產(chǎn)品特性確定

由上述產(chǎn)品特性重要度排序結(jié)果可看出：水肥管理、藥物投入、冠層管理、果實采收可作為基礎(chǔ)作業(yè)功能中的關(guān)鍵特性。病蟲害識別、成熟度判斷、多設(shè)備互聯(lián)、智慧后臺、環(huán)境信息監(jiān)測可作為智能程序與系統(tǒng)中的關(guān)鍵特性。行駛運動中，應(yīng)著重考慮自動導(dǎo)航行駛、電力驅(qū)動兩項特性，合理規(guī)劃其在整機系統(tǒng)中的參與內(nèi)容和實現(xiàn)方式，同時底盤的通過性和農(nóng)機的行駛穩(wěn)定性也應(yīng)適當保障。整體外觀設(shè)計中，要重點考慮產(chǎn)品尺寸的合理性。產(chǎn)品造型應(yīng)適當結(jié)合智能產(chǎn)品造型特征進行調(diào)整，以增強造型科技感。工具自動替換、遠程調(diào)度是操作控制中的設(shè)計重點。

圖3 用戶需求–產(chǎn)品特性質(zhì)量屋

3.4 功能創(chuàng)新

3.4.1 概念性功能系統(tǒng)構(gòu)建

功能是對技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品工作能力的抽象描述，是農(nóng)機裝備設(shè)計人員處理的關(guān)鍵對象。功能創(chuàng)新是對產(chǎn)品功能內(nèi)部屬性的優(yōu)化、更新、重組，是產(chǎn)品前端創(chuàng)新的有效途徑[15-16]。為適應(yīng)復(fù)雜的果園農(nóng)業(yè)作業(yè)內(nèi)容和作業(yè)環(huán)境，果園管理機需要具備多個功能單元，同時合理設(shè)計各個功能單元的工作流程，得出功能創(chuàng)新理想方案，從而提升機器效用及工作能力。通過融合關(guān)鍵特性要素，優(yōu)化、更新、重組果園管理機功能的內(nèi)在屬性，以此形成山地行駛等二十三項子功能單元，并按主從關(guān)系整理為分級特征，見圖4。

3.4.2 末端作業(yè)功能系統(tǒng)工作流程

融合智能化相關(guān)特性，末端作業(yè)功能系統(tǒng)形成了新的運行方式。為清晰規(guī)劃該組功能在病蟲害管理、果實采收、花果管理、土壤管理農(nóng)藝環(huán)節(jié)中的工作流程，分別在準備、開始、進行、結(jié)束四個階段，對子功能單元的運行方式及參與流程進行描述，見表11。

3.5 結(jié)構(gòu)求解

Qian和Gero最早提出了FBS模型[17]。通過FBS的映射過程可以實現(xiàn)產(chǎn)品功能有層次的展開，推理得出功能實現(xiàn)的行為因子，借助行為推理求解得到產(chǎn)品的概念性結(jié)構(gòu)，直到實現(xiàn)產(chǎn)品的完整設(shè)計過程。將概念性功能系統(tǒng)：自動駕駛、智能操控、數(shù)據(jù)采集、信息警示、末端作業(yè)作為FBS映射的功能（F）層。提取子功能單元預(yù)設(shè)工作流程并采集相關(guān)產(chǎn)品中類似功能的實現(xiàn)方式作為行為（B）因子，執(zhí)行映射求解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（S）。

圖4 果園管理機功能分級

表11 末端作業(yè)功能系統(tǒng)工作流程

Tab.11 End-of-line operation function system workflow

3.5.1 功能-行為映射

農(nóng)機裝備自動駕駛由多種因素發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，其中主要包括：行駛移動、定位導(dǎo)航、遠程操控、視覺感知和數(shù)據(jù)監(jiān)測五項內(nèi)容[18]，由此作為果園管理機自動駕駛功能系統(tǒng)的行為因子。智能操控功能系統(tǒng)包括：人機交互、遠程操控和照明控制三個方面，可為果園管理機的協(xié)同作業(yè)提供支持。數(shù)據(jù)采集功能系統(tǒng)可以有效感知和監(jiān)測目標物與果園環(huán)境，所采集的數(shù)據(jù)信息可服務(wù)于后期決策制定。信息警示功能系統(tǒng)則主要提供生產(chǎn)預(yù)警和運行告警兩類信息，能夠幫助用戶快速掌握果園管理過程中的威脅因素和緊急情況。末端作業(yè)功能結(jié)合智能控制系統(tǒng)和機器學(xué)習算法，可以實現(xiàn)末端作業(yè)姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)整和機具自動切換，主要執(zhí)行修剪、摘取、灌溉等作業(yè)內(nèi)容。

