基于FBS-TRIZ的園藝拖拉機設計研究

董佳麗，張健瑞，鄭明霄

基于FBS-TRIZ的園藝拖拉機設計研究

董佳麗1，張健瑞1，鄭明霄2

（1.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；2.零跑科技股份有限公司，杭州 310051）

關注園藝拖拉機使用過程中駕駛者的相關行為，提取園藝拖拉機駕駛者的使用需求，并將其轉化為產品技術特性的設計要求，提升園藝拖拉機駕駛者的用戶需求滿意度。將FBS-TRIZ 理論融合作為研究園藝拖拉機功能需求映射的方法。通過對用戶行為特征的分析，結合用戶訪談、問卷調研等方式獲取用戶需求，運用FBS模型，構建出園藝拖拉機功能需求模型，將行為作為連接功能需求與產品結構的紐帶，通過分析獲取解決設計問題的方法；運用TRIZ理論進行沖突問題的分析與轉化，并針對設計層面產品特性的矛盾提出解決方案。FBS與TRIZ理論的融合應用能夠將用戶需求精準轉化為技術特性層面的設計要求，對園藝拖拉機用戶需求設計方面的不足提出了相應的解決方案，為設計師提供了將用戶需求向功能結構的映射轉化的指導，驗證了該方法的有效性。

用戶需求；園藝拖拉機；FBS；TRIZ

根據國家統計局數據查詢，從2016年起，我國果園面積逐步攀升，2022年我國果園面積達1.841 5億畝。隨著勞動力成本的提升及農業機械化水平的發展，多數地區的果園農業也由人力、畜力逐步轉向機械化[1]。傳統拖拉機主要以技術創新為驅動，但隨著社會的發展，用戶的可選擇性也逐漸增多，企業意識到用戶需求的重要性，產品設計也逐漸由技術導向轉變為需求導向。通過文獻研究發現，目前國內園藝拖拉機的設計研究重點集中于園藝拖拉機本身的性能方面，對園藝拖拉機用戶群體需求方面的關注度較低，導致產品在功能使用方面與用戶的使用習慣不符，無法滿足用戶的需求。

胡鵬驍等[2]將情景分析法引入用戶調研中，假定了公交車應急場景，通過FBS和TRIZ集成的方式對公交車把手進行設計。秦雄等[3]將FAST、FBS、TRIZ、FMEA集成，提出了一種基于“目的-方案-優化-驗證”的產品創新設計全流程研究策略，最后以振動篩設計為實例驗證了該創新流程的可行性。杜冠男等[4]提出了將TRIZ和FBS集成的產品創新設計方法，最后以搓澡機為實例，驗證了該集成方法的可行性。

以上文獻利用FBS和TRIZ理論在功能設計方面有效解決了產品存在的問題，為由于目前較少學者關注園藝拖拉機用戶需求研究，因此FBS和TRIZ理論在該行業領域也鮮少應用。基于此將用戶行為地圖引入用戶需求調研中，可以更加全面地獲取用戶需求，然后通過FBS模型，展開“功能-行為-結構”的映射轉化模型，以TRIZ理論為設計末端，解決產品既有結構與新引入結構所造成的物理或技術沖突，解決關鍵設計問題，構建基于用戶需求的園藝拖拉機設計研究框架，為園藝拖拉機的設計研究提供借鑒與參考。

1 園藝拖拉機現有產品分析

園藝型拖拉機主要用于果園、茶林、設施農業等狹窄地塊的各種作業，特點是機身結構緊湊、功率小、體積小、機身低、重量輕，如多功能微耕機和兼用型手扶拖拉機等。本文研究適用于北方果園，地形以平原為主，果園面積較大，適用于輪式園藝拖拉機作業。我國園藝拖拉機設計研究相較于西方發展較晚，目前研究主要集中在性能方面，雖然近些年國內園藝拖拉機發展較快，但是對產品與人的操作互動性考慮到較少，并且對用戶需求度關注不足。在園藝拖拉機實際使用中，部分園藝拖拉機的部件功能未考慮用戶的使用習慣，從而導致用戶被迫對其自行修改或適應等問題（見圖1～2）。運用科學的方法研究用戶需求并轉化為產品技術特性，可以為企業提供新產品的開發思路，提升園藝拖拉機的行業競爭力。

