面向可适应性的果园运输小车设计与评价

周红宇　张敏祥　朱倩　阮晓松

摘要：为提高果园运输机械的可适应性，建立产品系统的适应性评价体系。基于用户需求的角度，以AD理论为指导框架分析功能需求和功能的独立性，通过设计过程中功能—设计参数的映射，将实现适应性功能的设计参数单独划分，并构建农业机械变型度评价模型；基于信息熵理论和改进的TOPSIS方法对各适应性设计参数进行变型度的定量描述，通过适应性设计参数的变型度评价来满足多样性的用户需求，提升产品本体与产品平台的可适应性评价。将所提方法应用于某型号果园运输小车设计实例，得到设计方案评价结果：方案1（电机调平方案）的相对接近度为0.246，方案2（液压油缸调平方案）的相对接近度为0.18。结果表明方案1的系统适应性要优于方案2，验证适应性评价体系的可行性，该评价方法能够对农业机械设备的研发与优化提供理论指导。

关键词：可适应性；果园运输小车；信息熵；改进的TOPSIS；评价方法

中图分类号：S229+.1文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11007908

Design and evaluation of orchard transport trolley for adaptability

Zhou Hongyu Zhang Minxiang Zhu Qian Ruan Xiaosong

（1. School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan， 430068， China；

2. Hubei Agricultural Machinery Engineering Research and Design Institute， Wuhan， 430068， China）

Abstract：In order to improve the adaptability of orchard transport machinery， an adaptability evaluation system of the product system is established. This paper analyzes the functional requirements and functional independence based on the perspective of user requirements with the framework of AD theory as a guide. The design parameters to achieve the adaptive functions are separated out by the mapping of function-design parameters in the design process， and the evaluation model of the variability of agricultural machinery is constructed. Quantitative description of the variational degree of each adaptive design parameter is made based on the information entropy theory and improved TOPSIS method， and the variability evaluation of adaptive design parameters is used to meet the diverse user needs， and improve the adaptability evaluation of product ontology and product platform. The proposed method is applied to the design of a model of orchard transport cart， and the evaluation results of the design solutions are obtained： The relative closeness of solution 1 （motor leveling solution） is 0.246， and that of solution 2 （hydraulic cylinder leveling solution） is 0.18. The results show that the system adaptability of solution 1 is better than that of solution 2， which verifies the feasibility of the adaptability evaluation system， and the evaluation method can provide theoretical guidance for the development and optimization of agricultural machinery and equipment.

Keywords：adaptability; orchard transport trolley; information entropy; improved TOPSIS; evaluation methods

0引言

丘陵果園运输设备是发展现代农业机械化过程中的有效工具，具有个性化、定制化、专用性等特征，其设计重点是面向功能需求驱动部件技术特性的设计过程。丘陵果园无人运输小车是典型的专用型设备，其机械系统是产品的核心部件，在爬坡、运输等工作中具有重要作用，可适应性设计不足将导致运输车在运输中出现整个侧翻、行驶不稳、货物掉出等问题［12］。

研究者在农业设备的适用性评价等方面做了大量研究。刘佛良等［3］针对山地果园运输环境的复杂性，设计了双履带微型运输车，增加其适应性满足山地果园的运输需求。牛成强等［4］基于模糊数学隶属度理论，从技术体系、经济体系、环境体系三方面分析了水果田间运输车的机械系统适用性。赵华洋等［5］构建区间层次分析和隶属度的农业机械性能评价模型，从人机属性、工作性能、整机属性等五个方面评价了蓖麻联合收割机的综合性能。以上研究侧重于农业机械的适应性指标评价体系研究，对农业机械的设计与研发有一定的价值，但在产品设计过程方面，缺少对机械系统功能和结构的有效评价。

适应性设计是一种新的设计范式，其理念是让产品和设计能够适应不同或新环境中的潜在和可以被预测的需求［6］。对产品适应性进行量化是为了提高机械系统的可适应性，从信息角度对可适应设计信息度量并构建其综合评价指标具有一定的参考价值［78］。针对信息熵在产品适应性领域的评价，孙之琳等［9］构建了产品可适应设计过程，通过公理设计将用户域逐级映射至其他域；孙剑萍等［10］构建了面向产品平台设计的适应性分析模型，并通过分析某盾构机平台设计的适应性评价指标验证了该模型的可用性。以上方法已经研究了产品从功能需求到产品结构的适应性，但鲜见从农业机械角度对功能和部件的可适应性参数变型度进行产品可适应性研究。

