基于用戶需求的丘陵果園運輸車設計

周紅宇，胡濤，許德驊

基于用戶需求的丘陵果園運輸車設計

周紅宇，胡濤，許德驊

（湖北工業大學，武漢 430068）

丘陵果園運輸機械化是發展果園經濟的重要環節，也是現代農業發展的重要方向。為解決丘陵果園的運輸問題，提高果園的運輸經濟效益，需要設計出滿足多運輸需求的果園運輸機械。對果園用戶進行需求調研，尋找丘陵果園果農的運輸需求點。結合層次分析法建立指標體系層次模型，獲得果園用戶各需求因素的權重值，以此進行方案設計，通過模糊綜合評價法對最終方案進行評價與篩選。得到丘陵果園運輸車方案設計評價模型，對小車方案進行優化，最終設計出滿足丘陵果園用戶需求的果園運輸車。針對丘陵果園運輸需求的復雜性及果園運輸機械創新設計的科學性，將層次分析法與模糊綜合分析法相結合，是丘陵果園運輸機械化產品開發的重要方法，為農業機械現代化創新設計提供了新的設計思路與研究方向。

丘陵果園運輸；農業現代化；用戶需求；層次分析；機械化

我國是世界上較大的果品生產國之一，果樹種植面積和規模均處于世界前列[1]。據統計，2018年我國果園的種植面積達1.19×107hm2，其中大部分主要集中在丘陵地帶，因此，在果園運輸作業中往往需要大量的勞動力[2-3]。農業機械化是實現農業現代化的關鍵，也是推動果園經濟結構發展的必要環節[4]。隨著城鎮化的發展，農村勞動力逐漸流失，增加了農業雇工成本，降低了農業生產收益[5]。針對丘陵地區特殊的地理環境，許多學者對丘陵果園機械進行了大量的研究，特別是在機械結構、機電一體化和控制系統等方面，如李敬亞[6]針對無運輸道路的山地果園，設計了山地果園單軌運輸機；鄒海兵[7]針對運輸機動力不足等問題，研究設計了一種輪式果園作業平臺液壓系統；魏峰等[8]針對運輸車無線控制等問題，設計了一種全液壓驅動履帶式拖拉機，能夠實現小車的精確行走；吳偉斌等[9]為解決果園運輸的適應性問題，設計了一款雙履帶微型運輸機。以上研究側重于分析果園運輸機械的結構及技術，對果園機械研發制造有一定的研究價值，但在用戶需求等方面，缺少全面的分析。用戶需求是產品研發的重要理論依據，決定了產品創新設計的方向[10]。近年來，通過用戶需求進行產品創新設計的研究越來越多，但在果園運輸機械化方面的研究非常少。文中從用戶需求角度出發，通過問卷、用戶訪談、文獻綜述等形式尋找需求因子，結合層次分析法（AHP）及模糊綜合評價法進行客觀的分析，以期為丘陵果園運輸提供創新性的解決方案，為丘陵果園運輸機械化的發展提供重要的理論依據。

1 丘陵果園運輸用戶需求分析

用戶需求具有模糊性、復雜性和動態性[11]，收集到的用戶調研信息，往往需要經過處理才能作為適合的設計參考。隨著現代化的推進，丘陵果園逐漸向規模化、產業化方向發展[12]。用戶需求調研是了解丘陵果園現代化發展的關鍵環節，一般通過市場調研、數據分析、競品對比[13]等方式來獲取用戶需求。我國丘陵果園運輸機械化發展的起步較晚，大部分集中在偏遠的農村。下面將從2個方面對用戶進行研究，一方面通過農戶訪談了解果園運輸現狀，收集用戶需求點；另一方面，通過新聞媒體、文獻檢索等方式尋找創新點。

1.1 用戶調研分析

受多因素的影響，丘陵果園勞動力的老齡化、婦女化問題依舊突出[4]。在調研初期，首先通過文獻檢索等方式，收集丘陵果園運輸中存在的問題，并制作調研問卷，然后通過訪談的形式，對湖北周邊丘陵果園進行調研，對80多位農戶進行問卷訪談，去掉其中重復和不完整的部分，收回有效問卷76份，有效率約為92.7%。為了全面地了解用戶的需求，對收集到的問卷調研信息進行整理、歸納，并對用戶進行分類。根據不同的果園經營面積，將果園用戶分為A、B、C等3種類型。A型為大型果園經營農戶，其果園種植面積較大，運輸距離較長，對運輸需求的要求高，通常采用雇工模式，是此次研究的主要對象。B型為中型果園經營農戶，其果園經營面積適中，通常根據不同的果園經營狀態進行分工，有時雇傭。C型為小型果園經營農戶，其果園種植面積較小，一般采用自營模式。用戶分析見表1。

