楊思夢 薄其芳 賈樂賓

摘要：針對谷物收割和秸稈回收打包問題進行一體化設備的創(chuàng)新設計。通過競品分析法分析現(xiàn)有谷物收割設備存在的問題，建立因果鏈模型分析谷物收割設備使用流程并且歸納出根本問題，定量分析產(chǎn)品功能確定主要功能，以整合設計思維進行谷物收割機設計實踐。得到一款能夠?qū)崿F(xiàn)一體化的谷物收割和秸稈打包的谷物收割機。該方法解決了目前谷物收割設備存在的諸多問題，為整合設計思維在解決實際問題中的應用提供思路和參考。

關鍵詞：因果鏈模型 谷物收割機 功能論 智慧農(nóng)業(yè) 整合設計思維

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）17-0120-04

Abstract：Innovative design of integrated equipment for grain harvesting and straw recycling and packaging. Analyze the existing problems of grain harvesting equipment through competitive product analysis，establish a causal chain model to analyze the use process of grain harvesting equipment and summarize the fundamental problems，quantitatively analyze the product functions to determine the main functions，so as to integrate design thinking into the design practice of grain harvesters. Obtain a grain harvester that can achieve integrated grain harvesting and straw packaging. This method solves many problems existing in current grain harvesting equipment，and provides ideas and references for the application of integrated design thinking in solving practical problems.

Keywords：Causal chain model Grain harvester Functionalism Smart agriculture Integrating design thinking

引言

全面推進鄉(xiāng)村振興，堅持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展。2021年，中國耕地面積達到了19.179億畝，是世界上的農(nóng)業(yè)大國。但是現(xiàn)在的農(nóng)作物收割方式卻是把糧食從秸稈中分離出來，然后將秸稈粉碎后排入田中，造成了部分資源的浪費，尤其是一種大型裝備僅針對一種農(nóng)作物，造成了裝備資源的浪費。農(nóng)田地勢復雜，如何快捷高效地完成收獲目標，也是在后續(xù)設計中重點考慮的問題。所以把智能科技引入到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的各個環(huán)節(jié)，以來達到方便高效的目的，進而提升農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量。在整合設計思維下，文章結(jié)合因果鏈模型更加直觀地揭示農(nóng)戶、產(chǎn)品與環(huán)境之間的關聯(lián)與邏輯，進而通過對產(chǎn)品功能的定量分析確定谷物收割設備的主要功能，最終通過整合設計思維更加準確地驗證了智能技術在農(nóng)業(yè)收割環(huán)境中實踐的合理性，解決了谷物收割及農(nóng)業(yè)中秸稈回收打捆、一機多用、不同地形收獲的問題，大大提高了農(nóng)業(yè)收獲效率，使農(nóng)業(yè)往現(xiàn)代化、智慧化發(fā)展。通過文章的研究，可以為已有的產(chǎn)品設計流程提供一種更加嚴謹合理的設計思路，在整合設計思維下，能夠更好地開展后續(xù)的設計實踐。

一、整合理論概述

“整合”意為把相互獨立的個體模塊，通過一定的結(jié)合方式進行協(xié)調(diào)組合，從而使得各獨立模塊之間實現(xiàn)有機互補，發(fā)揮各模塊和整體組成部分之間的資源互通和協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，從而使得各獨立模塊之間實現(xiàn)有機互補，得到價值利益更大的整體。整合設計思維強調(diào)把不同領域的知識、信息以及設計思想整合起來，通過創(chuàng)造性的、基于多學科的整合，為用戶創(chuàng)造出更好的解決方案，同時也為設計實踐提供了一種新思路。在產(chǎn)品設計當中主要是從3個方面進行設計：功能需求整合、結(jié)構優(yōu)化整合、外觀造型整合。而目前使用最頻繁的產(chǎn)品設計案例就是優(yōu)化整合主要功能，這一設計理念與功能集成設計理論不約而同。整合設計思維運用多種方法對產(chǎn)品進行分析和評估，以確定用戶需求，然后通過對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析和研究，發(fā)現(xiàn)新的產(chǎn)品需求，最后將多種方法進行綜合運用，以創(chuàng)建新的產(chǎn)品。因此，將整合設計理論與產(chǎn)品設計流程融會貫通，使得最終產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、整體性和專業(yè)性。

