基于信息框架的农机产品设计研究

武月琴

(1.西华大学 美术与设计学院，成都 610039；2.四川大学 艺术学院，成都 610065)

基于信息框架的农机产品设计研究

武月琴1，2

(1.西华大学 美术与设计学院，成都 610039；2.四川大学 艺术学院，成都 610065)

构建了一种准确定义农机产品设计方向的方法。根据设计流程及信息传递过程，将农机产品设计前期所需信息分为市场类信息、用户类信息、设计经验类信息及产品实现类信息，并针对以上信息进行图解分析，设计师通过对比分析信息框架中所需信息的来源和目标，结构化并准确定义设计问题。以微耕机为设计对象，对比该类产品各有用信息，结构化设计问题并准确定义设计目标，有效地把握此类产品的设计趋势。研究表明：以信息框架为手段的农机产品问题结构化能够有效地提高此类产品的设计准确性与成功率。

农业机械；产品设计；信息框架

0 引言

设计师由信息情报形成概念，提出产品构想，展开程序，进而将构想落实为具体的产品。产品设计创新概念需要多种不同的信息支持，充足和完善的信息可以帮助设计师跨越原有知识经验的局限而趋向创新发展。因此，在产品创新设计活动中，如何从众多信息中快速筛选，并通过分析和利用转化成为致胜的创新概念，成为产品设计中的关键所在。

农业机械产品是现代先进制造技术、设计水平及操作人员技术的集中体现，其形态与功能的设计创新是各类信息的综合表达，全面、准确地设计信息筛选是农机产品设计成功的关键因素之一。

1 基本概念

1.1 信息框架

设计信息就是指设计师用来辅助并指导设计的资料、知识和消息，包括源信息与新信息、显性信息与隐性信息、形态信息与结构信息、自然信息与社会信息、文化信息与技术信息等[1]。设计师只有掌握足够多的信息，才能建立有关设计问题的框架，定义设计问题，寻找设计的限制性因素，形成设计目标，并开展后续的工作。在产品开发前期，设计师根据个人认知习惯和经验，获取、归纳并结构化设计问题所需信息及其关系，形成信息框架，以准确定义设计问题，把握设计方向。

设计师的设计过程分为3个阶段：设计信息的输入、设计概念的生成及设计解决方案的输出[2]。设计过程中的设计信息形成包括：①信息的搜集阶段。设计信息主要来源有以设计师现有经验与知识为基础的设计信息，与设计师的知识阅历、工作经验等有关。委托方给定的设计要求与信息，当部分委托方委托内容较模糊时，需设计师帮助明确设计任务，并在沟通中了解委托设计信息，通过资料收集、市场调研得到的相关信息。②信息素材的综合整理提炼与概括。设计信息素材的加工一般包括经过初步筛选、制定设计的约束条件及排除绝对不适合的部分等过程。如在农机产品设计中应该避免与地理环境、作物生长不相符的数据与尺寸。各类设计信息汇总至设计团队，设计师根据个人经验及市场需求等进行信息筛选，最终产生设计方案。前期设计信息的反复多次筛选影响着设计结果的准确性，在某种程度上也决定了产品能否获得市场期望。

1.2 农机产品

农机产品也叫农机具，是指在作物种植业、畜牧业生产过程或农、畜产品初加工和处理过程中，职业农民或技术工人所使用的各种机械化产品[3]。我国农机产品的市场呈现出“哑铃型”，也就是占市场主导是低端农机与高端农机。低端农机产品多为国产，主要是职业农民个人所拥有；高端农机产品多进口，主要是地方政府或农机租赁企业所拥有。农机一般由主机与配套机具构成，发达国家配套比例在1：4以上，我国农机具配套比例约为1：1.5，只有发达国家农机配套率的1/3。因此，加强农机具的设计通用性和提高农机具配套率是农机设计的重点之一。

2 农机产品设计前期信息框架内容

2.1 产品设计的模糊前期

由于产品创新设计前期的不确定性，因此称为模糊前期(Fuzzy Front-End, FFE)[4]。在设计问题形式松散、设计任务缺乏定义及设计目标不明确的情况下，设计师需要通过搜集分析信息，建立限制性认知环境[5]。

