基于博弈论组合赋权-QFD的残膜回收机设计研究

郑祖芳 张潇文

摘要：为改善残膜回收机使用过程中的用户满意度低与机械作业方式单一的问题，文章以用户需求为基础，构建博弈论组合赋权与质量功能展开（QFD，也称“质量屋”）相结合的设计流程，開展设计研究以获取解决方案。首先，针对目标用户采用问卷发放与半结构化访谈的方式，归纳总结用户对残膜回收机的19项实际需求，从审美性、实用功能性、安全性、经济性四个角度构建残膜回收机的用户需求层次模型；其次，借助层次分析法和熵权法的博弈论加权方法，综合判定各指标要素的重要性，提高需求评价的科学性与合理性；再次，利用QFD理论将用户需求数据转化为设计要素，通过构建残膜回收机质量屋，确定各设计要素的优先级顺序，明确设计重点；最后，根据分析结果，依次从功能、结构、整体外观三个方面设计符合用户需求的残膜回收旋耕一体机方案。该设计方案能够实现残膜捡拾、打捆、土地旋耕的一体化作业，经过模糊综合评价验证了方案的可行性，能够提高机器的使用效率，以及弥补我国残膜回收机在设计方面的不足。文章的研究表明，应用博弈论组合赋权-QFD的设计方法，能够突出用户需求与产品功能的关系，可辅助设计人员从用户需求的角度出发，为此类产品的设计研究提供借鉴，同时为改善农业产品的用户体验拓展了新的思路。

关键词：残膜回收机；设计；QFD；用户需求；博弈论组合赋权

中图分类号：S223.5 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）09-00-05

目前，机械化回收残膜已得到广泛应用，成为解决残膜污染的主要途径，近年来我国科研院所相继开发出了多种类型的残膜回收机，并取得了一定成果。随着我国农业机械化程度的提高和智能化农业的发展，农民对残膜回收机的需求日益增多且呈现出多样化趋势。当下，残膜回收机的研究重点主要集中在结构设计、膜杂分离系统设计及智能化控制系统设计［1］等方面，缺少对残膜回收机用户体验、外观形象等方面的研究，且功能、使用方式单一，以用户需求为导向的产品创新研究存在空白，因此本文展开残膜回收机产品的设计与研究。在设计阶段，要全面考虑产品相关的用户因素，量化成详尽的设计要素。李晓杰［2］应用AHP（层次分析法）计算了QFD中用户需求的权重，实现了地震救援机器人的创新设计；王向南［3］等将需求与设计要求融入QFD-FBS，设计出劝导性儿童产品。用户需求权重的判定有主观与客观赋权，前者容易夸大专家的主观判断，而后者建立在量化数据的基础之上，但最后的结果却与实际相背离。张书涛［4］等根据博弈论组合赋权确定评价指标权重，提高了文创设计评价的科学性；周爱民［5］等运用博弈论组合赋权求解美度指标的综合权重，得到了较为客观的评价结果。

综上所述，本文采用博弈论主客观组合赋权求解残膜回收机用户需求综合重要度，提高用户权重的可靠性，QFD将用户需求与产品特性相联系，提升其设计合理度，为产品创新提供依据。

1 基于博弈论组合赋权-QFD的设计流程构建

设计模型的构建主要包括用户需求分析、设计要素转化以及设计实例三个层面。在用户需求分析方面，借助问卷调查及半结构化访谈获取残膜回收机的用户需求，利用层次分析法（AHP）明确用户需求指标要素，并求取各指标的主观权重；引入熵权法输出各用户需求的权重系数；应用博弈论组合赋权模型，获得主客观权重的最优解；引入QFD构建残膜回收机的质量屋，将用户需求转化为设计要素；最后，依据量化结果编写设计方案。设计残膜回收机需要综合考虑多层次因素，构建合理的设计流程，从而高效完成设计决策。

