基于功能分析法的森林巡检车设计

洪贵芝 王文慧 徐易明

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

对于森林资源而言，火灾是最大的威胁，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来最有害，具有毁灭性的后果[1]。同为森林三大灾害之一的森林病虫害被称为“不冒烟的森林火灾”，我国每年遭受大面积的森林火灾与森林病虫害影响，因此造成森林面积减少，年均人员伤亡与经济损失较大[2]。因此，做好森林防火、病虫害防治工作,对加强对林业资源的管理和保护，具有十分重要的意义。

1 国内外森林巡检现状描述及森林巡检车的优势分析

1.1 国内外森林巡检现状描述

目前，无论是国内还是国外都在大力研究空中防火系统以弥补地上巡护和火场侦查能力的不足。中小型特种飞机，如美国的赛斯纳208 飞机，中国哈尔滨飞机制造公司的运-12 飞机，中电的DA42-MPP 飞机，它们具有速度快、航程远、作业时间长的优势，可实现快速机动，大范围林区火情预警监测。但特种飞机一般是在森林火灾多发季节按照预定航线飞行巡检，通过红外传感器，当检测到林区有烟柱等疑似火情时切换红外探测，测定具体温度，根据测定的温度判断火情是否发生。而森林火灾一般从地上着起，当着火至空中检测烟柱响应时火灾已经达到一定范围，且对于茂密的森林而言，树冠和繁茂的树叶、枝条都是保温且遮蔽性很强的天然屏障。仅靠飞机监测极易错过早期火情的发生。在地上巡护方面，我国一般是靠护林员进行人力巡检。但森林地貌复杂，区域广，植物种类多样，林业工作环境复杂，人员在山中，往往发现不及时，也无法实施时准确掌握火场发展态势、火场温度、燃烧程度和范围，无法准确定位及向上级部门精确地反馈火情程度。除此之外，林火形势变化会严重威胁护林人员的生命安全。更重要的是，护林员巡护时从发生火灾到森林消防前往火灾地带过程中的时间差易造成火情可控性的大大降低，导致更严重的损失。

1.2 森林巡检车在森林消防方面的优势分析

森林巡检车的作用就是能够及早的发现，甚至在其温度发生异常还未着火或发生地下火的时，可以提早防护，在发生早期着火时能采取一定措施灭火或者控制火势减小损失。

1.3 森林巡检车在森林病虫害方面的优势分析

根据数据统计，目前我国森林病虫害大约有8000 余种，在全国范围内常发生的病虫害有200 多种，而对于林业生产造成频发性灾害和损失的有100 多种。常见的森林病虫害大多是突然发生，一般没有固定的规律，而专家很难对其预测[3]。并且具备这种庞大知识储备的人才数量有限，而森林面积之大，虫类品种繁多，完全靠人力来检测森林病虫害难度极大。森林巡检车的优势在于根据森林植物种类和环境因素，设置易发病虫害数据库，当巡检车检测到设定数量值时，反映给护林员，以尽早采取措施以避免害虫泛滥成灾，另外森林巡检车配置了喷药装置，可针对几种虫类进行检测和灭除以节省人力。

2 功能分析法原理

功能分析法——探寻功能方案的主要方法。这种方法将复杂系统的总功能分化为功能单元，再对每个功能元求解，进行组合，得到系统多种方案，再进行分析比较，最后得到最佳功能方案[4]。功能分析法的具体步骤为“需求分析→总功能定义→功能分解→功能元求解→方案综合”。

3 森林巡检车需求分析与总功能定义

3.1 森林巡检车的需求分析

3.1.1 护林员的工作环境比较恶劣, 需要面临严峻的工作环境和巨大的生活压力。在巡检过程中需要携带一定数量的设备，造成行动负担。此外，由于身处密林，护林员在巡检过程中极易遭遇野兽，有被野兽袭击的风险。

3.1.2 监测方式独立造成监控数据分散，没有形成全面的监测体系，巡检时发现问题无法及时上报，监测效率低。

3.1.3 无人机无法完成针对森林高空视野盲区的巡检任务，造成部分监测范围缺失。

3.1.4 森林地形复杂，普通载具无法深入林区，只能进行部分巡检任务。

3.1.5 现有的人力巡检动速度慢，耗时耗力。

3.1.6 现有设备限制。受飞机性能和火场及附近环境的限制，航空灭火并不适用于所有的森林火灾，而且灭火飞机高昂的价格和复杂的使用维护也制约了其使用和发展[5]。

3.2 森林巡检车的设计需求

跟据以上需求分析，森林巡检车设计需求可总结为以下五点：

3.2.1 全地形行驶——可适应森林的复杂地形，在普通车辆难以机动的地形上行走自如。

3.2.2 多传感器融合——各种传感器配合，通过较为全面的信息输入及时发现及判断森林灾情隐患。

3.2.3 小且灵活——方便迅速到达所需前往的地点，在森林中穿行不易受到较大阻碍。

3.2.4 多机械手协调作业——协助护林员处理防护林问题：灭火装置，喷药装置。

3.2.5 多功能集成——功能丰富，智能化管理林业：多功能集成原理。

3.2.6 智慧互联——手机和电脑端实现随时随地查看防护林情况，并能处理部分状况总体而言，该森林巡检车应能替代护林员进行森林巡检工作，具有较好的环境监测能力，小规模灾情处理能力与可视性，并具有较好的结构强度。

