服务设计视角下的一体化沙漠植树机设计研究

王成成　戚凤国

关键词：服务设计 一体化 模块 沙漠植树机 智能控制

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）07-0136-03

引言

目前我国土地荒漠化问题依然十分严重，森林覆盖率低于全球30.7%的平均水平，人均森林面积不足世界人均的1/3，还有大面积的沙漠荒地等待治理和改善。基于此生态环境背景，政府主导实施了一系列沙漠绿化工程，并在国家十四五规划中将生态工程进一步升级，其中植树造林仍然是一项重要举措。但由于沙漠植树条件差，环境艰苦，沙漠植树仍面临诸多困难，从植树装备领域进行研发、改进、提高沙漠植树效率，遂成为解决问题的一项重要手段。

当前市场上的沙漠植树机主要集中于小树苗的种植，且挖坑与种植分离，需要一定的人力辅助，并没有完全实现自动化，工作效率还需提高。伴随5G等智能技术不断应用于生产生活，沙漠植树机设计也应当探索出更加智能、合理的运行模式和使用方式。运用服务设计理念，优化产品、使用者和环境之间的关系，在服务设计视角下开发智能控制的自动化沙漠植树机已成为必然趋势。

一、服务设计的概念及方法

（一）服务设计的概念

服务设计的核心诉求在于能够直接向用户提供价值[1]，其宗旨是以用户为中心，满足用户的需求。创新服务设计中服务体验过程的每一个接触点都会影响到用户，所以在设计每项接触点的时候，都应该考虑到用户的体验、行为需求、用户体验的痛点及服务行为互动的反应，力图让每个服务接触点都能够提供完整、优质的服务体验[2]。借鉴服务设计的理念进行沙漠植树机的研发，即是通过服务设计的方法更准确地找到沙漠植树流程中的痛点，并在产品设计方面提出解决方案，以使沙漠植树机的功能、结构、使用方式更加合理，更符合现代沙漠绿化工程的需求。

（二）服务设计的方法

服务设计是一种思维方式。它虽然经历了反复的迭代，但还是有一套固定的设计流程。它分为三个阶段：1.情景研究（限定问题范围，用户观察，用户访谈，理解和分析用户需求，形成有利于创新的思维）2.服务创新与设计（发现痛点和设计机会，确定设计原则，提出新概念和解决方法）3.组织与实施（构建解决方案，测试原型，收集用户反馈信息，进行原型的优化和迭代）。其中情景研究包括：用户观察、用户访谈、利益相关者、用户角色;服务创新与设计包括：用户旅程图和系统图;组织与实施包括：服务情景、原型测试、服务蓝图。

如今服务设计应用于各行各业，它能够有效的节约成本，同时能够很好地控制服务的方式和内容。沙漠植树机运用服务设计的思维，对沙漠植树流程分析，找出和解决痛点，构建服务系统，从而探究出新的结构形式和使用方式。

二、沙漠植树机的发展现状

（一）沙漠绿化的现状

近年来我国国内经济迅速发展，在植树造林方面也有着很大的成就，但整体上仍然是一个缺少绿色的国家，西部地区还有大面积的沙漠等待治理。土地沙漠化会造成区域性的耕地减少、粮食减产、草原减少，导致环境恶劣、贫困等一系列问题。经过不懈努力的治理和改善，近年来我国的森林覆盖率显著提高，但仍低于全球森林覆盖率的平均水平，在《全国森林经营规划（2016-2050年）》中，已设定到2050年，我国森林经营进入世界先进国家行列的目标。可见，我国沙漠绿化仍然需要一个长期努力的过程。