为应对个性化的用户需求，如何找到功能—结构中适应性参数并通过适应性参数的变型度来评价产品系统适应性，以实现对农机设备的客观评价。本文对丘陵果园运输小车（以下简称运输小车）设计进行可适应设计分析，从用户需求角度出发，以公理化理论为指导，将用户需求映射形成功能概念空间，通过功能类型划分构建结构概念空间的农业机械变型度评价模型；然后，采用信息熵理论对模型中的可适应设计参数进行评价指标定量分析，通过变型度将可适应结构转化为定量的数据化模型，实现农业机械产品中功能和部件的客观评价。

1运输小车机械系统的适应性评价模型

由于运输小车具有系列化分级特征不明确，用户个性化强等特点，其设计形式是根据用户的需要来确定，因此该设备通常采用的是小批量设计模式。同时为了快速响应市场以及满足用户需求，缩短运输小车设计周期，降低成本，本文研究运输小车机械系统的可适应性评价模型，以实现对农机设备的客观评价。

根据公理化设计理论能够满足功能需求的物理结构可描述为“设计参数”［11］，因此，运输小车的产品结构可由设计参数来表征。为了将运输小车的功能需求和设计参数进行系统性分析，首先，采用公理化设计定义产品的基本功能FR^b、适应性功能FR^e、个性化功能FR^a。通过分析功能模块独立性进行功能—设计参数映射，从而形成结构概念空间；然后，应用層级映射确定适应性设计参数，并建立产品适应性设计参数的变型度设计矩阵；最后，基于信息熵理论从可适应性层面对运输小车机械系统进行客观的综合评价。

1.1基于独立公理的适应性功能需求划分

产品设计系统可通过修改产品的物理结构来提高其可适应性。为此，需要尽可能保证产品实现功能的独立性，采用公理化设计中的独立公理，在设计早期的领域映射过程中识别出可接受的设计解，并且通过适当选择设计参数DP_S来保持功能需求FR_S的独立性［12］。

1.2产品设计参数变型度评价依据

对于不同体系的产品系统结构，其适配的难度会有所不同。通过对该系统结构进行标准化接口的功能需求分析，并划分出设计参数，使其具备良好的功能兼容性和可逆性，从而降低产品拆卸和重新配置的成本。在此过程中，如何判断设计参数变型程度的大小，快速准确地完成对产品的升级换代，是一个亟待解决的问题。

产品适应性是指原有产品适应环境需求变化的能力［14］。产品适应性通常是通过修改现有的产品体系结构，即根据产品功能、结构的变型可能性或难易程度，用新的组件来添加替换或升级变型度大组件或模块，以及重新配置现有的组件或模块。因此以现有产品为原型，对产品的适应性设计参数进行定量的变型描述的分析，判断变型的可能性或难易程度，实现产品快速配置。

适应性设计参数变型度是指通过改变某一适应性设计参数使现有产品满足功能需求的难易程度，主要从物理结构层级上进行农业设备的客观评价，如表1所示。

2产品可适应评价方法

2.1产品适应性功能-设计参数的度量

根据运输小车变型度评价准则，建立适应性设计参数变型度AD，得到原始矩阵。

2.2产品机械系统可适应评价方法

在进行可适应性评价时，采用能够逼近理想值的熵权-TOPSIS排序方法，该方法利用熵权客观赋权，一定程度上消除TOPSIS的主观随意性，修正正、负理想解的取值范围，简化求解过程。通过公理划分结果，建立产品适应性任务，并且基于表1的评价准则，构建产品可适应性设计参数变型度矩阵AD。

3应用实例

丘陵果园运输小车是主要用于林、果、茶园等复杂环境下的货品运输设备，其设计参数需要结合具体的用户、环境等需求，进行合理的配置，具有系列化分级特征不明显、用户定制性强等特点。本文以某型号果园运输小车设计为例，该设备采用履带式地盘，其主要参数指标，如表2所示。

3.1运输小车功能需求—设计参数映射

根据公理化设计理论，应用式（1）～式（6）对功能需求及类型进行划分，通过功能概念空间FCS和结构概念空间SCS之间的映射来实现分解确定设计参数，得到功能分解图，如图1所示，在分解过程中每一层级都需进行功能独立性的判断。