3.3 森林巡检车的总功能定义

将设计的对象系统看成是一个不透明的、不知其内部结构的“黑箱”，只集中分析比较系统中的三个基本要素(能量、物料和信息)的输入输出关系，就能突出的表达系统的核心问题——系统的总功能。根据上述设计需求，对该森林巡检车的总功能定义如图1 所示。该功能黑箱的输入为环境信息与控制信号，输出为反馈信息与帮助处理灾情的一定介质，以实现“巡检”的总功能。在林区环境中，黑箱内部即为满足上述设计需求的各功能部件，如图1。

图1 森林巡检车的黑箱示意图

4 功能分解与设计求解

4.1 功能分解

将总功能分解为分功能，直至功能元。功能元是不能分解的最小功能单位，是直接从物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。功能分解可用树状图予以图示，称为功能树，如图2。

图2 森林巡检车的总功能分析

本例从较为抽象的层面上确定了森林巡检的总功能之后，围绕需求分析、功能定义与实际技术手段对该总功能进行分解，并将巡检车的总功能分解为如图2 所示的功能结构，其中功能元是对子功能的进一步细分，可以选择相应的手段方法加以实现。[6]

4.2 设计求解

将总功能分解为最小功能元，通过寻找功能实现的手段方法，从而实现产品总功能。

表1 针对运动功能、控制功能、检测功能、作业功能等分解出的最小功能元，分别提出了可能的解决方案。以上形态学由矩阵， 可得到可能组合的系统原理方案的数目N=4x3x1x4x2x1x5x3=1440 种，在以上众多的组合方案中，由定性到定量进行选择，筛选删去一些不符合设计要求或与各分功能的解不相容的方案，从中选出符合功能目标的最佳原理方案。

表1 森林巡检车的功能求解分析(“棋盘格”分析)

由于森林巡检车工作环境的特殊性，本设计选择的功能元解决方案组合为“电动机- 轮胎式多足式交替- 机械臂- 感烟探测器- 高光谱遥感监测- 拍照式监测仪- 水枪- 化学药剂喷枪”，而这些方面也是下一步详细设计的重点所在。

5 森林巡检车的详细设计与产品方案

5.1 造型设计

在明确了森林巡检车的需求、功能与概念设计定位之后，对其外观造型及关键部件进行详细设计，生成产品概念效果图。为满足小型化的要求，设计该巡检车尺寸为1000×1600×1000(mm)，如图3 所示。小型化车体使得该巡检车可以顺利通过林区间隙，并可以在林区内自由转向。

图3 森林巡检车的造型设计

5.2 运动功能

借助碳纤维复合材料，使车辆的尺寸和总重量保持在最低水平，它可以立即将运动状态从轮式移动转变为多足移动，使其能够适应多种林区地形。在大多数情况下巡检车使用全轮驱动机制来行驶，当地形变得复杂崎岖，便进入多足行走模式。

本巡检车驱动由发动机、发电机、驱动电机组成，采用混合动力混合动力汽车(SPHEV)驱动，结合串联混合动力汽车(SHEV)和并联混合动力汽车(PHEV)的结构特点，可具有更多的混合动力驱动模式。发动机、电力/ 发电机和驱动电机可为SPHEV 总功率的1/3～1 倍，但可接近或达到内燃机车辆的动力性能水平。可以降低巡检车的整车质量，提高性能，提高经济性，满足超低污染的排放要求，更适合在森林系统中行驶。本巡检车地盘较高，离地间隙大，适合于林地的复杂地形，不会对林地造成破坏。

5.3 灭火装置

本森林巡检车采用高压泵和高压细水雾水枪配套，利用高压水枪具有的直流、喷雾的功能，进行灭火处理，高压水枪软管的长度不少于30M，为防止水管之间相互缠绕，软管卷盘内置于车顶部内，自动伸缩，每个高压水枪管都可以360°旋转，可以更好的进行灭火工作。

5.4 喷药装置

喷药方式采用静电喷雾技术，利用高压静电在喷头与树木之间产生静电场，雾滴通过不同的充电方法会被带上电荷，在静电场中可以定向运动。此喷雾技术可以使雾滴分散的更加均匀，雾滴漂浮失散的情况减少，沉积效率会更高，可以更好的对产生森林病虫害的部位进行处理。喷药喷头侧面有支架，支架可以从巡检车侧面延伸出来，喷头可以进行旋转，更好的实现病虫害处理的功能。

结束语

本设计通过对目前我国森林巡检的需求进行分析，找到设计痛点，提出了森林巡检车的概念；按照“需求分析→总功能定义→功能分解→功能元求解→方案综合”的程序进行了设计实践工作。基于功能分析法对森林巡检车的总功能进行了分解，并进行了详细设计，满足了设计需求，验证了基于功能分析法的产品概念设计程序与方法的有效性。