二、整合思維下谷物收割機創(chuàng)新設計流程

（一）產(chǎn)品競品分析

國外的聯(lián)合收割機技術起步早，發(fā)展速度快。目前國外現(xiàn)有的聯(lián)合收割機械大致可以分成歐美和日本兩大類。歐美地區(qū)大多采用全進給式脫粒，具有較大的機幅和較高的產(chǎn)量，生產(chǎn)效率高。收割機多以收獲小麥為主，其他的玉米、豆類、水稻等作物為輔；日本則以中小型水稻收割機為主，多采用半喂入，機型小，生產(chǎn)效率較低，收割機是以收獲水稻為主兼顧其他谷物作物。代表產(chǎn)品有芬特IDEAL、約翰·迪爾JD7700、克拉斯Do106、久保田全喂入履帶式收割機。而我國的聯(lián)合收割機發(fā)展起步晚，在改革開放后，聯(lián)合收割機的發(fā)展速度加快，在發(fā)展收割機上不斷引進外國先進技術，在國外新技術的基礎上研制出新型的收割機，提高了農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益。代表產(chǎn)品有沃得銳龍聯(lián)合收割機、雷沃谷神GM100谷物收獲機、中聯(lián)谷王TE100自走式谷物聯(lián)合收割機、東方紅小麥收割機。通過歸納總結(jié)，如表1，我們可以看到目前市場上最受歡迎的谷物收割機多以大中型設備為主。在功能上，收割農(nóng)作物種類單一，多是一種車型對應一種農(nóng)作物，機械設備使用效率不高，對于農(nóng)作物莖稈的處理全是粉碎回田處理法，秸稈資源利用率不高；在造型上，功能模塊布局多為左右結(jié)構，行走模塊多為四輪驅(qū)動，這樣的行走模式并不能滿足多種地形的需求，整體造型線條硬朗，體量感和機械感強；在色彩上，整體明暗對比明顯，醒目的車身色彩達到警示的作用，所以，醒目的色彩搭配需要考慮在后續(xù)的設計實踐中。

（二）產(chǎn)品因果鏈模型建立

整合設計思維是將產(chǎn)品視為一個完整的系統(tǒng)，谷物收割機主要是由收割谷物和谷物莖稈分割兩部分組成，目前從技術層面來講，谷物收割機是可以實現(xiàn)的。通過上文對谷物收割設備的競品分析研究發(fā)現(xiàn)了具有的一些問題，為了更好改善優(yōu)化谷物收割設備，我們要從產(chǎn)品問題分析開始，找出谷物收獲開始與結(jié)束整個流程出現(xiàn)的問題，對產(chǎn)品功能與約束之間存在的問題進行剖析，并與用戶需求相對比，尋找解決問題的方法。有效地對標設計問題、解決問題，避免主觀性、無效性的設計。建立并分析因果鏈模型，將問題的初始階段與底層問題邏輯之間的關系構建起來，從而找到谷物收獲環(huán)節(jié)問題產(chǎn)生的主要原因，并將其作為一個目標，在消除了關鍵問題點之后，使這類（項）問題不再出現(xiàn)或減少出現(xiàn)。通過構建農(nóng)戶、產(chǎn)品與環(huán)境3個因素之間的因果鏈條，找到在這個循環(huán)鏈條中很容易出現(xiàn)的薄弱點和易控制點。當無法對關鍵原因進行控制的時候，就可以選擇其他的原因節(jié)點來對目標問題進行突破，之后就可以選擇其中的一個節(jié)點來作為解決問題的切入點，這樣就可以用最少的代價來達到解決問題的目的。通過建立因果鏈模型并對其進行深入分析，如圖1，從中找到農(nóng)作物多樣性、谷物收割、谷物莖稈處理、產(chǎn)品綜合使用率等問題，針對上述因果鏈不難發(fā)現(xiàn)其中主要的3個問題。其一是谷物莖稈處理方式單一，僅為切碎分割歸田，秸稈資源利用率不高，秸稈碎片飛揚危害農(nóng)戶身體健康 ；其二是收割設備成本昂貴，但其產(chǎn)品使用率卻不足15%，收割設備閑置時間過長，這就造成了產(chǎn)品使用價值與成本價值不對等；其三是所要收獲的農(nóng)作物種類豐富，除了一些基本的農(nóng)作物，還有的農(nóng)戶會選擇種植一些大豆、高粱、甘蔗等。