根据用户需求总结产品的功能需求，确定每个功能需求在实现过程中的重要性，并分析用户与产品功能的共同需求之间的相关性，评估变化的特征。运输小车功能分解图如图2所示，产品功能概念空间可以划分为基本功能空间、适应性功能空间、个性化功能空间三种类型。

3.2运输小车设计参数变型度评价

通过图2和图3，分析得到运输小车设计方案。其中，方案1选用Z2-31-39驱动电机功率为1.4kW，其调平机构为电机调平，其零部件分别为调平装置支撑挡板、调平电机、调平控制器、主动齿轮、从动轮支撑轴、从动摆动调平挡板和角度传感器等结构组成，方案1的结构示意图，如图4所示。

图4中DP8为调平电机、DP15为调平控制器、DP16为角度传感器、DP17为从动摆动调平板、DP37为主动齿轮、DP40为调平装置支撑挡板、DP43从动轮支撑轴。

方案2选用Y90L驱动电机功率为2.97kW，其调平机构为液压调平机构，其零部件分别为液压调平油缸A、液压调平油缸B、液压杆腔、横梁、履带行走架和果箱托盘等结构组成，方案2的结构示意图，如图5所示。图5中为DP9调平液压油缸、DP20为果箱托盘、DP28为驱动电机、DP34为电机控制器、DP42为履带行走架。

通过计算每个方案的调平机构设计参数变型度信息熵以及方案的信息熵来衡量每个方案的适应性，经过对比最后的方案总变型度信息熵，得到最优的设计方案。

基于公理化设计划分结果，建立运输小车的适应性任务TP={TP1外部机构系统、TP2主驱动系统、TP3运行支撑系统、TP4电气控制系统、TP5导向系统、TP6平台调平系统、TP7减震系统、TP8安全防护系统}。根据适应性任务，分别对方案1和方案2的调平机构进行评价。

根据表1的评价准则，构建设计参数变型度矩阵Aa和Ab，然后由式（9）和式（10）对矩阵进行规范化处理，由式（11）分别计算每个方案中各设计参数对于可适应性任务的变型度矩阵pij，计算结果如表3～表4所示。

3.3运输小车方案适应性评价分析

为了更好地对方案进行评价，采用能够逼近理想值的TOPSIS方法，通过对熵权矩阵进行正、负理想的修正，由式（15）得到标准化后的矩阵，如表7～表8所示。

传统TOPSIS方法对于正负理想解分别为因素中的最优值与最劣值，其取值范围较为宽泛，并且它的计算过程非常复杂。本文采用改进的TOPSIS法，对初始矩阵进行规范化化处理，使其目标属性的取值在0～1之间。针对设计参数的正理想解期望现有方案的设计在适应性要求上所处的状态相对于理想设计方案的状态，其隶属匹配度是最大的，因此，由式（16）～式（20）可得方案中设计参数的适应性与理想解之间的相对接近度，如表9～表10所示。

3.4结果分析

依据本文建立的农业机械变型度评价模型可以从机械系统的视角得到2种方案的适应性设计参数评价结果，如图6所示。总体来说，方案1的适应性评价为0.246；方案2的适应性评价为0.18，从分析结果来看，方案1的系统适应性要优于方案2，说明了方案1的适应性较好，同时也说明了方案1的设计注重产品系统中的功能拓展、适应性以及信息流的交互，同时也注重结构的紧凑型、标准化和适应性变型，使得该产品系统拥有清晰的功能信息流和较强的结构适应性。

该方案采用调平电机机构进行果箱的水平调节，其原理在运输小车通过起伏路面时，果箱托盘与水平面形成了一定的角度，此时角度传感器将形成的角度传输到调平控制器，调平控制器根据传输的角度型号控制调平电机对调平板进行摆动，使得果箱托盘与水平面之间形成水平状态，从而保持果箱水平，保证了运输小车在行驶中果箱的稳定性，保护果品不受到损坏。由于其采用紧凑的结构、组件的适应性变型以及模块化设计，使得该设备在迭代升级中可以更快地进行产品变型与更新。

4结论

为了实现企业项目研发的快速发展，研究项目方案的评价与决策是具有重要意義的。本文针对农机设备方案的适应性进行综合评价研究，基于信息熵方法从产品系统中设计参数的角度出发，采用产品系统可适应设计的信息熵评价方法，与改进的TOPSIS方法相结合，实现从产品机械系统的角度对设计方案进行客观定量评价。

