基于可拓學的馬鈴薯收獲機外觀設計研究

呂云隆 胡光忠 伍健

RESEARCH ON THE APPEARANCE DESIGN OF POTATO HARVESTER BASED ON EXTENSION THEORY

摘要：為改進馬鈴薯收獲機的作業功能與外觀，在對其外觀進行重新設計的同時，重新布局功能區，提升作業流程的合理性。通過可拓學第三創造法建立物元模型，對現有馬鈴薯收獲機的缺陷和痛點進行拓展分析和可拓變換，獲取新的外觀設計方案集，并通過優度評價法對其定量化優劣判定選出最優方案，再對優選方案進行深入設計。采用可拓學第三創造法對現有馬鈴薯收獲機進行改進設計，能有效提升馬鈴薯收獲機作業流程的合理性，改進后的收獲機外觀更符合現代審美的發展方向。設計案例驗證了該方法的有效性和可行性。

關鍵詞：馬鈴薯收獲機 外觀設計 可拓學第三創造法 物元模型 優度評價

中國分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 05-0010-04

Abstract： In order to improve the operation function and appearance of the potatoharvester， while redesigning its appearance， the fUnCtlOnal area was re-arrangedto improve the rationality of the operation process The matter-element model isestablished through the third creation method of extension theory， and the defectsand pain points of the existing potato harvester are expanded and analyzed andextended transformations are obtained to obtain new innovative design schemesDetermine and select the optimal scheme， and then conduct in-depth design of theoptimal scheme Using the third creative method of extension theory to improve thedesign of the existing potato harvester can effectively improve the rationality of thepotato harvester operation process ， and the appearance of the improved harvester ismore in line with the development direction of modern aesthetics Design cases veritythe effectiveness and feasiloility of the method

Keywords： Potato harvester Appearance design The third creation method ofextension theory Matter-element model Superiority evaluation

引言

可拓學是一門跨領域，涉及范圍廣泛的學科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓創新的規律與方法，并用于分析和解決矛盾問題的學科。目前已廣泛應用于人工智能、設計、計算機、管理等眾多領域。蔡文[1]等研究了可拓方法在新產品構思中的應用，并提出了產品創新設計的三個創造法。趙燕偉[2]提出了基于可拓方法的概念設計理論，并將其應用于加工中心刀庫方案概念設計中。胡飛[3]等以有軌電車的服務系統為例，提出基于可拓學建立的評價模型能夠有效評價產品服務系統的用戶體驗。江帆[4]等通過對包裝升降裝置運動方案設計驗證了可拓學優度評價的有效性。夏吉兵[5]等用可拓層次分析法對機床實例進行了數控機床可靠性評價研究。白仲航[6]等提出了基于可拓學對TRIZ標準解求解過程進行了改進，并以氧槍設計為例，利用標準解的可拓變換得到了多種創新解決方案。馮青[7]等基于優度理論對產品設計知識評價方法進行了研究。李文軍[8]通過研究可拓學中的物元之間存在的相關關系，建立了改變這種關系的方法，并應用于燈飾產品的創新。目前來看創新的設計方法眾多，大部分只是注重解決矛盾問題而缺少對創新方案生成的可行性研究，或者對創新設計的創新度難以定量評價，而可拓學創新設計方法的優勢就在于可以有效解決這兩個問題。可拓學雖然在農機機械結構中有所應用，張桃桃一，基于可拓設計對無人機水果采摘的機械結構進行了設計，但是在農機的整體創新性設計中卻少有應用。劉崇林[10]等對馬鈴薯收獲機具進行了研究，分析了各類型馬鈴薯收獲機的優點與缺陷。劉劍君[11]等對國內外各種類型的馬鈴薯收獲機進行了研究，并提出了馬鈴薯收獲機械發展存在的問題。現有學者與專家對馬鈴薯收獲機的研究更多的是進行收獲機現狀發展分析和發展方向的研究，少有對馬鈴薯收獲機的外觀設計進行研究與應用的案例，而采用基于可拓學的設計方法進行的馬鈴薯收獲機外觀設計研究更未有涉及。鑒于此，針對現有牽引式馬鈴薯收獲機對配套機械的動力要求高，需要大馬力拖拉機牽引運作，操作繁瑣，作業流程不合理，外觀簡陋等問題，選取具有普遍代表意義的馬鈴薯收獲機，運用可拓學第三創造法對其進行外觀上的創新改進設計，使其缺點變為優點，對產品進行升級，以此案例介紹可拓學第三創造法在農機外觀設計過程中的運用。