（三）產(chǎn)品功能系統(tǒng)分析

通過對谷物收割機的現(xiàn)有產(chǎn)品以及產(chǎn)品因果鏈模型進行了分析，歸納了現(xiàn)有谷物收割機存在的一些問題，通過這些問題可以確定未來的谷物收割機應該是一個具備多功能的產(chǎn)品。所以我們要將谷物收割機產(chǎn)品看成由功能構成的有機整體。在接下的谷物收割機設計實踐之前，要確定谷物收割機和構成其各結(jié)構的有關部件的不同功能，并對每個功能進行內(nèi)容界定，以明確其性質(zhì)。在功能的定義中，常用的方法是“動詞+名詞”。在功能主義的設計思想中，強調(diào)產(chǎn)品的物質(zhì)性和精神性，能夠有效地防止“唯功能論”的傾向。在產(chǎn)品設計日趨成熟的當今，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品是人類器官的延伸，是人類與社會自然環(huán)境進行溝通交流的重要載體。谷物收割機是一種農(nóng)用機械，更是農(nóng)民和糧食收割環(huán)境之間相互作用的載體，其工作性能的好壞將直接影響到整個作業(yè)過程的效率。在對谷物收割機進行了物質(zhì)功能和精神功能的簡單分析后，得出了該設備的功能系統(tǒng)圖，如圖2。根據(jù)功能和功能間關系構建系統(tǒng)關系圖，其目標是對產(chǎn)品的功能層次進行邏輯梳理，并最終確定主要功能，為后續(xù)設計實踐階段的開展奠定基礎。

三、整合思維下谷物收割機創(chuàng)新設計實踐

結(jié)合上文對谷物收割機的因果鏈模型分析和功能系統(tǒng)分析，確定了具體的問題。谷物收割設備使用率以及谷物莖稈回收利用率一直是該設計研究過程需要重點考慮的問題，因此，在設計的過程中整合產(chǎn)品的使用率和谷物莖稈回收兩個設計中心來解決主要的設計問題，通過功能整合來延長產(chǎn)品的生命周期。在此基礎上，根據(jù)谷物收割的場景特點，優(yōu)化輪胎裝置增加谷物收割機所適用的地形種類、改變收割裝置提高機械設備利用率以及加入秸稈捆綁裝備達到資源再利用的目的。因此，在后續(xù)設計中對谷物收割的收割模式、輪胎裝置以及秸稈處理裝置進行了優(yōu)化。從用戶角度出發(fā)，結(jié)合對應環(huán)境，首先確定谷物收割機的功能設計，根據(jù)所需要的功能來確定所能實現(xiàn)的功能模塊，緊接著對主要功能模塊進行多次合理布局，使得后續(xù)的造型設計更加合理美觀；其次確定谷物收割機的造型設計，根據(jù)功能模塊布局進行思維發(fā)散，進行多次草圖繪制，選擇結(jié)構更加合理、造型更加美觀的方案進行后續(xù)更加深入的設計；最后確定谷物收割機的色彩設計，色彩的分配走向要順應整機輪廓。通過功能、造型、色彩這3個設計要素，推動谷物收割機創(chuàng)新設計實踐過程，最終得到一款更加合理實用的農(nóng)機產(chǎn)品。

