洪貴芝 王文慧 徐易明

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

對于森林資源而言，火災(zāi)是最大的威脅，也是林業(yè)最可怕的災(zāi)害，它會給森林帶來最有害，具有毀滅性的后果[1]。同為森林三大災(zāi)害之一的森林病蟲害被稱為“不冒煙的森林火災(zāi)”，我國每年遭受大面積的森林火災(zāi)與森林病蟲害影響，因此造成森林面積減少，年均人員傷亡與經(jīng)濟損失較大[2]。因此，做好森林防火、病蟲害防治工作,對加強對林業(yè)資源的管理和保護，具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)外森林巡檢現(xiàn)狀描述及森林巡檢車的優(yōu)勢分析

1.1 國內(nèi)外森林巡檢現(xiàn)狀描述

目前，無論是國內(nèi)還是國外都在大力研究空中防火系統(tǒng)以彌補地上巡護和火場偵查能力的不足。中小型特種飛機，如美國的賽斯納208 飛機，中國哈爾濱飛機制造公司的運-12 飛機，中電的DA42-MPP 飛機，它們具有速度快、航程遠、作業(yè)時間長的優(yōu)勢，可實現(xiàn)快速機動，大范圍林區(qū)火情預(yù)警監(jiān)測。但特種飛機一般是在森林火災(zāi)多發(fā)季節(jié)按照預(yù)定航線飛行巡檢，通過紅外傳感器，當(dāng)檢測到林區(qū)有煙柱等疑似火情時切換紅外探測，測定具體溫度，根據(jù)測定的溫度判斷火情是否發(fā)生。而森林火災(zāi)一般從地上著起，當(dāng)著火至空中檢測煙柱響應(yīng)時火災(zāi)已經(jīng)達到一定范圍，且對于茂密的森林而言，樹冠和繁茂的樹葉、枝條都是保溫且遮蔽性很強的天然屏障。僅靠飛機監(jiān)測極易錯過早期火情的發(fā)生。在地上巡護方面，我國一般是靠護林員進行人力巡檢。但森林地貌復(fù)雜，區(qū)域廣，植物種類多樣，林業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜，人員在山中，往往發(fā)現(xiàn)不及時，也無法實施時準確掌握火場發(fā)展態(tài)勢、火場溫度、燃燒程度和范圍，無法準確定位及向上級部門精確地反饋火情程度。除此之外，林火形勢變化會嚴重威脅護林人員的生命安全。更重要的是，護林員巡護時從發(fā)生火災(zāi)到森林消防前往火災(zāi)地帶過程中的時間差易造成火情可控性的大大降低，導(dǎo)致更嚴重的損失。

1.2 森林巡檢車在森林消防方面的優(yōu)勢分析

森林巡檢車的作用就是能夠及早的發(fā)現(xiàn)，甚至在其溫度發(fā)生異常還未著火或發(fā)生地下火的時，可以提早防護，在發(fā)生早期著火時能采取一定措施滅火或者控制火勢減小損失。

1.3 森林巡檢車在森林病蟲害方面的優(yōu)勢分析

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前我國森林病蟲害大約有8000 余種，在全國范圍內(nèi)常發(fā)生的病蟲害有200 多種，而對于林業(yè)生產(chǎn)造成頻發(fā)性災(zāi)害和損失的有100 多種。常見的森林病蟲害大多是突然發(fā)生，一般沒有固定的規(guī)律，而專家很難對其預(yù)測[3]。并且具備這種龐大知識儲備的人才數(shù)量有限，而森林面積之大，蟲類品種繁多，完全靠人力來檢測森林病蟲害難度極大。森林巡檢車的優(yōu)勢在于根據(jù)森林植物種類和環(huán)境因素，設(shè)置易發(fā)病蟲害數(shù)據(jù)庫，當(dāng)巡檢車檢測到設(shè)定數(shù)量值時，反映給護林員，以盡早采取措施以避免害蟲泛濫成災(zāi)，另外森林巡檢車配置了噴藥裝置，可針對幾種蟲類進行檢測和滅除以節(jié)省人力。

2 功能分析法原理

功能分析法——探尋功能方案的主要方法。這種方法將復(fù)雜系統(tǒng)的總功能分化為功能單元，再對每個功能元求解，進行組合，得到系統(tǒng)多種方案，再進行分析比較，最后得到最佳功能方案[4]。功能分析法的具體步驟為“需求分析→總功能定義→功能分解→功能元求解→方案綜合”。

