基于產(chǎn)品語義分析的自激對沖噴頭概念設(shè)計

董福龍,周宏平,易克傳

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,南京 210037；2.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100 )

0 引言

眾所周知，在保護(hù)農(nóng)林作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)方面，植保機(jī)械發(fā)揮著重要作用[1]。植保機(jī)械用的噴頭(或噴嘴)是藥液霧化和均勻噴射的關(guān)鍵部件，其性能好壞決定噴霧過程中的施藥量、霧滴粒徑均勻度等衡量噴霧質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是改進(jìn)噴霧施藥技術(shù)的關(guān)鍵[2]。

目前，在工程設(shè)計領(lǐng)域方面，各種設(shè)計方法的研究已較為深入，知識工程、可拓關(guān)聯(lián)、產(chǎn)品族、CAD、層次分析法等設(shè)計準(zhǔn)則已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的整個過程中，大大提高了設(shè)計效率和質(zhì)量[3]；但在設(shè)計方法注重文化內(nèi)涵創(chuàng)意方面研究的較少，優(yōu)秀的產(chǎn)品必定注重文化內(nèi)涵的設(shè)計和利用。Polanyi把知識分為隱性知識和顯性知識兩種，為設(shè)計過程的知識發(fā)掘奠定了基礎(chǔ)[4]；日本廣島大學(xué)的長町三生學(xué)者提出將感性與工學(xué)相結(jié)合的感性工學(xué)理論[5]；我國廣東工業(yè)大學(xué)的蔡文教授創(chuàng)立了可拓學(xué)[6]，為尋找產(chǎn)品設(shè)計最優(yōu)方案提供了參考理論。產(chǎn)品語義學(xué)來源于符號學(xué)理論，其本質(zhì)是通過對產(chǎn)品感觀感受來揭示或暗示產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品功能明確而方便理解，從而讓使用者有更加明確的感觀形象并具有象征意義的形態(tài)設(shè)計，傳達(dá)給使用者更多的文化內(nèi)涵，達(dá)到人、機(jī)、環(huán)境的和諧統(tǒng)一，給研究產(chǎn)品形態(tài)的個性化與標(biāo)準(zhǔn)化提供了新的理論基礎(chǔ)[7]。本文運用自然語言處理方法實現(xiàn)自激對沖噴嘴原理設(shè)計的推導(dǎo)，探討產(chǎn)品語義分析在噴頭設(shè)計中的應(yīng)用，為植保機(jī)械設(shè)計提供一種可行的技術(shù)借鑒。

1 噴頭設(shè)計的產(chǎn)品語義模型

產(chǎn)品語義學(xué)主要研究人造物體形態(tài)在使用環(huán)境中的象征特性及其知識在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用，它拓寬了人機(jī)工程學(xué)的范疇，將設(shè)計因素深入至人的心理、精神層面，突破傳統(tǒng)人機(jī)工程學(xué)只對人物理和生理機(jī)能方面的考慮。其功能包含物理性和生理性方面，還包含心理、社會、文化等構(gòu)成人們生活的象征環(huán)境[8]。瑞士語言學(xué)家索緒爾將符號界定為能指與所指，語義學(xué)即研究能指與所指之間關(guān)系。產(chǎn)品語義學(xué)包括產(chǎn)品符號、符號意義和符號使用者三要素，是一個以符號語言學(xué)與傳播學(xué)為基礎(chǔ)的綜合系統(tǒng)。總之，語義學(xué)是研究產(chǎn)品設(shè)計與其意義之間關(guān)系的學(xué)科，如圖1所示。

根據(jù)美國學(xué)者Shannon[9]提出的信息論理論，信息傳播被認(rèn)為是某一個人的思想行為影響到另一個人的過程。 根據(jù)Shannon提出的模型將植保機(jī)械噴頭設(shè)計定義為設(shè)計目標(biāo)輸入與設(shè)計結(jié)果輸出的多目標(biāo)耦合過程。為實現(xiàn)信息的有效傳播，設(shè)計者必須關(guān)注噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時還要從使用者角度考慮設(shè)計表達(dá)、評價的輸出過程，對上述情況定義如下。

定義1：根據(jù)前述產(chǎn)品語義分為能指與所指。在產(chǎn)品設(shè)計中，視覺屬性的造型特征和美學(xué)屬性的產(chǎn)品風(fēng)格特征都是一種隱性知識，前者屬于能指的范圍，后者則屬于所指的范疇，都存在于人的頭腦中，比較難以規(guī)范化和表述[10]，即

P={S,E}

(1)

