基于信息框架的農機產品設計研究

武月琴

(1.西華大學 美術與設計學院，成都 610039；2.四川大學 藝術學院，成都 610065)

基于信息框架的農機產品設計研究

武月琴1，2

(1.西華大學 美術與設計學院，成都 610039；2.四川大學 藝術學院，成都 610065)

構建了一種準確定義農機產品設計方向的方法。根據設計流程及信息傳遞過程，將農機產品設計前期所需信息分為市場類信息、用戶類信息、設計經驗類信息及產品實現類信息，并針對以上信息進行圖解分析，設計師通過對比分析信息框架中所需信息的來源和目標，結構化并準確定義設計問題。以微耕機為設計對象，對比該類產品各有用信息，結構化設計問題并準確定義設計目標，有效地把握此類產品的設計趨勢。研究表明：以信息框架為手段的農機產品問題結構化能夠有效地提高此類產品的設計準確性與成功率。

農業機械；產品設計；信息框架

0 引言

設計師由信息情報形成概念，提出產品構想，展開程序，進而將構想落實為具體的產品。產品設計創新概念需要多種不同的信息支持，充足和完善的信息可以幫助設計師跨越原有知識經驗的局限而趨向創新發展。因此，在產品創新設計活動中，如何從眾多信息中快速篩選，并通過分析和利用轉化成為致勝的創新概念，成為產品設計中的關鍵所在。

農業機械產品是現代先進制造技術、設計水平及操作人員技術的集中體現，其形態與功能的設計創新是各類信息的綜合表達，全面、準確地設計信息篩選是農機產品設計成功的關鍵因素之一。

1 基本概念

1.1 信息框架

設計信息就是指設計師用來輔助并指導設計的資料、知識和消息，包括源信息與新信息、顯性信息與隱性信息、形態信息與結構信息、自然信息與社會信息、文化信息與技術信息等[1]。設計師只有掌握足夠多的信息，才能建立有關設計問題的框架，定義設計問題，尋找設計的限制性因素，形成設計目標，并開展后續的工作。在產品開發前期，設計師根據個人認知習慣和經驗，獲取、歸納并結構化設計問題所需信息及其關系，形成信息框架，以準確定義設計問題，把握設計方向。

設計師的設計過程分為3個階段：設計信息的輸入、設計概念的生成及設計解決方案的輸出[2]。設計過程中的設計信息形成包括：①信息的搜集階段。設計信息主要來源有以設計師現有經驗與知識為基礎的設計信息，與設計師的知識閱歷、工作經驗等有關。委托方給定的設計要求與信息，當部分委托方委托內容較模糊時，需設計師幫助明確設計任務，并在溝通中了解委托設計信息，通過資料收集、市場調研得到的相關信息。②信息素材的綜合整理提煉與概括。設計信息素材的加工一般包括經過初步篩選、制定設計的約束條件及排除絕對不適合的部分等過程。如在農機產品設計中應該避免與地理環境、作物生長不相符的數據與尺寸。各類設計信息匯總至設計團隊，設計師根據個人經驗及市場需求等進行信息篩選，最終產生設計方案。前期設計信息的反復多次篩選影響著設計結果的準確性，在某種程度上也決定了產品能否獲得市場期望。

1.2 農機產品

農機產品也叫農機具，是指在作物種植業、畜牧業生產過程或農、畜產品初加工和處理過程中，職業農民或技術工人所使用的各種機械化產品[3]。我國農機產品的市場呈現出“啞鈴型”，也就是占市場主導是低端農機與高端農機。低端農機產品多為國產，主要是職業農民個人所擁有；高端農機產品多進口，主要是地方政府或農機租賃企業所擁有。農機一般由主機與配套機具構成，發達國家配套比例在1：4以上，我國農機具配套比例約為1：1.5，只有發達國家農機配套率的1/3。因此，加強農機具的設計通用性和提高農機具配套率是農機設計的重點之一。

2 農機產品設計前期信息框架內容

2.1 產品設計的模糊前期

由于產品創新設計前期的不確定性，因此稱為模糊前期(Fuzzy Front-End, FFE)[4]。在設計問題形式松散、設計任務缺乏定義及設計目標不明確的情況下，設計師需要通過搜集分析信息，建立限制性認知環境[5]。