圖1 用戶自行焊接的工具箱

圖2 用戶購置的第三方遮陽篷

2 基于FBS與TRIZ的園藝拖拉機設計研究框架

2.1 FBS模型與TRIZ理論的概述

FBS模型是由美國學者Gero于1990年提出的一種設計過程模型[5]。主要是通過對模型中的三個變量即功能（Function）、行為（Behavior）及結構（Structure）的分析，利用逐級映射將模糊化的產品設計問題逐步變得清晰，建立了從產品功能需求到人的行為再到產品設計要求的映射機制，使產品設計過程變得更加具有邏輯性及合理性。

TRIZ理論由前蘇聯科學家G.S.Altshuller提出。它對各種技術發展進化的規律進行了總結，提出了技術沖突的解決原理和法則，為技術創新提供了理論基礎及方法指導[6]。將TRIZ 理論中的創新輔助工具應用到產品設計中，可以幫助設計者解決物理、技術方面的沖突問題，提升設計效率。

2.2 基于FBS與TRIZ的園藝拖拉機設計研究框架

現階段對于產品設計全流程的設計策略研究相對欠缺，往往僅針對一個或幾個階段展開研究。同時單一設計方法研究也具有著產品設計各流程不能緊密聯系的不足[7]。FBS利用從功能到行為再到結構的逐級映射將設計問題由抽象轉為具體，逐步明確產品設計，建立起用戶需求與功能結構之間的映射轉化。然而FBS模型存在著前期調研的不充分性及無法解決功能結構間的矛盾沖突等問題,所以在前期調研中引入用戶行為研究，充分挖掘園藝拖拉機駕駛者在使用過程中的隱性需求，在后期的功能結構沖突解決方面，可將核心問題描述成TRIZ理論系統的表達方式，利用TRIZ理論中提供的解決原理對核心問題進行削弱或者消除，從而找到核心問題的理想解決方案[8]。綜上所述，采用FBS與TRIZ理論融合的方式，可對園藝拖拉機的設計全流程提供更為科學的指導（見圖3）。

圖3 基于FBS-TRIZ的園藝拖拉機設計研究框架

3 園藝拖拉機設計實例

3.1 園藝拖拉機駕駛者行為研究

在用戶日常工作中，一些無意識動作的背后都隱藏著隱性需求[7]。由于隱性需求往往存在于用戶潛意識中難以被察覺，所以通過分析用戶行為有助于設計師發現用戶不自知的隱性需求，以提供更令用戶滿意的服務[9]。本次調研前往天津市周邊果園農場，首先通過觀察法記錄并梳理了園藝拖拉機駕駛者操作園藝拖拉機的作業流程，從準備工作前的保養檢查開始到結束工作機器回倉，全流程觀察用戶行為，記錄園藝拖拉機駕駛者作業中存在的問題，分析駕駛者作業流程中的痛點；其次通過用戶訪談獲取用戶期望；最后整理出園藝拖拉機駕駛者用戶行為地圖。操作階段分為作業前的準備、正式作業以及作業結束三個階段，行為分析包括行為記錄、接觸點及痛點和對應的用戶期望整理，見圖4。

圖4 園藝拖拉機駕駛者用戶行為地圖

為避免用戶需求獲取過于主觀，尋找天津市周邊果園中園藝拖拉機駕駛者進行專家訪談對需求獲取部分進行修改及完善，園藝拖拉機用戶需求見表1。

3.2 園藝拖拉機用戶需求分析

KANO 模型可以將用戶的主觀感受進行量化，便于設計師了解用戶對于產品功能的滿意度，根據用戶打分可將用戶需求要素分為魅力屬性（A）、期望屬性（O）、無差異屬性（I）、必備屬性（M）和反向屬性（R）[10]。通過KANO模型對用戶需求屬性進行分類，可以直觀地找到用戶的迫切需求，從而提升用戶對產品設計的滿意度。本研究將調研地點定為天津市周邊果園農場，調研人群為園藝拖拉機駕駛者，因園藝拖拉機用戶群體較小且分散，故本次問卷調研采用了線上、線下結合的方式。本次共計發放了75份問卷，經過篩選統計后回收所得有效問卷共計73份。完成問卷收集工作后對各項需求的問卷結果進行統計，并對各項用戶需求進行屬性分類，用戶需求分類結果見表2。