表1 用戶分析

1.2 需求調研分析

產品研發受多種因素與條件的影響，其設計方向往往需要通過調研來驗證[14]。根據上述調研結果，對用戶反饋信息進行梳理，并對其需求進行重新描述。經過整理，最終得到22項原始需求（1—22），見表2。結合層次結構模型對22項需求進行歸類，得到結構屬性、經濟屬性、美學屬性、人機屬性4個研究方向。

表2 用戶需求分析

2 果園運輸小車模糊綜合評價系統構建

2.1 果園運輸小車模糊綜合評價流程

模糊層次分析法，是一種將定量與定性相結合的系統分析方法[15]，即先對影響因子進行層次劃分，再通過模糊數學法進行整體性的綜合評價[16]。果農用戶需求受眾多因素的影響，首先運用層次分析法對需求因素進行定量分析，構建需求層次結構模型，并進行一致性檢驗，若檢驗合格（<0.1），則可通過權重值比重進行方案設計；若檢驗不合格（>0.1），則需要重新進行用戶調研分析，具體操作流程見圖1。

2.1.1 建立指標體系層次結構

通過小組討論，對得到的22項需求因子進行整理和歸類，得到4項層次指標，分別為技術屬性、美學屬性、人機屬性、經濟屬性。利用層次分析法，建立指標體系層次結構，見圖2。指標體系結構分為3層，第1層為目標層，表示丘陵果園運輸的總需求。第2層為準則層，包括功能屬性1、美學屬性2、人機屬性3、經濟屬性4等4個部分。第3層為子準則層，是對原始需求的總結。其中，功能屬性1包括6個指標，分別為自動化控制11、設備調平12、設備減震13、運輸方式多樣性14、人機跟隨15、自動裝載16。美學屬性2包括4個指標，分別為表面裝飾21、結構簡單22、色彩搭配合理23、整體造型統一24。人機屬性3包含4個指標，分別為設備簡單易操作31、安全性32、符合人機工程33、設備靈活穩定34。經濟屬性4包括6個指標，分別為材料綠色環保41、價格合理42、設備便攜輕巧43、設備利用率高44、便于維修保養45、設備載貨量大46。

圖1 丘陵果園運輸小車需求性綜合評價流程

2.1.2 構建判斷矩陣及權重計算

判斷矩陣的構建是層次分析法中的重要環節，利用Saaty標度法[17]對各層次的因素進行打分，計算其平均值，最終構建出判斷矩陣，其中C為兩因素之間重要程度的比值：

2.1.3 判斷矩陣一致性檢驗

一致性指標是衡量判斷矩陣偏離程度的一個尺度。在數據處理時，難免出現自相矛盾的問題，因此，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗[18]。如式（3），當結果=/<0.1時，表示判斷矩陣具有滿意的一致性：

2.1.4 模糊綜合評價

針對果園運輸車設計方案，建立評價指標因素集，滿足={1,2,3,…n}，其中表示評價因子的個數，同時建立評語集，={1,2, …,M}，為評語集的等級。

根據評語集對模糊子集中的單個指標因素n進行評價，得到每個指標因素在評語集上的隸屬度，記為模糊評價矩陣：

將指標層權重向量與對應模糊評價矩陣相乘，分別計算出各目標方案的評價結果：

3 實例研究

丘陵果園運輸車是發展丘陵果園經濟的重要部分，根據其運輸方式的不同，果園運輸車大概可以分為輪式果園運輸車、履帶式果園運輸車、軌道式果園運輸車3種類型。我國果園機械化的發展較晚，且受地形、經濟等因素的影響，很多丘陵地區的果園運輸仍然靠人工背運完成，極大地影響了運輸效率，不利于現代果園機械化的發展。此次研究以解決丘陵果園的橫向運輸問題為主，因此，選擇履帶式運輸車作為研究對象。履帶式果園運輸車結構相對簡單，主要包括電機、蓄電池、運輸果箱、履帶、減震彈簧、控制開關、托帶輪、張緊輪、驅動輪、承重輪、機械懸臂、控制系統等部分，見圖3。

