面向可適應性的果園運輸小車設計與評價

周紅宇　張敏祥　朱倩　阮曉松

摘要：為提高果園運輸機械的可適應性，建立產品系統(tǒng)的適應性評價體系。基于用戶需求的角度，以AD理論為指導框架分析功能需求和功能的獨立性，通過設計過程中功能—設計參數(shù)的映射，將實現(xiàn)適應性功能的設計參數(shù)單獨劃分，并構建農業(yè)機械變型度評價模型；基于信息熵理論和改進的TOPSIS方法對各適應性設計參數(shù)進行變型度的定量描述，通過適應性設計參數(shù)的變型度評價來滿足多樣性的用戶需求，提升產品本體與產品平臺的可適應性評價。將所提方法應用于某型號果園運輸小車設計實例，得到設計方案評價結果：方案1（電機調平方案）的相對接近度為0.246，方案2（液壓油缸調平方案）的相對接近度為0.18。結果表明方案1的系統(tǒng)適應性要優(yōu)于方案2，驗證適應性評價體系的可行性，該評價方法能夠對農業(yè)機械設備的研發(fā)與優(yōu)化提供理論指導。

關鍵詞：可適應性；果園運輸小車；信息熵；改進的TOPSIS；評價方法

中圖分類號：S229+.1文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11007908

Design and evaluation of orchard transport trolley for adaptability

Zhou Hongyu Zhang Minxiang Zhu Qian Ruan Xiaosong

（1. School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan， 430068， China；

2. Hubei Agricultural Machinery Engineering Research and Design Institute， Wuhan， 430068， China）

Abstract：In order to improve the adaptability of orchard transport machinery， an adaptability evaluation system of the product system is established. This paper analyzes the functional requirements and functional independence based on the perspective of user requirements with the framework of AD theory as a guide. The design parameters to achieve the adaptive functions are separated out by the mapping of function-design parameters in the design process， and the evaluation model of the variability of agricultural machinery is constructed. Quantitative description of the variational degree of each adaptive design parameter is made based on the information entropy theory and improved TOPSIS method， and the variability evaluation of adaptive design parameters is used to meet the diverse user needs， and improve the adaptability evaluation of product ontology and product platform. The proposed method is applied to the design of a model of orchard transport cart， and the evaluation results of the design solutions are obtained： The relative closeness of solution 1 （motor leveling solution） is 0.246， and that of solution 2 （hydraulic cylinder leveling solution） is 0.18. The results show that the system adaptability of solution 1 is better than that of solution 2， which verifies the feasibility of the adaptability evaluation system， and the evaluation method can provide theoretical guidance for the development and optimization of agricultural machinery and equipment.

Keywords：adaptability; orchard transport trolley; information entropy; improved TOPSIS; evaluation methods

0引言

丘陵果園運輸設備是發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)機械化過程中的有效工具，具有個性化、定制化、專用性等特征，其設計重點是面向功能需求驅動部件技術特性的設計過程。丘陵果園無人運輸小車是典型的專用型設備，其機械系統(tǒng)是產品的核心部件，在爬坡、運輸?shù)裙ぷ髦芯哂兄匾饔茫蛇m應性設計不足將導致運輸車在運輸中出現(xiàn)整個側翻、行駛不穩(wěn)、貨物掉出等問題［12］。

研究者在農業(yè)設備的適用性評價等方面做了大量研究。劉佛良等［3］針對山地果園運輸環(huán)境的復雜性，設計了雙履帶微型運輸車，增加其適應性滿足山地果園的運輸需求。牛成強等［4］基于模糊數(shù)學隸屬度理論，從技術體系、經濟體系、環(huán)境體系三方面分析了水果田間運輸車的機械系統(tǒng)適用性。趙華洋等［5］構建區(qū)間層次分析和隸屬度的農業(yè)機械性能評價模型，從人機屬性、工作性能、整機屬性等五個方面評價了蓖麻聯(lián)合收割機的綜合性能。以上研究側重于農業(yè)機械的適應性指標評價體系研究，對農業(yè)機械的設計與研發(fā)有一定的價值，但在產品設計過程方面，缺少對機械系統(tǒng)功能和結構的有效評價。