（二）当前沙漠植树机设计分析

当前国内外沙漠植树工程装备大多为自动化挖坑机和植树机两大类。自动挖坑机通过对地形、距离的智能控制完成挖坑工作，植树机可进行智能识别吊取树苗或人工辅助放苗，然后进行相应的培沙工作。这些装备在一定程度上提高了沙漠植树的效率，推动了林业的发展。但由于其自动化方式相对较为单一，两类机器独立存在，没有实现一体化的植树工作流程。尤其是智能吊取树苗现在仍是以机械臂识别抓取的手段，前后摆动范围大，耗功大耗时长，效率相對低下，仍需进一步优化。手动放苗则由于沙漠环境的恶劣，对于工作人员来说条件仍很艰苦。随着科技的进步，5G时代的到来，万物互联成为未来发展趋势，沙漠智能植树机也应该有进一步的发展和改进。

三、沙漠植树的服务系统分析

服务系统图是用来表述服务系统动态机制的工具，它清晰地表述了各服务元素和参与者之间的关系以及目的性行为，通过劳动表现、物质流、资金流、信息流的关系以图形化的方式表现出来，从而提出新的概念和组织方式。沙漠植树服务系统图（见图1）以沙漠植树机为出发点，它与各服务元素和参与者之间的关系主要包括与后台数据中心有信息反馈的关系，同时后台数据中心给经销商提供技术支持;与用户有信息交流的关系，同时用户可以通过APP对沙漠植树机有个详细的了解;用户和服务人员之间存在信息交换和服务的关系，服务人员可以将沙漠植树机的相关政策、参数、适用范围、使用方式、创新点和经济效益等内容传达给用户等。沙漠植树服务系统图有利于构建新的组织架构和产生新的概念，便于沙漠植树机研发的整体把控。

同时通过用户旅程、服务系统等构建服务蓝图，以详细地描述整个服务的工具。服务蓝图将用户行为、前台服务、后台技术支持者等信息通过图形化的方式整体表述。并将隐藏的信息和用户的交互行为显现在服务过程之中。沙漠植树服务蓝图将实体表现分为：种植胡杨、寻找植树机、使用植树机、按照规划植树、返回预定地点、种植结束六个步骤。它能清楚地看到用户行为、前台和后台的交互情况。用户在整个服务流程中，可通过APP对沙漠植树机有进行了解，根据操作规范使用沙漠植树机，并协同后台的技术支持和反馈，使用户在整个使用过程中有一个良好的体验。服务蓝图是根据情境进行变化的，它需要多个环节的相互配合，需要提供服务的人群合作参与，才能够使服务蓝图更加完善和迭代，同时时刻保持与用户和环境的联系，这样才能使设计更加完善。

四、一体化沙漠植树机设计实证

（一）功能模块分析

通过服务流程分析，沙漠植树机功能模块可分为装载模块、钻坑模块、智能吊取模块、扶正培沙模块（见图2）。装载模块：为沙漠植树机储苗仓，分左右两部分，用于存放树苗，后有门用于开合仓体;钻坑模块：车体经GPS定位到达指定位置后，PLC（可编程逻辑控制器）接收到数据后通过控制升降平台运行挖坑电机进行挖坑作业;智能吊取模块：通过仓体上部的吊取装置智能识别树苗，控制机械爪抓取树苗并放置于左右箱体中间的滑槽位置，此设置只需机械臂左右移动和上下伸缩控制，避免传统模式中需要很大悬臂且要翻转到树坑位置，极大减少了机械臂的操作功效和时长;扶正培沙模块：树苗通过中间滑槽斜向下滑到树坑内。PLC接收数据之后控制推杆和合拢培沙装置将树苗扶正并合拢培沙，完成一棵树苗的种植流程。

（二）智能控制应用及UI交互界面分析

1.智能控制应用：物联网是继计算机技术、互联网与移动通信技术之后的第三次信息产业浪潮[3]。沙漠植树机在功能方面将运用PLC、GPS定位和图像识别技术，实现树苗自主种植，集定位-挖坑-树苗扶正-培沙压实为一体，自动化控制机器运行。智能控制主要体现于各功能模块之间的控制关系和运行逻辑，实现产品的自动化和一体化运行。与传统的植树机或植树辅助装置相比，沙漠植树机更加智能，可连接移动设备并控制沙漠植树机的运行和检修，其中钻坑模块、智能吊取模块和扶正培沙模块，全都由PLC控制。PLC有着极强的操作空间和应用范围，编程简单而且可以处理复杂的逻辑关系。沙漠植树机应用PLC可以极大地提高自动化和自主的程度，为智能沙漠植树机的设计提供了可行性的方案。一体化沙漠植树机优化了传统植树的流程，减少了工作人员的工作时间，提高了种植效率。

