基于FAST法的蟲情監(jiān)測設備設計研究

齊浩 陳凈蓮

摘要：為提升作物蟲害測報的工作效率，通過資料查找和市場調(diào)研，應用遠程拍照、遠程數(shù)據(jù)傳輸、自動圖像處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分析用戶需求，并以FAST模型和形態(tài)矩陣為理論依據(jù)對蟲情監(jiān)測設備的創(chuàng)新設計進一步分析，設計了昆蟲遠程測報裝置，改進了傳統(tǒng)測報方式，提高設備的工作效率，實現(xiàn)作物害蟲監(jiān)測預警的信息化。

關(guān)鍵詞：FAST法;蟲情監(jiān)測設備;設計

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）02-0053-02

目前，我國農(nóng)作物蟲情監(jiān)測信息的采集方式主要有人力調(diào)查統(tǒng)計以及大田普查、黑光燈誘集、性誘劑誘捕等。其中，人工調(diào)查需要基層農(nóng)技人員實地進行，耗費時間較長而且勞動強度大，調(diào)查的結(jié)果還需要人工錄入計算機，操作繁瑣[1]。黑光燈誘集和性誘劑誘捕兩種方式雖然效果較好，但是由于昆蟲的種類很多且數(shù)量較大，所以定期取樣后還需要人工再進行分類統(tǒng)計工作，費時費力且時效性較差。本文針對野外昆蟲監(jiān)測的時效性和數(shù)據(jù)電子化程度較差等問題，利用實時監(jiān)測、遠程數(shù)據(jù)傳輸、自動圖像采集等信息技術(shù)，改良監(jiān)測防報的方式，提升蟲情測報的準確性和效率，進行蟲情監(jiān)測設備的創(chuàng)新設計。

1 FAST法概述

FAST法（Function Analysis System Technique）是搭建產(chǎn)品功能樹的常用方法，它是一種自頂向下的功能分析系統(tǒng)技術(shù)法，以邏輯順序來展示產(chǎn)品的功能，通過對功能進行逐級分解來明確產(chǎn)品各功能之間的關(guān)系和優(yōu)先級[2]。一直以來，在產(chǎn)品的功能設計中FAST法被廣泛運用并取得了良好的效果。陳晨等首先進行用戶需求分析，然后通過抽象的方式創(chuàng)建黑箱模型，以此將用戶對產(chǎn)品的需求轉(zhuǎn)化為基本功能，搭建了有機廢棄物處理機的FAST功能樹，并研究出優(yōu)良的解決方案[2];吳曉莉在兒童自行車的創(chuàng)新設計中通過建立FAST功能樹將功能進行創(chuàng)新搭配產(chǎn)出設計方案，并通過建模、渲染輸出了設計效果圖[3];宋云應用FAST法，利用仿生設計提取設計要素進行外觀設計，證明FAST法既可以對產(chǎn)品基本功能進行整合設計，也可將子功能作為設計要素進行創(chuàng)意設計[4]。

在做產(chǎn)品設計的過程中，設計人員首先要研究清楚用戶最本質(zhì)的需求、痛點，從用戶需求到產(chǎn)品功能的轉(zhuǎn)化需要按照“輸入一運行一輸出”這一模式建立邏輯鏈路，從而確定產(chǎn)品的主要功能和各級子功能，搭建關(guān)于產(chǎn)品的功能樹模型[5]。

2 蟲情測報現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 研究現(xiàn)狀

2013年，程國平在水稻害蟲檢測識別方面提出了智能太陽能LED蟲情測報系統(tǒng)，這一全新的系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品其識別率更高[6];2017年，焦桂華等人在河北省灤縣對高空監(jiān)測報告燈監(jiān)測黏蟲方面進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)高空測報燈相比于傳統(tǒng)蟲情測報燈在監(jiān)測黏蟲方面有著明顯的優(yōu)勢，為測報方式的革新提供了依據(jù)[7];2019年，李怡潔通過研究不同誘集系統(tǒng)的差異，總結(jié)了不同測報方式的優(yōu)缺點，最后得出昆蟲性誘電子測報系統(tǒng)精準性更高且更節(jié)省人力的結(jié)論[8]。

2.2 存在的問題

2.2.1 核心技術(shù)匱乏

蟲情測報最核心的問題是數(shù)據(jù)的自動采集和信息電子化，這是蟲情測報設備研發(fā)的重點和難點，有些產(chǎn)品雖然經(jīng)過多年試驗和應用，不斷更新?lián)Q代，但數(shù)據(jù)的自動采集成熟度和信息的電子化程度仍然不高，目前還未有很大突破。

2.2.2 智能化程度不高

目前，蟲情監(jiān)測防控設備普遍存在智能化不高的問題，實時監(jiān)控系統(tǒng)、自動數(shù)據(jù)傳輸設備功能不完善，使用效果與預期也存在一定差距。

2.2.3 缺乏創(chuàng)新且品牌影響力不足

目前，市面上的現(xiàn)有產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，僅在外觀上有所區(qū)別，低端產(chǎn)品同質(zhì)化、低水平競爭現(xiàn)象嚴重，產(chǎn)品“有品無牌”，缺乏創(chuàng)新而導致影響力不足。