3 森林巡檢車需求分析與總功能定義

3.1 森林巡檢車的需求分析

3.1.1 護林員的工作環(huán)境比較惡劣, 需要面臨嚴峻的工作環(huán)境和巨大的生活壓力。在巡檢過程中需要攜帶一定數(shù)量的設(shè)備，造成行動負擔(dān)。此外，由于身處密林，護林員在巡檢過程中極易遭遇野獸，有被野獸襲擊的風(fēng)險。

3.1.2 監(jiān)測方式獨立造成監(jiān)控數(shù)據(jù)分散，沒有形成全面的監(jiān)測體系，巡檢時發(fā)現(xiàn)問題無法及時上報，監(jiān)測效率低。

3.1.3 無人機無法完成針對森林高空視野盲區(qū)的巡檢任務(wù)，造成部分監(jiān)測范圍缺失。

3.1.4 森林地形復(fù)雜，普通載具無法深入林區(qū)，只能進行部分巡檢任務(wù)。

3.1.5 現(xiàn)有的人力巡檢動速度慢，耗時耗力。

3.1.6 現(xiàn)有設(shè)備限制。受飛機性能和火場及附近環(huán)境的限制，航空滅火并不適用于所有的森林火災(zāi)，而且滅火飛機高昂的價格和復(fù)雜的使用維護也制約了其使用和發(fā)展[5]。

3.2 森林巡檢車的設(shè)計需求

跟據(jù)以上需求分析，森林巡檢車設(shè)計需求可總結(jié)為以下五點：

3.2.1 全地形行駛——可適應(yīng)森林的復(fù)雜地形，在普通車輛難以機動的地形上行走自如。

3.2.2 多傳感器融合——各種傳感器配合，通過較為全面的信息輸入及時發(fā)現(xiàn)及判斷森林災(zāi)情隱患。

3.2.3 小且靈活——方便迅速到達所需前往的地點，在森林中穿行不易受到較大阻礙。

3.2.4 多機械手協(xié)調(diào)作業(yè)——協(xié)助護林員處理防護林問題：滅火裝置，噴藥裝置。

3.2.5 多功能集成——功能豐富，智能化管理林業(yè)：多功能集成原理。

3.2.6 智慧互聯(lián)——手機和電腦端實現(xiàn)隨時隨地查看防護林情況，并能處理部分狀況總體而言，該森林巡檢車應(yīng)能替代護林員進行森林巡檢工作，具有較好的環(huán)境監(jiān)測能力，小規(guī)模災(zāi)情處理能力與可視性，并具有較好的結(jié)構(gòu)強度。

3.3 森林巡檢車的總功能定義

將設(shè)計的對象系統(tǒng)看成是一個不透明的、不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”，只集中分析比較系統(tǒng)中的三個基本要素(能量、物料和信息)的輸入輸出關(guān)系，就能突出的表達系統(tǒng)的核心問題——系統(tǒng)的總功能。根據(jù)上述設(shè)計需求，對該森林巡檢車的總功能定義如圖1 所示。該功能黑箱的輸入為環(huán)境信息與控制信號，輸出為反饋信息與幫助處理災(zāi)情的一定介質(zhì)，以實現(xiàn)“巡檢”的總功能。在林區(qū)環(huán)境中，黑箱內(nèi)部即為滿足上述設(shè)計需求的各功能部件，如圖1。

圖1 森林巡檢車的黑箱示意圖

4 功能分解與設(shè)計求解

4.1 功能分解

將總功能分解為分功能，直至功能元。功能元是不能分解的最小功能單位，是直接從物理效應(yīng)、邏輯關(guān)系等方面找到解法的基本功能。功能分解可用樹狀圖予以圖示，稱為功能樹，如圖2。

圖2 森林巡檢車的總功能分析

本例從較為抽象的層面上確定了森林巡檢的總功能之后，圍繞需求分析、功能定義與實際技術(shù)手段對該總功能進行分解，并將巡檢車的總功能分解為如圖2 所示的功能結(jié)構(gòu)，其中功能元是對子功能的進一步細分，可以選擇相應(yīng)的手段方法加以實現(xiàn)。[6]