（一）功能設計

在上文研究分析的基礎上，對要設計的產(chǎn)品應該具有的功能需求系統(tǒng)進行概念性的構造，再根據(jù)對上述創(chuàng)新設計應用方法、收割機功能整合創(chuàng)新設計思路分析與設計理念的約束產(chǎn)品的設計需求可總結(jié)為功能整合需求。即：實現(xiàn)一機多用、秸稈的打捆和多種地形下的正常使用。

（1）實現(xiàn)一機多用，提高產(chǎn)品使用率。可以裝配多功能收割臺，針對小麥、水稻、大豆等作物的收獲。與傳統(tǒng)的一臺設備只能對應一種作物收獲方式進行改進，使收割設備的使用率大大提高，避免出現(xiàn)因不同作物的收獲期不同造成的設備使用率低的問題。

（2）秸稈的打捆實現(xiàn)和收割設備一體化，提高秸稈資源利用率。對不同功能的機械設備進行功能整合，來解決收割作物后遺留在田地的秸稈處理問題，降低了人工勞動成本，同時提升了收割設備功能性，解決了秸稈資源浪費的問題。

（3）面對多種地形，采用輪履結(jié)合移動媒介，提高收獲工作效率。首先要進行整體的動力結(jié)構框架，確立收割機運用什么類型的移動媒介，正常的輪胎類型的動力系統(tǒng)無法應對相對復雜的地形。所以在設計收割機整體形態(tài)時就要考慮履帶式的主動輪，保障產(chǎn)品多種地形下正常運行，進而提高工作效率。

在上述產(chǎn)品設計功能要素的基礎上，對谷物收割機功能模塊設置進行了分析，具體分為：行駛載重模塊、谷物秸稈打包模塊以及谷物收割操作模塊。每一個主要的功能模塊又會為了精準合理地完成各自的功能任務，將自身主要功能模塊劃分為許多小的功能模塊。其中，谷物收割操作模塊分為谷物脫粒模塊、谷物貯藏模塊和谷物吐殼模塊。由于這些設計要素與外觀造型設計相關，因此具體功能模塊布局示意圖，如圖3。

（二）造型設計

在谷物收割機確立造型之初，整合產(chǎn)品造型設計理念與功能模塊布局，在功能模塊布局的基礎上根據(jù)產(chǎn)品設計理論的內(nèi)容進行產(chǎn)品造型設計，讓該款谷物收割機迎合市場的需求來推動市場的發(fā)展趨勢。在如今市場上，農(nóng)機設備大多采用金屬材質(zhì)，所以在進行設計時我們要多采取硬朗的線條來表現(xiàn)產(chǎn)品的機械美感，盡量避免過度光滑的曲面。針對前輪的履帶設計盡可能保持視覺沖擊力，作為主動力傳輸輪，其尺寸大小應符合機身整體的比例，谷物收割設備由于其體形較大多采用后輪來控制其轉(zhuǎn)彎，保障了復雜地形環(huán)境下的安全行駛。打捆后的秸稈為不影響其他功能模塊運行，在空間分布上將其布局在產(chǎn)品的尾端，利于農(nóng)戶拿取運輸方便。再結(jié)合對設計需求的分析，展開谷物收割機的設計思維發(fā)散，之后對方案展開草圖繪制，得到初步草圖形態(tài)，在繪制的過程中，要對各個功能之間的形式結(jié)構進行考慮，所以在思維發(fā)散中得到以下三款谷物收割機，具體如圖4。方案一：雖然整體采用了圓潤的曲線，但是整體造型上體量感顯得輕薄，全履帶式輪胎雖然適用的地形比較多，但是履帶式輪胎運行速度比較慢，這樣會減緩整個谷物收獲效率；方案二：整體造型設計都采用較為硬朗的線條，在造型上略顯笨重，頂部儲存裝置沒有達到預想的科技感；方案三：整體造型科技感較強，谷物儲存和谷物秸稈打包儲存位置安排合理，整體相對協(xié)調(diào)性更好，后輪也改為抓地力更強的紋路輪胎，保障在多種地形上平穩(wěn)行駛，輪履結(jié)合速度快進而提升作業(yè)效率；收割作業(yè)模塊可以根據(jù)所要收割的農(nóng)作物自行替換，節(jié)約了農(nóng)機制造成本，提高了農(nóng)機產(chǎn)品使用率。整體的機械感更強，視覺沖擊力更突出。