（1）PLC在钻坑模块中的应用：沙漠植树机栽种的间距和路径可通过触摸屏进行设置和规划，并将沙漠植树机移动和栽植的情况通过触摸屏传递给工作人员;沙漠植树机位移的数据将由传感器采集，并向PLC传输信号，PLC通过程序将信号数据进行计算，从而将沙漠植树机的位移数据实时的显示在触摸屏上;沙漠植树机在运行时，当位移量与设置的植株间距相等时，PLC输出信号并控制挖坑电机和升降平台工作完成挖坑工作。

（2）PLC在智能吊取模块中的应用：当挖坑工作完成后，传感器将电信号传输给PLC，PLC输出抬升信号后，将GPS传输的位置信号进行计算并控制沙漠植树机向下个点位移;PLC输出吊取信号开启图像识别系统，同时控制智能吊取模块中的机械爪进行吊取树苗，控制机械爪吊取树苗放入滑槽。

（3）PLC在扶正培沙模块中的应用：传感器将倾斜树苗的信号传输给PLC;PLC输出扶正信号，推杆电机运行将树苗托住扶正并固定;PLC控制合拢培沙装置将沙土合拢。

2.UI交互界面分析：交互设计是两个或多个事物之间的相互交流对话的设计。人与人、人与物、物与物之间都会产生交互，尤其进入万物互联的时代，物与物之间的交互设计更加普及[4]。

在一体化沙漠植树机设计中，用户可通过APP界面远程控制沙漠植树机的开关机、规划栽种路线、紧急召回、电量、程序传输等。在UI界面设计上保持与沙漠植树机的色彩运用相统一，以绿色为主基调，黑色为辅色。图标的设计运用了扁平化的设计风格。扁平化设计风格的优点：去除一切不必要的装饰元素，让信息作为最主要的元素显示出来[5]。UI图标整体运用了高级灰的绿色，其中功能状态的图标运用了明亮的蓝绿色，这样使得UI图标淡雅明了，增强功能的辨识度，丰富用户的交互体验。交互设计图标分为菜单模块、功能模块、控制模块三大模块。

（三）整体造型、结构、色彩分析

1.造型分析：产品造型是表达产品造型设计思想和传播信息的重要载体[6]。产品造型作为最先被人观察的产品特征，在人与产品的交互中具有重要作用，因此产品造型设计不断被探索研究。设计师与使用者都会有对于产品造型的主观性感受，产品属性的传达与获取易存在偏差。因而沙漠植树机在造型设计上从产品的本质属性及其所传达的语义出发，运用仿生设计的方法，提取蝉的造型特征进行设计。形态仿生设计一直伴随并推动着产品设计的发展[7]，这里建构的不仅是造型之间的关联性，还有寓意的表达，如借鉴蝉的造型就是为传达漠野新绿如蝉鸣，生生不息的美好愿景。同时整体运用大切面和硬朗的直线，以突出沙漠植树机的机械风格，给人一种坚强耐用的感觉（见图3）。

在造型处理方面将蝉将蝉进行抽象化表达，融蝉的主要特征于沙漠植树机的形态中。在造型设计演变过程中针对蝉的特点进行分析和筛选，使其形象特征与产品结构合理融合，主要体现于植树机头部和储苗仓的设计，头部侧面的运行状态灯提取蝉眼的元素，运行状态灯在正常运行下显示蓝色，当有人进入警戒范围或运行模块异常时，状态灯会显示为红色并将实时状态传输给触摸屏。储苗仓被中间树苗滑槽一分为二，犹如蝉的两翼，使沙漠植树机外观更具流畅性。整体在保持主要特征的基础上，将沙漠植树机的装载模块、钻坑模块、智能吊取模块和扶正培沙模块进行适当处理，使之在保证功能结构优化的基础上形成整体蝉的形象。