一、基于可拓學的設計研究方法

（一）可拓學第三創造法

可拓學經過多年的發展，在產品創新設計方法中提出了三個創造法[12]。其中，第三創造法是利用菱形思維形成的形式化創新設計方法，是基于對市場上現有產品缺點的分析，并進行可拓變換，形成新的產品創新設計方案，最后進行定量化優劣判定，選出較優方案的一種創新方法[13]。此方法的核心思想就是對現有產品的缺點進行分析和變換，使其缺點轉化成優點。這種方法常用于改進產品，幫助產品進行重新升級，是一種發散與收斂相結合的方法。可拓學第三創造法的主要設計流程為：建立物元模型→缺點列舉法→拓展分析→可拓變換→優度評價。經過優度評價后可得到最優方案，再對優選方案進行深入設計。

（二）物元模型建立

在第三創造法的物元模型建立中，首先是產品多元模型的建立，在可拓學中描述事物的邏輯單位稱為有序三元組（N，C，V），簡稱物元。記某一現有產品為N，設基元為R，對其進行拓展分析并建立物元可拓模型：

R=

上圖是N維物元模型的形式表達，其中表示描述對象，C表示該對象的某個特征，V表示該對象某個特征的量值。如果對描述對象的某一特征進行分析，則用一維物元模型形式表達，記為：Ri=（N，Ci，Vi）。

（三）缺點列舉法

在進行拓展分析時，運用缺點列舉法，將現有產品的功能缺點，造型缺點，材料缺點，價值缺點等一一列舉出來，然后改寫物元模型，按照缺點的優先等級自上而下排序，并對應物元模型中相應的分物元。

（四）拓展分析

通過多種途徑獲得解決矛盾問題的方法，對基元進行拓展，即拓展分析法[14]。拓展分析法不能直接解決問題，通常使用發散分析，相關分析和可擴分析等拓展分析方法給問題提供多種解決途徑，并經過分析和可拓變換得到解決方案。

（五）可拓變換

可拓變換是在對原物元進行拓展分析和缺點物元建模之后，根據分析的結果對原物元進行的相應的變換操作。主要包括主動變換（分解、復制、增刪、擴縮、置換等）和傳導變換等變換方法。在產品創新設計中，常用的是置換、增刪、分解、擴縮等變換方法。

1.6優度評價

優度評價是利用關聯函數定量化優劣判定創新設計方案的基本方法。經過上述過程會得到一系列不同的創新設計方案，然后確定衡量指標，通常以社會指標、經濟指標、技術指標等衡量指標對其進行優度評價，從而選出最佳方案。

二、基于可拓學的馬鈴薯收獲機外觀設計分析評價

（一）馬鈴薯收獲機

目前市面上所售的馬鈴薯收獲機大致可分為分段式收獲機和機械自動化聯合收獲機，分段式收獲機體量小，但需多種設備來完成去秧、挖掘、去土、篩選等作業，適用于作業面積小的家庭。機械聯合收獲機則更適用于耕地面積較大的種植戶，其作業效率高，省時省力，一次作業可以同時完成去秧、挖掘、分離、初選、輸送和裝箱等收獲任務[15]。針對GRIMME（格立莫）品牌的這款馬鈴薯機械自動化聯合收獲機（圖1）的缺點采用第三創造法進行重新升級設計。之所以選取這款收獲機作為設計改進的對象，是因為此款馬鈴薯收獲機在國內比較暢銷，非常適合中小面積地塊作業，深受馬鈴薯種植戶的青睞。并且此款收獲機也是馬鈴薯收獲機中最為常見的一種，也是典型的拖拉機牽引式農機，具有一定的代表性。

