王成成　戚鳳國

關鍵詞：服務設計 一體化 模塊 沙漠植樹機 智能控制

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）07-0136-03

引言

目前我國土地荒漠化問題依然十分嚴重，森林覆蓋率低于全球30.7%的平均水平，人均森林面積不足世界人均的1/3，還有大面積的沙漠荒地等待治理和改善?；诖松鷳B(tài)環(huán)境背景，政府主導實施了一系列沙漠綠化工程，并在國家十四五規(guī)劃中將生態(tài)工程進一步升級，其中植樹造林仍然是一項重要舉措。但由于沙漠植樹條件差，環(huán)境艱苦，沙漠植樹仍面臨諸多困難，從植樹裝備領域進行研發(fā)、改進、提高沙漠植樹效率，遂成為解決問題的一項重要手段。

當前市場上的沙漠植樹機主要集中于小樹苗的種植，且挖坑與種植分離，需要一定的人力輔助，并沒有完全實現(xiàn)自動化，工作效率還需提高。伴隨5G等智能技術不斷應用于生產(chǎn)生活，沙漠植樹機設計也應當探索出更加智能、合理的運行模式和使用方式。運用服務設計理念，優(yōu)化產(chǎn)品、使用者和環(huán)境之間的關系，在服務設計視角下開發(fā)智能控制的自動化沙漠植樹機已成為必然趨勢。

一、服務設計的概念及方法

（一）服務設計的概念

服務設計的核心訴求在于能夠直接向用戶提供價值[1]，其宗旨是以用戶為中心，滿足用戶的需求。創(chuàng)新服務設計中服務體驗過程的每一個接觸點都會影響到用戶，所以在設計每項接觸點的時候，都應該考慮到用戶的體驗、行為需求、用戶體驗的痛點及服務行為互動的反應，力圖讓每個服務接觸點都能夠提供完整、優(yōu)質的服務體驗[2]。借鑒服務設計的理念進行沙漠植樹機的研發(fā)，即是通過服務設計的方法更準確地找到沙漠植樹流程中的痛點，并在產(chǎn)品設計方面提出解決方案，以使沙漠植樹機的功能、結構、使用方式更加合理，更符合現(xiàn)代沙漠綠化工程的需求。

（二）服務設計的方法

服務設計是一種思維方式。它雖然經(jīng)歷了反復的迭代，但還是有一套固定的設計流程。它分為三個階段：1.情景研究（限定問題范圍，用戶觀察，用戶訪談，理解和分析用戶需求，形成有利于創(chuàng)新的思維）2.服務創(chuàng)新與設計（發(fā)現(xiàn)痛點和設計機會，確定設計原則，提出新概念和解決方法）3.組織與實施（構建解決方案，測試原型，收集用戶反饋信息，進行原型的優(yōu)化和迭代）。其中情景研究包括：用戶觀察、用戶訪談、利益相關者、用戶角色;服務創(chuàng)新與設計包括：用戶旅程圖和系統(tǒng)圖;組織與實施包括：服務情景、原型測試、服務藍圖。

如今服務設計應用于各行各業(yè)，它能夠有效的節(jié)約成本，同時能夠很好地控制服務的方式和內(nèi)容。沙漠植樹機運用服務設計的思維，對沙漠植樹流程分析，找出和解決痛點，構建服務系統(tǒng)，從而探究出新的結構形式和使用方式。

二、沙漠植樹機的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）沙漠綠化的現(xiàn)狀

近年來我國國內(nèi)經(jīng)濟迅速發(fā)展，在植樹造林方面也有著很大的成就，但整體上仍然是一個缺少綠色的國家，西部地區(qū)還有大面積的沙漠等待治理。土地沙漠化會造成區(qū)域性的耕地減少、糧食減產(chǎn)、草原減少，導致環(huán)境惡劣、貧困等一系列問題。經(jīng)過不懈努力的治理和改善，近年來我國的森林覆蓋率顯著提高，但仍低于全球森林覆蓋率的平均水平，在《全國森林經(jīng)營規(guī)劃（2016-2050年）》中，已設定到2050年，我國森林經(jīng)營進入世界先進國家行列的目標?？梢姡覈衬G化仍然需要一個長期努力的過程。