2 基于博弈论组合赋权的用户需求分析

2.1 用户需求获取

以地膜使用农户、农机新产品开发负责人、工程师和设计师共100人作为调研对象，回收有效问卷89份，并对其中的26个调查对象进行半结构化访谈，了解目标群体对市场上已有的残膜回收机的使用体验，得到其对残膜回收机设计的期望和需求。经过筛选，将用户关注度不高并且实现成本较高的遥控、降噪等需求剔除，最终确定19个用户需求。从审美性、功能性、安全性、经济性四个角度，构建残膜回收机的用户需求层次模型，如图1所示。

2.2 用户需求综合权重的确定

2.2.1 层次分析法确定主观权重

针对残膜回收机各指标要素的重要度，按照1～9标度评分，由设计师和农机技术人员组成的10人专家小组共同评分，具体步骤如下［6］。

（1）构建判断矩阵A=（aij）n×n。

式中：aij表示为第i项指标因素对比第j项指标的重要程度赋值，n为指标元素的个数，矩阵A需满足aij＞0，aji·aij=1，aii =1。

（2）判断矩阵的一致性查验。当CR＜0.1时，可进行下一步设计分析。

式中：λmax为最大特征根；CR为一致性比率；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标。

（3）主观权重的获取。借助Python编程对一级指标和二级指标的λmax所对应的特征向量Vi进行归一化计算，最终得到各层级设计评价指标的主观权重。

2.2.2 熵权法确定客观权重

邀请5名专家使用9级李克特量表评价每个需求因素的重要性，数值越大表示重要程度越高。该方法能够减少主观经验对指标权重的影响，计算步骤如下［7］。

（1）构建专家评分数据矩阵B=（bij）n×m，将矩阵标准化处理得到G =（gij）n×m。

（2）求取各个指标的信息熵Ei。

（3）确定指标的客观权重。

2.2.3 基于博弈论的组合权重确定

借助博弈论组合赋权思想，在纳什均衡理论的目标下，通过线性组合由多个不同方法获得的权值确定最优权重，使指标赋权更加科学，基本步骤如下［8］。

（1）构建权重向量集W。分别用层次分析法和熵权法求得残膜回收机各评价指标在该体系中占有的比重ω1与ω2，以此组合为基础权重集W={ω1，ω2}。

（2）权重向量的线性组合。假设λ={λ1，λ2}为线性组合的系数，则组合权重为：

（3）优化组合系数。按照博弈论组合赋权的基本理论，以组合与各个权重之間的偏差最小为前提，对线性组合系数λ1，λ2加以优化，找出最优W，则目标函数为：

（4）将最优线性组合系数归一化得到λ*i，i=1，2。

（5）确定综合权重值W*。

根据模型，求出主客观权重系数λ1=0.6988，λ2=0.3011，以及各个指标要素的主观权重、客观权重、组合权重（见表1），在此基础上成为设计的参考标准。

3 基于QFD设计要素确定

根据用户需求映射到残膜回收机的产品特性，综合归纳得到12个设计要素：捡拾装置D1、输送装置D2、打捆装置D3、旋耕装置D4、控制系统D5、行驶方式D6、结构紧凑D7、底盘结构D8、布局合理D9、色彩比例D10、形态简洁D11、材质耐用D12。

运用五级标度法对矩阵中各用户需求进行重要度赋值，建立质量屋，见表2。图形“●”表示设计要素与用户需求的关联度为“明显重要”，分数为5分；图形“○”表示“稍微重要”，分数为3分；图形“r”表示“同等重要”，分数为1分。

4 设计实例

4.1 功能设计

根据前文的分析结果，提出残膜回收机在功能上的关键设计要素，应依次满足机器的捡拾功能、打捆功能、输送功能、旋耕功能、自动控制功能。

捡拾功能：采用起膜、挑膜和卷膜的多次拾膜方式，改善残膜漏捡问题。捡拾效果与起膜铲的排布有关，可根据地形和作物的要求组装排列膜铲，将其设计为可上下旋转的结构来调节入土角度，以适应不同的地形；在现有伸缩杆齿的基础上，将挑膜齿设计成上窄下宽的弧形齿，便于顺利挑起残膜，卷膜辊筒盖可拆卸，方便维修和清理，其四周均匀分布9排挑膜齿，圆周方向有8个弹齿；液压控制轴销转动调节起膜铲和卷膜辊的入土深度，从而解决地膜捡拾困难的问题，实现高效捡拾残膜。

