面向可適應(yīng)性的果園運(yùn)輸小車設(shè)計與評價

周紅宇　張敏祥　朱倩　阮曉松

摘要：為提高果園運(yùn)輸機(jī)械的可適應(yīng)性，建立產(chǎn)品系統(tǒng)的適應(yīng)性評價體系。基于用戶需求的角度，以AD理論為指導(dǎo)框架分析功能需求和功能的獨(dú)立性，通過設(shè)計過程中功能—設(shè)計參數(shù)的映射，將實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性功能的設(shè)計參數(shù)單獨(dú)劃分，并構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械變型度評價模型；基于信息熵理論和改進(jìn)的TOPSIS方法對各適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)進(jìn)行變型度的定量描述，通過適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)的變型度評價來滿足多樣性的用戶需求，提升產(chǎn)品本體與產(chǎn)品平臺的可適應(yīng)性評價。將所提方法應(yīng)用于某型號果園運(yùn)輸小車設(shè)計實(shí)例，得到設(shè)計方案評價結(jié)果：方案1（電機(jī)調(diào)平方案）的相對接近度為0.246，方案2（液壓油缸調(diào)平方案）的相對接近度為0.18。結(jié)果表明方案1的系統(tǒng)適應(yīng)性要優(yōu)于方案2，驗證適應(yīng)性評價體系的可行性，該評價方法能夠?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的研發(fā)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：可適應(yīng)性；果園運(yùn)輸小車；信息熵；改進(jìn)的TOPSIS；評價方法

中圖分類號：S229+.1文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)輸設(shè)備是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)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(shè)計重點(diǎn)是面向功能需求驅(qū)動部件技術(shù)特性的設(shè)計過程。丘陵果園無人運(yùn)輸小車是典型的專用型設(shè)備，其機(jī)械系統(tǒng)是產(chǎn)品的核心部件，在爬坡、運(yùn)輸?shù)裙ぷ髦芯哂兄匾饔茫蛇m應(yīng)性設(shè)計不足將導(dǎo)致運(yùn)輸車在運(yùn)輸中出現(xiàn)整個側(cè)翻、行駛不穩(wěn)、貨物掉出等問題［12］。

研究者在農(nóng)業(yè)設(shè)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(yùn)輸環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計了雙履帶微型運(yùn)輸車，增加其適應(yīng)性滿足山地果園的運(yùn)輸需求。牛成強(qiáng)等［4］基于模糊數(shù)學(xué)隸屬度理論，從技術(shù)體系、經(jīng)濟(jì)體系、環(huán)境體系三方面分析了水果田間運(yùn)輸車的機(jī)械系統(tǒng)適用性。趙華洋等［5］構(gòu)建區(qū)間層次分析和隸屬度的農(nóng)業(yè)機(jī)械性能評價模型，從人機(jī)屬性、工作性能、整機(jī)屬性等五個方面評價了蓖麻聯(lián)合收割機(jī)的綜合性能。以上研究側(cè)重于農(nóng)業(yè)機(jī)械的適應(yīng)性指標(biāo)評價體系研究，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計與研發(fā)有一定的價值，但在產(chǎn)品設(shè)計過程方面，缺少對機(jī)械系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的有效評價。

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

為應(yīng)對個性化的用戶需求，如何找到功能—結(jié)構(gòu)中適應(yīng)性參數(shù)并通過適應(yīng)性參數(shù)的變型度來評價產(chǎn)品系統(tǒng)適應(yīng)性，以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)設(shè)備的客觀評價。本文對丘陵果園運(yùn)輸小車（以下簡稱運(yùn)輸小車）設(shè)計進(jìn)行可適應(yīng)設(shè)計分析，從用戶需求角度出發(fā)，以公理化理論為指導(dǎo)，將用戶需求映射形成功能概念空間，通過功能類型劃分構(gòu)建結(jié)構(gòu)概念空間的農(nóng)業(yè)機(jī)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(yīng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行評價指標(biāo)定量分析，通過變型度將可適應(yīng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)據(jù)化模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中功能和部件的客觀評價。