3 基于FAST法的蟲情監(jiān)測設備設計流程

3.1 需求分析

產(chǎn)品設計是基于用戶的一種行為，用戶需求是產(chǎn)品設計的起點和緣由，在設計研究過程中應該充分考慮用戶在物質(zhì)與精神方面的需求以及用戶需求與產(chǎn)品本質(zhì)的相互關(guān)系，研究清楚對象、功能與環(huán)境是產(chǎn)品設計的基礎點和落腳點[9]。

通過對目標用戶的分析，研究蟲情監(jiān)測設備的功能性、易用性和美觀性，把設計需求分類匯總，按照重要度和優(yōu)先級程度排列產(chǎn)品需求（標準為1～10級，其中10級最高），如表1所示。

3.2創(chuàng)建FAST功能樹

通過抽象的方式為蟲情監(jiān)測設備創(chuàng)建一個包含物質(zhì)、能量、信息的輸入與輸出類型的黑箱模型，然后通過黑箱模型將用戶的需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本功能。

通過黑箱模型轉(zhuǎn)化的蟲情監(jiān)測設備的基本功能為：隨時監(jiān)測、遠程監(jiān)控、自動采集、數(shù)據(jù)傳輸、自動清理、硬件防水、太陽能供電。將蟲情監(jiān)測設備基本功能帶入FAST功能樹模型中進行功能分解，確定功能之間的邏輯關(guān)系，將需求轉(zhuǎn)化為可進行設計的產(chǎn)品設計要素，如圖1所示。

3.3 形態(tài)矩陣建立

根據(jù)蟲情監(jiān)測設備FAST功能樹，先圍繞功能整合、易用性、結(jié)構(gòu)、美觀性重新組合，然后對各級子功能進行功能和技術(shù)方式的組合整理，輸出更多的解決方案，為產(chǎn)出最合理的設計方案提供參考。為了更方便地選出蟲情監(jiān)測設備的最優(yōu)設計方案，可以建立如表2所示的形態(tài)矩陣。

通過形態(tài)矩陣對蟲情監(jiān)測設備各功能進行分析研究，同時考慮生產(chǎn)成本、操作方式、使用環(huán)境和時效性等要求，合理評估多個解決方案，最終確定蟲情監(jiān)測設備的設計方案為A1、B2、C2、D1、E1、F1和G1的組合。

3.4 設計方案

黑箱模型將用戶的需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本功能，F(xiàn)AST法分析得出了蟲情監(jiān)測設備的多種功能和方式，再經(jīng)過形態(tài)矩陣將功能和方式具體到方案，通過合理評估得出最優(yōu)解，通過三維建模和渲染進行具體展現(xiàn)，最終得出蟲情監(jiān)測設備的概念設計方案，如圖2、3所示，并總結(jié)出該產(chǎn)品具有以下功能：

1）實時監(jiān)測。昆蟲會通過機箱底部儲物盒里芳香氣味吸引落在底部白板上，然后機箱底部的攝像頭會對白板自動進行圖像采集，通過無線傳輸設備DTU上傳到服務器信息中心，達到遠程監(jiān)控的目的。同時，箱體底部的攝像頭為伸縮結(jié)構(gòu)，方便運輸過程中的收納。

2）太陽能供電。整個設備由頂部的太陽能電池板進行供電，太陽能轉(zhuǎn)化成的電能存儲于機箱內(nèi)的蓄電池中，保證設備在晚間也能正常運轉(zhuǎn)。

3）硬件防水。DTU、樹莓派、蓄電池、太陽能控制器等設備設置在箱體內(nèi)部，箱體表面的開關(guān)、顯示屏、天線等設計了防雨蓋來防雨，同時整個設備的表面均為平面，防止雨水積存。

4）自動清理。整個設備使用時底部會埋進土里，底部的上頂面與地面持平。為了方便更換和清潔，設備底部的白板為傳送帶式結(jié)構(gòu)，同時一側(cè)配有擋板，傳送帶旋轉(zhuǎn)時自動清理白板表面。

4 結(jié)論

文中通過研究蟲情監(jiān)測設備的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有產(chǎn)品的問題，調(diào)研用戶的本質(zhì)需求，通過黑箱模型將用戶的需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本功能，運用FAST法建立產(chǎn)品的功能樹模型，分析各級功能之間的關(guān)系，通過形態(tài)矩陣對各級功能的解決方案進行合理評估，得出最優(yōu)解，為蟲情監(jiān)測提供了新的概念方案。通過蟲情監(jiān)測設備的概念設計，闡述了FAST法在產(chǎn)品設計中的運行流程，驗證了FAST法在產(chǎn)品研發(fā)和設計過程中的合理性和有效性。

參考文獻

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[2]陳晨，孫志學，張樂.FAST法在家用智能固體有機廢棄物處理機概念設計中的應用[J]，機 械設計，2017，34 （01）：110-113.

[3]吳曉莉，王玉星，薛澄岐.用FAST法設計功能組合式兒童自行車[J].機械設計與研究，2012，28 （01）：98—101

[4]宋云，基于FAST法的可控滑沙板概念設計[J].機械設計，2013，30 （06）：110—112.

[5]趙飛，許娜基于FAST法的透水事故救援產(chǎn)品模塊化設計[J].包裝工程，2020，41 （16）：141-146.

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[9]董曉瑋，徐曉琴.基于FAST模型的水果快遞箱概念設計[J].包裝工程，2020，41 （03）：77-81.