基于博弈論組合賦權-QFD的殘膜回收機設計研究

鄭祖芳 張瀟文

摘要：為改善殘膜回收機使用過程中的用戶滿意度低與機械作業方式單一的問題，文章以用戶需求為基礎，構建博弈論組合賦權與質量功能展開（QFD，也稱“質量屋”）相結合的設計流程，開展設計研究以獲取解決方案。首先，針對目標用戶采用問卷發放與半結構化訪談的方式，歸納總結用戶對殘膜回收機的19項實際需求，從審美性、實用功能性、安全性、經濟性四個角度構建殘膜回收機的用戶需求層次模型；其次，借助層次分析法和熵權法的博弈論加權方法，綜合判定各指標要素的重要性，提高需求評價的科學性與合理性；再次，利用QFD理論將用戶需求數據轉化為設計要素，通過構建殘膜回收機質量屋，確定各設計要素的優先級順序，明確設計重點；最后，根據分析結果，依次從功能、結構、整體外觀三個方面設計符合用戶需求的殘膜回收旋耕一體機方案。該設計方案能夠實現殘膜撿拾、打捆、土地旋耕的一體化作業，經過模糊綜合評價驗證了方案的可行性，能夠提高機器的使用效率，以及彌補我國殘膜回收機在設計方面的不足。文章的研究表明，應用博弈論組合賦權-QFD的設計方法，能夠突出用戶需求與產品功能的關系，可輔助設計人員從用戶需求的角度出發，為此類產品的設計研究提供借鑒，同時為改善農業產品的用戶體驗拓展了新的思路。

關鍵詞：殘膜回收機；設計；QFD；用戶需求；博弈論組合賦權

中圖分類號：S223.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）09-00-05

目前，機械化回收殘膜已得到廣泛應用，成為解決殘膜污染的主要途徑，近年來我國科研院所相繼開發出了多種類型的殘膜回收機，并取得了一定成果。隨著我國農業機械化程度的提高和智能化農業的發展，農民對殘膜回收機的需求日益增多且呈現出多樣化趨勢。當下，殘膜回收機的研究重點主要集中在結構設計、膜雜分離系統設計及智能化控制系統設計［1］等方面，缺少對殘膜回收機用戶體驗、外觀形象等方面的研究，且功能、使用方式單一，以用戶需求為導向的產品創新研究存在空白，因此本文展開殘膜回收機產品的設計與研究。在設計階段，要全面考慮產品相關的用戶因素，量化成詳盡的設計要素。李曉杰［2］應用AHP（層次分析法）計算了QFD中用戶需求的權重，實現了地震救援機器人的創新設計；王向南［3］等將需求與設計要求融入QFD-FBS，設計出勸導性兒童產品。用戶需求權重的判定有主觀與客觀賦權，前者容易夸大專家的主觀判斷，而后者建立在量化數據的基礎之上，但最后的結果卻與實際相背離。張書濤［4］等根據博弈論組合賦權確定評價指標權重，提高了文創設計評價的科學性；周愛民［5］等運用博弈論組合賦權求解美度指標的綜合權重，得到了較為客觀的評價結果。

綜上所述，本文采用博弈論主客觀組合賦權求解殘膜回收機用戶需求綜合重要度，提高用戶權重的可靠性，QFD將用戶需求與產品特性相聯系，提升其設計合理度，為產品創新提供依據。

1 基于博弈論組合賦權-QFD的設計流程構建

設計模型的構建主要包括用戶需求分析、設計要素轉化以及設計實例三個層面。在用戶需求分析方面，借助問卷調查及半結構化訪談獲取殘膜回收機的用戶需求，利用層次分析法（AHP）明確用戶需求指標要素，并求取各指標的主觀權重；引入熵權法輸出各用戶需求的權重系數；應用博弈論組合賦權模型，獲得主客觀權重的最優解；引入QFD構建殘膜回收機的質量屋，將用戶需求轉化為設計要素；最后，依據量化結果編寫設計方案。設計殘膜回收機需要綜合考慮多層次因素，構建合理的設計流程，從而高效完成設計決策。