（二）物元模型建立

對現有馬鈴薯聯合收獲機用多維物元模型進行形式化表達：

R=

經過上述物元模型的形式化表達，可以對此款馬鈴薯收獲機有一個較為清楚的認識，可直觀地看到該型號收獲機各個特征的具體量值，針對性地對各個特征進行相應的缺點分析和拓展分析。

（三）功能缺點列舉

進一步分析的缺點并進行列舉：

作業區域：后方區域作業，不利于駕駛員觀察作業情況。

動能：牽引式農機機動靈活性差，沒有發動機或僅有驅動工作部件的輔助發動機，僅適用于中小地塊。

儲存空間：沒有儲存空間，無法獨自承擔中小面積的馬鈴薯收獲任務，較依賴載貨機搭配作業。

車身結構：結構完全外露，視覺上缺乏安全感，從觀感上會顯得廉價。

對以上收獲機的四個缺點進行分析，并對缺點進行優先級自上而下的排序，并使其對應分物元與其一一對應，改寫的多維物元模型如下：

R=

（四）拓展分析

對現有馬鈴薯收獲機物元模型中的各個特征物元的量值進行拓展分析，拓展出更多的可能性，為新方案的形成提供更多選擇。

R1=（N，C1，V1）={V1，前方，左側，右側，…}

R2=（N，C2，V2）={V2，半封裝結構，全封裝結構，…}

R3=（N，C3，V3）={V3，流水線儲存倉，流水線儲存倉+儲料倉，…}

R4=（N，C4，V4）={V4，畜力驅動，機電動力驅動，動力自走式，…}

R5=（N，C5，V5）={V5，一體化設計，模塊化設計，仿生設計，…}

R6=（N，C6，V6）={V6，紅，綠，青，黃，…}

（五）可拓變換

可拓變換根據不同的物元模型可進行不同的變換，根據上述的拓展分析可知馬鈴薯聯合收獲機的缺點有不同的變換方向。因此在進行可拓變換時，可有不同方向的變換方案。設可拓變換的方法為：T={置換，增刪，分解，擴縮…}={T1，T2，T3，T4…}。

置換：置換變換是指物元模型中對象、特征、量值中的一個或多個發生改變，此變換是產品創新設計中常用的變換方法之一。如手機是塑料后蓋，升級后變為玻璃機身后蓋。例：R1=（N，作業區域，后方）→置換→T1M1=（N，作業區域，前方）。

增刪：增加變換是指如果存在一個物元Ri，同時Ri存在可加物元Ro。，并存在一種變換T2，并且使得T2Ri=Ri⊕Ro，即認為變換T2是物元Ri的增加變換，記做TRi⊕Ro，同理可得到刪減變換。例：R6+（N，儲存空間，流水線儲存倉）→T2R6=（N，儲存空間，流水線儲存倉⊕儲料倉）。

分解：分解變換是指如果存在一個物元Rj：Rj=（R1⊕R2…Rn），并且存在一種變換T3，并且使得T3Rj={R1，R2…，Rn}，即認為變換T3是物元Rj的分解變換。

擴縮：擴縮變換是指原物元物體性質大小的改變。存在一種變換T4，并使得T4R=aR，當a>l時，T4為R物元的擴大變換。同理當O

根據上述可拓變換方法并結合針對馬鈴薯收獲機的拓展變換分析，可得到以下馬鈴薯聯合收獲機設計方案新組合：

方案：

R1=

方案二：

R2=

方案三：

R3=

（六）優度評價

優度評價的衡量指標一般從技術、經濟、社會等指標來全面的衡量評價，確定評價衡量指標集：

MI=

根據相關農機的市場調研和資料分析，f（作業合理性）主要取決于作業區域，f∈{好（前方），較好（右側），較好（左側），后方（一般）}，c∈{好，一般}，p∈[50w，95w]，m（造型改進）主要取決于車身結構，作業區域，色彩和動能，mE∈{重大改進，較大改進，一般改進}。根據評價指標的優先級對MI1，MI2，MI3，MI4賦予權系數，根據調研和資料，可令MI1， MI2，MI3，MI4的權系數分別為α1=0.3，α2=0.2，α3=0.2，α4=0.3。衡量指標MI3的最優點在[a，b]區間的中點，即[50w，95W]的中點：

