整合设计思维下多功能谷物收割机设计实践

杨思梦 薄其芳 贾乐宾

摘要：针对谷物收割和秸秆回收打包问题进行一体化设备的创新设计。通过竞品分析法分析现有谷物收割设备存在的问题，建立因果链模型分析谷物收割设备使用流程并且归纳出根本问题，定量分析产品功能确定主要功能，以整合设计思维进行谷物收割机设计实践。得到一款能够实现一体化的谷物收割和秸秆打包的谷物收割机。该方法解决了目前谷物收割设备存在的诸多问题，为整合设计思维在解决实际问题中的应用提供思路和参考。

关键词：因果链模型 谷物收割机 功能论 智慧农业 整合设计思维

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）17-0120-04

Abstract：Innovative design of integrated equipment for grain harvesting and straw recycling and packaging. Analyze the existing problems of grain harvesting equipment through competitive product analysis，establish a causal chain model to analyze the use process of grain harvesting equipment and summarize the fundamental problems，quantitatively analyze the product functions to determine the main functions，so as to integrate design thinking into the design practice of grain harvesters. Obtain a grain harvester that can achieve integrated grain harvesting and straw packaging. This method solves many problems existing in current grain harvesting equipment，and provides ideas and references for the application of integrated design thinking in solving practical problems.

Keywords：Causal chain model Grain harvester Functionalism Smart agriculture Integrating design thinking

引言

全面推进乡村振兴，坚持农业农村优先发展。2021年，中国耕地面积达到了19.179亿亩，是世界上的农业大国。但是现在的农作物收割方式却是把粮食从秸秆中分离出来，然后将秸秆粉碎后排入田中，造成了部分资源的浪费，尤其是一种大型装备仅针对一种农作物，造成了装备资源的浪费。农田地势复杂，如何快捷高效地完成收获目标，也是在后续设计中重点考虑的问题。所以把智能科技引入到传统农业的各个环节，以来达到方便高效的目的，进而提升农村经济社会发展质量。在整合设计思维下，文章结合因果链模型更加直观地揭示农户、产品与环境之间的关联与逻辑，进而通过对产品功能的定量分析确定谷物收割设备的主要功能，最终通过整合设计思维更加准确地验证了智能技术在农业收割环境中实践的合理性，解决了谷物收割及农业中秸秆回收打捆、一机多用、不同地形收获的问题，大大提高了农业收获效率，使农业往现代化、智慧化发展。通过文章的研究，可以为已有的产品设计流程提供一种更加严谨合理的设计思路，在整合设计思维下，能够更好地开展后续的设计实践。

一、整合理论概述

“整合”意为把相互独立的个体模块，通过一定的结合方式进行协调组合，从而使得各独立模块之间实现有机互补，发挥各模块和整体组成部分之间的资源互通和协调运转，从而使得各独立模块之间实现有机互补，得到价值利益更大的整体。整合设计思维强调把不同领域的知识、信息以及设计思想整合起来，通过创造性的、基于多学科的整合，为用户创造出更好的解决方案，同时也为设计实践提供了一种新思路。在产品设计当中主要是从3个方面进行设计：功能需求整合、结构优化整合、外观造型整合。而目前使用最频繁的产品设计案例就是优化整合主要功能，这一设计理念与功能集成设计理论不约而同。整合设计思维运用多种方法对产品进行分析和评估，以确定用户需求，然后通过对现有产品的分析和研究，发现新的产品需求，最后将多种方法进行综合运用，以创建新的产品。因此，将整合设计理论与产品设计流程融会贯通，使得最终产品更具有系统性、整体性和专业性。