2 基于博弈論組合賦權的用戶需求分析

2.1 用戶需求獲取

以地膜使用農戶、農機新產品開發負責人、工程師和設計師共100人作為調研對象，回收有效問卷89份，并對其中的26個調查對象進行半結構化訪談，了解目標群體對市場上已有的殘膜回收機的使用體驗，得到其對殘膜回收機設計的期望和需求。經過篩選，將用戶關注度不高并且實現成本較高的遙控、降噪等需求剔除，最終確定19個用戶需求。從審美性、功能性、安全性、經濟性四個角度，構建殘膜回收機的用戶需求層次模型，如圖1所示。

2.2 用戶需求綜合權重的確定

2.2.1 層次分析法確定主觀權重

針對殘膜回收機各指標要素的重要度，按照1～9標度評分，由設計師和農機技術人員組成的10人專家小組共同評分，具體步驟如下［6］。

（1）構建判斷矩陣A=（aij）n×n。

式中：aij表示為第i項指標因素對比第j項指標的重要程度賦值，n為指標元素的個數，矩陣A需滿足aij＞0，aji·aij=1，aii =1。

（2）判斷矩陣的一致性查驗。當CR＜0.1時，可進行下一步設計分析。

式中：λmax為最大特征根；CR為一致性比率；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。

（3）主觀權重的獲取。借助Python編程對一級指標和二級指標的λmax所對應的特征向量Vi進行歸一化計算，最終得到各層級設計評價指標的主觀權重。

2.2.2 熵權法確定客觀權重

邀請5名專家使用9級李克特量表評價每個需求因素的重要性，數值越大表示重要程度越高。該方法能夠減少主觀經驗對指標權重的影響，計算步驟如下［7］。

（1）構建專家評分數據矩陣B=（bij）n×m，將矩陣標準化處理得到G =（gij）n×m。

（2）求取各個指標的信息熵Ei。

（3）確定指標的客觀權重。

2.2.3 基于博弈論的組合權重確定

借助博弈論組合賦權思想，在納什均衡理論的目標下，通過線性組合由多個不同方法獲得的權值確定最優權重，使指標賦權更加科學，基本步驟如下［8］。

（1）構建權重向量集W。分別用層次分析法和熵權法求得殘膜回收機各評價指標在該體系中占有的比重ω1與ω2，以此組合為基礎權重集W={ω1，ω2}。

（2）權重向量的線性組合。假設λ={λ1，λ2}為線性組合的系數，則組合權重為：

（3）優化組合系數。按照博弈論組合賦權的基本理論，以組合與各個權重之間的偏差最小為前提，對線性組合系數λ1，λ2加以優化，找出最優W，則目標函數為：

（4）將最優線性組合系數歸一化得到λ*i，i=1，2。

（5）確定綜合權重值W*。

根據模型，求出主客觀權重系數λ1=0.6988，λ2=0.3011，以及各個指標要素的主觀權重、客觀權重、組合權重（見表1），在此基礎上成為設計的參考標準。

3 基于QFD設計要素確定

根據用戶需求映射到殘膜回收機的產品特性，綜合歸納得到12個設計要素：撿拾裝置D1、輸送裝置D2、打捆裝置D3、旋耕裝置D4、控制系統D5、行駛方式D6、結構緊湊D7、底盤結構D8、布局合理D9、色彩比例D10、形態簡潔D11、材質耐用D12。

運用五級標度法對矩陣中各用戶需求進行重要度賦值，建立質量屋，見表2。圖形“●”表示設計要素與用戶需求的關聯度為“明顯重要”，分數為5分；圖形“○”表示“稍微重要”，分數為3分；圖形“r”表示“同等重要”，分數為1分。