3.5.2 行為-結(jié)構(gòu)映射

以用戶需求和關(guān)鍵特性要素指導(dǎo)結(jié)構(gòu)推理與選型。行駛移動可映射為電動底盤和三角履帶輪，電動底盤采用電力驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上更加緊湊且靈活性、機動性較高。電動底盤與清潔能源和綠色技術(shù)相結(jié)合，有利于促進果園管理向可持續(xù)的方向發(fā)展。針對果園不同的地形環(huán)境，采用三角履帶輪可提供穩(wěn)定的牽引和移動性能，使之能夠有效應(yīng)對不同的地面情況，其相對較大的接地面積，分散了重量，能夠減少對土壤的壓實和破壞。北斗/GNSS導(dǎo)航設(shè)備可幫助果園管理機確定自身的位置，并根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)航路徑或指令進行準確導(dǎo)航和移動。人機交互包括產(chǎn)品硬交互和軟交互兩種形式，其中硬交互可映射為產(chǎn)品外殼、工具箱和電源控制面板等物理組件，提供了直接的、實體的交互方式。而軟交互則通過可視化交互界面實現(xiàn)，用戶借助屏幕和圖形界面可與果園管理機進行遠程互動，執(zhí)行相關(guān)操作指令。運行告警采用燈光和發(fā)聲裝置傳達警示信息，提醒用戶注意機器的運行狀態(tài)和可能存在的問題，以確保操作的安全性和及時性。視覺感知方面，采用視覺攝像頭、毫米波雷達，通過結(jié)合計算機視覺算法等手段，以幫助果園管理機有效感知各類視覺信息（例如障礙物識別、果樹生長情況等），從而輔助機器的導(dǎo)航和作業(yè)決策。數(shù)據(jù)監(jiān)測則借助多種智能傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、土壤水分傳感器等，實現(xiàn)對果園環(huán)境和作物狀態(tài)的監(jiān)測。多模態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測可以提供全面和準確的果園數(shù)據(jù)，為決策和管理提供依據(jù)。采用多軸機械臂附帶各類末端器具、平臺模組和精量化控制設(shè)備，設(shè)計成一體式作業(yè)模塊，實現(xiàn)靈活、精準的末端農(nóng)藝作業(yè)。通過懸掛傳動機構(gòu)和相關(guān)動力機具的裝配，果園管理機可以進行土壤耕作、施肥等作業(yè)，以提高土壤質(zhì)量和果樹生長條件。果園管理機FBS映射求解過程，見圖5。

3.6 裝配方案設(shè)計

將FBS模型映射得出的結(jié)構(gòu)要素進行模塊組合，并利用三維建模軟件完成方案建模。抓取機械手、修剪機械手、高壓霧化噴頭安裝在工具箱上部，與多軸機械臂組成果園管理機樹體作業(yè)模塊。將三角履帶輪、視覺攝像機、毫米波雷達、北斗/GNSS導(dǎo)航設(shè)備，以及多顆不同類型的智能傳感器集成為電動底盤模塊。懸掛傳動機構(gòu)連接于底盤尾部，便于安裝、拆卸和牽引動力機具。燈光模塊布置在底盤前方和后方以滿足環(huán)境照明和燈光告警需要。水藥配制裝置布置于產(chǎn)品上部，方便用戶查看配比信息和加注水藥。裝載平臺位于車身前部，可按容器需要延展15%的裝載空間，發(fā)聲裝置布置于裝載平臺后端。具體裝配方案，見圖6。

圖5 果園管理機FBS映射求解過程

圖6 果園管理機結(jié)構(gòu)裝配圖

3.7 智能化設(shè)計

果園管理機通過采集果園相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并輸入綜合決策系統(tǒng)中進行分析，依據(jù)綜合決策結(jié)果，可生成最優(yōu)的場景化應(yīng)用方案。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和程序，自動控制設(shè)備的運行，實現(xiàn)聯(lián)動和協(xié)同作業(yè)。具體交互邏輯，見圖7。例如，通過對果園進行巡視、拍照和數(shù)據(jù)監(jiān)測等工作，獲取圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后利用圖像識別和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，預(yù)測果樹生長狀況的變化趨勢，并及時發(fā)現(xiàn)果樹生長狀態(tài)的不良情況。當果園管理機發(fā)現(xiàn)相關(guān)風險時，將會通過交互界面發(fā)出提示。果農(nóng)可根據(jù)后臺綜合決策建議，進一步采取修剪、灌溉、施肥等相應(yīng)的管理措施。此外，在采摘作業(yè)過程中，利用深度學(xué)習和機器視覺等技術(shù)，果園管理機可對果實的品質(zhì)、成熟度等進行智能判別和分級，以此保障果實出品質(zhì)量，提高果實經(jīng)濟價值。