二、整合思維下谷物收割机创新设计流程

（一）产品竞品分析

国外的联合收割机技术起步早，发展速度快。目前国外现有的联合收割机械大致可以分成欧美和日本两大类。欧美地区大多采用全进给式脱粒，具有较大的机幅和较高的产量，生产效率高。收割机多以收获小麦为主，其他的玉米、豆类、水稻等作物为辅；日本则以中小型水稻收割机为主，多采用半喂入，机型小，生产效率较低，收割机是以收获水稻为主兼顾其他谷物作物。代表产品有芬特IDEAL、约翰·迪尔JD7700、克拉斯Do106、久保田全喂入履带式收割机。而我国的联合收割机发展起步晚，在改革开放后，联合收割机的发展速度加快，在发展收割机上不断引进外国先进技术，在国外新技术的基础上研制出新型的收割机，提高了农业的经济效益。代表产品有沃得锐龙联合收割机、雷沃谷神GM100谷物收获机、中联谷王TE100自走式谷物联合收割机、东方红小麦收割机。通过归纳总结，如表1，我们可以看到目前市场上最受欢迎的谷物收割机多以大中型设备为主。在功能上，收割农作物种类单一，多是一种车型对应一种农作物，机械设备使用效率不高，对于农作物茎秆的处理全是粉碎回田处理法，秸秆资源利用率不高；在造型上，功能模块布局多为左右结构，行走模块多为四轮驱动，这样的行走模式并不能满足多种地形的需求，整体造型线条硬朗，体量感和机械感强；在色彩上，整体明暗对比明显，醒目的车身色彩达到警示的作用，所以，醒目的色彩搭配需要考虑在后续的设计实践中。

（二）产品因果链模型建立

整合设计思维是将产品视为一个完整的系统，谷物收割机主要是由收割谷物和谷物茎秆分割两部分组成，目前从技术层面来讲，谷物收割机是可以实现的。通过上文对谷物收割设备的竞品分析研究发现了具有的一些问题，为了更好改善优化谷物收割设备，我们要从产品问题分析开始，找出谷物收获开始与结束整个流程出现的问题，对产品功能与约束之间存在的问题进行剖析，并与用户需求相对比，寻找解决问题的方法。有效地对标设计问题、解决问题，避免主观性、无效性的设计。建立并分析因果链模型，将问题的初始阶段与底层问题逻辑之间的关系构建起来，从而找到谷物收获环节问题产生的主要原因，并将其作为一个目标，在消除了关键问题点之后，使这类（项）问题不再出现或减少出现。通过构建农户、产品与环境3个因素之间的因果链条，找到在这个循环链条中很容易出现的薄弱点和易控制点。当无法对关键原因进行控制的时候，就可以选择其他的原因节点来对目标问题进行突破，之后就可以选择其中的一个节点来作为解决问题的切入点，这样就可以用最少的代价来达到解决问题的目的。通过建立因果链模型并对其进行深入分析，如图1，从中找到农作物多样性、谷物收割、谷物茎秆处理、产品综合使用率等问题，针对上述因果链不难发现其中主要的3个问题。其一是谷物茎秆处理方式单一，仅为切碎分割归田，秸秆资源利用率不高，秸秆碎片飞扬危害农户身体健康 ；其二是收割设备成本昂贵，但其产品使用率却不足15%，收割设备闲置时间过长，这就造成了产品使用价值与成本价值不对等；其三是所要收获的农作物种类丰富，除了一些基本的农作物，还有的农户会选择种植一些大豆、高粱、甘蔗等。

（三）产品功能系统分析

通过对谷物收割机的现有产品以及产品因果链模型进行了分析，归纳了现有谷物收割机存在的一些问题，通过这些问题可以确定未来的谷物收割机应该是一个具备多功能的产品。所以我们要将谷物收割机产品看成由功能构成的有机整体。在接下的谷物收割机设计实践之前，要确定谷物收割机和构成其各结构的有关部件的不同功能，并对每个功能进行内容界定，以明确其性质。在功能的定义中，常用的方法是“动词+名词”。在功能主义的设计思想中，强调产品的物质性和精神性，能够有效地防止“唯功能论”的倾向。在产品设计日趋成熟的当今，农业产品是人类器官的延伸，是人类与社会自然环境进行沟通交流的重要载体。谷物收割机是一种农用机械，更是农民和粮食收割环境之间相互作用的载体，其工作性能的好坏将直接影响到整个作业过程的效率。在对谷物收割机进行了物质功能和精神功能的简单分析后，得出了该设备的功能系统图，如图2。根据功能和功能间关系构建系统关系图，其目标是对产品的功能层次进行逻辑梳理，并最终确定主要功能，为后续设计实践阶段的开展奠定基础。