（三）色彩設計

色彩的設計可以突出不同農(nóng)業(yè)機械的產(chǎn)品特色和功能，所以在色彩的分配上，色彩分割走向應該要順應整體輪廓。農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品種類豐富，功能也呈現(xiàn)多樣性，所以在色彩的選擇上，一般情況下我們會用一種主色調(diào)突出農(nóng)業(yè)機械的功能特性，再結(jié)合一些醒目的色調(diào)來給設備增添一絲靈動性，合理的色彩設計也可以一定程度緩解視覺疲勞。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設備的作業(yè)環(huán)境相對比較復雜，這就需要我們將色彩賦予設備的同時更好地使機械設備融入其工作的環(huán)境，與此同時，農(nóng)機作業(yè)存在一定的危險性，我們也需要保證農(nóng)業(yè)設備在作業(yè)環(huán)境的醒目，保障用戶生命安全。所以為了更好地表現(xiàn)谷物收割機的造型特點以及功能特性，在顏色搭配上使用較少的色塊做到整體的統(tǒng)一，但是要將色塊之間的對比度加大，提升人視覺上的沖擊力，同時融入小面積醒目的飽和度較高的顏色來保障安全問題。根據(jù)這些色彩要求，在網(wǎng)上統(tǒng)計了50種配色方案，然后邀請專業(yè)同學按照科技、醒目、美觀等色彩語義進行配色方案選擇，最終確定了一套最具科技感且色彩布局最合理的最佳配色方案。在這套配色方案中，黃色較為醒目，銀色金屬效果與黑色形成較強的對比，黑銀色塊劃分明顯，更加突出了收割機的功能特性，給人較為強烈的主觀感受。設備側(cè)面的金屬絲印形體跟隨車身整體的分模線，形成統(tǒng)一的金屬絲印和設備主體亮度的明顯對比來突出裝飾效果。

（四）效果圖展示

通過對功能、造型、色彩3個設計要素的設計，使谷物收割機有著簡潔的外觀和實用的功能，如圖5，這款谷物收割機可一物多用，省工省時省力，適用于多種農(nóng)作物類型的收獲工作，提高了農(nóng)機設備的使用率，降低農(nóng)業(yè)成本；輪履結(jié)合的輪胎裝置保證運行安全以及在泥濘的田地中的運行速度，提高收獲效率，減少對農(nóng)作物的二次傷害；尤其是對谷物莖稈的處理這一流程，更改了以往對谷物莖稈切碎回田的方式，通過對谷物莖稈打包成垛，大大提高了谷物莖稈資源利用率。

結(jié)語

2022年一號文件明確指出了一億畝高質(zhì)量基本農(nóng)田的目標，一畝地補貼1500元，這一億畝都會是新的機械化收割耕地。國家對農(nóng)業(yè)的重視，我們可以推斷出農(nóng)業(yè)的未來將會迎來從現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)到智慧化農(nóng)業(yè)的質(zhì)的飛躍。所以本次設計針對農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代作業(yè)方式下的需求，提出了將功能整合設計思維應用于谷物收割機的產(chǎn)品設計中。分析相關競品，結(jié)合市場需求，從功能角度研究設計對象，通過建立因果鏈模型分析梳理谷物收割機的工作全流程，進而找到最需要解決的核心問題，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)谷物收割形式進行優(yōu)化，不僅提高了谷物收割設備的使用率，而且增加了谷物莖稈的回收利用率。隨著國家對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重視和推進，在今后的發(fā)展中，我們也應該對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械進行整合升級，并結(jié)合工業(yè)設計相關學科，利用創(chuàng)新設計思維去優(yōu)化現(xiàn)有農(nóng)機產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。在未來，整合設計思維下的農(nóng)機產(chǎn)品將會為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多新變化，而這也將為中國農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展帶來新機遇。

基金項目：青島市哲學社會科學規(guī)劃項目（QDSKL2201126）。

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