2.2 農機產品設計的信息框架

在產品設計的初期階段，設計師需要調用個人設計經驗類信息及產品實現類信息，并結合信息輸入時的市場類信息、用戶類信息[6]才能輸出有針對性的設計方案，如圖1所示。農機產品與農作物、地理環境、農業生產活動特征、用戶的農業生產技能及國家農業政策有著密不可分的關系，因此市場類信息除了包括行業信息、企業自身狀況信息以外，還有重點研究目標地理條件信息、目標地域政策信息及目標農作物信息等。我國農機用戶分為戶籍農民、新型職業農民、農機操作員等，他們對農機的需求點有很大的區別。設計師個人經驗類信息包含設計理念、設計表現、設計研究能力等。產品實現類信息包括現有技術條件、安全標準、生產標準及制造工藝等。

圖1 農機產品設計的信息框架

3 信息框架在農機產品設計中的應用

3.1 以用戶類信息研究為核心的農機產品設計

產品創新有需求驅動(用戶體驗)、競爭驅動(商業)、技術驅動(科技)3種方式[7]。設計代表了用戶體驗的創新，同時可以融合科技與商業的創新，如圖2所示。農機產品創新中往往側重技術與商業，忽略了以用戶研究為主的需求創新。影響農機產品設計的因素眾多，設計師會根據用戶需求或農業生產活動需求做不同側重點的設計。目前，我國本土的農機產品設計主要是基于產品實現類信息，設計重點在于能用、耐用，以技術驅動型為主，面向的用戶多為戶籍農民、少數職業農民，他們大多是1960-1979年出生的群體。當前，農機產品的設計對生產工具和勞動者之間的協調配合有所忽視或考慮相對較少。

圖2 產品創新的3種方式

自2010年起，農機產品用戶群體逐步轉變為1980年以后出生的群體，伴隨著新型職業農民的出現，僅僅能用、耐用的農機產品已經無法滿足用戶需求，更傾向于好用、易用[8]。因此，農機產品的設計方向也逐步轉變為以用戶為中心(User Center Design, 簡稱UCD)，根據人的行為習慣、生理結構、心理狀況、思維方式等對產品進行設計和生產，使用戶的心理認知和精神需求得到尊重和滿足，使產品更具人文關懷，充分體現對人的尊重[9]。未來的農機產品應該是多功能、人機界面友好、操作簡便靈活、作業高效快捷、維護成本低、智能化程度高、資源耗費較少及環境生態安全的綜合性高科技產品。

3.2 以目標地理條件信息為核心的農機產品設計趨勢

我國部分企業及地區在農機產品的設計開發上一味追求大功率的高端農業裝備，結果在商業上以失敗告終。以拖拉機開發為例，過大馬力的拖拉機不適合我國精耕細作的農業生產。農機產品的設計必須要通過深入的市場需求分析研究，根據國情及地理特點，做到融合農藝、技術領先、大小型兼顧，發展中國特色的高端農業裝備產品，實現農機產品的科學轉型升級[10]。農機產品設計中目標地理類信息具體包括：①使用環境、地形因素，如丘陵地區與平原，由于道路坡度與農田地形導致農機的行走寬度大相徑庭；②土壤質地與水分，土質硬的地區需要大功率、深挖的農機設備；③種植結構對農機具的影響；④不同地區農作物生長情況對農機設計的要求，如采摘機中草莓、葡萄等的采摘不同于棉花；⑤農機產品與環境之間的影響，如可除草的旋耕機在某種程度上也會破壞果園作物根系。運用以上信息將地理環境細分，注重地域環境的獨特需要，使農機具注重通用性，與當地實際耕整地作業方式相匹配，保證農耕、運輸的基本需要，適應當地的土地規模集中度，從而設計出適合我國國情的農機產品。

4 基于信息框架的農機產品設計例證—以微耕機為例

4.1 項目來源簡述

四川左軍機械制造有限公司委托設計開發一款能夠適用在四川省廣安市鄰水地區示范果園、完成基礎農藝作業的小型農用機械，要求造型美觀、好用、先進。

4.2 信息框架分解及定義設計方向

小型農用機械具有使用靈活輕便、環境適應性強的特點，在地形地貌復雜的丘陵和山地地區具有廣泛使用空間。同時，伴隨著遙控技術的進步、農業機械自動化程度的不斷提升及農業勞動人口的日益短缺，小型遙控農用機械將會成為發展趨勢。結合前文產品設計信息框架，將此次設計任務定位為小型遙控微耕機，通過設計信息整理歸類并分解，幫助設計師發現問題并求解。