1運(yùn)輸小車機(jī)械系統(tǒng)的適應(yīng)性評價模型

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

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

1.1基于獨(dú)立公理的適應(yīng)性功能需求劃分

產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)可通過修改產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)來提高其可適應(yīng)性。為此，需要盡可能保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能的獨(dú)立性，采用公理化設(shè)計中的獨(dú)立公理，在設(shè)計早期的領(lǐng)域映射過程中識別出可接受的設(shè)計解，并且通過適當(dāng)選擇設(shè)計參數(shù)DP_S來保持功能需求FR_S的獨(dú)立性［12］。

1.2產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)變型度評價依據(jù)

對于不同體系的產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其適配的難度會有所不同。通過對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化接口的功能需求分析，并劃分出設(shè)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(chǎn)品拆卸和重新配置的成本。在此過程中，如何判斷設(shè)計參數(shù)變型程度的大小，快速準(zhǔn)確地完成對產(chǎn)品的升級換代，是一個亟待解決的問題。

產(chǎn)品適應(yīng)性是指原有產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境需求變化的能力［14］。產(chǎn)品適應(yīng)性通常是通過修改現(xiàn)有的產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)，即根據(jù)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)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(chǎn)品為原型，對產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速配置。

適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)變型度是指通過改變某一適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)使現(xiàn)有產(chǎn)品滿足功能需求的難易程度，主要從物理結(jié)構(gòu)層級上進(jìn)行農(nóng)業(yè)設(shè)備的客觀評價，如表1所示。

2產(chǎn)品可適應(yīng)評價方法

2.1產(chǎn)品適應(yīng)性功能-設(shè)計參數(shù)的度量

根據(jù)運(yùn)輸小車變型度評價準(zhǔn)則，建立適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)變型度AD，得到原始矩陣。

2.2產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)可適應(yīng)評價方法

在進(jìn)行可適應(yīng)性評價時，采用能夠逼近理想值的熵權(quán)-TOPSIS排序方法，該方法利用熵權(quán)客觀賦權(quán)，一定程度上消除TOPSIS的主觀隨意性，修正正、負(fù)理想解的取值范圍，簡化求解過程。通過公理劃分結(jié)果，建立產(chǎn)品適應(yīng)性任務(wù)，并且基于表1的評價準(zhǔn)則，構(gòu)建產(chǎn)品可適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)變型度矩陣AD。

3應(yīng)用實(shí)例

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

3.1運(yùn)輸小車功能需求—設(shè)計參數(shù)映射

根據(jù)公理化設(shè)計理論，應(yīng)用式（1）～式（6）對功能需求及類型進(jìn)行劃分，通過功能概念空間FCS和結(jié)構(gòu)概念空間SCS之間的映射來實(shí)現(xiàn)分解確定設(shè)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(jìn)行功能獨(dú)立性的判斷。

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

3.2運(yùn)輸小車設(shè)計參數(shù)變型度評價

通過圖2和圖3，分析得到運(yùn)輸小車設(shè)計方案。其中，方案1選用Z2-31-39驅(qū)動電機(jī)功率為1.4kW，其調(diào)平機(jī)構(gòu)為電機(jī)調(diào)平，其零部件分別為調(diào)平裝置支撐擋板、調(diào)平電機(jī)、調(diào)平控制器、主動齒輪、從動輪支撐軸、從動擺動調(diào)平擋板和角度傳感器等結(jié)構(gòu)組成，方案1的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

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

方案2選用Y90L驅(qū)動電機(jī)功率為2.97kW，其調(diào)平機(jī)構(gòu)為液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)，其零部件分別為液壓調(diào)平油缸A、液壓調(diào)平油缸B、液壓桿腔、橫梁、履帶行走架和果箱托盤等結(jié)構(gòu)組成，方案2的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示。圖5中為DP9調(diào)平液壓油缸、DP20為果箱托盤、DP28為驅(qū)動電機(jī)、DP34為電機(jī)控制器、DP42為履帶行走架。

通過計算每個方案的調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)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(yīng)性，經(jīng)過對比最后的方案總變型度信息熵，得到最優(yōu)的設(shè)計方案。