2.结构分析：一体化沙漠植树机具有多种技术支撑，使得沙漠植树机核心功能得到加强，结构上进行优化整合，并采用模块化处理的方法，使运行逻辑更加合理。沙漠植树机的结构及个别部件的参数（见图4）：1.储苗仓（存放树苗，底部为平整支撑结构起到防止树苗倾斜的作用，并设有仓门）2.运行状态灯3.取苗机构4.树苗滑槽（树苗由于重力倾斜向下滑动）5.PLC控制装置6.挖坑机保护仓（保护挖坑机、抬升机构、进步电机）7.运行状态灯8.散热孔9.挖坑机保护仓检修窗口10.挖坑驱动电机（额定电压：220v/50hz、额定功率：2680w、重量：15KG）11.丝杠抬升机构x4（有效行程：700mm、垂直可负载≥10KG）12.钻头（长度：1000mm、外圈直径：150mm、轴直径：20mm）13.履带（高度：760mm、宽度：300mm）14.驱动电机（额定电压：380v/50hz、额定功率：3700w）15.蓄电池x6（72v、尺寸：267x77x170±2mm（单只）、重量：9.1±0.2KG/只、容量：32.2Ah）16.推杆电机（额定电压：24v、防护等级：IP65、速度：60mm/s、额定推力：1400N）17.覆土压实机构18.充电口19.沙漠植树机机身20.树苗存储仓后门 21.电路检修仓。

该沙漠植树机结构设置具有两个重要特征。一是整体协调性，从整体结构上看，沙漠植树机不同于其他植树机或植树辅助装置，它的创新点在于使各功能模块合理相容运行，并统一于一个整体造型之下，实现一体化工作方式;二是功能模块布局的合理性，由于沙漠植树机的运行流程为开启开关、连接移动设备、规划路线、运行正常、挖坑电机运行、挖坑电机抬升、车体前行、智能取苗、扶正树苗、合拢培沙等一系列操作，所以钻坑模块在沙漠植树机的前端，挖坑结束后车体向前移动。智能吊取模块在装载模块的上方便于智能抓取。由于树苗滑槽位于装载模块的中间，使得机械爪在运送树苗时极大地减少了操作功效和时长，也方便沙漠植树机向前移动，提高种植效率;树苗受到重力的影响斜向下滑动，最终树苗根部会卡在树坑的边缘;扶正培沙模块在装载模块的下方（见图5），更容易进行树苗扶正和合拢培沙的操作。这样的结构和运行方式设置使沙漠植树机能够更高效合理地运行。

3.色彩分析：色彩不仅是物理现象的客观存在，更是人的主观心理感知[8]，作为用户对产品的本能层次感受，直接影响着用户对此产品的第一印象。因此，对于沙漠植树机设计而言色彩是极为重要的。绿色是一种带有环保的颜色，让人觉得清新，也传达了沙漠绿化的使命感。同时与稳重的黑色搭配在一起，可以很好地中和工程装备的机械感。柔和的绿色和仿蝉的造型结合在一起，在漫漫黄沙中犹如绿色的精灵，代表了生命和力量（见图6）。

结语

目前我国的农林业大型装备还有很大的发展空间，在国家政策和智能技术的加持下，在服務设计理念的审视下，更加人性化、智能化的机械装备将会不断更新，以克服艰苦条件，提高工作效率，进一步推动农林业的发展。该研究从服务设计的视角展开，运用智能化技术和模块化手段对沙漠植树机结构和操作方式进行优化整合，其研究方法可为同类研究提供参考和借鉴，以从设计的角度推动产业发展。