適應性設計是一種新的設計范式，其理念是讓產品和設計能夠適應不同或新環(huán)境中的潛在和可以被預測的需求［6］。對產品適應性進行量化是為了提高機械系統(tǒng)的可適應性，從信息角度對可適應設計信息度量并構建其綜合評價指標具有一定的參考價值［78］。針對信息熵在產品適應性領域的評價，孫之琳等［9］構建了產品可適應設計過程，通過公理設計將用戶域逐級映射至其他域；孫劍萍等［10］構建了面向產品平臺設計的適應性分析模型，并通過分析某盾構機平臺設計的適應性評價指標驗證了該模型的可用性。以上方法已經研究了產品從功能需求到產品結構的適應性，但鮮見從農業(yè)機械角度對功能和部件的可適應性參數(shù)變型度進行產品可適應性研究。

為應對個性化的用戶需求，如何找到功能—結構中適應性參數(shù)并通過適應性參數(shù)的變型度來評價產品系統(tǒng)適應性，以實現(xiàn)對農機設備的客觀評價。本文對丘陵果園運輸小車（以下簡稱運輸小車）設計進行可適應設計分析，從用戶需求角度出發(fā)，以公理化理論為指導，將用戶需求映射形成功能概念空間，通過功能類型劃分構建結構概念空間的農業(yè)機械變型度評價模型；然后，采用信息熵理論對模型中的可適應設計參數(shù)進行評價指標定量分析，通過變型度將可適應結構轉化為定量的數(shù)據化模型，實現(xiàn)農業(yè)機械產品中功能和部件的客觀評價。

1運輸小車機械系統(tǒng)的適應性評價模型

由于運輸小車具有系列化分級特征不明確，用戶個性化強等特點，其設計形式是根據用戶的需要來確定，因此該設備通常采用的是小批量設計模式。同時為了快速響應市場以及滿足用戶需求，縮短運輸小車設計周期，降低成本，本文研究運輸小車機械系統(tǒng)的可適應性評價模型，以實現(xiàn)對農機設備的客觀評價。

根據公理化設計理論能夠滿足功能需求的物理結構可描述為“設計參數(shù)”［11］，因此，運輸小車的產品結構可由設計參數(shù)來表征。為了將運輸小車的功能需求和設計參數(shù)進行系統(tǒng)性分析，首先，采用公理化設計定義產品的基本功能FR^b、適應性功能FR^e、個性化功能FR^a。通過分析功能模塊獨立性進行功能—設計參數(shù)映射，從而形成結構概念空間；然后，應用層級映射確定適應性設計參數(shù)，并建立產品適應性設計參數(shù)的變型度設計矩陣；最后，基于信息熵理論從可適應性層面對運輸小車機械系統(tǒng)進行客觀的綜合評價。

1.1基于獨立公理的適應性功能需求劃分

產品設計系統(tǒng)可通過修改產品的物理結構來提高其可適應性。為此，需要盡可能保證產品實現(xiàn)功能的獨立性，采用公理化設計中的獨立公理，在設計早期的領域映射過程中識別出可接受的設計解，并且通過適當選擇設計參數(shù)DP_S來保持功能需求FR_S的獨立性［12］。

1.2產品設計參數(shù)變型度評價依據

對于不同體系的產品系統(tǒng)結構，其適配的難度會有所不同。通過對該系統(tǒng)結構進行標準化接口的功能需求分析，并劃分出設計參數(shù)，使其具備良好的功能兼容性和可逆性，從而降低產品拆卸和重新配置的成本。在此過程中，如何判斷設計參數(shù)變型程度的大小，快速準確地完成對產品的升級換代，是一個亟待解決的問題。