其中，P表示產(chǎn)品語義；S表示能指；E表示所指。

對式(1)中的S、E分別進(jìn)行分解，則有

S→{S1，S2，…，Sn}

(2)

E→{E1，E2，…，Em}

(3)

定義2：設(shè)植保噴頭設(shè)計為Dp，對Dp進(jìn)行形式化描述，則有

Dp=(Dp1，Dp2，Dp3，M)

(4)

其中，Dp1表示使用者的需求；Dp2表示設(shè)計任務(wù)；Dp3表示設(shè)計評價；M表示三者之間關(guān)系。這構(gòu)成一個Dp1→Dp2→Dp3的四元組。

圖1 產(chǎn)品語義的能指與所指

根據(jù)上述，如圖2所示，文中提出了基于產(chǎn)品語義分析的植保噴頭設(shè)計方法。

圖2 基于產(chǎn)品語義分析的植保噴頭設(shè)計方法

2 自然語言處理的產(chǎn)品語義表征方法

通過提取主題詞對植保機(jī)械噴頭設(shè)計語義進(jìn)行表征。主題詞的提取遵循認(rèn)知經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性原則，前者以最小的容量獲取最多的信息，后者指主題詞涵義相對穩(wěn)定且不易受情境影響。依上述原則用名詞和形容詞作為語義表征的主要方式，步驟如下：

1)口語報告法。通過語言將工作記憶信息外顯化，高效、準(zhǔn)確、及時反映受試者心聲，通過分析記錄言語形成的記錄以獲取設(shè)計信息。在完成測試內(nèi)容時測試者要報告自己的心理活動，不需描述思考過程和解釋原因，以保證測試者的思維過程是直接未經(jīng)任何加工的。

2)設(shè)計主題詞提取及權(quán)重計算。

(1)假設(shè)nij為短語或詞語tij在某篇測試者口語報告文檔中統(tǒng)計出現(xiàn)的次數(shù)，設(shè)該短語或詞語的詞頻為Fij，則

(5)

其中，∑nkj表示文檔中所有短語或詞語出現(xiàn)次數(shù)之和。

(6)

其中，L表示經(jīng)驗值，通常取L=0.01。

(3)假設(shè)H表示該短語或詞語的信息熵值，最后得到短語或詞語tij的權(quán)重為ωij，則有

(7)

當(dāng)ωij≥δmin(δmin是設(shè)定的最小值)時，該短語或詞語將會作為主題詞被提取。

3)設(shè)計主題詞的相似度計算與聚類。在主題詞提取后，將相似的聚類并提煉成關(guān)鍵詞，主題詞相似度的計算方法表示：對于實際中某兩個漢語詞匯W1、W2，假設(shè)W1有n個義項，表示為S11，S12，…，S1n，W2有m個義項，表示為S21，S22，…，S2m。定義W1和W2的相似度表示為各個概念相似度的最大值，即

(8)

其中，0≤sim(W1,W2)≤1。當(dāng)sim(W1,W2)=1時表示兩個詞的詞義完全一致；sim(W1,W2)=0時表示兩個詞的詞義完全不同。

3 自激對沖噴頭概念設(shè)計

設(shè)計是服務(wù)于人類的，為使人們的生活更美好和便捷，人們需要形態(tài)好、功能優(yōu)且具備人文關(guān)懷和環(huán)境意識的產(chǎn)品。產(chǎn)品概念設(shè)計是利用設(shè)計概念并以其為主線貫穿全部設(shè)計過程的一種設(shè)計方法，通過分析用戶需求到概念產(chǎn)品生成的一系列有序的、有目標(biāo)的、可組織的設(shè)計活動，表現(xiàn)為一個由發(fā)散到收斂、由模糊到清晰、由抽象到具體的不斷進(jìn)化的過程[11]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，概念設(shè)計階段可決定產(chǎn)品全生命周期成本的85%以上，而花費的成本僅不到產(chǎn)品全生命周期成本的5%。優(yōu)秀的設(shè)計產(chǎn)品經(jīng)系統(tǒng)、全面分析，在產(chǎn)品語意把握方面，充分運用設(shè)計符號使產(chǎn)品功能與形式達(dá)到高度統(tǒng)一，體現(xiàn)了產(chǎn)品文化內(nèi)涵和象征意義，還體現(xiàn)出該設(shè)計對使用者的關(guān)懷。

3.1 噴頭語義分析

文中以南京林業(yè)大學(xué)研發(fā)的變量施藥機(jī)項目(國家林業(yè)局948項目)為背景，設(shè)計了一種新型植保噴頭，其產(chǎn)品機(jī)會分析如表1所示。

