基于产品语义分析的自激对冲喷头概念设计

董福龙,周宏平,易克传

(1.南京林业大学 机械电子工程学院,南京 210037；2.安徽科技学院 机械工程学院,安徽 凤阳 233100 )

0 引言

众所周知，在保护农林作物高产、稳产方面，植保机械发挥着重要作用[1]。植保机械用的喷头(或喷嘴)是药液雾化和均匀喷射的关键部件，其性能好坏决定喷雾过程中的施药量、雾滴粒径均匀度等衡量喷雾质量的关键性指标，也是改进喷雾施药技术的关键[2]。

目前，在工程设计领域方面，各种设计方法的研究已较为深入，知识工程、可拓关联、产品族、CAD、层次分析法等设计准则已广泛应用于产品设计的整个过程中，大大提高了设计效率和质量[3]；但在设计方法注重文化内涵创意方面研究的较少，优秀的产品必定注重文化内涵的设计和利用。Polanyi把知识分为隐性知识和显性知识两种，为设计过程的知识发掘奠定了基础[4]；日本广岛大学的长町三生学者提出将感性与工学相结合的感性工学理论[5]；我国广东工业大学的蔡文教授创立了可拓学[6]，为寻找产品设计最优方案提供了参考理论。产品语义学来源于符号学理论，其本质是通过对产品感观感受来揭示或暗示产品的内部结构，使产品功能明确而方便理解，从而让使用者有更加明确的感观形象并具有象征意义的形态设计，传达给使用者更多的文化内涵，达到人、机、环境的和谐统一，给研究产品形态的个性化与标准化提供了新的理论基础[7]。本文运用自然语言处理方法实现自激对冲喷嘴原理设计的推导，探讨产品语义分析在喷头设计中的应用，为植保机械设计提供一种可行的技术借鉴。

1 喷头设计的产品语义模型

产品语义学主要研究人造物体形态在使用环境中的象征特性及其知识在工业设计中的应用，它拓宽了人机工程学的范畴，将设计因素深入至人的心理、精神层面，突破传统人机工程学只对人物理和生理机能方面的考虑。其功能包含物理性和生理性方面，还包含心理、社会、文化等构成人们生活的象征环境[8]。瑞士语言学家索绪尔将符号界定为能指与所指，语义学即研究能指与所指之间关系。产品语义学包括产品符号、符号意义和符号使用者三要素，是一个以符号语言学与传播学为基础的综合系统。总之，语义学是研究产品设计与其意义之间关系的学科，如图1所示。

根据美国学者Shannon[9]提出的信息论理论，信息传播被认为是某一个人的思想行为影响到另一个人的过程。 根据Shannon提出的模型将植保机械喷头设计定义为设计目标输入与设计结果输出的多目标耦合过程。为实现信息的有效传播，设计者必须关注喷头结构设计，同时还要从使用者角度考虑设计表达、评价的输出过程，对上述情况定义如下。

定义1：根据前述产品语义分为能指与所指。在产品设计中，视觉属性的造型特征和美学属性的产品风格特征都是一种隐性知识，前者属于能指的范围，后者则属于所指的范畴，都存在于人的头脑中，比较难以规范化和表述[10]，即

P={S,E}

(1)

其中，P表示产品语义；S表示能指；E表示所指。

对式(1)中的S、E分别进行分解，则有

S→{S1，S2，…，Sn}

(2)

E→{E1，E2，…，Em}

(3)

定义2：设植保喷头设计为Dp，对Dp进行形式化描述，则有

Dp=(Dp1，Dp2，Dp3，M)

(4)

其中，Dp1表示使用者的需求；Dp2表示设计任务；Dp3表示设计评价；M表示三者之间关系。这构成一个Dp1→Dp2→Dp3的四元组。

图1 产品语义的能指与所指

根据上述，如图2所示，文中提出了基于产品语义分析的植保喷头设计方法。

图2 基于产品语义分析的植保喷头设计方法

2 自然语言处理的产品语义表征方法

通过提取主题词对植保机械喷头设计语义进行表征。主题词的提取遵循认知经济性和稳定性原则，前者以最小的容量获取最多的信息，后者指主题词涵义相对稳定且不易受情境影响。依上述原则用名词和形容词作为语义表征的主要方式，步骤如下：

1)口语报告法。通过语言将工作记忆信息外显化，高效、准确、及时反映受试者心声，通过分析记录言语形成的记录以获取设计信息。在完成测试内容时测试者要报告自己的心理活动，不需描述思考过程和解释原因，以保证测试者的思维过程是直接未经任何加工的。