打捆功能：采用圆捆打包的方式解决残膜成型率不高和易松散的问题，满足用户对残膜收集和压缩的要求。为避免传统的锯齿形钢辊撕扯残膜，选用1.5 mm八角形钢辊，固定于两侧链条上构成弧形封闭圆环，转辊的高速旋转有助于残膜压缩生成膜包。采用先提升后卸膜的自卸装置，当打捆机上升至卸膜高度时，打捆室舱门开启，完成卸膜作业。机器后方设有打捆压力指示灯，实时显示残膜打捆的压力状态。

输送功能：因残膜质轻且表面比较光滑，传统的输送装置中圆形钢辊传送残膜易发生打滑导致残膜堆积，故在输送钢辊的表面增加突起，防止残膜滑落。

旋耕功能：根据用户对多种农艺作业的使用需求，增加旋耕功能，设计旋耕装置的悬挂模块接口，液压悬挂驱动轴控制旋耕装置的入土深度，其悬挂接口的设计应便于更换耕作部件。对旋耕装置的防护罩的造型进行平滑处理，减速器设计成倾斜角度的单独罩件，卸膜过程中，卸捆器在膜包的压力下缓缓下降，套过减速器，支撑在旋耕装置上端，形成一个坡度，便于卸载残膜。

自动控制：在现有的电器操控系统添加自动控制单元与继电器，控制机器起膜、卷膜、输送、打捆、卸捆与旋耕，使残膜回收旋耕一体机进行自动化作业；可调节避障模块设置在机身前，能够准确地感知前方障碍物；启动开关，可实现多种装置同时工作，改变传统残膜回收后需要使用其他的农业机械完成耕地整地工作的情况，减少农业机械下地的次数；采用自走式设计，解决目前机器在残膜回收时需要拖拉机牵引的问题，在降低劳动成本的同时，实现高效连续的生产作业。其展现的功能模式如图2所示。

4.2 结构设计

模块布局应该做到结构紧凑，将起膜铲、卷膜辊布置在机器的前部，方便将残膜从耕层挑起；打捆室设置于机器背面，以确保回收箱有充足的空间；行进模块设置于机器下部；旋耕装置悬挂在行进模块的后部，确保机器在作业时能与前置的回收装置进行联合作业，实现耕地整地的功能。底盘结构采用中置履带架，方便前端捡拾地膜，后端实现旋耕作业的悬挂，使用光面导向轮，利用轴套轴的悬挂系统，使其可轻松越过障碍，在土里稳定行驶，进而适应多地形作业，降低对土壤的压实损害度。

4.3 整体外观设计

材质耐用和形态简洁在整机外观造型中所占比重相对较高，因此弧形挑膜齿所用的材料是弹性和耐磨性强的65 Mn；考虑到底盘的使用要求和工作环境，采用Q235A碳素钢，其抗拉强度在370 Mpa到500 Mpa，良好的焊接性能可以满足底座的强度与韧性要求，确保在作业过程中不会变形。机器整体采用全封闭式罩件，将原来杂乱裸露的零件包裹起来，对机器起到防护作用，并将危险运作区与使用者进行隔离，实现安全防护；因后方打捆装置采用圆捆形式，所以将该部位改为多边形设计，简化空间装配角度并提高打捆结构的稳定性；打捆装置内部有液压杆、齿轮和链条等关键部件，是维修频率较高的部分，故在该处设计单独的罩件，并利用液压支撑杆完成开合，便于适时省力地打开，便于打捆装置的日常维护。