表 1 植保噴頭的產(chǎn)品機(jī)會分析

隨著使用者要求產(chǎn)品多樣化和個性化，制造企業(yè)和設(shè)計人員越發(fā)難以把握使用者需求，設(shè)計上充分考慮使用者心理，把傳統(tǒng)文化與技術(shù)設(shè)計相結(jié)合，進(jìn)行產(chǎn)品語意造型設(shè)計并與產(chǎn)品設(shè)計相匹配是現(xiàn)階段設(shè)計產(chǎn)品面臨的一個重要課題。新噴頭名稱最終確定為自激對沖噴頭，該名稱由自激和對沖構(gòu)成，其代表涵義是：自激，從聽覺感觀上與自己、自身相近；有自我刺激的意思，簡稱“自激”；表述為一種物理現(xiàn)象。對沖，相互沖擊，相互撞擊之意；表示為一種工作方式。根據(jù)名稱的心里暗示，使用者可以認(rèn)為該噴頭是一種能夠自我實現(xiàn)射流相互撞擊的噴頭，其應(yīng)該能夠通過該種工作方式滿足或者達(dá)到某一特定目的，這與該噴頭的工作原理和設(shè)計意圖相一致。

運用自然語言對噴頭設(shè)計語義進(jìn)行表征。隨機(jī)選擇測試者10名，其中專業(yè)人員5人，普通人員5人；男性8人，女性2人；平均年齡25歲。向測試者介紹試驗情況后，要求測試者對該噴頭進(jìn)行描述，盡量用形容詞或名詞，測試時間10min左右并在安靜環(huán)境進(jìn)行，地點在安徽科技學(xué)院實驗室。對測試者表述進(jìn)行分析，提取主題詞并按權(quán)重分析，合并相似項并進(jìn)行篩選得5個關(guān)鍵詞，即安全、高效、環(huán)保、可替換和個性化。最終確定的語義為：能夠突出某種工作特性，適應(yīng)一定工作要求，保證零部件通用性，工作效率高，外形個性化，使用簡便。

3.2 自激對沖噴頭的語義實現(xiàn)

在產(chǎn)品設(shè)計中除要表達(dá)功能性目的外，還要透過其語義特征來傳達(dá)產(chǎn)品的文化內(nèi)涵，以體現(xiàn)特定社會的價值取向和時代感。根據(jù)上述描述，使兩股或多股經(jīng)充分加速后形成的水流在噴頭出口處附近以一定夾角相向高速流動并在撞擊面上相互撞擊，這種方法稱為碰撞式噴霧方法[12]，源于撞擊流理論，如圖3所示。

圖3 噴頭射流相互沖擊示意圖

Ashgriz和Givi[13]以及我國伍沅[14]等許多學(xué)者都通過實驗得出，兩流體發(fā)生撞擊一定程度上能均化霧滴群粒徑，使粒徑分布變窄，撞擊越強(qiáng)烈越有利于粒徑的均化的結(jié)論。新噴嘴結(jié)構(gòu)方案，采用使兩股側(cè)流孔充分加速后的扇形射流在噴頭出口處與主流孔射流以一定角度發(fā)生撞擊以實現(xiàn)藥液霧化，以使霧滴粒徑分布變窄，如圖4所示。

噴霧工作原理：藥液從噴嘴出口高速射入空氣中后，由于射流離撞擊面距離較近，可以認(rèn)為是射流的撞擊，在氣動力、慣性力、粘性力和表面張力等各種力的相互作用下，液柱分裂破碎，成為形狀各異的離散團(tuán)塊；主流孔射出的射流液體沿軸向射向目標(biāo)物，兩側(cè)流孔噴出的射流由于與軸線方向有一定錐角會在噴嘴出口附近處沖擊到主射流，形成液體的射流互擊現(xiàn)象，兩側(cè)流孔射流沖擊主射流，使噴霧再次分裂；由于側(cè)流孔射流與主流孔射流之間存在空氣，在兩射流接觸區(qū)域附近會形成一定渦流，高速射流與周圍氣體之間的氣動相互作用也會導(dǎo)致液面不穩(wěn)定而破裂，在空氣自激振蕩作用下進(jìn)一步粉碎液滴，改善噴霧質(zhì)量。

