基于可持续设计理论的丘陵农机设计应用研究

邵友晨

（景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333000）

0 引言

农业从古至今都是一个国家发展的基础和重中之重，新中国成立70多年来，我国农业机械化从无到有，从小到大，取得了巨大成就，但还存在着区域、产业、品种、环节等发展不平衡不充分的问题。丘陵地区耕地面积占我国耕地面积的34.62%[1]，却因为地形复杂，普通农机难以适用，导致机械化进度滞后。丘陵地形现有的一些适用的农机产品普遍存在着人机关系差、安全环保性不够、产品利用率低等问题，加大了农机普及难度。城市化进程带来的农业弱质性问题进一步放大了机械化程度低带来的负面影响，使得丘陵地区的农民生产力难以从繁重的农务中解放。

可持续设计理论是现代产品理论中的重要部分，通过细致的可持续系统设计能够从农民的具体需求出发，切实解决当前丘陵农机的缺陷问题，改善农民的农务劳作条件，提高农民生活水平，从而构建人、产品、环境的协调关系，助力社会实现可持续发展。

1 研究背景

1.1 丘陵农业

1.1.1 丘陵农业现状

丘陵耕地由于地形条件差、地块细碎凌乱、坡路多、田埂多、形状杂乱、垂直分布散等问题，农业机械化水平低于平原地区。适合丘陵地区的小型农机由于规模小、研发利润低等问题，在技术水平上也明显落后于平原地区开发的大农机。据统计，我国有7 000万以上的农民长期在这种条件下务农，主要依靠畜力、人力和一些简单的小农机工作，从事人力密集型产业。随着城镇化进程的持续推进，农村青壮年劳动力外出务工就业收益远大于务农，导致大量农村劳动力被城市吸纳，农业劳动力水平下降，呈现出老龄化和女性化等弱质化特点[2]，而青壮年劳动力的外流十分不利于地方发展机械化程度高、耕种效率高的现代农业。

在我国实行家庭联产承包责任制的条件下，过去主要是青壮劳动力从事体力劳动，而随着劳动力转移，一些老人和妇女因为城市用工市场对于技能学习能力和体力的筛选被迫留在农村从事农业，妇女和老人需要承担起务农重担，但这不利于发展机械化程度高、耕种效率高的现代农业，也不利于推进农业农村现代化。

1.1.2 国家政策解读

当前，国家出台了大量推进农业机械化全面发展的政策，在购机优惠和相关农机开发上予以倾斜，要求研发更多适合国情、符合农民需要、先进适用的各类农机产品，对于丘陵山区等薄弱地区，应加快补齐短板，以期更好地推进乡村振兴，加快农业农村现代化进程[3]。总的来说，目前国家十分重视解决农业机械化地区不平衡、结构种类不平衡等问题，有利于丘陵地区农业机械化的发展。

1.2 丘陵农机

丘陵农机指的是适宜在丘陵山地进行作业的农用机械产品，特指那些体量小、质量轻、适合个人操作、拥有自主动力而不必悬挂在其他动力设施上的微小型农用作业机具[4]。由于丘陵山地主要表现为梯田，地面平整性、通过性低，且因为家庭承包的特点，各家农田分散，大型农机进入工作区域时较为烦琐困难，所以主要使用小型化的农机。小型农机在运输和适应性方面较大型农机有明显优势，又能解放一定生产力，在适用区域发展小型农机是丘陵农机发展的一条重要思路。

1.2.1 丘陵农机的种类与功能

种类上主要有收割机、播种机、插秧机、松土机、追肥机、脱粒机、烘干机、微耕机、抽水机、卷帘机等；功能上主要有收获、脱粒、灌溉、除草、松土、开垦、插秧、施肥施药等。类型方面还可以根据工作原理大致分为牵引类、机械模拟动作类、泵类、拖拽农具类等。

1.2.2 丘陵农机发展现状

小型农机普及率低，我国以家庭为单位的农户很少购置专用农机，当前小型农机设备特点可以归纳总结为：功能繁多、设备专业性强、小批量生产难以实现。功能繁多导致农民很难为少数几样农务购买一种农机；设备专业性强导致农民学习成本增加；小批量生产导致成本无法通过规模化降低，性价比低。综上所述，农民在国家优惠政策下对于个人购置农机仍会存在疑虑，主要考虑到学习成本、维护成本、性价比等因素。

2 研究方法

2.1 可持续设计理论

可持续设计理论是一种在满足经济增长需求的同时提升生态效益和社会福祉的设计理论，其核心就是要立足于系统设计，找到产品、人、环境等相关产品系统内部协调平衡的关系[5]。而系统的可持续设计需要以可持续设计理论为指导，充分运用多种设计方法，从用户需求出发，切实解决现有产品或类似产品的缺陷。改善人们的生产生活水平，提供更好的、更便利的生活，最终达到环境、社会、个体的可持续发展。基于本文对于丘陵农机的设计目标，解放丘陵地区劳动力的一种可持续发展的设计策略具体如图1所示。通过对现有社会的科学文化发展成果进行归整，指出提升农民生活质量和我国农业机械化水平的新方向，发掘解决丘陵地区耕种困难的可持续发展策略。