圖3 履帶運輸車結構

3.1 評價指標權重計算

對上述問卷調研數據進行分類整理，統計各需求因子出現的頻率，按照從大到小的順序進行排序，以確定各層次指標的重要程度。為確保數據的準確性，實驗邀請2名專家對統計結果進行調整，最終確定的各指標重要度評分，見表3—7。

表3 準則層各指標權重值1

Tab.3 Weight of indicators in the criteria layer1

表4 子準則層各指標權重值2

Tab.4 Weight values of indicators in sub-quadratic layers 2

表5 子準則層各指標權重值3

Tab.5 Weight values of indicators in sub-quadratic layers 3

表6 子準則層各指標權重值4

Tab.6 Weight values of indicators in sub-quadratic layers 4

表7 子準則層各指標權重值5

Tab.7 Weight values of indicators in sub-quadratic layers 5

根據層次結構模型構建果園運輸小車需求性分析評價指標，其中包括準則層和子準則層，通過式（1）—（2）計算各層次權重向量，分別得到準則層1—4的權重1及子準則層11—46的權重2、3、4、5。通過數學計算，得到各指標層的權重值分別為準則層1=（0.477 7，0.043 9，0.179 3，0.293 7），子準則層2=（0.292 1，0.085 6，0.049 1，0.201 3，0.035 5，0.336 4）、3=（0.491 5，0.305 9，0.124 9，0.077 7）、4=（0.472 3，0.169 7，0.285 4，0.072 5）、5=（0.070 6，0.051 1，0.155 2，0.255 7，0.029 7，0.437 8）。

為確認判斷矩陣是否具有一致性，對判斷矩陣一致性比率進行一致性檢驗，若檢驗滿足<0.1，則表示該矩陣具有一致性。一致性檢驗結果見表8，從中可以看出，準則層及子準則層的值分別為0.007 9，0.027 0，0.017 9，0.065 3，0.018 9，均小于0.1。

表8 一致性檢驗結果

Tab.8 Result statistics of consistency test

將準則層與子準則層各權重值分別相乘，計算出子準則層中各因素在整個評價體系中的綜合權重值，見圖4。從圖4可以看出，各需求因子在整個評價體系中的重要程度，果農對運輸小車功能屬性層面的需求最高，其次為人機屬性，對設備美學屬性和經濟屬性層面的需求相對較低，如果將0.08作為權重分析的中間值，可以看出權重超過0.08的因素主要集中在人機屬性和功能屬性方面，分別為安全性、設備簡單易操作、設備減震和設備調平。通過分析可以看出，果園用戶更加注重果園運輸車的實用性能及人機功能，因此，在丘陵果園運輸車方案設計中，應該將實用性和人機操作作為設計的主要判斷依據。

結合上述權重分析結果，對丘陵果園運輸車進行方案設計，最終確定了3種不同的設計方案，見圖5。為滿足果園用戶對丘陵果園運輸車運輸性能的需求，設計方案主要從運輸方式、果箱搭載狀態、操作方式、色彩搭配、履帶結構等方面進行創新設計。方案1為一體式設計，果箱與運輸履帶為一個整體，可以提升小車整體結構的完整性與簡潔性。方案2為分離式設計，果箱部分與運輸結構相互獨立，在果園運輸過程中可以實現果箱的自動裝載，減小農戶在果箱裝載時的工作量，另外，小車可以通過更換箱體結構，實現更多的運輸方式，滿足果農多功能的運輸需求。方案3為半固定式設計，果箱一端由鉸鏈連接，通過轉軸可以實現翻轉，便于果品的裝載和轉移。基于權重分析結果，邀請了15位工業設計師、5位結構設計師、5位專家對3款設計方案進行評選。

圖4 用戶需求綜合權重

圖5 方案設計

3.2 果園運輸小車的模糊綜合評價

首先，建立果園運輸車評價指標和評價等級，確定評價指標集={1,2,…,n}，分別表示準則層及子準則層中的因素，同時建立評語集，= {1,2,3,4,5}，其中1—5分別表示非常好、比較好、一般、較差、非常差，即={非常好，比較好，一般，差，較差}，為其賦值后={100,80,60,40,20}。

按照評語集={非常好，比較好，一般，差，較差}5個等級，對3個設計方案進行模糊評價，根據25名評價人員的打分結果構造評價矩陣。評價結果如下：

其中，1—3分別表示3個設計方案的評價結果，通過上述權重計算結果可知，準則層的權重結果1=（0.477 7，0.043 9，0.179 3，0.293 7），子準則層的權重結果2—5分別為2=（0.292 1，0.085 6，0.049 1，0.201 3，0.035 5，0.336 4）、3=（0.491 5，0.305 9，0.124 9，0.077 7）、4=（0.472 3，0.169 7，0.285 4，0.072 5）、5=（0.070 6，0.051 1，0.155 2，0.255 7，0.029 7，0.437 8）。根據式（5），將層次權重向量與各方案模糊評價結果相乘，得到各方案的綜合權重值。