M=a+b/2=50+95/2=72.5w

其關聯函數公式為：

K（x）=

其中上述關聯度公式中x表示方案中的價格指標，a，b表示價格指標最優因間的最低和最高值。計算出改進方案關于MI3價格的關聯函數分別為：K（65） =0.667，K（72） =0.978，K（78） =0.756。

由于作業合理性和造型改進等其他衡量指標本身只給了抽象形容的判定，因此需要對方案中的其他衡量指標進行量化，可令：

Kf=，Kc=，Km=

即關聯度矩陣為：

K（Rl）=（K1（MI1），K1（MI2），K1（MI3），K1（MI4））

K（R1）=（1，0，0.667，2）

K（R2）= （K2（MI1），K2（MI2），K2（MI3），K2（MI4））即：K（R2）=（1，0，0.978，1）

K（R3）= （K3（MI1），K3（MI2），K3（MI3），K3（MI4））

K（R3）=（2，1，0.756，2）

將上述關聯函數可計算規范化關聯度，公式：

Kij=

其中Kij表示第i個方案的第j個衡量指標，n表示方案的總數量，MIj表示第j個衡量指標的具體量值，q表示各方案中同一衡量指標的最大值方案。即計算出規范關聯度為：

K（R1）= （0.5，0，0.682，1）

K（R2）=（0.5，0，1，0.5）

K（R3）=（1，1，0.773，1）

得到規范化關聯度后可利用關聯度加權求和的方式計算優度，公式為：

C（Ri）=

其中C表示方案優度，α表示衡量指標的權系數，Kij表示第i個方案的第j個衡量指標。計算三個方案的優度為：

C（R1）=0.3×0.5+0.2×0+0.2×0.682+0.3×1=0.586

C（R2）=0.3×0.5+0.2×0+0.2×1+0.3×0.5=0.5

C（R3）=0.3×1+0.2×1+0.2×0.773+0.3×1=0.955

根據計算結呆可知方案的優度排序為：C（R3）>C（R1）>C（R2），可知方案三為最佳方案。

（七）設計方案展示

根據評優結果，對優選的方案R3進行深入設計，圖2為整體外觀設計效果，表1為重要改進部位。

按照最佳方案的要求，整個機身為全封裝結構，看起來穩固可靠，機械美感突出。配色采用綠色和黑色，視覺上十分搶眼，有種獵豹的動感美。動能上機電動力驅動替換了拖拉機牽引驅動，提升了農機的機動靈活性。儲存空間上加上了儲料倉，可以獨自承擔中小面積的收獲任務，降低了對載貨車搭配使用的依賴性。作業區域由后方調整到了前方，有利于駕駛員觀察作業情況，使整個收獲作業流程更為合理。圖3為馬鈴薯收獲機各功能部件。

結論

通過運用可拓學第三創造法對現有馬鈴薯收獲機的缺點進行分析，采用缺點例舉法找出缺陷，進行拓展分析和可拓變換后得到馬鈴薯收獲機的改進設計方案集，使用優度評價方法把抽象的衡量指標進行量化，并通過規范化關聯度和權重系數合成計算關聯度進行評優，對優選方案進行深入設計。可拓學第三創造法的適用性很強，該方法能為農業機械的外觀設計改進提供一種行之有效的創新思路，以本文馬鈴薯收獲機外觀設計為例，根據不同產品的缺點進行不同的思維發散與收斂，并進行相應的可拓變換，使其缺點變為優點，獲得新的設計方案集，再通過確定衡量指標，以子指標的形式對衡量指標進行劃分，針對性地進行特征優度評價，定性分析與定量分析相結合，可以直觀清晰地看到以數據形式呈現的方案評價結果，具有很強的應用空間和發展潛力。文中最后所呈現的馬鈴薯收獲機外觀設計效果尚處于概念化階段，后期還需要進行適用性驗證、工程化驗證等諸多工作。

基金項目：過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金項目（GK201803）;四川輕化工大學研究生創新基金項目（Y2018082）。

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