4.2 設(shè)計求解

將總功能分解為最小功能元，通過尋找功能實現(xiàn)的手段方法，從而實現(xiàn)產(chǎn)品總功能。

表1 針對運動功能、控制功能、檢測功能、作業(yè)功能等分解出的最小功能元，分別提出了可能的解決方案。以上形態(tài)學(xué)由矩陣， 可得到可能組合的系統(tǒng)原理方案的數(shù)目N=4x3x1x4x2x1x5x3=1440 種，在以上眾多的組合方案中，由定性到定量進行選擇，篩選刪去一些不符合設(shè)計要求或與各分功能的解不相容的方案，從中選出符合功能目標的最佳原理方案。

表1 森林巡檢車的功能求解分析(“棋盤格”分析)

由于森林巡檢車工作環(huán)境的特殊性，本設(shè)計選擇的功能元解決方案組合為“電動機- 輪胎式多足式交替- 機械臂- 感煙探測器- 高光譜遙感監(jiān)測- 拍照式監(jiān)測儀- 水槍- 化學(xué)藥劑噴槍”，而這些方面也是下一步詳細設(shè)計的重點所在。

5 森林巡檢車的詳細設(shè)計與產(chǎn)品方案

5.1 造型設(shè)計

在明確了森林巡檢車的需求、功能與概念設(shè)計定位之后，對其外觀造型及關(guān)鍵部件進行詳細設(shè)計，生成產(chǎn)品概念效果圖。為滿足小型化的要求，設(shè)計該巡檢車尺寸為1000×1600×1000(mm)，如圖3 所示。小型化車體使得該巡檢車可以順利通過林區(qū)間隙，并可以在林區(qū)內(nèi)自由轉(zhuǎn)向。

圖3 森林巡檢車的造型設(shè)計

5.2 運動功能

借助碳纖維復(fù)合材料，使車輛的尺寸和總重量保持在最低水平，它可以立即將運動狀態(tài)從輪式移動轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘧阋苿?，使其能夠適應(yīng)多種林區(qū)地形。在大多數(shù)情況下巡檢車使用全輪驅(qū)動機制來行駛，當(dāng)?shù)匦巫兊脧?fù)雜崎嶇，便進入多足行走模式。

本巡檢車驅(qū)動由發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機組成，采用混合動力混合動力汽車(SPHEV)驅(qū)動，結(jié)合串聯(lián)混合動力汽車(SHEV)和并聯(lián)混合動力汽車(PHEV)的結(jié)構(gòu)特點，可具有更多的混合動力驅(qū)動模式。發(fā)動機、電力/ 發(fā)電機和驅(qū)動電機可為SPHEV 總功率的1/3～1 倍，但可接近或達到內(nèi)燃機車輛的動力性能水平。可以降低巡檢車的整車質(zhì)量，提高性能，提高經(jīng)濟性，滿足超低污染的排放要求，更適合在森林系統(tǒng)中行駛。本巡檢車地盤較高，離地間隙大，適合于林地的復(fù)雜地形，不會對林地造成破壞。

5.3 滅火裝置

本森林巡檢車采用高壓泵和高壓細水霧水槍配套，利用高壓水槍具有的直流、噴霧的功能，進行滅火處理，高壓水槍軟管的長度不少于30M，為防止水管之間相互纏繞，軟管卷盤內(nèi)置于車頂部內(nèi)，自動伸縮，每個高壓水槍管都可以360°旋轉(zhuǎn)，可以更好的進行滅火工作。

5.4 噴藥裝置

噴藥方式采用靜電噴霧技術(shù)，利用高壓靜電在噴頭與樹木之間產(chǎn)生靜電場，霧滴通過不同的充電方法會被帶上電荷，在靜電場中可以定向運動。此噴霧技術(shù)可以使霧滴分散的更加均勻，霧滴漂浮失散的情況減少，沉積效率會更高，可以更好的對產(chǎn)生森林病蟲害的部位進行處理。噴藥噴頭側(cè)面有支架，支架可以從巡檢車側(cè)面延伸出來，噴頭可以進行旋轉(zhuǎn)，更好的實現(xiàn)病蟲害處理的功能。

結(jié)束語

本設(shè)計通過對目前我國森林巡檢的需求進行分析，找到設(shè)計痛點，提出了森林巡檢車的概念；按照“需求分析→總功能定義→功能分解→功能元求解→方案綜合”的程序進行了設(shè)計實踐工作。基于功能分析法對森林巡檢車的總功能進行了分解，并進行了詳細設(shè)計，滿足了設(shè)計需求，驗證了基于功能分析法的產(chǎn)品概念設(shè)計程序與方法的有效性。