產品適應性是指原有產品適應環(huán)境需求變化的能力［14］。產品適應性通常是通過修改現(xiàn)有的產品體系結構，即根據產品功能、結構的變型可能性或難易程度，用新的組件來添加替換或升級變型度大組件或模塊，以及重新配置現(xiàn)有的組件或模塊。因此以現(xiàn)有產品為原型，對產品的適應性設計參數(shù)進行定量的變型描述的分析，判斷變型的可能性或難易程度，實現(xiàn)產品快速配置。

適應性設計參數(shù)變型度是指通過改變某一適應性設計參數(shù)使現(xiàn)有產品滿足功能需求的難易程度，主要從物理結構層級上進行農業(yè)設備的客觀評價，如表1所示。

2產品可適應評價方法

2.1產品適應性功能-設計參數(shù)的度量

根據運輸小車變型度評價準則，建立適應性設計參數(shù)變型度AD，得到原始矩陣。

2.2產品機械系統(tǒng)可適應評價方法

在進行可適應性評價時，采用能夠逼近理想值的熵權-TOPSIS排序方法，該方法利用熵權客觀賦權，一定程度上消除TOPSIS的主觀隨意性，修正正、負理想解的取值范圍，簡化求解過程。通過公理劃分結果，建立產品適應性任務，并且基于表1的評價準則，構建產品可適應性設計參數(shù)變型度矩陣AD。

3應用實例

丘陵果園運輸小車是主要用于林、果、茶園等復雜環(huán)境下的貨品運輸設備，其設計參數(shù)需要結合具體的用戶、環(huán)境等需求，進行合理的配置，具有系列化分級特征不明顯、用戶定制性強等特點。本文以某型號果園運輸小車設計為例，該設備采用履帶式地盤，其主要參數(shù)指標，如表2所示。

3.1運輸小車功能需求—設計參數(shù)映射

根據公理化設計理論，應用式（1）～式（6）對功能需求及類型進行劃分，通過功能概念空間FCS和結構概念空間SCS之間的映射來實現(xiàn)分解確定設計參數(shù)，得到功能分解圖，如圖1所示，在分解過程中每一層級都需進行功能獨立性的判斷。

根據用戶需求總結產品的功能需求，確定每個功能需求在實現(xiàn)過程中的重要性，并分析用戶與產品功能的共同需求之間的相關性，評估變化的特征。運輸小車功能分解圖如圖2所示，產品功能概念空間可以劃分為基本功能空間、適應性功能空間、個性化功能空間三種類型。

3.2運輸小車設計參數(shù)變型度評價

通過圖2和圖3，分析得到運輸小車設計方案。其中，方案1選用Z2-31-39驅動電機功率為1.4kW，其調平機構為電機調平，其零部件分別為調平裝置支撐擋板、調平電機、調平控制器、主動齒輪、從動輪支撐軸、從動擺動調平擋板和角度傳感器等結構組成，方案1的結構示意圖，如圖4所示。

圖4中DP8為調平電機、DP15為調平控制器、DP16為角度傳感器、DP17為從動擺動調平板、DP37為主動齒輪、DP40為調平裝置支撐擋板、DP43從動輪支撐軸。

方案2選用Y90L驅動電機功率為2.97kW，其調平機構為液壓調平機構，其零部件分別為液壓調平油缸A、液壓調平油缸B、液壓桿腔、橫梁、履帶行走架和果箱托盤等結構組成，方案2的結構示意圖，如圖5所示。圖5中為DP9調平液壓油缸、DP20為果箱托盤、DP28為驅動電機、DP34為電機控制器、DP42為履帶行走架。

通過計算每個方案的調平機構設計參數(shù)變型度信息熵以及方案的信息熵來衡量每個方案的適應性，經過對比最后的方案總變型度信息熵，得到最優(yōu)的設計方案。

基于公理化設計劃分結果，建立運輸小車的適應性任務TP={TP1外部機構系統(tǒng)、TP2主驅動系統(tǒng)、TP3運行支撐系統(tǒng)、TP4電氣控制系統(tǒng)、TP5導向系統(tǒng)、TP6平臺調平系統(tǒng)、TP7減震系統(tǒng)、TP8安全防護系統(tǒng)}。根據適應性任務，分別對方案1和方案2的調平機構進行評價。