3.8 適應(yīng)性設(shè)計

果園管理作業(yè)具有多樣性和復(fù)雜性特點，適應(yīng)性是果園管理機實現(xiàn)場景化應(yīng)用的關(guān)鍵。為適應(yīng)果園管理中的多種農(nóng)藝要求，機械臂與工具區(qū)域的模塊化設(shè)計增強了末端作業(yè)系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，機械臂靈活的姿態(tài)變換和自動化的工具切換方式，提高了果園管理機應(yīng)對不同農(nóng)藝作業(yè)場景變化的適應(yīng)性。同時，針對多樣的場景應(yīng)用需求，交互界面提供了遙控模式和自動模式兩種模式選擇，以滿足不同的管理作業(yè)需要?？梢暬慕换ソ缑嬖O(shè)計，提高了果園管理機的可操作性和易用性，降低了人工管理的工作強度，見圖8?？紤]果園管理機主要在丘陵山區(qū)應(yīng)用，整機規(guī)劃為小型尺寸。產(chǎn)品主體最長為2 200 mm，最寬為1 250 mm。采用四輪三角履帶輪，在提升轉(zhuǎn)彎、通行和爬坡性能的同時，也提高了多地形環(huán)境的適應(yīng)能力。

圖7 智能化交互邏輯

圖8 可視化交互界面

3.9 視覺形象設(shè)計

市場現(xiàn)有果園管理機整體外形類似于小型農(nóng)用拖拉機，由方形或簡單曲面構(gòu)成。多采用鈑金結(jié)構(gòu)，其車身長度和寬度根據(jù)生產(chǎn)廠家和型號不同而有所差異，產(chǎn)品案例見表1。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，本方案中動力系統(tǒng)的變化減少了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)部件數(shù)量，為外觀形象創(chuàng)新設(shè)計留出了空間。機身外殼和結(jié)構(gòu)部件是產(chǎn)品造型的載體。在外觀設(shè)計中，簡潔、炫酷、未來、智能的視覺感受可表達出產(chǎn)品造型的科技感[19]。為使整體造型呈現(xiàn)出科技感，通過多向表達形式對產(chǎn)品造型加以塑造。采用弧線和圓角過渡，減少非結(jié)構(gòu)造型元素，體現(xiàn)簡潔的造型特征。對部分曲面進行分割，塑造機身層次變化，并通過線條陣列和燈光設(shè)計，增添產(chǎn)品炫酷、未來的視覺感受。色彩上采用金屬漆進行涂裝，淺銀灰色作為產(chǎn)品主色分布在機身上部，深灰色分布在機身下部，增強穩(wěn)重感。果園管理機外觀設(shè)計方案，見圖9。

圖9 果園管理機外觀設(shè)計

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)4.0體現(xiàn)了以技術(shù)為驅(qū)動、環(huán)保為重點、人本為導(dǎo)向的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展理念。本研究基于農(nóng)業(yè)4.0的智能化、自動化和精細化要求，采用集成AHP/ QFD/FBS的設(shè)計創(chuàng)新流程，設(shè)計了一種能夠滿足農(nóng)業(yè)4.0場景化應(yīng)用需要的果園管理機創(chuàng)新方案。該方案充分考慮了用戶需求和現(xiàn)代技術(shù)進步，具有創(chuàng)新性、適應(yīng)性和可行性。通過以功能創(chuàng)新為條件，執(zhí)行FBS有效映射的結(jié)構(gòu)求解過程，為形成靈活、智慧、多樣的整合性創(chuàng)新方案提供了優(yōu)勢要素。該設(shè)計流程為農(nóng)業(yè)4.0場景中的其他農(nóng)機裝備設(shè)計提供了借鑒和參考，為農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了新的創(chuàng)新方式。但本研究還存在一定的局限性，需要進一步通過機械工程技術(shù)研究和普惠性服務(wù)模式推動設(shè)計的實現(xiàn)。

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Innovative Design of Orchard Management Machine Based on AHP/QFD/FBS Model

WEN Junzhong1, SHI Yuanwu2*, ZHU Weichen3

(1.Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China; 3.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The work aims to improve the deficiencies in the current design process of local agricultural machinery equipment in terms of innovative solutions, so as to achieve the optimization and innovative design of orchard management machine. In the context of agriculture 4.0, industrial design innovation thinking was introduced to the agricultural machinery equipment design, and an innovative design process was constructed by combining the AHP (Analytic Hierarchy Process), QFD (Quality Function Deployment), and FBS (Function-Behavior-Structure) model. Firstly, through the analysis process of AHP and QFD, the user demand information was transformed into key product features. Then, with the relevant feature indicators, the internal attributes of the product functions were optimized, updated, and reorganized to gradually establish a conceptual functional system. Finally, through the "Function-Behavior-Structure" mapping of the FBS model, the structural carrier of the function implementation was solved to meet the design conditions of product function innovation and structural elements, thus ultimately completing the innovative design of the orchard management machine. The innovative design process integrated with AHP/QFD/FBS includes a complete process of demand analysis, feature exploration, function innovation, and structural solution. Through design practice, the orchard management machine was improved in terms of user experience, functional configuration, adaptability, and intelligence. The effectiveness of this process in agricultural machinery equipment innovation can provide new ideas and references for the design of related products in the context of agriculture 4.0.

agriculture 4.0; orchard management machine; innovative design; functional innovation; FBS model

TB472

A

1001-3563(2024)02-0099-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.02.010

2023-08-11