4 設計實例

4.1 功能設計

根據前文的分析結果，提出殘膜回收機在功能上的關鍵設計要素，應依次滿足機器的撿拾功能、打捆功能、輸送功能、旋耕功能、自動控制功能。

撿拾功能：采用起膜、挑膜和卷膜的多次拾膜方式，改善殘膜漏撿問題。撿拾效果與起膜鏟的排布有關，可根據地形和作物的要求組裝排列膜鏟，將其設計為可上下旋轉的結構來調節入土角度，以適應不同的地形；在現有伸縮桿齒的基礎上，將挑膜齒設計成上窄下寬的弧形齒，便于順利挑起殘膜，卷膜輥筒蓋可拆卸，方便維修和清理，其四周均勻分布9排挑膜齒，圓周方向有8個彈齒；液壓控制軸銷轉動調節起膜鏟和卷膜輥的入土深度，從而解決地膜撿拾困難的問題，實現高效撿拾殘膜。

打捆功能：采用圓捆打包的方式解決殘膜成型率不高和易松散的問題，滿足用戶對殘膜收集和壓縮的要求。為避免傳統的鋸齒形鋼輥撕扯殘膜，選用1.5 mm八角形鋼輥，固定于兩側鏈條上構成弧形封閉圓環，轉輥的高速旋轉有助于殘膜壓縮生成膜包。采用先提升后卸膜的自卸裝置，當打捆機上升至卸膜高度時，打捆室艙門開啟，完成卸膜作業。機器后方設有打捆壓力指示燈，實時顯示殘膜打捆的壓力狀態。

輸送功能：因殘膜質輕且表面比較光滑，傳統的輸送裝置中圓形鋼輥傳送殘膜易發生打滑導致殘膜堆積，故在輸送鋼輥的表面增加突起，防止殘膜滑落。

旋耕功能：根據用戶對多種農藝作業的使用需求，增加旋耕功能，設計旋耕裝置的懸掛模塊接口，液壓懸掛驅動軸控制旋耕裝置的入土深度，其懸掛接口的設計應便于更換耕作部件。對旋耕裝置的防護罩的造型進行平滑處理，減速器設計成傾斜角度的單獨罩件，卸膜過程中，卸捆器在膜包的壓力下緩緩下降，套過減速器，支撐在旋耕裝置上端，形成一個坡度，便于卸載殘膜。

自動控制：在現有的電器操控系統添加自動控制單元與繼電器，控制機器起膜、卷膜、輸送、打捆、卸捆與旋耕，使殘膜回收旋耕一體機進行自動化作業；可調節避障模塊設置在機身前，能夠準確地感知前方障礙物；啟動開關，可實現多種裝置同時工作，改變傳統殘膜回收后需要使用其他的農業機械完成耕地整地工作的情況，減少農業機械下地的次數；采用自走式設計，解決目前機器在殘膜回收時需要拖拉機牽引的問題，在降低勞動成本的同時，實現高效連續的生產作業。其展現的功能模式如圖2所示。

4.2 結構設計

模塊布局應該做到結構緊湊，將起膜鏟、卷膜輥布置在機器的前部，方便將殘膜從耕層挑起；打捆室設置于機器背面，以確保回收箱有充足的空間；行進模塊設置于機器下部；旋耕裝置懸掛在行進模塊的后部，確保機器在作業時能與前置的回收裝置進行聯合作業，實現耕地整地的功能。底盤結構采用中置履帶架，方便前端撿拾地膜，后端實現旋耕作業的懸掛，使用光面導向輪，利用軸套軸的懸掛系統，使其可輕松越過障礙，在土里穩定行駛，進而適應多地形作業，降低對土壤的壓實損害度。