表1 園藝拖拉機用戶需求

Tab.1 Gardening tractor user requirements

運用Better-Worse系數分析法獲取各項需求的滿意度系數[11]，可以表示為某功能增加滿意度或消除不滿意的影響程度。式（1）中、、、分別對應KANO模型中的魅力、期望、必備及無差異4種屬性。

Better系數代表增加后的滿意度系數，可以描述為當產品具備某項功能時,用戶對該產品的滿意度將提高，數值則為正[12]，數值越大表示調研用戶滿意度提升得越快。產品具備此項功能的Better（）系數表示見式（1）。

表2 用戶需求分類結果

= (+)/(+++) (1)

Worse系數代表消除后的不滿意系數，可以描述為當產品不具備某項功能時，用戶對該產品的滿意度下降。Worse系數數值為負，數值越小表示調研用戶滿意度下降的速度越快[13]，產品不具備此項功能的Worse（）系數見式（2）。

=–(+)/(+++) (2)

Better-Worse 系數分析見圖5。

圖5 Better-Worse 系數分析

由圖5可知，園藝拖拉機設計應具有8項需求，分別有5項功能需求：期望需求A1、魅力需求A2、A5、A6及必備需求A3；3項人機需求：期望需求B2、B3及必備需求B1。

3.3 FBS映射轉化

將FBS中三個變量的轉化流程展開，通過逐級映射的方式將用戶需求的技術特性細化為結構化特征。其中功能（）、行為（）、結構（）3個變量的定義如下。

1）功能（）：被描述為設計的目的，對應KANO模型對用戶行為分析及訪談分析得出的待改進的用戶需求。

2）行為（）：被描述為從結構或預期結構派生出的屬性，即研究對象達成上述功能所發生的行為過程。

3）結構（）：被描述為人工制品的組件元素及其關系，其中既包含產品設計方案實際結構，又包含由行為映射得到的抽象結構。

根據用戶需求分析的結果，將8項用戶需求作為園藝拖拉機設計要素，進行功能-行為-結構的映射，在功能-行為的映射階段，可將通過用戶調研所得出的功能需求轉換為可以執行這些功能需求的行為。在行為-結構的映射階段，可將預期的行為轉變為執行這些行為的結構。根據功能-行為映射結果對行為結構進行推理與變形。園藝拖拉機設計要素FBS映射機制見圖6。

圖6 園藝拖拉機設計要素FBS映射機制

3.4 基于TRIZ的園藝拖拉機設計要素矛盾沖突求解

發明問題解決理論（TRIZ）包含39個工程參數、40條發明創造原理、理想解等創新輔助工具，可以創造性地解決問題并進行產品設計[13]。在解決問題前要明確問題，通過與多名從事工業設計相關人員進行訪談，明確園藝拖拉機功能部件結構設計的理想解，并與目前設計進行對照，從中尋找理想解與設計實例之間的差距，從而精確定義設計部件所存在的問題。將問題對應TRIZ理論中矛盾沖突原理，通過將問題轉化為39個工程參數，對照Altshuler發明原理查詢解決原理提出解決方案，園藝拖拉機沖突理想解與實例對比見表3。

表3 園藝拖拉機沖突理想解與實例對比

Tab.3 Ideal solution and example comparison of contradiction for gardening tractors

沖突一為物理沖突，該沖突可以描述為若增大儲物空間則勢必會縮減其他部件所占的空間。在TRIZ理論框架的基礎上，結合產品設計的外觀、結構與功能需求，運用TRIZ理論中的“39條標準工程技術參數”，將沖突問題轉化為No.8靜止物體的體積，將其對應至Altshuler發明原理，尋找相應的解決原理，沖突一的解決方案見表4。根據發明原理6 ①，可改變發動機防護罩造型，使其具備發動機防護的同時具備一定的儲物功能。

