基于FAST法的虫情监测设备设计研究

齐浩 陈净莲

摘要：为提升作物虫害测报的工作效率，通过资料查找和市场调研，应用远程拍照、远程数据传输、自动图像处理等物联网技术，分析用户需求，并以FAST模型和形态矩阵为理论依据对虫情监测设备的创新设计进一步分析，设计了昆虫远程测报装置，改进了传统测报方式，提高设备的工作效率，实现作物害虫监测预警的信息化。

关键词：FAST法;虫情监测设备;设计

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）02-0053-02

目前，我国农作物虫情监测信息的采集方式主要有人力调查统计以及大田普查、黑光灯诱集、性诱剂诱捕等。其中，人工调查需要基层农技人员实地进行，耗费时间较长而且劳动强度大，调查的结果还需要人工录入计算机，操作繁琐[1]。黑光灯诱集和性诱剂诱捕两种方式虽然效果较好，但是由于昆虫的种类很多且数量较大，所以定期取样后还需要人工再进行分类统计工作，费时费力且时效性较差。本文针对野外昆虫监测的时效性和数据电子化程度较差等问题，利用实时监测、远程数据传输、自动图像采集等信息技术，改良监测防报的方式，提升虫情测报的准确性和效率，进行虫情监测设备的创新设计。

1 FAST法概述

FAST法（Function Analysis System Technique）是搭建产品功能树的常用方法，它是一种自顶向下的功能分析系统技术法，以逻辑顺序来展示产品的功能，通过对功能进行逐级分解来明确产品各功能之间的关系和优先级[2]。一直以来，在产品的功能设计中FAST法被广泛运用并取得了良好的效果。陈晨等首先进行用户需求分析，然后通过抽象的方式创建黑箱模型，以此将用户对产品的需求转化为基本功能，搭建了有机废弃物处理机的FAST功能树，并研究出优良的解决方案[2];吴晓莉在儿童自行车的创新设计中通过建立FAST功能树将功能进行创新搭配产出设计方案，并通过建模、渲染输出了设计效果图[3];宋云应用FAST法，利用仿生设计提取设计要素进行外观设计，证明FAST法既可以对产品基本功能进行整合设计，也可将子功能作为设计要素进行创意设计[4]。

在做产品设计的过程中，设计人员首先要研究清楚用户最本质的需求、痛点，从用户需求到产品功能的转化需要按照“输入一运行一输出”这一模式建立逻辑链路，从而确定产品的主要功能和各级子功能，搭建关于产品的功能树模型[5]。

2 虫情测报现状及存在的问题

2.1 研究现状

2013年，程国平在水稻害虫检测识别方面提出了智能太阳能LED虫情测报系统，这一全新的系统相比于传统产品其识别率更高[6];2017年，焦桂华等人在河北省滦县对高空监测报告灯监测黏虫方面进行了一系列研究，发现高空测报灯相比于传统虫情测报灯在监测黏虫方面有着明显的优势，为测报方式的革新提供了依据[7];2019年，李怡洁通过研究不同诱集系统的差异，总结了不同测报方式的优缺点，最后得出昆虫性诱电子测报系统精准性更高且更节省人力的结论[8]。

2.2 存在的问题

2.2.1 核心技术匮乏

虫情测报最核心的问题是数据的自动采集和信息电子化，这是虫情测报设备研发的重点和难点，有些产品虽然经过多年试验和应用，不断更新换代，但数据的自动采集成熟度和信息的电子化程度仍然不高，目前还未有很大突破。

2.2.2 智能化程度不高

目前，虫情监测防控设备普遍存在智能化不高的问题，实时监控系统、自动数据传输设备功能不完善，使用效果与预期也存在一定差距。

2.2.3 缺乏创新且品牌影响力不足

目前，市面上的现有产品同质化严重，仅在外观上有所区别，低端产品同质化、低水平竞争现象严重，产品“有品无牌”，缺乏创新而导致影响力不足。

3 基于FAST法的虫情监测设备设计流程

3.1 需求分析

产品设计是基于用户的一种行为，用户需求是产品设计的起点和缘由，在设计研究过程中应该充分考虑用户在物质与精神方面的需求以及用户需求与产品本质的相互关系，研究清楚对象、功能与环境是产品设计的基础点和落脚点[9]。

通过对目标用户的分析，研究虫情监测设备的功能性、易用性和美观性，把设计需求分类汇总，按照重要度和优先级程度排列产品需求（标准为1～10级，其中10级最高），如表1所示。