（二）當前沙漠植樹機設計分析

當前國內(nèi)外沙漠植樹工程裝備大多為自動化挖坑機和植樹機兩大類。自動挖坑機通過對地形、距離的智能控制完成挖坑工作，植樹機可進行智能識別吊取樹苗或人工輔助放苗，然后進行相應的培沙工作。這些裝備在一定程度上提高了沙漠植樹的效率，推動了林業(yè)的發(fā)展。但由于其自動化方式相對較為單一，兩類機器獨立存在，沒有實現(xiàn)一體化的植樹工作流程。尤其是智能吊取樹苗現(xiàn)在仍是以機械臂識別抓取的手段，前后擺動范圍大，耗功大耗時長，效率相對低下，仍需進一步優(yōu)化。手動放苗則由于沙漠環(huán)境的惡劣，對于工作人員來說條件仍很艱苦。隨著科技的進步，5G時代的到來，萬物互聯(lián)成為未來發(fā)展趨勢，沙漠智能植樹機也應該有進一步的發(fā)展和改進。

三、沙漠植樹的服務系統(tǒng)分析

服務系統(tǒng)圖是用來表述服務系統(tǒng)動態(tài)機制的工具，它清晰地表述了各服務元素和參與者之間的關系以及目的性行為，通過勞動表現(xiàn)、物質流、資金流、信息流的關系以圖形化的方式表現(xiàn)出來，從而提出新的概念和組織方式。沙漠植樹服務系統(tǒng)圖（見圖1）以沙漠植樹機為出發(fā)點，它與各服務元素和參與者之間的關系主要包括與后臺數(shù)據(jù)中心有信息反饋的關系，同時后臺數(shù)據(jù)中心給經(jīng)銷商提供技術支持;與用戶有信息交流的關系，同時用戶可以通過APP對沙漠植樹機有個詳細的了解;用戶和服務人員之間存在信息交換和服務的關系，服務人員可以將沙漠植樹機的相關政策、參數(shù)、適用范圍、使用方式、創(chuàng)新點和經(jīng)濟效益等內(nèi)容傳達給用戶等。沙漠植樹服務系統(tǒng)圖有利于構建新的組織架構和產(chǎn)生新的概念，便于沙漠植樹機研發(fā)的整體把控。

同時通過用戶旅程、服務系統(tǒng)等構建服務藍圖，以詳細地描述整個服務的工具。服務藍圖將用戶行為、前臺服務、后臺技術支持者等信息通過圖形化的方式整體表述。并將隱藏的信息和用戶的交互行為顯現(xiàn)在服務過程之中。沙漠植樹服務藍圖將實體表現(xiàn)分為：種植胡楊、尋找植樹機、使用植樹機、按照規(guī)劃植樹、返回預定地點、種植結束六個步驟。它能清楚地看到用戶行為、前臺和后臺的交互情況。用戶在整個服務流程中，可通過APP對沙漠植樹機有進行了解，根據(jù)操作規(guī)范使用沙漠植樹機，并協(xié)同后臺的技術支持和反饋，使用戶在整個使用過程中有一個良好的體驗。服務藍圖是根據(jù)情境進行變化的，它需要多個環(huán)節(jié)的相互配合，需要提供服務的人群合作參與，才能夠使服務藍圖更加完善和迭代，同時時刻保持與用戶和環(huán)境的聯(lián)系，這樣才能使設計更加完善。

四、一體化沙漠植樹機設計實證

（一）功能模塊分析

通過服務流程分析，沙漠植樹機功能模塊可分為裝載模塊、鉆坑模塊、智能吊取模塊、扶正培沙模塊（見圖2）。裝載模塊：為沙漠植樹機儲苗倉，分左右兩部分，用于存放樹苗，后有門用于開合倉體;鉆坑模塊：車體經(jīng)GPS定位到達指定位置后，PLC（可編程邏輯控制器）接收到數(shù)據(jù)后通過控制升降平臺運行挖坑電機進行挖坑作業(yè);智能吊取模塊：通過倉體上部的吊取裝置智能識別樹苗，控制機械爪抓取樹苗并放置于左右箱體中間的滑槽位置，此設置只需機械臂左右移動和上下伸縮控制，避免傳統(tǒng)模式中需要很大懸臂且要翻轉到樹坑位置，極大減少了機械臂的操作功效和時長;扶正培沙模塊：樹苗通過中間滑槽斜向下滑到樹坑內(nèi)。PLC接收數(shù)據(jù)之后控制推桿和合攏培沙裝置將樹苗扶正并合攏培沙，完成一棵樹苗的種植流程。