图1 可持续设计策略图示

2.2 主要设计方法

丘陵农机可以从产品的材料和能源入手进行绿色设计，然后由局部逐渐扩大到整体的生命周期设计，再进一步发展为可持续的产品服务系统设计，最后实现提升农民福祉和农业可持续发展的社会可持续发展目标。这一过程被形容为设计对象的拓宽[6]，如图2所示，可以主要概括为四种设计理念[7]。

图2 设计对象的拓宽图示

1）“源头干预”理念：通过在设计阶段就确定好使用可持续的设计理念对农机产品进行设计，并在加工过程、材料选择、报废计划上做好再生、清洁、低污染的设想，在后续从生产到运输最后从农户手中淘汰回收的一系列过程中都坚持可持续原则，减少排放和污染。这便是在源头上对产品进行可持续的干预。

2）“末端治理”理念：通过拆解、置换、组合等手段提升产品的可持续性。这种通过将产品分部件设计的手段是模块化设计的一部分，用灵活的拆分组合延长产品的使用寿命、增加功能性，因为最终过程发生在用户手中，所以是一种依靠末端治理的可持续设计手段。在农机这类机械产品设计中较为适用。

3）“共享服务”理念：通过提倡让人人都能够享受到农业机械提供的便利和服务，以农机产品为基础，通过完备的共享服务系统设计，创造出企业、环境、用户、社会等多方健康发展的共赢局面，也就是让可持续的过程变得可持续化。

4）“消费公平”理念：解决世界上绝大多数人的需求，而不是专注于对小部分富人的需求不断地进行消费设计，也就是通过“消费公平”的设计方法，关注那些在生活中遇到困难的大部分人，解决丘陵地区农业人员的诉求，让他们实现自由发展，才能够推动整体社会的可持续发展[8]。

3 调研与问题分析

3.1 用户群体调研

丘陵农机的用户群体面向的是丘陵农作环境中的农机操作人员，对于农机的操作性包容应该包括所有从事农业、具有完全劳动能力的人群。而据社科调研结果，随着农村劳动力不断向非农产业转移[9]，青壮年极少留在农村从事农业，因此小型农机的用户模型应该偏向留守的老年人和妇女，针对用户进行特征优化。对于用户的个体特征的认知，主要可以从工作经历、教育程度、年龄及经验入手，可持续设计理论中的公平理念要求我们预测其在使用该农机时遇到的问题和学习的困难性，然后对操作的复杂性做出限制。农村小型农机用户特征如下：

1）生理特征。我国实行的家庭联产承包责任制决定了农业生产活动以青壮年为主，老人和妇孺从事较为轻松的辅助劳动，但是随着城市对青壮年的吸纳，老年人和妇女开始承担重体力劳动，但其生产体力往往较弱，老人的外感知能力如视力和听觉等也在衰退。

2）心理特征。老年人在劳动上的心理特征主要表现为劳动经验丰富，但是认知能力下降。妇女对劳动的认知更为敏感，但是要考虑到农村地区的平均教育水平较低，其在机器操作学习上可能会比较弱势。

3）行为模式。小型农机在丘陵地区的使用主要可以分解为：①启动农机，将农机移动至农田；②操作农机在农田进行来回移动；③进行相关农业具体操作；④将农机移回存放处，进行简单维护和清理。

3.2 现有产品调研

当前，针对丘陵农机的专门研发较少，主要集中在更大范畴的小型农机，丘陵农户使用最广泛的农机为微耕机，微耕机是一种通过发动机带动轮胎前进，依靠人力掌控方向进行简单作业的小型农机。例如，重庆地区就是典型的丘陵农业区，2015年重庆市近70万台农机中就有微耕机66万台，占到全部农机数量的90%以上；微耕机的受欢迎是由它广泛的功能性决定的，可以通过一种农机更换几种刀具或器械进行多种简单的农务，在小型农机中非常具有代表性。但微耕机也存在以下三个代表性的缺点：

1）操作费力。微耕机由于操作模式的限制，其工作状态需要一直有人双手把持，实际使用十分费力，且极有可能会使操作人员患上白指病。重庆市农机办副主任秦明山曾这样形容微耕机：“解放了牛，累死了人。”即使是一个青壮劳动力一天最多也只能使用4 h~5 h的微耕机。