2.2 农机产品设计的信息框架

在产品设计的初期阶段，设计师需要调用个人设计经验类信息及产品实现类信息，并结合信息输入时的市场类信息、用户类信息[6]才能输出有针对性的设计方案，如图1所示。农机产品与农作物、地理环境、农业生产活动特征、用户的农业生产技能及国家农业政策有着密不可分的关系，因此市场类信息除了包括行业信息、企业自身状况信息以外，还有重点研究目标地理条件信息、目标地域政策信息及目标农作物信息等。我国农机用户分为户籍农民、新型职业农民、农机操作员等，他们对农机的需求点有很大的区别。设计师个人经验类信息包含设计理念、设计表现、设计研究能力等。产品实现类信息包括现有技术条件、安全标准、生产标准及制造工艺等。

图1 农机产品设计的信息框架

3 信息框架在农机产品设计中的应用

3.1 以用户类信息研究为核心的农机产品设计

产品创新有需求驱动(用户体验)、竞争驱动(商业)、技术驱动(科技)3种方式[7]。设计代表了用户体验的创新，同时可以融合科技与商业的创新，如图2所示。农机产品创新中往往侧重技术与商业，忽略了以用户研究为主的需求创新。影响农机产品设计的因素众多，设计师会根据用户需求或农业生产活动需求做不同侧重点的设计。目前，我国本土的农机产品设计主要是基于产品实现类信息，设计重点在于能用、耐用，以技术驱动型为主，面向的用户多为户籍农民、少数职业农民，他们大多是1960-1979年出生的群体。当前，农机产品的设计对生产工具和劳动者之间的协调配合有所忽视或考虑相对较少。

图2 产品创新的3种方式

自2010年起，农机产品用户群体逐步转变为1980年以后出生的群体，伴随着新型职业农民的出现，仅仅能用、耐用的农机产品已经无法满足用户需求，更倾向于好用、易用[8]。因此，农机产品的设计方向也逐步转变为以用户为中心(User Center Design, 简称UCD)，根据人的行为习惯、生理结构、心理状况、思维方式等对产品进行设计和生产，使用户的心理认知和精神需求得到尊重和满足，使产品更具人文关怀，充分体现对人的尊重[9]。未来的农机产品应该是多功能、人机界面友好、操作简便灵活、作业高效快捷、维护成本低、智能化程度高、资源耗费较少及环境生态安全的综合性高科技产品。

3.2 以目标地理条件信息为核心的农机产品设计趋势

我国部分企业及地区在农机产品的设计开发上一味追求大功率的高端农业装备，结果在商业上以失败告终。以拖拉机开发为例，过大马力的拖拉机不适合我国精耕细作的农业生产。农机产品的设计必须要通过深入的市场需求分析研究，根据国情及地理特点，做到融合农艺、技术领先、大小型兼顾，发展中国特色的高端农业装备产品，实现农机产品的科学转型升级[10]。农机产品设计中目标地理类信息具体包括：①使用环境、地形因素，如丘陵地区与平原，由于道路坡度与农田地形导致农机的行走宽度大相径庭；②土壤质地与水分，土质硬的地区需要大功率、深挖的农机设备；③种植结构对农机具的影响；④不同地区农作物生长情况对农机设计的要求，如采摘机中草莓、葡萄等的采摘不同于棉花；⑤农机产品与环境之间的影响，如可除草的旋耕机在某种程度上也会破坏果园作物根系。运用以上信息将地理环境细分，注重地域环境的独特需要，使农机具注重通用性，与当地实际耕整地作业方式相匹配，保证农耕、运输的基本需要，适应当地的土地规模集中度，从而设计出适合我国国情的农机产品。

4 基于信息框架的农机产品设计例证—以微耕机为例

4.1 项目来源简述

四川左军机械制造有限公司委托设计开发一款能够适用在四川省广安市邻水地区示范果园、完成基础农艺作业的小型农用机械，要求造型美观、好用、先进。

4.2 信息框架分解及定义设计方向

小型农用机械具有使用灵活轻便、环境适应性强的特点，在地形地貌复杂的丘陵和山地地区具有广泛使用空间。同时，伴随着遥控技术的进步、农业机械自动化程度的不断提升及农业劳动人口的日益短缺，小型遥控农用机械将会成为发展趋势。结合前文产品设计信息框架，将此次设计任务定位为小型遥控微耕机，通过设计信息整理归类并分解，帮助设计师发现问题并求解。