4.2.1 農機市場類信息分析

1)目標地理環境類信息：四川省廣安市鄰水縣介于東經106°41′～107°18′、北緯30°01′～30°33′之間，川東褶皺平行嶺谷低山丘陵區，境內華鎣山、銅羅山、明月山3條山脈背斜平行排列，形成“三山兩槽”的特殊地貌，深丘、淺丘、臺地、平壩兼而有之；屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，冬暖春早，夏長秋短，水熱兼優，氣候溫和，雨量充沛，土地肥沃，資源豐富[11]。

2)目標操作環境信息：鄰水地區果園尤其是示范、帶有科研性質的果園種植密植化、低矮化，種植區域以坡地、川塬、狹窄農田居多。傳統機械由于外型尺寸和操作性能的限制，特別是在高度和轉彎半徑上難以適應實際作業要求。

根據此類信息，將此款微耕機定義為：尺寸小，采用牽引效率高的履帶式行走機構，越野通過性和爬坡能力更加優越；可原地轉向，轉彎半徑小，整機的機動性好。在覆蓋件設計、整機布置等方面充分考慮了果園作業的特殊性，大量選用圓角化處理和遮擋處理，防止果樹枝條受到傷害；經過特殊處理的發動機排氣，可以防止吹落花粉及幼果等。

3)目標農作物信息：經過實地調查，典型目標果樹枝條距地面高度在60～84cm，果樹作物行距為120～150cm，如圖3所示。根據這兩類數據，為了滿足間作套種和果樹根系保護的不同要求，設計此款遙控微耕機整機高度為50cm，寬度為90cm，旋耕最大耕深為12cm，并采用液壓控制向淺處無級調節。

圖3 目標操作環境及作物

4)同類競爭產品信息：對比市面上多類微耕機，定義此款微耕機可配套多種機具，實現一機多能，提高了整機利用率，增強其市場競爭力。

4.2.2 農機用戶類信息分析

1)經濟性：微型農機需要節能、經濟、不占用太多空間，適合于家用。農機動力可選，包括委托公司獨有的雙燃料內燃動力與以蓄電池為代表的新型動力兩種。

2)使用與操作：簡單、安全的遙控操作，作業環境大大改進。當使用手動操作方式時，可打開隱藏式座椅，相對舒適，減少作業強度。

3)安全性：小型遙控農用機械要特別注意耕作的安全性，充分考慮潛在的危險，對使用者的傷害降至最低。考慮耕作裝置及電機的散熱問題，在旋轉部位、高溫部位設計有安全防護；增設倒擋與動力輸出互鎖裝置、電控緊急停車裝置、選擇安全電源和免維護蓄電池等；動力系統設計有離合器、液壓系統設計有安全閥、電器系統設計有保險系統等，這些安全設置保證了在使用過程中遇到過載、誤操作等情況不至于損壞本機與用戶。

4)降噪減少污染：設計耕作裝置時應當綜合考慮使用者的實際需求，為了降低傳統微耕機的噪音和廢氣污染。

4.2.3 農機設計師個人經驗信息

根據微耕機的工作原理與地理環境要求，設計師合理配置各個部件的位置，最大化減少整機的空間體積。在材料選用、結構設計等方面，選定了較高的安全系數；液壓系統采用獨立供油系統；發動機進氣采用二級過濾；操縱系統采用遙控/手動雙系統，保證了操縱的可靠性等，有效提高了產品的使用可靠性。整機的外觀設計相對前衛，黑色的機芯外殼與履帶統一了機器前端，后端采用金屬本色，既降低了加工成本，在外觀上也暗示這部分為可替換機具。

4.2.4 產品實現類信息

先進技術的采用：該微耕機在設計制造上應用了無線電遙控技術、履帶張緊調整、直線行走控制技術、液壓提升與控制技術、變速操縱聯動與互鎖控制技術、機具快速掛接技術等。

4.3 符合設計方向的微耕機外觀設計

由于小型遙控微耕機相比于傳統農機減少了人力直接操作的裝置和空間，因此在外觀上必定呈現出與傳統農機很大的不同,如圖4和表1所示。針對產品自身的特性和使用要求，其外觀設計應注意以下幾個方面：