经前文分析，设计出残膜回收旋耕一体机（见图3）。

1警报灯；2前照灯；3避障摄像头；4挑膜齿；5卷膜辊；6起膜铲；7散热格栅；8防护罩；9急停按钮；10维修把手；11警示灯；12液压伸缩杆；13打捆装置；14打捆压力指示灯；15卸捆器；16旋耕结构；17行走履带

4.4 模糊综合评价

模糊综合评价用于解决主观判断导致模糊不清的问题，求解过程如下［9］。

（1）明确评价要素集。依据残膜回收机的用户需求评价指标项构建评估要素集。

（2）确定评价指标的等级。借助李克特量表法，构建等级集合：T={很差，较差，一般，较好，很好}，分别取值2、4、6、8、10。

（3）确定评价因素的权重。文中基于博弈论组合赋权法获得的综合权重值W*，以此确定评价因素的权重。

（4）构建模糊关系矩阵R。邀请10名专家和用户评价残膜回收旋耕一体机的设计方案，经过整理归一化后，获取各评价指标相应的模糊关系矩阵。

（5）模糊综合评价求解。使用加权平均型M（*，+）算子进行研究，则有方案的模糊综合评价：P=W*·R=（0，0.027，0.086，0.667，0.22）。结果表明，认为该方案为很差、较差、一般、较好、很好的评估者分别占0%、2.7%、8.6%、66.7%和22%。由集合最大隶属度可知，残膜回收旋耕一体机设计方案的综合评价的结果为“较好”。

5 结语

针对残膜回收机设计中无法准确判断用户需求的问题，利用博弈论组合赋权法较大程度地保留了行业专家的客观评价和主观判断，使指标权重更科学合理；引入QFD理论，将用户需求转化成产品特性设计要素，可帮助设计人员把握设计重点，有效指导针对残膜回收机的设计，提高用户满意度。根据量化的结果，从功能、结构、整体外观方面设计残膜回收旋耕一体机，实现残膜捡拾、打捆、土地旋耕一体化作业，提高回收效率，降低能耗，满足用户的使用需求。该方法弥补了残膜回收机的设计对用户需求研究的不足，可为其他农业机械的设计提供參考。

参考文献：

［1］ 王明恩，颜利民，陈学庚，等.链排式残膜回收机拾膜清杂装置设计与试验［J］.农机化研究，2022，44（2）：208-213，218.

［2］ 李晓杰，梁健，李海泉.基于AHP/QFD与TRIZ的地震救援机器人设计［J］.机械设计，2021，38（11）：121-128.

［3］ 王向南，张琳.劝导性儿童智能阅读产品设计研究［J］.设计，2023，36（1）：121-124.

［4］ 张书涛，王帆，王世杰，等.基于博弈论组合赋权法的甘肃丝路铜器文创设计［J］.包装工程，2022，43（8）：55-65.

［5］ 周爱民，马健，张书涛，等.基于博弈论组合赋权法的产品形态审美评价模型［J］.包装工程，2023，44（2）：34-40.

［6］ 尹浩东，胡光忠，张玲玉，等.基于AHP-熵权法的电火花 线切割机床设计［J］.包装工程，2022，43（6）：125-133.

［7］ 王志愿，闫磊磊，邓迎寅，等.基于熵权与VIKOR方法的设计方案评价与优选［J］.机械设计，2022，39（2）：154-160.

［8］ 吴波，周路，刘聪.基于博弈组合赋权-TOPSIS法的富水软岩山岭隧道塌方风险评价［J］.科学技术与工程，2023，23（4）：1726-1733.

［9］ 张宁，马彧.基于AHP和感性工学的通风设备造型设计评价［J］.设计，2022，35（19）：105-108.

作者简介：郑祖芳（1979—），女，湖北潜江人，博士，讲师，研究方向：产品设计、智能装备设计。

张潇文（1997—），女，山东滕州人，硕士在读，研究方向：产品设计、智能装备设计。