根據表1的評價準則，構建設計參數(shù)變型度矩陣Aa和Ab，然后由式（9）和式（10）對矩陣進行規(guī)范化處理，由式（11）分別計算每個方案中各設計參數(shù)對于可適應性任務的變型度矩陣pij，計算結果如表3～表4所示。

3.3運輸小車方案適應性評價分析

為了更好地對方案進行評價，采用能夠逼近理想值的TOPSIS方法，通過對熵權矩陣進行正、負理想的修正，由式（15）得到標準化后的矩陣，如表7～表8所示。

傳統(tǒng)TOPSIS方法對于正負理想解分別為因素中的最優(yōu)值與最劣值，其取值范圍較為寬泛，并且它的計算過程非常復雜。本文采用改進的TOPSIS法，對初始矩陣進行規(guī)范化化處理，使其目標屬性的取值在0～1之間。針對設計參數(shù)的正理想解期望現(xiàn)有方案的設計在適應性要求上所處的狀態(tài)相對于理想設計方案的狀態(tài)，其隸屬匹配度是最大的，因此，由式（16）～式（20）可得方案中設計參數(shù)的適應性與理想解之間的相對接近度，如表9～表10所示。

3.4結果分析

依據本文建立的農業(yè)機械變型度評價模型可以從機械系統(tǒng)的視角得到2種方案的適應性設計參數(shù)評價結果，如圖6所示。總體來說，方案1的適應性評價為0.246；方案2的適應性評價為0.18，從分析結果來看，方案1的系統(tǒng)適應性要優(yōu)于方案2，說明了方案1的適應性較好，同時也說明了方案1的設計注重產品系統(tǒng)中的功能拓展、適應性以及信息流的交互，同時也注重結構的緊湊型、標準化和適應性變型，使得該產品系統(tǒng)擁有清晰的功能信息流和較強的結構適應性。

該方案采用調平電機機構進行果箱的水平調節(jié)，其原理在運輸小車通過起伏路面時，果箱托盤與水平面形成了一定的角度，此時角度傳感器將形成的角度傳輸?shù)秸{平控制器，調平控制器根據傳輸?shù)慕嵌刃吞柨刂普{平電機對調平板進行擺動，使得果箱托盤與水平面之間形成水平狀態(tài)，從而保持果箱水平，保證了運輸小車在行駛中果箱的穩(wěn)定性，保護果品不受到損壞。由于其采用緊湊的結構、組件的適應性變型以及模塊化設計，使得該設備在迭代升級中可以更快地進行產品變型與更新。

4結論

為了實現(xiàn)企業(yè)項目研發(fā)的快速發(fā)展，研究項目方案的評價與決策是具有重要意義的。本文針對農機設備方案的適應性進行綜合評價研究，基于信息熵方法從產品系統(tǒng)中設計參數(shù)的角度出發(fā)，采用產品系統(tǒng)可適應設計的信息熵評價方法，與改進的TOPSIS方法相結合，實現(xiàn)從產品機械系統(tǒng)的角度對設計方案進行客觀定量評價。

1）? 本文針對傳統(tǒng)的農業(yè)機械指標評價方法，提出了以產品設計參數(shù)為視角，產品可適應設計評價為基礎，對丘陵果園運輸小車進行評價和決策研究。

2）? 基于公理化設計的劃分，分別遴選出運輸小車的兩種不同形式的調平機構設計方案，其中方案1為電機調平，方案2為液壓調平。

3）? 針對運輸小車的兩種調平裝置設計方案，計算其方案的相對接近度，分別為0.246和0.18。研究結果表明，方案1的適應性要明顯優(yōu)于方案2。

參考文獻

［1］宋月鵬， 張紅梅， 高東升， 等. 國內丘陵山地果園運輸機械發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］. 中國農機化學報， 2019， 40（1）： 50-55， 67.Song Yuepeng， Zhang Hongmei， Gao Dongsheng， et al. Development status and trend of domestic orchard transportation machinery in hilly and mountainous areas ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（1）： 50-55， 67.