1)注意保證物理穩定性。由于小型農機是通過遙控器控制主機自行作業，因此在其外觀設計上要充分考慮物理穩定性。一方面應將機械主體的整體形態設計成對稱形狀，從而使得整機在移動和作業過程中能保持穩定的平衡狀態；另一方面，在外觀設計上應適當地控制機械主體的重心高度，通過降低重心獲得穩定性及對復雜地形的適應性。

2)注意保證部件的密封性。由于農機的作業條件相對較惡劣，尤其是丘陵和山地地區雨水較多，淤泥更加普遍，小型遙控農機的電機和遙控部分需要更好的防護，因此其外觀設計中要十分注意密封性。通過提高電機和遙控部件的密封性，以保證機械的工作，同時延長其使用壽命。

3)注意保證動力部分和作業部分的比例協調。

由于小型遙控農用機械的作業方式是通過遙控控制機械主體進行自行作業，因此在外觀設計過程中要注意保證動力部分和作業部分的比例協調。一方面，動力部分和作業部分的物理比例要協調，以確保機械主體動力性能和作業效率的平衡與作業的靈活性；另一方面，要適當考慮動力部分和作業部分的視覺比例協調，使其整體具有良好的視覺效果，包括機器的整體性與用戶對整機的外觀感受，避免出現頭重腳輕的視覺感與功能部件的識別障礙。

4)注意色彩搭配的重要性。由于農業生產活動過程一般機械式重復同一動作，較為枯燥，因此應選擇注重關懷農機操作者的心理感受，色彩搭配給人感覺愉快、和諧，使枯燥繁重的生產勞作過程也變得“輕松”起來。

圖4 遙控履帶微耕機外觀圖表1 遙控履帶微耕機各部件特點

部件分類技術參數特征描述設計分析關鍵詞整機尺寸900mm×450mm×500mm相對同類產品尺寸較小,整機高度低、寬度窄。在狹窄的果園空間中能很好地作業,通過性好。尺寸小動力系統不同馬力的柴油機、雙燃料內燃動力、電瓶等3種可選動力系統。可選不同馬力的動力系統,增加自重,合理分配整機質量,配合相關機具增加整機的平穩性。可選性增加,可根據作業環境的路面平整度、作業難度選擇不同動力系統多種動力系統操縱系統無線電遙控與手動操作雙系統,遙控距離為150m。可遙控整機的左右轉向、停車、機具升降、耕深調節等,涵蓋了農藝作業的操作范疇。根據用戶需求,還可實現發動機啟動和油量的遙控控制。雙系統提高了產品的可操作,遠距離遙控操縱各項農藝作業,更安全。遙控手柄界面設計人性化,操作簡單。遙控與手動雙系統配套系統播種機、旋耕除草機,以及其它選配機具。可以實現耕耘、施肥、除草、噴藥等多種農藝作業,是一款典型的自走式多功能作業機具。實現了一機多用,提高了整機利用率,滿足用戶的經濟性要求。配套機具、一機多用

續表1

5 結論

信息框架是面向設計師的設計信息內容及其結構化，作用主要是幫助設計師形成設計目標與求解問題。設計師在產品設計前期，將設計問題結構化能夠有效地提高設計效率，準確地定義設計問題，處理好各項設計因素之間的關系，將影響農機產品設計的各項影響因素進行結構化，并根據影響權重在農機產品設計中做主次、輕重的決策性處理。因此，信息框架既是形成農機產品開發設計的限制性因素，也是實現農機產品創新設計的突破口。

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Design Research of Agricultural Equipment Based on Information Framework

Wu Yueqin1,2

(1．School of Art and Design，Xihua University，Chengdu 610039, China; 2.College of Art，Sichuan University，Chengdu 610065, China)

Construct a method of making precise definition of design trend of agriculture equipment. According to design process and process of transferring information, there are four types of information required in the fuzzy front-end of designing agricultural equipment,market information,users information, information of designers’ experience and technology information. Depending on the schematic of the four types information, designers can construct the design problems and make precise definition of these problems to gain the design trends of agricultural equipments by comparatively analysis of the sources and goals of these information. Construction of the problems of agriculture equipment based on information framework can enhance the precision and success of this kind of product design.

agricultural equipment; product design; information framework

2016-09-19

四川省教育廳自然科學一般項目(14ZB0138)；四川教育廳工業設計產業研究中心項目(GY-14YB-08)

武月琴(1982-)，女，山西平遙人，副教授,四川大學博士研究生,(E-mail)12596929@qq.com。

S126

A

1003-188X(2017)12-0200-05