三、整合思维下谷物收割机创新设计实践

结合上文对谷物收割机的因果链模型分析和功能系统分析，确定了具体的问题。谷物收割设备使用率以及谷物茎秆回收利用率一直是该设计研究过程需要重点考虑的问题，因此，在设计的过程中整合产品的使用率和谷物茎秆回收两个设计中心来解决主要的设计问题，通过功能整合来延长产品的生命周期。在此基础上，根据谷物收割的场景特点，优化轮胎装置增加谷物收割机所适用的地形种类、改变收割装置提高机械设备利用率以及加入秸秆捆绑装备达到资源再利用的目的。因此，在后续设计中对谷物收割的收割模式、轮胎装置以及秸秆处理装置进行了优化。从用户角度出发，结合对应环境，首先确定谷物收割机的功能设计，根据所需要的功能来确定所能实现的功能模块，紧接着对主要功能模块进行多次合理布局，使得后续的造型设计更加合理美观；其次确定谷物收割机的造型设计，根据功能模块布局进行思维发散，进行多次草图绘制，选择结构更加合理、造型更加美观的方案进行后续更加深入的设计；最后确定谷物收割机的色彩设计，色彩的分配走向要顺应整机轮廓。通过功能、造型、色彩这3个设计要素，推动谷物收割机创新设计实践过程，最终得到一款更加合理实用的农机产品。

（一）功能设计

在上文研究分析的基础上，对要设计的产品应该具有的功能需求系统进行概念性的构造，再根据对上述创新设计应用方法、收割机功能整合创新设计思路分析与设计理念的約束产品的设计需求可总结为功能整合需求。即：实现一机多用、秸秆的打捆和多种地形下的正常使用。

（1）实现一机多用，提高产品使用率。可以装配多功能收割台，针对小麦、水稻、大豆等作物的收获。与传统的一台设备只能对应一种作物收获方式进行改进，使收割设备的使用率大大提高，避免出现因不同作物的收获期不同造成的设备使用率低的问题。

（2）秸秆的打捆实现和收割设备一体化，提高秸秆资源利用率。对不同功能的机械设备进行功能整合，来解决收割作物后遗留在田地的秸秆处理问题，降低了人工劳动成本，同时提升了收割设备功能性，解决了秸秆资源浪费的问题。

（3）面对多种地形，采用轮履结合移动媒介，提高收获工作效率。首先要进行整体的动力结构框架，确立收割机运用什么类型的移动媒介，正常的轮胎类型的动力系统无法应对相对复杂的地形。所以在设计收割机整体形态时就要考虑履带式的主动轮，保障产品多种地形下正常运行，进而提高工作效率。

在上述产品设计功能要素的基础上，对谷物收割机功能模块设置进行了分析，具体分为：行驶载重模块、谷物秸秆打包模块以及谷物收割操作模块。每一个主要的功能模块又会为了精准合理地完成各自的功能任务，将自身主要功能模块划分为许多小的功能模块。其中，谷物收割操作模块分为谷物脱粒模块、谷物贮藏模块和谷物吐壳模块。由于这些设计要素与外观造型设计相关，因此具体功能模块布局示意图，如图3。

（二）造型设计

在谷物收割机确立造型之初，整合产品造型设计理念与功能模块布局，在功能模块布局的基础上根据产品设计理论的内容进行产品造型设计，让该款谷物收割机迎合市场的需求来推动市场的发展趋势。在如今市场上，农机设备大多采用金属材质，所以在进行设计时我们要多采取硬朗的线条来表现产品的机械美感，尽量避免过度光滑的曲面。针对前轮的履带设计尽可能保持视觉冲击力，作为主动力传输轮，其尺寸大小应符合机身整体的比例，谷物收割设备由于其体形较大多采用后轮来控制其转弯，保障了复杂地形环境下的安全行驶。打捆后的秸秆为不影响其他功能模块运行，在空间分布上将其布局在产品的尾端，利于农户拿取运输方便。再结合对设计需求的分析，展开谷物收割机的设计思维发散，之后对方案展开草图绘制，得到初步草图形态，在绘制的过程中，要对各个功能之间的形式结构进行考虑，所以在思维发散中得到以下三款谷物收割机，具体如图4。方案一：虽然整体采用了圆润的曲线，但是整体造型上体量感显得轻薄，全履带式轮胎虽然适用的地形比较多，但是履带式轮胎运行速度比较慢，这样会减缓整个谷物收获效率；方案二：整体造型设计都采用较为硬朗的线条，在造型上略显笨重，顶部储存装置没有达到预想的科技感；方案三：整体造型科技感较强，谷物储存和谷物秸秆打包储存位置安排合理，整体相对协调性更好，后轮也改为抓地力更强的纹路轮胎，保障在多种地形上平稳行驶，轮履结合速度快进而提升作业效率；收割作业模块可以根据所要收割的农作物自行替换，节约了农机制造成本，提高了农机产品使用率。整体的机械感更强，视觉冲击力更突出。