4.2.1 农机市场类信息分析

1)目标地理环境类信息：四川省广安市邻水县介于东经106°41′～107°18′、北纬30°01′～30°33′之间，川东褶皱平行岭谷低山丘陵区，境内华蓥山、铜罗山、明月山3条山脉背斜平行排列，形成“三山两槽”的特殊地貌，深丘、浅丘、台地、平坝兼而有之；属亚热带湿润季风气候，四季分明，冬暖春早，夏长秋短，水热兼优，气候温和，雨量充沛，土地肥沃，资源丰富[11]。

2)目标操作环境信息：邻水地区果园尤其是示范、带有科研性质的果园种植密植化、低矮化，种植区域以坡地、川塬、狭窄农田居多。传统机械由于外型尺寸和操作性能的限制，特别是在高度和转弯半径上难以适应实际作业要求。

根据此类信息，将此款微耕机定义为：尺寸小，采用牵引效率高的履带式行走机构，越野通过性和爬坡能力更加优越；可原地转向，转弯半径小，整机的机动性好。在覆盖件设计、整机布置等方面充分考虑了果园作业的特殊性，大量选用圆角化处理和遮挡处理，防止果树枝条受到伤害；经过特殊处理的发动机排气，可以防止吹落花粉及幼果等。

3)目标农作物信息：经过实地调查，典型目标果树枝条距地面高度在60～84cm，果树作物行距为120～150cm，如图3所示。根据这两类数据，为了满足间作套种和果树根系保护的不同要求，设计此款遥控微耕机整机高度为50cm，宽度为90cm，旋耕最大耕深为12cm，并采用液压控制向浅处无级调节。

图3 目标操作环境及作物

4)同类竞争产品信息：对比市面上多类微耕机，定义此款微耕机可配套多种机具，实现一机多能，提高了整机利用率，增强其市场竞争力。

4.2.2 农机用户类信息分析

1)经济性：微型农机需要节能、经济、不占用太多空间，适合于家用。农机动力可选，包括委托公司独有的双燃料内燃动力与以蓄电池为代表的新型动力两种。

2)使用与操作：简单、安全的遥控操作，作业环境大大改进。当使用手动操作方式时，可打开隐藏式座椅，相对舒适，减少作业强度。

3)安全性：小型遥控农用机械要特别注意耕作的安全性，充分考虑潜在的危险，对使用者的伤害降至最低。考虑耕作装置及电机的散热问题，在旋转部位、高温部位设计有安全防护；增设倒挡与动力输出互锁装置、电控紧急停车装置、选择安全电源和免维护蓄电池等；动力系统设计有离合器、液压系统设计有安全阀、电器系统设计有保险系统等，这些安全设置保证了在使用过程中遇到过载、误操作等情况不至于损坏本机与用户。

4)降噪减少污染：设计耕作装置时应当综合考虑使用者的实际需求，为了降低传统微耕机的噪音和废气污染。

4.2.3 农机设计师个人经验信息

根据微耕机的工作原理与地理环境要求，设计师合理配置各个部件的位置，最大化减少整机的空间体积。在材料选用、结构设计等方面，选定了较高的安全系数；液压系统采用独立供油系统；发动机进气采用二级过滤；操纵系统采用遥控/手动双系统，保证了操纵的可靠性等，有效提高了产品的使用可靠性。整机的外观设计相对前卫，黑色的机芯外壳与履带统一了机器前端，后端采用金属本色，既降低了加工成本，在外观上也暗示这部分为可替换机具。

4.2.4 产品实现类信息

先进技术的采用：该微耕机在设计制造上应用了无线电遥控技术、履带张紧调整、直线行走控制技术、液压提升与控制技术、变速操纵联动与互锁控制技术、机具快速挂接技术等。

4.3 符合设计方向的微耕机外观设计

由于小型遥控微耕机相比于传统农机减少了人力直接操作的装置和空间，因此在外观上必定呈现出与传统农机很大的不同,如图4和表1所示。针对产品自身的特性和使用要求，其外观设计应注意以下几个方面：