［2］吳偉斌， 趙奔， 朱余清， 等. 丘陵山地果園運輸機的研究進展［J］. 華中農業(yè)大學學報， 2013， 32（4）： 135-142.Wu Weibin， Zhao Ben， Zhu Yuqing， et al. Research progress of hilly orchard transporter ［J］. Journal of Huazhong Agricultural University， 2013， 32（4）：135-142.

［3］劉佛良， 張震邦， 楊曉彬， 等. 山地果園雙履帶微型運輸車的設計， 仿真與試驗［J］. 華中農業(yè)大學學報， 2018， 37（4）： 15-23.Liu Foliang， Zhang Zhenbang， Yang Xiaobin， et al. Design， simulation and experimental analysis of a miniature double crawler transport vehicle in mountain orchard ［J］. Journal of Huazhong Agricultural University， 2018， 37（4）： 15-23.

［4］牛成強， 宋月鵬， 李釗， 等. 丘陵山區(qū)水果田間輸運機械適用性評價研究［J］. 中國農機化學報， 2020， 41（11）： 89-94.Niu Chengqiang， Song Yuepeng， Li Zhao， et al. Study on applicability evaluation of fruit field transportation machinery in hilly mountain area ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（11）： 89-94.

［5］趙華洋， 李理， 劉光宇， 等. 基于區(qū)間層次分析法和隸屬度的蓖麻聯(lián)合收割機性能綜合評價［J］. 中國農機化學報， 2018， 39（10）： 107-111.Zhao Huayang， Li Li， Liu Guangyu， et al. Comprehensive evaluation of castor harvester performance based on interval analytic hierarchy process and membership degree ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2018， 39（10）： 107-111.

［6］Gu P， Hashemian M， Nee A Y C. Adaptable design ［J］. CIRP Annals， 2004， 53（2）： 539-557.

［7］Cheng Q， Zhang G， Liu Z， et al. A structure-based approach to evaluation product adaptability in adaptable design ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2011， 25（5）： 1081-1094.

［8］Li Y， Xue D， Gu P. Design for product adaptability ［J］. Concurrent Engineering， 2008， 16（3）： 221-232.

［9］孫之琳， 王凱峰， 陳永亮， 等. 產品可適應設計評價的信息熵方法［J］. 工程設計學報， 2021， 28（1）： 1-13.Sun Zhilin， Wang Kaifeng， Chen Yongliang， et al. Information entropy method for product adaptable design evaluation ［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2021， 28（1）： 1-13.

［10］孫劍萍， 湯兆平. 產品平臺設計的可適應性研究與評價［J］. 制造業(yè)自動化， 2019， 41（9）： 37-45.Sun Jianping， Tang Zhaoping. Research and evaluation on the adaptability of product platform design ［J］. Manufacturing Automation， 2019， 41（9）： 37-45.

［11］Xiao R， Cheng X. A systematic approach to coupling disposal of product family design （part 1）：Methodology ［J］. Procedia CIRP， 2016， 53： 21-28.

［12］Gu P， Xue D， Nee A. Adaptable design： Concepts， methods， and applications ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2009， 223（11）： 1367-1387.

［13］肖人彬. 復雜產品的解耦設計與開發(fā)［M］. 北京： 科學出版社， 2019.

［14］程賢福. 面向可適應性的穩(wěn)健性產品平臺規(guī)劃方法［J］. 機械工程學報， 2015， 51（19）： 154-163.Chen Xianfu. Adaptability-oriented planning method for robust product platform ［J］. Juornal of Mechanical Engineering， 2015， 51（19）： 154-163.

［15］Wang X M， Zhao B， Zhang Q. Mining method choice based on AHP and fuzzy mathematics ［J］. Journal of Central South University： Science and Technology， 2008， 39（5）： 875-880.