1）  本文针对传统的农业机械指标评价方法，提出了以产品设计参数为视角，产品可适应设计评价为基础，对丘陵果园运输小车进行评价和决策研究。

2）  基于公理化设计的划分，分别遴选出运输小车的两种不同形式的调平机构设计方案，其中方案1为电机调平，方案2为液压调平。

3）  针对运输小车的两种调平装置设计方案，计算其方案的相对接近度，分别为0.246和0.18。研究结果表明，方案1的适应性要明显优于方案2。

参考文献

［1］宋月鹏， 张红梅， 高东升， 等. 国内丘陵山地果园运输机械发展现状与趋势［J］. 中国农机化学报， 2019， 40（1）： 50-55， 67.Song Yuepeng， Zhang Hongmei， Gao Dongsheng， et al. Development status and trend of domestic orchard transportation machinery in hilly and mountainous areas ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（1）： 50-55， 67.

［2］吴伟斌， 赵奔， 朱余清， 等. 丘陵山地果园运输机的研究进展［J］. 华中农业大学学报， 2013， 32（4）： 135-142.Wu Weibin， Zhao Ben， Zhu Yuqing， et al. Research progress of hilly orchard transporter ［J］. Journal of Huazhong Agricultural University， 2013， 32（4）：135-142.

［3］刘佛良， 张震邦， 杨晓彬， 等. 山地果园双履带微型运输车的设计， 仿真与试验［J］. 华中农业大学学报， 2018， 37（4）： 15-23.Liu Foliang， Zhang Zhenbang， Yang Xiaobin， et al. Design， simulation and experimental analysis of a miniature double crawler transport vehicle in mountain orchard ［J］. Journal of Huazhong Agricultural University， 2018， 37（4）： 15-23.

［4］牛成强， 宋月鹏， 李钊， 等. 丘陵山区水果田间输运机械适用性评价研究［J］. 中国农机化学报， 2020， 41（11）： 89-94.Niu Chengqiang， Song Yuepeng， Li Zhao， et al. Study on applicability evaluation of fruit field transportation machinery in hilly mountain area ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（11）： 89-94.

［5］赵华洋， 李理， 刘光宇， 等. 基于区间层次分析法和隶属度的蓖麻联合收割机性能综合评价［J］. 中国农机化学报， 2018， 39（10）： 107-111.Zhao Huayang， Li Li， Liu Guangyu， et al. Comprehensive evaluation of castor harvester performance based on interval analytic hierarchy process and membership degree ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2018， 39（10）： 107-111.

［6］Gu P， Hashemian M， Nee A Y C. Adaptable design ［J］. CIRP Annals， 2004， 53（2）： 539-557.

［7］Cheng Q， Zhang G， Liu Z， et al. A structure-based approach to evaluation product adaptability in adaptable design ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2011， 25（5）： 1081-1094.

［8］Li Y， Xue D， Gu P. Design for product adaptability ［J］. Concurrent Engineering， 2008， 16（3）： 221-232.

［9］孙之琳， 王凯峰， 陈永亮， 等. 产品可适应设计评价的信息熵方法［J］. 工程设计学报， 2021， 28（1）： 1-13.Sun Zhilin， Wang Kaifeng， Chen Yongliang， et al. Information entropy method for product adaptable design evaluation ［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2021， 28（1）： 1-13.

［10］孙剑萍， 汤兆平. 产品平台设计的可适应性研究与评价［J］. 制造业自动化， 2019， 41（9）： 37-45.Sun Jianping， Tang Zhaoping. Research and evaluation on the adaptability of product platform design ［J］. Manufacturing Automation， 2019， 41（9）： 37-45.

［11］Xiao R， Cheng X. A systematic approach to coupling disposal of product family design （part 1）：Methodology ［J］. Procedia CIRP， 2016， 53： 21-28.

［12］Gu P， Xue D， Nee A. Adaptable design： Concepts， methods， and applications ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2009， 223（11）： 1367-1387.

［13］肖人彬. 復杂产品的解耦设计与开发［M］. 北京： 科学出版社， 2019.

［14］程贤福. 面向可适应性的稳健性产品平台规划方法［J］. 机械工程学报， 2015， 51（19）： 154-163.Chen Xianfu. Adaptability-oriented planning method for robust product platform ［J］. Juornal of Mechanical Engineering， 2015， 51（19）： 154-163.

［15］Wang X M， Zhao B， Zhang Q. Mining method choice based on AHP and fuzzy mathematics ［J］. Journal of Central South University： Science and Technology， 2008， 39（5）： 875-880.