1)注意保证物理稳定性。由于小型农机是通过遥控器控制主机自行作业，因此在其外观设计上要充分考虑物理稳定性。一方面应将机械主体的整体形态设计成对称形状，从而使得整机在移动和作业过程中能保持稳定的平衡状态；另一方面，在外观设计上应适当地控制机械主体的重心高度，通过降低重心获得稳定性及对复杂地形的适应性。

2)注意保证部件的密封性。由于农机的作业条件相对较恶劣，尤其是丘陵和山地地区雨水较多，淤泥更加普遍，小型遥控农机的电机和遥控部分需要更好的防护，因此其外观设计中要十分注意密封性。通过提高电机和遥控部件的密封性，以保证机械的工作，同时延长其使用寿命。

3)注意保证动力部分和作业部分的比例协调。

由于小型遥控农用机械的作业方式是通过遥控控制机械主体进行自行作业，因此在外观设计过程中要注意保证动力部分和作业部分的比例协调。一方面，动力部分和作业部分的物理比例要协调，以确保机械主体动力性能和作业效率的平衡与作业的灵活性；另一方面，要适当考虑动力部分和作业部分的视觉比例协调，使其整体具有良好的视觉效果，包括机器的整体性与用户对整机的外观感受，避免出现头重脚轻的视觉感与功能部件的识别障碍。

4)注意色彩搭配的重要性。由于农业生产活动过程一般机械式重复同一动作，较为枯燥，因此应选择注重关怀农机操作者的心理感受，色彩搭配给人感觉愉快、和谐，使枯燥繁重的生产劳作过程也变得“轻松”起来。

图4 遥控履带微耕机外观图表1 遥控履带微耕机各部件特点

部件分类技术参数特征描述设计分析关键词整机尺寸900mm×450mm×500mm相对同类产品尺寸较小,整机高度低、宽度窄。在狭窄的果园空间中能很好地作业,通过性好。尺寸小动力系统不同马力的柴油机、双燃料内燃动力、电瓶等3种可选动力系统。可选不同马力的动力系统,增加自重,合理分配整机质量,配合相关机具增加整机的平稳性。可选性增加,可根据作业环境的路面平整度、作业难度选择不同动力系统多种动力系统操纵系统无线电遥控与手动操作双系统,遥控距离为150m。可遥控整机的左右转向、停车、机具升降、耕深调节等,涵盖了农艺作业的操作范畴。根据用户需求,还可实现发动机启动和油量的遥控控制。双系统提高了产品的可操作,远距离遥控操纵各项农艺作业,更安全。遥控手柄界面设计人性化,操作简单。遥控与手动双系统配套系统播种机、旋耕除草机,以及其它选配机具。可以实现耕耘、施肥、除草、喷药等多种农艺作业,是一款典型的自走式多功能作业机具。实现了一机多用,提高了整机利用率,满足用户的经济性要求。配套机具、一机多用

续表1

5 结论

信息框架是面向设计师的设计信息内容及其结构化，作用主要是帮助设计师形成设计目标与求解问题。设计师在产品设计前期，将设计问题结构化能够有效地提高设计效率，准确地定义设计问题，处理好各项设计因素之间的关系，将影响农机产品设计的各项影响因素进行结构化，并根据影响权重在农机产品设计中做主次、轻重的决策性处理。因此，信息框架既是形成农机产品开发设计的限制性因素，也是实现农机产品创新设计的突破口。

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Design Research of Agricultural Equipment Based on Information Framework

Wu Yueqin1,2

(1．School of Art and Design，Xihua University，Chengdu 610039, China; 2.College of Art，Sichuan University，Chengdu 610065, China)

Construct a method of making precise definition of design trend of agriculture equipment. According to design process and process of transferring information, there are four types of information required in the fuzzy front-end of designing agricultural equipment,market information,users information, information of designers’ experience and technology information. Depending on the schematic of the four types information, designers can construct the design problems and make precise definition of these problems to gain the design trends of agricultural equipments by comparatively analysis of the sources and goals of these information. Construction of the problems of agriculture equipment based on information framework can enhance the precision and success of this kind of product design.

agricultural equipment; product design; information framework

2016-09-19

四川省教育厅自然科学一般项目(14ZB0138)；四川教育厅工业设计产业研究中心项目(GY-14YB-08)

武月琴(1982-)，女，山西平遥人，副教授,四川大学博士研究生,(E-mail)12596929@qq.com。

S126

A

1003-188X(2017)12-0200-05