（三）色彩设计

色彩的设计可以突出不同农业机械的产品特色和功能，所以在色彩的分配上，色彩分割走向应该要顺应整体轮廓。农业机械产品种类丰富，功能也呈现多样性，所以在色彩的选择上，一般情况下我们会用一种主色调突出农业机械的功能特性，再结合一些醒目的色调来给设备增添一丝灵动性，合理的色彩设计也可以一定程度缓解视觉疲劳。此外，农业生产设备的作业环境相对比较复杂，这就需要我们将色彩赋予设备的同时更好地使机械设备融入其工作的环境，与此同时，农机作业存在一定的危险性，我们也需要保证农业设备在作业环境的醒目，保障用户生命安全。所以为了更好地表现谷物收割机的造型特点以及功能特性，在颜色搭配上使用较少的色块做到整体的统一，但是要将色块之间的对比度加大，提升人视觉上的冲击力，同时融入小面积醒目的饱和度较高的颜色来保障安全问题。根据这些色彩要求，在网上统计了50种配色方案，然后邀请专业同学按照科技、醒目、美观等色彩语义进行配色方案选择，最终确定了一套最具科技感且色彩布局最合理的最佳配色方案。在这套配色方案中，黄色较为醒目，银色金属效果与黑色形成较强的对比，黑银色块划分明显，更加突出了收割机的功能特性，给人较为强烈的主观感受。设备侧面的金属丝印形体跟随车身整体的分模线，形成统一的金属丝印和设备主体亮度的明显对比来突出装饰效果。

（四）效果图展示

通过对功能、造型、色彩3个设计要素的设计，使谷物收割机有着简洁的外观和实用的功能，如图5，这款谷物收割机可一物多用，省工省时省力，适用于多种农作物类型的收获工作，提高了农机设备的使用率，降低农业成本；轮履结合的轮胎装置保证运行安全以及在泥泞的田地中的运行速度，提高收获效率，减少对农作物的二次伤害；尤其是对谷物茎秆的处理这一流程，更改了以往对谷物茎秆切碎回田的方式，通过对谷物茎秆打包成垛，大大提高了谷物茎秆资源利用率。

结语

2022年一号文件明确指出了一亿亩高质量基本农田的目标，一亩地补贴1500元，这一亿亩都会是新的机械化收割耕地。国家对农业的重视，我们可以推断出农业的未来将会迎来从现代化农业到智慧化农业的质的飞跃。所以本次设计针对农业在现代作业方式下的需求，提出了将功能整合设计思维应用于谷物收割機的产品设计中。分析相关竞品，结合市场需求，从功能角度研究设计对象，通过建立因果链模型分析梳理谷物收割机的工作全流程，进而找到最需要解决的核心问题，将传统农业谷物收割形式进行优化，不仅提高了谷物收割设备的使用率，而且增加了谷物茎秆的回收利用率。随着国家对农业现代化发展的重视和推进，在今后的发展中，我们也应该对现有农业机械进行整合升级，并结合工业设计相关学科，利用创新设计思维去优化现有农机产品，提高产品质量和性能。在未来，整合设计思维下的农机产品将会为农业生产带来更多新变化，而这也将为中国农业智慧化发展带来新机遇。

基金项目：青岛市哲学社会科学规划项目（QDSKL2201126）。

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