2)设计主题词提取及权重计算。

(1)假设nij为短语或词语tij在某篇测试者口语报告文档中统计出现的次数，设该短语或词语的词频为Fij，则

(5)

其中，∑nkj表示文档中所有短语或词语出现次数之和。

(6)

其中，L表示经验值，通常取L=0.01。

(3)假设H表示该短语或词语的信息熵值，最后得到短语或词语tij的权重为ωij，则有

(7)

当ωij≥δmin(δmin是设定的最小值)时，该短语或词语将会作为主题词被提取。

3)设计主题词的相似度计算与聚类。在主题词提取后，将相似的聚类并提炼成关键词，主题词相似度的计算方法表示：对于实际中某两个汉语词汇W1、W2，假设W1有n个义项，表示为S11，S12，…，S1n，W2有m个义项，表示为S21，S22，…，S2m。定义W1和W2的相似度表示为各个概念相似度的最大值，即

(8)

其中，0≤sim(W1,W2)≤1。当sim(W1,W2)=1时表示两个词的词义完全一致；sim(W1,W2)=0时表示两个词的词义完全不同。

3 自激对冲喷头概念设计

设计是服务于人类的，为使人们的生活更美好和便捷，人们需要形态好、功能优且具备人文关怀和环境意识的产品。产品概念设计是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的一种设计方法，通过分析用户需求到概念产品生成的一系列有序的、有目标的、可组织的设计活动，表现为一个由发散到收敛、由模糊到清晰、由抽象到具体的不断进化的过程[11]。据相关统计，概念设计阶段可决定产品全生命周期成本的85%以上，而花费的成本仅不到产品全生命周期成本的5%。优秀的设计产品经系统、全面分析，在产品语意把握方面，充分运用设计符号使产品功能与形式达到高度统一，体现了产品文化内涵和象征意义，还体现出该设计对使用者的关怀。

3.1 喷头语义分析

文中以南京林业大学研发的变量施药机项目(国家林业局948项目)为背景，设计了一种新型植保喷头，其产品机会分析如表1所示。

表 1 植保喷头的产品机会分析

随着使用者要求产品多样化和个性化，制造企业和设计人员越发难以把握使用者需求，设计上充分考虑使用者心理，把传统文化与技术设计相结合，进行产品语意造型设计并与产品设计相匹配是现阶段设计产品面临的一个重要课题。新喷头名称最终确定为自激对冲喷头，该名称由自激和对冲构成，其代表涵义是：自激，从听觉感观上与自己、自身相近；有自我刺激的意思，简称“自激”；表述为一种物理现象。对冲，相互冲击，相互撞击之意；表示为一种工作方式。根据名称的心里暗示，使用者可以认为该喷头是一种能够自我实现射流相互撞击的喷头，其应该能够通过该种工作方式满足或者达到某一特定目的，这与该喷头的工作原理和设计意图相一致。

运用自然语言对喷头设计语义进行表征。随机选择测试者10名，其中专业人员5人，普通人员5人；男性8人，女性2人；平均年龄25岁。向测试者介绍试验情况后，要求测试者对该喷头进行描述，尽量用形容词或名词，测试时间10min左右并在安静环境进行，地点在安徽科技学院实验室。对测试者表述进行分析，提取主题词并按权重分析，合并相似项并进行筛选得5个关键词，即安全、高效、环保、可替换和个性化。最终确定的语义为：能够突出某种工作特性，适应一定工作要求，保证零部件通用性，工作效率高，外形个性化，使用简便。

3.2 自激对冲喷头的语义实现

在产品设计中除要表达功能性目的外，还要透过其语义特征来传达产品的文化内涵，以体现特定社会的价值取向和时代感。根据上述描述，使两股或多股经充分加速后形成的水流在喷头出口处附近以一定夹角相向高速流动并在撞击面上相互撞击，这种方法称为碰撞式喷雾方法[12]，源于撞击流理论，如图3所示。

图3 喷头射流相互冲击示意图

Ashgriz和Givi[13]以及我国伍沅[14]等许多学者都通过实验得出，两流体发生撞击一定程度上能均化雾滴群粒径，使粒径分布变窄，撞击越强烈越有利于粒径的均化的结论。新喷嘴结构方案，采用使两股侧流孔充分加速后的扇形射流在喷头出口处与主流孔射流以一定角度发生撞击以实现药液雾化，以使雾滴粒径分布变窄，如图4所示。

