基于FAST法的蟲情監測設備設計研究

齊浩 陳凈蓮

摘要：為提升作物蟲害測報的工作效率，通過資料查找和市場調研，應用遠程拍照、遠程數據傳輸、自動圖像處理等物聯網技術，分析用戶需求，并以FAST模型和形態矩陣為理論依據對蟲情監測設備的創新設計進一步分析，設計了昆蟲遠程測報裝置，改進了傳統測報方式，提高設備的工作效率，實現作物害蟲監測預警的信息化。

關鍵詞：FAST法;蟲情監測設備;設計

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）02-0053-02

目前，我國農作物蟲情監測信息的采集方式主要有人力調查統計以及大田普查、黑光燈誘集、性誘劑誘捕等。其中，人工調查需要基層農技人員實地進行，耗費時間較長而且勞動強度大，調查的結果還需要人工錄入計算機，操作繁瑣[1]。黑光燈誘集和性誘劑誘捕兩種方式雖然效果較好，但是由于昆蟲的種類很多且數量較大，所以定期取樣后還需要人工再進行分類統計工作，費時費力且時效性較差。本文針對野外昆蟲監測的時效性和數據電子化程度較差等問題，利用實時監測、遠程數據傳輸、自動圖像采集等信息技術，改良監測防報的方式，提升蟲情測報的準確性和效率，進行蟲情監測設備的創新設計。

1 FAST法概述

FAST法（Function Analysis System Technique）是搭建產品功能樹的常用方法，它是一種自頂向下的功能分析系統技術法，以邏輯順序來展示產品的功能，通過對功能進行逐級分解來明確產品各功能之間的關系和優先級[2]。一直以來，在產品的功能設計中FAST法被廣泛運用并取得了良好的效果。陳晨等首先進行用戶需求分析，然后通過抽象的方式創建黑箱模型，以此將用戶對產品的需求轉化為基本功能，搭建了有機廢棄物處理機的FAST功能樹，并研究出優良的解決方案[2];吳曉莉在兒童自行車的創新設計中通過建立FAST功能樹將功能進行創新搭配產出設計方案，并通過建模、渲染輸出了設計效果圖[3];宋云應用FAST法，利用仿生設計提取設計要素進行外觀設計，證明FAST法既可以對產品基本功能進行整合設計，也可將子功能作為設計要素進行創意設計[4]。

在做產品設計的過程中，設計人員首先要研究清楚用戶最本質的需求、痛點，從用戶需求到產品功能的轉化需要按照“輸入一運行一輸出”這一模式建立邏輯鏈路，從而確定產品的主要功能和各級子功能，搭建關于產品的功能樹模型[5]。

2 蟲情測報現狀及存在的問題

2.1 研究現狀

2013年，程國平在水稻害蟲檢測識別方面提出了智能太陽能LED蟲情測報系統，這一全新的系統相比于傳統產品其識別率更高[6];2017年，焦桂華等人在河北省灤縣對高空監測報告燈監測黏蟲方面進行了一系列研究，發現高空測報燈相比于傳統蟲情測報燈在監測黏蟲方面有著明顯的優勢，為測報方式的革新提供了依據[7];2019年，李怡潔通過研究不同誘集系統的差異，總結了不同測報方式的優缺點，最后得出昆蟲性誘電子測報系統精準性更高且更節省人力的結論[8]。

2.2 存在的問題

2.2.1 核心技術匱乏

蟲情測報最核心的問題是數據的自動采集和信息電子化，這是蟲情測報設備研發的重點和難點，有些產品雖然經過多年試驗和應用，不斷更新換代，但數據的自動采集成熟度和信息的電子化程度仍然不高，目前還未有很大突破。

2.2.2 智能化程度不高

目前，蟲情監測防控設備普遍存在智能化不高的問題，實時監控系統、自動數據傳輸設備功能不完善，使用效果與預期也存在一定差距。

2.2.3 缺乏創新且品牌影響力不足

目前，市面上的現有產品同質化嚴重，僅在外觀上有所區別，低端產品同質化、低水平競爭現象嚴重，產品“有品無牌”，缺乏創新而導致影響力不足。

3 基于FAST法的蟲情監測設備設計流程

3.1 需求分析

產品設計是基于用戶的一種行為，用戶需求是產品設計的起點和緣由，在設計研究過程中應該充分考慮用戶在物質與精神方面的需求以及用戶需求與產品本質的相互關系，研究清楚對象、功能與環境是產品設計的基礎點和落腳點[9]。

通過對目標用戶的分析，研究蟲情監測設備的功能性、易用性和美觀性，把設計需求分類匯總，按照重要度和優先級程度排列產品需求（標準為1～10級，其中10級最高），如表1所示。