圖4 自激對沖噴頭射流工作原理

3.3 自激對沖噴頭工程設(shè)計

產(chǎn)品功能是用科學(xué)、簡明、準(zhǔn)確的語言對產(chǎn)品的需求信息或者效應(yīng)進(jìn)行抽象的描述，產(chǎn)品功能也可以理解為是產(chǎn)品的效能或用途[15]。自激對沖噴頭應(yīng)具備的功能有：①具備壓力式噴頭的基本功能；②藥液射流自身實現(xiàn)射流互擊，在噴嘴出口附近處實現(xiàn)相互撞擊；③根據(jù)工作需要更換噴孔片達(dá)到改變噴射流量變化，增強(qiáng)零部件通用性和可換性，使噴頭有較大變壓特性，適應(yīng)不同條件下噴霧需要；④通過一定裝置改變側(cè)流孔流量，進(jìn)而改變主流孔流量，從而改變主流孔和側(cè)流孔藥液噴出速度，在一定范圍內(nèi)調(diào)整霧滴粒徑均勻度。根據(jù)上述要求，運用CAD軟件設(shè)計了一種滿足作業(yè)需求的霧化噴頭并申請了國家專利，如圖5和圖6所示。

1.噴頭罩 2.密封墊 3.噴頭帽 4.彈性密封墊 5.噴芯

其工作原理：藥液壓力通過調(diào)壓閥控制，一定壓力的藥液經(jīng)噴管流過壓帽到達(dá)噴孔片，藥液經(jīng)噴孔片的主流孔和側(cè)流孔進(jìn)入噴射而出，噴射流經(jīng)噴芯噴出。側(cè)流孔可通過噴頭罩在一定范圍內(nèi)調(diào)整(擰緊或放松)，從而微量控制側(cè)流孔與主流孔藥液流量變化和速度，達(dá)到控制射流撞擊速度的變化。彈性密封墊內(nèi)側(cè)有兩片調(diào)整壓片，噴頭帽內(nèi)錐面在噴頭罩?jǐn)Q緊時會向上擠壓彈性密封墊內(nèi)側(cè)有兩片匹配的調(diào)整壓片，可實現(xiàn)側(cè)向孔流量減小，從而引起主流孔流量改變；松開時，彈性密封墊恢復(fù)，側(cè)向孔流量增加，可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)微改變主、側(cè)流孔流量，從而使自激對沖霧噴頭內(nèi)部壓力增加或降低，在一定程度上實現(xiàn)變量調(diào)節(jié)。

1.噴頭罩 2.密封墊 3.噴頭帽 4.彈性密封墊 5.噴芯 6.噴孔片 7.壓帽 8.噴管

3.4 實驗測試

依據(jù)噴頭基本工作原理，采用光固化工藝試制了孔徑1.0mm，開槽角30°的單孔和雙孔噴頭進(jìn)行實驗驗證，如圖7所示。

(a) 單孔 (b) 雙孔

分析噴頭相對粒對粒譜寬度(RS)，則有

(9)

其中，DV90、DV10分別表示將取樣霧滴的體積按霧滴從小到大的順序累積，當(dāng)累積值等于取樣霧滴體積總和的90%或10%時，所分別對應(yīng)的霧滴直徑；VMD表示體積中徑。

RS能精確說明霧滴分布的均勻性，其值越小越好，最理想的狀態(tài)為0。

在相同實驗條件下，運用德國新帕泰克有限公司的HELOS/QUTXEL激光粒度儀，距離噴嘴出口100mm測試霧滴粒徑，分析測試結(jié)果得出相對粒譜寬度值單孔噴頭在1.6～1.8之間，雙孔撞擊式噴頭在1.1～1.2之間，結(jié)果表明：通過射流撞擊能夠?qū)崿F(xiàn)霧滴粒徑的均勻性，說明此種新型植保噴頭方案是可行的。

4 結(jié)論

闡述了產(chǎn)品語義法，將植保機(jī)械噴頭設(shè)計的語義定義為能指與所指，進(jìn)行了形式化描述并定義了產(chǎn)品語義模型，進(jìn)而提出了基于自然語言處理的產(chǎn)品設(shè)計語義的表征方法。通過社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)三要素分析了植保噴頭的產(chǎn)品機(jī)會，探討了產(chǎn)品語義分析在自激對沖噴頭概念設(shè)計中的運用方法，總結(jié)為語義分析→語義實現(xiàn)→工程設(shè)計3個步驟，證明了該方法的有效性。同時，完成了自激對沖噴頭的概念設(shè)計，并把設(shè)計思想進(jìn)行試驗，驗證了該設(shè)計方案的可行性，從而為植保機(jī)械設(shè)計提供了一種可行的設(shè)計方法。