根據各因素權重計算3個方案的模糊評價結果：

1=×1=(0.341 1，0.294 1，0.169 6，0.161 2，0.034 8)

2=×2=(0.455 2，0.306 4，0.151 5，0.077 8，0.009 1)

3=×3=(0.304 6，0.279 2，0.215 0，0.144 3，0.050 0)

計算3個方案的百分制結果，方案1得分為74.96，方案2得分為82.41，方案3得分為72.47，結合用戶分析結果，選擇方案2作為最終方案，并對其細節及功能進行優化。

根據需求層次分析結果，對方案2履帶減震及自動裝載模塊進行優化，在小車中間安裝移動托盤，通過托盤與小車的相互作用，實現果箱的自動裝載，見圖6。方案2作為最終方案，其優勢在于：果箱與小車相互獨立，在果園運輸過程中，可以通過無線控制技術，實現果箱的自動裝載，減輕果農在林果運輸搬運過程中的負擔，加快果品轉場速度，從而提高采摘效率；小車能夠搭載不同類型的裝載工具，滿足果園不同的運輸需求，從而擴大小車的實用價值；結合現代技術，改變傳統履帶運輸車的運輸方式，使其更適合于各種不同類型的果園運輸。

圖6 效果展示

3.3 細節優化及設計實現

機械智能化是農業現代化發展的重要趨勢，隨著果園技術的發展，人力勞動終將被機械代替，通過AGV導航、人工智能等技術，可以實現運輸小車的自動化控制，進一步提高果園運輸的便攜性與實用性。果園運輸車細節及功能說明見圖7。

圖7 果園運輸車細節及功能說明

4 結語

用戶需求研究是產品設計的關鍵，任何形式的產品研發都要以用戶為中心，用戶需求具有復雜性、模糊性及不確定性等特征，利用層次分析法及模糊綜合評價法，對用戶需求進行綜合分析，可以避免人為因素對用戶分析造成的影響，確保了方案設計的客觀性與科學性，為果園機械化設備的研發提供了重要的理論參考。果園運輸機械化是現代農業發展的必然趨勢，也是提升果園經濟效益的重要環節，筆者從果園用戶的需求出發，通過實際調研了解用戶心理，提出了一種滿足多功能運輸的設計方案，為丘陵果園運輸機械化發展提供了新的思路。文中對丘陵果園運輸車的創新研究尚處于概念階段，還需要對其生產研發進行深入驗證，以確保設備試驗的完整性。

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Innovative Design of Orchard Transport Vehicle Based on User Demand

ZHOU Hong-yu, HU Tao, XU De-hua

(Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The mechanization of hilly orchard transportation is an important link in the development of orchard economy and an important direction of modern agricultural development. The paper aims to solve the problem of hilly orchard transportation and improve the economic benefit of orchard transportation, which is imperative to design orchard transportation machinery to meet the needs of multi-transport. Following the investigation of orchard user demand, the transportation demand point of fruit farmers in hilly orchard is found, and the hierarchical model of index system is established by AHP to obtain the weight value of each demand factor of orchard user, and the scheme design is carried out based on this. Then by fuzzy comprehensive evaluation, the final scheme evaluation and screening are carried out. The evaluation model of the scheme design of the hilly orchard transport vehicle is obtained, and the scheme of the trolley is further optimized. Finally, the orchard transport vehicle meeting the needs of the users of the hilly orchard is designed. In view of the complexity of the transportation demand of hilly orchard and the scientific nature of the innovative design of orchard transportation machinery, the combination of hierarchical analysis and fuzzy comprehensive analysis is an important method to achieve the development of mechanized products of hilly orchard transportation. At the same time, it provides design ideas and research direction for agricultural machinery modern innovative design.

hill orchard transport; agricultural modernization; user needs; hierarchical analysis; mechanization

TB472

A

1001-3563(2022)12-0306-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.037

2022–01–10

湖北省教育廳教學研究項目（2021309）；湖北省教育廳哲學社會科學研究項目（21Q080）

周紅宇（1984—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業設計。

許德驊（1991—），男，碩士，講師，主要研究方向為產品設計、設計與品牌策略。

責任編輯：馬夢遙