（二）智能控制應用及UI交互界面分析

1.智能控制應用：物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信技術之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮[3]。沙漠植樹機在功能方面將運用PLC、GPS定位和圖像識別技術，實現(xiàn)樹苗自主種植，集定位-挖坑-樹苗扶正-培沙壓實為一體，自動化控制機器運行。智能控制主要體現(xiàn)于各功能模塊之間的控制關系和運行邏輯，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化和一體化運行。與傳統(tǒng)的植樹機或植樹輔助裝置相比，沙漠植樹機更加智能，可連接移動設備并控制沙漠植樹機的運行和檢修，其中鉆坑模塊、智能吊取模塊和扶正培沙模塊，全都由PLC控制。PLC有著極強的操作空間和應用范圍，編程簡單而且可以處理復雜的邏輯關系。沙漠植樹機應用PLC可以極大地提高自動化和自主的程度，為智能沙漠植樹機的設計提供了可行性的方案。一體化沙漠植樹機優(yōu)化了傳統(tǒng)植樹的流程，減少了工作人員的工作時間，提高了種植效率。

（1）PLC在鉆坑模塊中的應用：沙漠植樹機栽種的間距和路徑可通過觸摸屏進行設置和規(guī)劃，并將沙漠植樹機移動和栽植的情況通過觸摸屏傳遞給工作人員;沙漠植樹機位移的數(shù)據(jù)將由傳感器采集，并向PLC傳輸信號，PLC通過程序將信號數(shù)據(jù)進行計算，從而將沙漠植樹機的位移數(shù)據(jù)實時的顯示在觸摸屏上;沙漠植樹機在運行時，當位移量與設置的植株間距相等時，PLC輸出信號并控制挖坑電機和升降平臺工作完成挖坑工作。

（2）PLC在智能吊取模塊中的應用：當挖坑工作完成后，傳感器將電信號傳輸給PLC，PLC輸出抬升信號后，將GPS傳輸?shù)奈恢眯盘栠M行計算并控制沙漠植樹機向下個點位移;PLC輸出吊取信號開啟圖像識別系統(tǒng)，同時控制智能吊取模塊中的機械爪進行吊取樹苗，控制機械爪吊取樹苗放入滑槽。

（3）PLC在扶正培沙模塊中的應用：傳感器將傾斜樹苗的信號傳輸給PLC;PLC輸出扶正信號，推桿電機運行將樹苗托住扶正并固定;PLC控制合攏培沙裝置將沙土合攏。

2.UI交互界面分析：交互設計是兩個或多個事物之間的相互交流對話的設計。人與人、人與物、物與物之間都會產(chǎn)生交互，尤其進入萬物互聯(lián)的時代，物與物之間的交互設計更加普及[4]。

在一體化沙漠植樹機設計中，用戶可通過APP界面遠程控制沙漠植樹機的開關機、規(guī)劃栽種路線、緊急召回、電量、程序傳輸?shù)?。在UI界面設計上保持與沙漠植樹機的色彩運用相統(tǒng)一，以綠色為主基調，黑色為輔色。圖標的設計運用了扁平化的設計風格。扁平化設計風格的優(yōu)點：去除一切不必要的裝飾元素，讓信息作為最主要的元素顯示出來[5]。UI圖標整體運用了高級灰的綠色，其中功能狀態(tài)的圖標運用了明亮的藍綠色，這樣使得UI圖標淡雅明了，增強功能的辨識度，豐富用戶的交互體驗。交互設計圖標分為菜單模塊、功能模塊、控制模塊三大模塊。

（三）整體造型、結構、色彩分析

1.造型分析：產(chǎn)品造型是表達產(chǎn)品造型設計思想和傳播信息的重要載體[6]。產(chǎn)品造型作為最先被人觀察的產(chǎn)品特征，在人與產(chǎn)品的交互中具有重要作用，因此產(chǎn)品造型設計不斷被探索研究。設計師與使用者都會有對于產(chǎn)品造型的主觀性感受，產(chǎn)品屬性的傳達與獲取易存在偏差。因而沙漠植樹機在造型設計上從產(chǎn)品的本質屬性及其所傳達的語義出發(fā)，運用仿生設計的方法，提取蟬的造型特征進行設計。形態(tài)仿生設計一直伴隨并推動著產(chǎn)品設計的發(fā)展[7]，這里建構的不僅是造型之間的關聯(lián)性，還有寓意的表達，如借鑒蟬的造型就是為傳達漠野新綠如蟬鳴，生生不息的美好愿景。同時整體運用大切面和硬朗的直線，以突出沙漠植樹機的機械風格，給人一種堅強耐用的感覺（見圖3）。