4.3 整體外觀設計

材質耐用和形態簡潔在整機外觀造型中所占比重相對較高，因此弧形挑膜齒所用的材料是彈性和耐磨性強的65 Mn；考慮到底盤的使用要求和工作環境，采用Q235A碳素鋼，其抗拉強度在370 Mpa到500 Mpa，良好的焊接性能可以滿足底座的強度與韌性要求，確保在作業過程中不會變形。機器整體采用全封閉式罩件，將原來雜亂裸露的零件包裹起來，對機器起到防護作用，并將危險運作區與使用者進行隔離，實現安全防護；因后方打捆裝置采用圓捆形式，所以將該部位改為多邊形設計，簡化空間裝配角度并提高打捆結構的穩定性；打捆裝置內部有液壓桿、齒輪和鏈條等關鍵部件，是維修頻率較高的部分，故在該處設計單獨的罩件，并利用液壓支撐桿完成開合，便于適時省力地打開，便于打捆裝置的日常維護。

經前文分析，設計出殘膜回收旋耕一體機（見圖3）。

1警報燈；2前照燈；3避障攝像頭；4挑膜齒；5卷膜輥；6起膜鏟；7散熱格柵；8防護罩；9急停按鈕；10維修把手；11警示燈；12液壓伸縮桿；13打捆裝置；14打捆壓力指示燈；15卸捆器；16旋耕結構；17行走履帶

4.4 模糊綜合評價

模糊綜合評價用于解決主觀判斷導致模糊不清的問題，求解過程如下［9］。

（1）明確評價要素集。依據殘膜回收機的用戶需求評價指標項構建評估要素集。

（2）確定評價指標的等級。借助李克特量表法，構建等級集合：T={很差，較差，一般，較好，很好}，分別取值2、4、6、8、10。

（3）確定評價因素的權重。文中基于博弈論組合賦權法獲得的綜合權重值W*，以此確定評價因素的權重。

（4）構建模糊關系矩陣R。邀請10名專家和用戶評價殘膜回收旋耕一體機的設計方案，經過整理歸一化后，獲取各評價指標相應的模糊關系矩陣。

（5）模糊綜合評價求解。使用加權平均型M（*，+）算子進行研究，則有方案的模糊綜合評價：P=W*·R=（0，0.027，0.086，0.667，0.22）。結果表明，認為該方案為很差、較差、一般、較好、很好的評估者分別占0%、2.7%、8.6%、66.7%和22%。由集合最大隸屬度可知，殘膜回收旋耕一體機設計方案的綜合評價的結果為“較好”。

5 結語

針對殘膜回收機設計中無法準確判斷用戶需求的問題，利用博弈論組合賦權法較大程度地保留了行業專家的客觀評價和主觀判斷，使指標權重更科學合理；引入QFD理論，將用戶需求轉化成產品特性設計要素，可幫助設計人員把握設計重點，有效指導針對殘膜回收機的設計，提高用戶滿意度。根據量化的結果，從功能、結構、整體外觀方面設計殘膜回收旋耕一體機，實現殘膜撿拾、打捆、土地旋耕一體化作業，提高回收效率，降低能耗，滿足用戶的使用需求。該方法彌補了殘膜回收機的設計對用戶需求研究的不足，可為其他農業機械的設計提供參考。

參考文獻：

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［3］ 王向南，張琳.勸導性兒童智能閱讀產品設計研究［J］.設計，2023，36（1）：121-124.

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［7］ 王志愿，閆磊磊，鄧迎寅，等.基于熵權與VIKOR方法的設計方案評價與優選［J］.機械設計，2022，39（2）：154-160.

［8］ 吳波，周路，劉聰.基于博弈組合賦權-TOPSIS法的富水軟巖山嶺隧道塌方風險評價［J］.科學技術與工程，2023，23（4）：1726-1733.

［9］ 張寧，馬彧.基于AHP和感性工學的通風設備造型設計評價［J］.設計，2022，35（19）：105-108.

作者簡介：鄭祖芳（1979—），女，湖北潛江人，博士，講師，研究方向：產品設計、智能裝備設計。

張瀟文（1997—），女，山東滕州人，碩士在讀，研究方向：產品設計、智能裝備設計。