表4 沖突一的解決方案

Tab.4 Solution to contradiction 1

沖突二為技術沖突，該沖突可以描述為遮陽篷可根據用戶自身情況進行調節，但可活動的結構將其變復雜，運用TRIZ理論中的“39 條標準工程技術參數”，將沖突問題轉化為No.35適應性及通用性和No.36.系統的復雜性，將其對應至Altshuler發明原理，尋找相應的解決原理，沖突二的解決方案見表5。根據發明原理15 ②，可通過將遮陽棚與防翻架分離，其中采用螺栓固定，設置擋位，使其達到可調節的功能。

表5 沖突二的解決方案

Tab.5 Solution to contradiction 2

3.5 設計方案

作物的種植間距是影響拖拉機能否正常通行的要素之一，該園藝拖拉機在設計方面考慮到了多種作物下的作業環境，主要適用于寬葡萄園和一般果園。寬葡萄園和一般果園的種植行間距較大，一般為2.5 m～ 5 m，這類果園適用整車最小寬度在1.437 m～1.482 m的園藝拖拉機[14]。園藝拖拉機設計寬度為1.45 m，滿足寬葡萄園和一般果園的適用整車最小寬度。園藝拖拉機設計結構展示見圖7：標號a對應需求A1，根據TRIZ的物理沖突分析將工具放置空間與發動機防護罩相結合，當用戶需要放置尺寸較小的工具時，可放置于發動機罩的置物空間中，當需要園藝拖拉機充當運輸工具時，可將置物空間蓋拆下，防護罩凹陷可放置較大尺寸物品；標號b對應需求A2遮陽棚可進行檔位調節，適用于不同身高的農機手，根據TRIZ的技術沖突分析，遮陽棚與防翻架為兩個單獨部件，中間采用螺栓固定，在方便農機手調節的同時，不會影響防翻架的安全防護功能；標號c對應需求A3，當前農機具尾部工作區域照明位于后車輪擋泥板上，位置較低導致照明效果不佳，本設計將尾部照明燈與遮陽棚相結合，提升高度，增強照明效果；標號d對應需求A5，在駕駛位安裝了可翻轉的私人物品儲藏空間，可放置水杯、手機等私人物品，可翻轉的特性能保證該部件不會占用駕駛位空間；標號e對應需求A6，位于遮陽棚前端的農機具觀察鏡為可翻轉結構，不僅起到觀察鏡的功能，還可充當遮陽板；標號f對應需求B1，前翻式發動機保護罩具備更大的開合角度，便于用戶檢視發動機；標號g對應需求B2，可調節高度及前后的減震座椅方便不同身高的農機手駕駛；標號h為位于駕駛座椅背部的儲物盒，其中可放置如拖拉機說明書、保修單等紙質物品或可根據用戶需要放置其他物品；標號i對應需求B3，位于遮陽棚頂部的安全警示燈為拖拉機最高點，可視性較強。該園藝拖拉機設計總體較為低矮緊湊，適用于大多數間距較窄的果園內工作。

圖7 園藝拖拉機設計結構展示

4 園藝拖拉機設計方案評價

研究從用戶需求出發，將設計點與用戶需求相對應，探求設計方案的用戶滿意度，但人機工程學方面無法從圖7中直觀看出，故設計方案評價將從兩個方面展開評估：一是采用模擬仿真軟件對園藝拖拉機駕駛舒適性進行人機評價；二是評估該方案的設計可行性。主要通過向典型目標用戶及從事工業設計相關人員展示方案主要功能結構的設計效果圖，并針對圖7，將設計方案所包含的主要功能結構以渲染圖的方式編入問卷，請典型目標用戶及從事工業設計相關人員對方案的需求項實現程度進行評價。

4.1 人機舒適性評估

人機舒適性評價采用由西門子公司開發的Jack人體工學仿生軟件進行驗證，根據用戶調研分析結果，在Rhino中建立園藝拖拉機3D模型并將其導入Jack仿真軟件，以GB 10000—1988中的第50百分位人體數據為參考依據，建立人體數據模型[15]，見圖8。