在造型處理方面將蟬將蟬進行抽象化表達，融蟬的主要特征于沙漠植樹機的形態(tài)中。在造型設計演變過程中針對蟬的特點進行分析和篩選，使其形象特征與產(chǎn)品結構合理融合，主要體現(xiàn)于植樹機頭部和儲苗倉的設計，頭部側面的運行狀態(tài)燈提取蟬眼的元素，運行狀態(tài)燈在正常運行下顯示藍色，當有人進入警戒范圍或運行模塊異常時，狀態(tài)燈會顯示為紅色并將實時狀態(tài)傳輸給觸摸屏。儲苗倉被中間樹苗滑槽一分為二，猶如蟬的兩翼，使沙漠植樹機外觀更具流暢性。整體在保持主要特征的基礎上，將沙漠植樹機的裝載模塊、鉆坑模塊、智能吊取模塊和扶正培沙模塊進行適當處理，使之在保證功能結構優(yōu)化的基礎上形成整體蟬的形象。

2.結構分析：一體化沙漠植樹機具有多種技術支撐，使得沙漠植樹機核心功能得到加強，結構上進行優(yōu)化整合，并采用模塊化處理的方法，使運行邏輯更加合理。沙漠植樹機的結構及個別部件的參數(shù)（見圖4）：1.儲苗倉（存放樹苗，底部為平整支撐結構起到防止樹苗傾斜的作用，并設有倉門）2.運行狀態(tài)燈3.取苗機構4.樹苗滑槽（樹苗由于重力傾斜向下滑動）5.PLC控制裝置6.挖坑機保護倉（保護挖坑機、抬升機構、進步電機）7.運行狀態(tài)燈8.散熱孔9.挖坑機保護倉檢修窗口10.挖坑驅動電機（額定電壓：220v/50hz、額定功率：2680w、重量：15KG）11.絲杠抬升機構x4（有效行程：700mm、垂直可負載≥10KG）12.鉆頭（長度：1000mm、外圈直徑：150mm、軸直徑：20mm）13.履帶（高度：760mm、寬度：300mm）14.驅動電機（額定電壓：380v/50hz、額定功率：3700w）15.蓄電池x6（72v、尺寸：267x77x170±2mm（單只）、重量：9.1±0.2KG/只、容量：32.2Ah）16.推桿電機（額定電壓：24v、防護等級：IP65、速度：60mm/s、額定推力：1400N）17.覆土壓實機構18.充電口19.沙漠植樹機機身20.樹苗存儲倉后門 21.電路檢修倉。

該沙漠植樹機結構設置具有兩個重要特征。一是整體協(xié)調性，從整體結構上看，沙漠植樹機不同于其他植樹機或植樹輔助裝置，它的創(chuàng)新點在于使各功能模塊合理相容運行，并統(tǒng)一于一個整體造型之下，實現(xiàn)一體化工作方式;二是功能模塊布局的合理性，由于沙漠植樹機的運行流程為開啟開關、連接移動設備、規(guī)劃路線、運行正常、挖坑電機運行、挖坑電機抬升、車體前行、智能取苗、扶正樹苗、合攏培沙等一系列操作，所以鉆坑模塊在沙漠植樹機的前端，挖坑結束后車體向前移動。智能吊取模塊在裝載模塊的上方便于智能抓取。由于樹苗滑槽位于裝載模塊的中間，使得機械爪在運送樹苗時極大地減少了操作功效和時長，也方便沙漠植樹機向前移動，提高種植效率;樹苗受到重力的影響斜向下滑動，最終樹苗根部會卡在樹坑的邊緣;扶正培沙模塊在裝載模塊的下方（見圖5），更容易進行樹苗扶正和合攏培沙的操作。這樣的結構和運行方式設置使沙漠植樹機能夠更高效合理地運行。

3.色彩分析：色彩不僅是物理現(xiàn)象的客觀存在，更是人的主觀心理感知[8]，作為用戶對產(chǎn)品的本能層次感受，直接影響著用戶對此產(chǎn)品的第一印象。因此，對于沙漠植樹機設計而言色彩是極為重要的。綠色是一種帶有環(huán)保的顏色，讓人覺得清新，也傳達了沙漠綠化的使命感。同時與穩(wěn)重的黑色搭配在一起，可以很好地中和工程裝備的機械感。柔和的綠色和仿蟬的造型結合在一起，在漫漫黃沙中猶如綠色的精靈，代表了生命和力量（見圖6）。

結語

目前我國的農(nóng)林業(yè)大型裝備還有很大的發(fā)展空間，在國家政策和智能技術的加持下，在服務設計理念的審視下，更加人性化、智能化的機械裝備將會不斷更新，以克服艱苦條件，提高工作效率，進一步推動農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。該研究從服務設計的視角展開，運用智能化技術和模塊化手段對沙漠植樹機結構和操作方式進行優(yōu)化整合，其研究方法可為同類研究提供參考和借鑒，以從設計的角度推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。