3.2創建FAST功能樹

通過抽象的方式為蟲情監測設備創建一個包含物質、能量、信息的輸入與輸出類型的黑箱模型，然后通過黑箱模型將用戶的需求轉化為產品的基本功能。

通過黑箱模型轉化的蟲情監測設備的基本功能為：隨時監測、遠程監控、自動采集、數據傳輸、自動清理、硬件防水、太陽能供電。將蟲情監測設備基本功能帶入FAST功能樹模型中進行功能分解，確定功能之間的邏輯關系，將需求轉化為可進行設計的產品設計要素，如圖1所示。

3.3 形態矩陣建立

根據蟲情監測設備FAST功能樹，先圍繞功能整合、易用性、結構、美觀性重新組合，然后對各級子功能進行功能和技術方式的組合整理，輸出更多的解決方案，為產出最合理的設計方案提供參考。為了更方便地選出蟲情監測設備的最優設計方案，可以建立如表2所示的形態矩陣。

通過形態矩陣對蟲情監測設備各功能進行分析研究，同時考慮生產成本、操作方式、使用環境和時效性等要求，合理評估多個解決方案，最終確定蟲情監測設備的設計方案為A1、B2、C2、D1、E1、F1和G1的組合。

3.4 設計方案

黑箱模型將用戶的需求轉化為產品的基本功能，FAST法分析得出了蟲情監測設備的多種功能和方式，再經過形態矩陣將功能和方式具體到方案，通過合理評估得出最優解，通過三維建模和渲染進行具體展現，最終得出蟲情監測設備的概念設計方案，如圖2、3所示，并總結出該產品具有以下功能：

1）實時監測。昆蟲會通過機箱底部儲物盒里芳香氣味吸引落在底部白板上，然后機箱底部的攝像頭會對白板自動進行圖像采集，通過無線傳輸設備DTU上傳到服務器信息中心，達到遠程監控的目的。同時，箱體底部的攝像頭為伸縮結構，方便運輸過程中的收納。

2）太陽能供電。整個設備由頂部的太陽能電池板進行供電，太陽能轉化成的電能存儲于機箱內的蓄電池中，保證設備在晚間也能正常運轉。

3）硬件防水。DTU、樹莓派、蓄電池、太陽能控制器等設備設置在箱體內部，箱體表面的開關、顯示屏、天線等設計了防雨蓋來防雨，同時整個設備的表面均為平面，防止雨水積存。

4）自動清理。整個設備使用時底部會埋進土里，底部的上頂面與地面持平。為了方便更換和清潔，設備底部的白板為傳送帶式結構，同時一側配有擋板，傳送帶旋轉時自動清理白板表面。

4 結論

文中通過研究蟲情監測設備的現狀，分析現有產品的問題，調研用戶的本質需求，通過黑箱模型將用戶的需求轉化為產品的基本功能，運用FAST法建立產品的功能樹模型，分析各級功能之間的關系，通過形態矩陣對各級功能的解決方案進行合理評估，得出最優解，為蟲情監測提供了新的概念方案。通過蟲情監測設備的概念設計，闡述了FAST法在產品設計中的運行流程，驗證了FAST法在產品研發和設計過程中的合理性和有效性。

參考文獻

[1]趙晴，臧賀藏，張杰，等，基于物聯網技術的作物蟲情采集監測預警系統構建[J]，河南農業科學，2019， 48 （12）： 164-169.

[2]陳晨，孫志學，張樂.FAST法在家用智能固體有機廢棄物處理機概念設計中的應用[J]，機 械設計，2017，34 （01）：110-113.

[3]吳曉莉，王玉星，薛澄岐.用FAST法設計功能組合式兒童自行車[J].機械設計與研究，2012，28 （01）：98—101

[4]宋云，基于FAST法的可控滑沙板概念設計[J].機械設計，2013，30 （06）：110—112.

[5]趙飛，許娜基于FAST法的透水事故救援產品模塊化設計[J].包裝工程，2020，41 （16）：141-146.

[6]程國平.智能太陽能LED蟲情測報系統在水稻害蟲檢測識別上的應用研究[J].才智，2013（17）：233.

[7]焦桂華，曾娟，尚秀梅，等高空測報燈與自動蟲情測報燈監測黏蟲的比較試驗[J]，中國植保導刊，2017，37 （08）：41-44+47.

[8]李恰潔.昆蟲性誘電子測報系統對梨小食心蟲的監測效果分析[J].植物醫生，2019，32（03）：26-29.

[9]董曉瑋，徐曉琴.基于FAST模型的水果快遞箱概念設計[J].包裝工程，2020，41 （03）：77-81.