Jack軟件中的Comfort Assessment工具可對園藝拖拉機駕駛舒適度進行評估分析，其中的Porter參數可對駕駛人的關節的合理彎曲度進行評估[16]。駕駛員Porter舒適度分析見圖9，黃線代表人體關節彎曲度限定值范圍，而綠色則代表關節在限定的彎曲度范圍內，數值越趨近于0，舒適度越高。由圖9可見，虛擬人的各關節舒適度均在彎曲度范圍內，可推斷駕駛者舒適度較高。

4.2 方案可行性評估

為了驗證園藝拖拉機設計的用戶滿意度，再次從前期調研的用戶群體中，邀請10名典型用戶與5名從事工業設計相關人員參與對設計方案評估的問卷調查。問卷采用5階李克特量表，設置問卷評語集為={很不滿意，不滿意，一般，滿意，相當滿意}={1,2,3,4,5}，通過均值法獲取用戶評價。為了避免用戶因不了解評估準則而造成的理解誤差，在評估開始前將對目標用戶講解與評估相關的內容與準則，使用戶在評估前對比擁有一定的了解，從而降低理解誤差，同時為了能使評價者對園藝拖拉機具有全面了解，將對園藝拖拉機設計方案進行展示與闡述，評價結果見表6。

圖8 人體模型數據輸入界面

圖9 駕駛員Porter舒適度分析

表6 設計方案評估

Tab.6 Design scheme evaluation form

由設計方案評估表可知，與用戶需求相對應的各項評估指標均在4分以上，說明該方案在需求實現及結構合理性方面反饋較好，較為完整的實現了目標群體對產品的使用需求。由于各項評估分數相差較小，本次設計評價引入雷達圖增強結果可視化效果，通過評估結果可知農機具觀察鏡評估分數相對較低，主要原因為用戶雖認可該解決方案，但擔心視差問題，后續將針對農機具觀察功能繼續展開研究。

5 結語

基于FBS與TRIZ的園藝拖拉機研究，在前期調研中引入用戶行為分析，挖掘用戶在使用園藝拖拉機過程中存在的隱性需求，可以使設計師更加全面地了解用戶需求，為后續設計提供有力依據；通過FBS與TRIZ融合應用的方式將用戶的功能需求向功能結構映射，并解決其中存在的物理、技術沖突問題，使設計的產品更加符合用戶的使用預期和習慣，提高了目標用戶的滿意度。通過設計實踐驗證，基于FBS與TRIZ的園藝拖拉機研究框架完成的產品設計在人機舒適度和方案可行性方面的用戶評價均取得較好結果。

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Design of Gardening Tractor Based on FBS-TRIZ

DONG Jiali1, ZHANG Jianrui1, ZHENG Mingxiao2

(1. Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China; 2. Zero Run Technology Co., Ltd, Hangzhou 310051, China)

The work aims to improve the use satisfaction of gardening tractor drivers by focusing on the related behaviors of drivers during the use of gardening tractors, and exploring their use requirements and transforming the requirements into design requirements of product technical characteristics. Initially, FBS-TRIZ was incorporated as the method for mapping the functional requirements of gardening tractors. By analyzing user behavior in combination with user interviews, questionnaire surveys and other methods, the user requirements were identified. FBS model was used to construct a functional requirement model for gardening tractors, with behavior used as a link between functional requirements and product structure, and the analysis was conducted to obtain method to solve design problems. Finally, TRIZ theory was applied to analyze and transform contradiction problems, and solutions were proposed for contradictions in product characteristics at the design level. The integrated application of FBS and TRIZ theory can accurately transform user requirements into design requirements at the technical characteristic level, and corresponding solutions are proposed for the deficiencies in user requirement design of gardening tractors, which provides guidance for designers to map and transform user requirements into functional structures, and verifies the effectiveness of this method.

user requirement; gardening tractors; FBS; TRIZ

TB472

A

1001-3563(2024)04-0115-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.012

2023-09-15