喷雾工作原理：药液从喷嘴出口高速射入空气中后，由于射流离撞击面距离较近，可以认为是射流的撞击，在气动力、惯性力、粘性力和表面张力等各种力的相互作用下，液柱分裂破碎，成为形状各异的离散团块；主流孔射出的射流液体沿轴向射向目标物，两侧流孔喷出的射流由于与轴线方向有一定锥角会在喷嘴出口附近处冲击到主射流，形成液体的射流互击现象，两侧流孔射流冲击主射流，使喷雾再次分裂；由于侧流孔射流与主流孔射流之间存在空气，在两射流接触区域附近会形成一定涡流，高速射流与周围气体之间的气动相互作用也会导致液面不稳定而破裂，在空气自激振荡作用下进一步粉碎液滴，改善喷雾质量。

图4 自激对冲喷头射流工作原理

3.3 自激对冲喷头工程设计

产品功能是用科学、简明、准确的语言对产品的需求信息或者效应进行抽象的描述，产品功能也可以理解为是产品的效能或用途[15]。自激对冲喷头应具备的功能有：①具备压力式喷头的基本功能；②药液射流自身实现射流互击，在喷嘴出口附近处实现相互撞击；③根据工作需要更换喷孔片达到改变喷射流量变化，增强零部件通用性和可换性，使喷头有较大变压特性，适应不同条件下喷雾需要；④通过一定装置改变侧流孔流量，进而改变主流孔流量，从而改变主流孔和侧流孔药液喷出速度，在一定范围内调整雾滴粒径均匀度。根据上述要求，运用CAD软件设计了一种满足作业需求的雾化喷头并申请了国家专利，如图5和图6所示。

1.喷头罩 2.密封垫 3.喷头帽 4.弹性密封垫 5.喷芯

其工作原理：药液压力通过调压阀控制，一定压力的药液经喷管流过压帽到达喷孔片，药液经喷孔片的主流孔和侧流孔进入喷射而出，喷射流经喷芯喷出。侧流孔可通过喷头罩在一定范围内调整(拧紧或放松)，从而微量控制侧流孔与主流孔药液流量变化和速度，达到控制射流撞击速度的变化。弹性密封垫内侧有两片调整压片，喷头帽内锥面在喷头罩拧紧时会向上挤压弹性密封垫内侧有两片匹配的调整压片，可实现侧向孔流量减小，从而引起主流孔流量改变；松开时，弹性密封垫恢复，侧向孔流量增加，可以在一定范围内实现微改变主、侧流孔流量，从而使自激对冲雾喷头内部压力增加或降低，在一定程度上实现变量调节。

1.喷头罩 2.密封垫 3.喷头帽 4.弹性密封垫 5.喷芯 6.喷孔片 7.压帽 8.喷管

3.4 实验测试

依据喷头基本工作原理，采用光固化工艺试制了孔径1.0mm，开槽角30°的单孔和双孔喷头进行实验验证，如图7所示。

(a) 单孔 (b) 双孔

分析喷头相对粒对粒谱宽度(RS)，则有

(9)

其中，DV90、DV10分别表示将取样雾滴的体积按雾滴从小到大的顺序累积，当累积值等于取样雾滴体积总和的90%或10%时，所分别对应的雾滴直径；VMD表示体积中径。

RS能精确说明雾滴分布的均匀性，其值越小越好，最理想的状态为0。

在相同实验条件下，运用德国新帕泰克有限公司的HELOS/QUTXEL激光粒度仪，距离喷嘴出口100mm测试雾滴粒径，分析测试结果得出相对粒谱宽度值单孔喷头在1.6～1.8之间，双孔撞击式喷头在1.1～1.2之间，结果表明：通过射流撞击能够实现雾滴粒径的均匀性，说明此种新型植保喷头方案是可行的。

4 结论

阐述了产品语义法，将植保机械喷头设计的语义定义为能指与所指，进行了形式化描述并定义了产品语义模型，进而提出了基于自然语言处理的产品设计语义的表征方法。通过社会、经济和技术三要素分析了植保喷头的产品机会，探讨了产品语义分析在自激对冲喷头概念设计中的运用方法，总结为语义分析→语义实现→工程设计3个步骤，证明了该方法的有效性。同时，完成了自激对冲喷头的概念设计，并把设计思想进行试验，验证了该设计方案的可行性，从而为植保机械设计提供了一种可行的设计方法。