基于公理化設(shè)計劃分結(jié)果，建立運(yùn)輸小車的適應(yīng)性任務(wù)TP={TP1外部機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、TP2主驅(qū)動系統(tǒng)、TP3運(yùn)行支撐系統(tǒng)、TP4電氣控制系統(tǒng)、TP5導(dǎo)向系統(tǒng)、TP6平臺調(diào)平系統(tǒng)、TP7減震系統(tǒng)、TP8安全防護(hù)系統(tǒng)}。根據(jù)適應(yīng)性任務(wù)，分別對方案1和方案2的調(diào)平機(jī)構(gòu)進(jìn)行評價。

根據(jù)表1的評價準(zhǔn)則，構(gòu)建設(shè)計參數(shù)變型度矩陣Aa和Ab，然后由式（9）和式（10）對矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，由式（11）分別計算每個方案中各設(shè)計參數(shù)對于可適應(yīng)性任務(wù)的變型度矩陣pij，計算結(jié)果如表3～表4所示。

3.3運(yùn)輸小車方案適應(yīng)性評價分析

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

傳統(tǒng)TOPSIS方法對于正負(fù)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(fù)雜。本文采用改進(jìn)的TOPSIS法，對初始矩陣進(jìn)行規(guī)范化化處理，使其目標(biāo)屬性的取值在0～1之間。針對設(shè)計參數(shù)的正理想解期望現(xiàn)有方案的設(shè)計在適應(yīng)性要求上所處的狀態(tài)相對于理想設(shè)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(shè)計參數(shù)的適應(yīng)性與理想解之間的相對接近度，如表9～表10所示。

3.4結(jié)果分析

依據(jù)本文建立的農(nóng)業(yè)機(jī)械變型度評價模型可以從機(jī)械系統(tǒng)的視角得到2種方案的適應(yīng)性設(shè)計參數(shù)評價結(jié)果，如圖6所示。總體來說，方案1的適應(yīng)性評價為0.246；方案2的適應(yīng)性評價為0.18，從分析結(jié)果來看，方案1的系統(tǒng)適應(yīng)性要優(yōu)于方案2，說明了方案1的適應(yīng)性較好，同時也說明了方案1的設(shè)計注重產(chǎn)品系統(tǒng)中的功能拓展、適應(yīng)性以及信息流的交互，同時也注重結(jié)構(gòu)的緊湊型、標(biāo)準(zhǔn)化和適應(yīng)性變型，使得該產(chǎn)品系統(tǒng)擁有清晰的功能信息流和較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。

該方案采用調(diào)平電機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行果箱的水平調(diào)節(jié)，其原理在運(yùn)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{(diào)平控制器，調(diào)平控制器根據(jù)傳輸?shù)慕嵌刃吞柨刂普{(diào)平電機(jī)對調(diào)平板進(jìn)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(yùn)輸小車在行駛中果箱的穩(wěn)定性，保護(hù)果品不受到損壞。由于其采用緊湊的結(jié)構(gòu)、組件的適應(yīng)性變型以及模塊化設(shè)計，使得該設(shè)備在迭代升級中可以更快地進(jìn)行產(chǎn)品變型與更新。

4結(jié)論

為了實(shí)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(nóng)機(jī)設(shè)備方案的適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價研究，基于信息熵方法從產(chǎn)品系統(tǒng)中設(shè)計參數(shù)的角度出發(fā)，采用產(chǎn)品系統(tǒng)可適應(yīng)設(shè)計的信息熵評價方法，與改進(jìn)的TOPSIS方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)的角度對設(shè)計方案進(jìn)行客觀定量評價。

1）? 本文針對傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械指標(biāo)評價方法，提出了以產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)為視角，產(chǎn)品可適應(yīng)設(shè)計評價為基礎(chǔ)，對丘陵果園運(yùn)輸小車進(jìn)行評價和決策研究。

2）? 基于公理化設(shè)計的劃分，分別遴選出運(yùn)輸小車的兩種不同形式的調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，其中方案1為電機(jī)調(diào)平，方案2為液壓調(diào)平。

3）? 針對運(yùn)輸小車的兩種調(diào)平裝置設(shè)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(jié)果表明，方案1的適應(yīng)性要明顯優(yōu)于方案2。

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