2）危险性高。小型农机为了减轻成本和方便检修，在设计上大多缺乏保护措施，大量的齿轮、传送带和其他高速运作部件暴露在外，使用中被绞伤割伤导致残疾的案例众多。

3）故障率高。大多数农用机械使用的是化石燃料发动机，发动机因为需要在混合空气燃烧燃料的同时进行通风冷却，所以由机械结构的润滑油和大量的田间污物混合成的油泥十分容易造成机体故障。

3.3 问题分析

农机存在的操作费力问题主要归结于机器振动幅度过大、使用者操作姿态不合理；而安全性低主要是因为机器设计缺少保护措施，机械结构无外壳保护，且环境隔绝不到位导致尘土等污物混入结构内部，提高了故障率。这些问题在认知、感知、体力均落后于青壮年劳动力的弱劳动力使用中会进一步放大，因此对农机设计提出基本设计要求对其进行约束，如表1所示。

表1 基本设计要求

4 可持续设计理论在丘陵农机中的具体应用

基于对丘陵用小型农机的调研以及用户群体对于丘陵用农机的需求，应用可持续设计理论解决丘陵农机当前的设计缺陷（安全性问题、操作性问题、可靠性问题）以及产品性价比不够、利用率低、材料和能源的环保程度低等问题，在可持续设计方法的支撑下，进行设计对象的拓宽。

4.1 源头干预和末端治理

通过运用模块化的设计方式提高农机的用途多样性是促进农户购买农机的可行方向。模块化设计是通过全面分析产品，对产品进行有规律的划分，将划分出的模块进行规整组合从而实现功能的更换与扩展。这种设计模式与可持续发展理论中的末端治理和源头干预高度重合，即提前规划产品的生命周期，再在用户手中通过装配拆卸改变功能。模块化设计使丘陵农机产品具有以下优点：

1）扩大单一农机的功能面。农民只需要购置一台农机，通过更换模块化设计的作业功能模块，保留功能性相通的行走通过部件和能源及动力部件，就可以实现功能的切换，不仅使农民避免了购买过多功能重复的部件，又减少了材料使用成本，在环境和用户两方面都实现了可持续发展。

2）缩短产品设计周期。前文提到农机产品难以发展的一个重要原因便是生产量小、生产批次多，利润远低于大型农机生产研发。而模块化的研发生产模式可以很好地适应这种情况，同时还能促进新产品开发和更新迭代，适应不断变化的市场需求；于企业而言也能够降低其研发成本，提高产品质量，提升竞争能力。农民对于农机的使用是根据农作物的生长规律进行的，非农忙时期的农民从事副产，这一时段的农机是闲置的，可以开发用于副产或生活的农机模块来扩展产品功能。

4.2 消费公平

根据丘陵农业的劳动力现状，丘陵农机产品研发设计中的用户群体包括了身体机能相对于青壮年较弱的妇女和老人，设计标准应该向下包容这一群体，基于以人为本的设计需要，从心理和生理两个方面出发。丘陵农机产品对人的危害和阻碍主要体现在使用时因为身体机能的不足导致的危险和职业病危害以及在使用前对农机操作学习时遇到的困难，应该对产品进行人机交互、劳动保障、安全、舒适性、可维修性等方面的优化。

4.3 共享服务

运用开源化的平台进行服务系统设计，“开源”一词来源于电脑软件领域，开源指的是开发者通过开放自己的工程，与其他人进行合作，从而共同搭建某项工程，一个产品的任何设计资料都可以被公众自由使用，且任何基于原始设计资料的修改设计资料都必须继续保持开放状态[10]。这一概念在丘陵农机设计开发中可以通过开放模块设计平台和开放农机模块的设计参数实现，主要有以下几个优点：

1）集思广益。丘陵农业需要的功能庞杂，加上还要考虑农民的副产，让有意愿、有能力的人加入到功能模块的开发，能够更快地补齐一些偏门农务的功能模块，多个学科背景的参与者合作也可以避免设计的局限性。

2）资源活用。现实中的生产资源能够被最大限度地利用起来，还能够让设计资源都被调动起来，造福农民，让劳动成果共享。设计上的开源还与产品中的模块化高度重合，提供机械接口的数据和设计指标后，模块的开发将会更加高质高效。

开源设计在计算机领域已经得到了成功，如建模软件Blender就是基于开源开发的，其最初功能简陋，经过全球3D爱好者的开发，现在已经成为最强大的3D图形设计程序之一，Blender的成功经验可以为模块化丘陵用农机的开源设计所学习。

5 总结

可持续设计理论作为一种成熟的产品设计方法理论，在产品设计中已经得到了广泛应用。将可持续设计理论的主要理念应用到丘陵用农机设计中，可以系统性地解决产品本身的问题（安全性问题、操作性问题、可靠性问题等）、产品的可持续问题等。通过具体的模块化设计、开源化设计等方法进一步解决产品与人、人与社会、社会与环境的发展问题，在可持续化走进农业的同时，兼顾农民的生产劳动保障，满足丘陵农业对于优质农机的需求。