3.2创建FAST功能树

通过抽象的方式为虫情监测设备创建一个包含物质、能量、信息的输入与输出类型的黑箱模型，然后通过黑箱模型将用户的需求转化为产品的基本功能。

通过黑箱模型转化的虫情监测设备的基本功能为：随时监测、远程监控、自动采集、数据传输、自动清理、硬件防水、太阳能供电。将虫情监测设备基本功能带入FAST功能树模型中进行功能分解，确定功能之间的逻辑关系，将需求转化为可进行设计的产品设计要素，如图1所示。

3.3 形态矩阵建立

根据虫情监测设备FAST功能树，先围绕功能整合、易用性、结构、美观性重新组合，然后对各级子功能进行功能和技术方式的组合整理，输出更多的解决方案，为产出最合理的设计方案提供参考。为了更方便地选出虫情监测设备的最优设计方案，可以建立如表2所示的形态矩阵。

通过形态矩阵对虫情监测设备各功能进行分析研究，同时考虑生产成本、操作方式、使用环境和时效性等要求，合理评估多个解决方案，最终确定虫情监测设备的设计方案为A1、B2、C2、D1、E1、F1和G1的組合。

3.4 设计方案

黑箱模型将用户的需求转化为产品的基本功能，FAST法分析得出了虫情监测设备的多种功能和方式，再经过形态矩阵将功能和方式具体到方案，通过合理评估得出最优解，通过三维建模和渲染进行具体展现，最终得出虫情监测设备的概念设计方案，如图2、3所示，并总结出该产品具有以下功能：

1）实时监测。昆虫会通过机箱底部储物盒里芳香气味吸引落在底部白板上，然后机箱底部的摄像头会对白板自动进行图像采集，通过无线传输设备DTU上传到服务器信息中心，达到远程监控的目的。同时，箱体底部的摄像头为伸缩结构，方便运输过程中的收纳。

2）太阳能供电。整个设备由顶部的太阳能电池板进行供电，太阳能转化成的电能存储于机箱内的蓄电池中，保证设备在晚间也能正常运转。

3）硬件防水。DTU、树莓派、蓄电池、太阳能控制器等设备设置在箱体内部，箱体表面的开关、显示屏、天线等设计了防雨盖来防雨，同时整个设备的表面均为平面，防止雨水积存。

4）自动清理。整个设备使用时底部会埋进土里，底部的上顶面与地面持平。为了方便更换和清洁，设备底部的白板为传送带式结构，同时一侧配有挡板，传送带旋转时自动清理白板表面。

4 结论

文中通过研究虫情监测设备的现状，分析现有产品的问题，调研用户的本质需求，通过黑箱模型将用户的需求转化为产品的基本功能，运用FAST法建立产品的功能树模型，分析各级功能之间的关系，通过形态矩阵对各级功能的解决方案进行合理评估，得出最优解，为虫情监测提供了新的概念方案。通过虫情监测设备的概念设计，阐述了FAST法在产品设计中的运行流程，验证了FAST法在产品研发和设计过程中的合理性和有效性。

参考文献

[1]赵晴，臧贺藏，张杰，等，基于物联网技术的作物虫情采集监测预警系统构建[J]，河南农业科学，2019， 48 （12）： 164-169.

[2]陈晨，孙志学，张乐.FAST法在家用智能固體有机废弃物处理机概念设计中的应用[J]，机 械设计，2017，34 （01）：110-113.

[3]吴晓莉，王玉星，薛澄岐.用FAST法设计功能组合式儿童自行车[J].机械设计与研究，2012，28 （01）：98—101

[4]宋云，基于FAST法的可控滑沙板概念设计[J].机械设计，2013，30 （06）：110—112.

[5]赵飞，许娜基于FAST法的透水事故救援产品模块化设计[J].包装工程，2020，41 （16）：141-146.

[6]程国平.智能太阳能LED虫情测报系统在水稻害虫检测识别上的应用研究[J].才智，2013（17）：233.

[7]焦桂华，曾娟，尚秀梅，等高空测报灯与自动虫情测报灯监测黏虫的比较试验[J]，中国植保导刊，2017，37 （08）：41-44+47.

[8]李恰洁.昆虫性诱电子测报系统对梨小食心虫的监测效果分析[J].植物医生，2019，32（03）：26-29.

[9]董晓玮，徐晓琴.基于FAST模型的水果快递箱概念设计[J].包装工程，2020，41 （03）：77-81.