首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 生物学论文 > 植物学论文 > 概念设计基础上河道水生植物治理产品设计分析

概念设计基础上河道水生植物治理产品设计分析

2020-12-11 284 上传者：管理员

摘要：在全球气候变暖与水体富营养化的大背景下，为解决内河等中小型水域水生植物泛滥问题，该文运用概念设计的总体思路，以前期文献研究与产品市场调研为基础，提出了水空两栖水生植物治理产品概念。同时，结合先进的科技成果，从产品造型、功能结构与色彩方案三个方面对其进行综合设计。该课题的研究内容不仅能够为创建健康水生环境提供新的研究视角，具有一定的参考价值与实践意义，同时也可为当前河道水生植物治理行业的产品设计研发指明方向。

关键词：
多功能设计
智能化
水生植物治理
水空两栖
造型设计
加入收藏

近年来，水体富营养化形势严峻，根据数据显示，我国大概有75%以上的湖泊出现富营养化加剧的现象，该问题已成为严重威胁我国水资源与饮用水安全的社会和环境问题之一[1]。同时，富营养化导致的水生植物泛滥与污染是水污染中最难以防治的一类[2]。河道水生植物的过度生长会严重减少排水和灌溉渠道的流量、妨碍渔业和水上交通、堵塞水上机械、污染饮用水的水质，在极端条件下还会导致大量水体生物死亡。水生植物沉积腐烂在水底，会加快水体沼泽化进程，导致水资源流失[3]。因此，水生植物治理成为近年来亟须解决的环境问题。

目前市场现有的水生植物治理产品虽然已经具备了常规水生植物清除功能，但依然存在诸多局限性。近年来，随着科技的发展与进步，智能化、无人化、自动化已成为众多机械设备设计与研发的必然趋势与发展方向，其也是本课题设计研究的主要方向。

1、水生植物治理产品市场调研分析

1.1国内外设计研发现状

国外在水生植物收割机的研发方面历史较久，荷兰等国家早在20世纪50年代就开始使用专门的机械设备进行河道水生植物清理作业。随着水草治理重要性的突出，越来越多的厂家与研究机构开始重视水中作业割草装置的研发。20世纪80年代，适用于小型河道清理的机械装备被研发出来，各种单一功能的机型在国外已经批量化、系列化生产，目前新开发的设备正向功能细分化、小型化、多功能化、水陆两用化的方向迈进[4]。

近年来，我国在水生植物治理产品的设计研究方面也取得了一定的研究成果。21世纪初，我国已开始针对小型河道水生植物治理产品做了设计研究，针对较为宽广的区域，研制出中小型一体治理设备。该类产品大多外露机械结构，有固定的操作、储存区域，当达到一定的储存量后返回岸边卸载，但此类产品在一些流域复杂或浅水区域的使用非常受限。针对中小型水域，考虑到河道较窄，不适用大型机械，设计研制出采用普通船体组合切割、传送的装置。此外，根据不同的工作要求，增设了抓斗、挖掘臂等功能。

除了船体式的治理设备外，目前国内市场上也出现了水路两栖的水生植物治理产品。该类设备通过履带工作，可以在水中及地面两栖环境自由活动，且适应于各种复杂地形。该类设备的出现在很大程度上提高了河道清理人员的工作效率。

1.2现存问题分析

通过文献梳理与产品市场调研发现，当前河道水生植物治理设备面临的主要问题体现在三方面：首先，目前针对小型水域水面水生植物的清理办法，主要以雇佣劳动力使用小型船只利用传统打捞工具进行清理。这种方式劳动强度大、工作效率低。其次，针对大型水域的清理办法主要是采用水面保洁船的方式(比如水草收割机等)，与小型打捞船相比，其工作覆盖面和水草清除效率大大提升，但该类设备结构复杂、体型庞大、成本高昂。最后，因船体限制，无论是在小型水域还是大型水域，均出现水流中央的水草能够得到较好消除，但在近岸水域较浅、弯道较多的地方清除效果明显受限的问题。

2、河道水生植物治理产品概念设计定位

2.1设计概念的提出

根据前期调研，本课题针对河道水生植物治理产品的设计方向，结合现代化智能技术，进行一款造型新颖、功能全面、能够灵活操控且高效工作的河道水生植物治理产品概念设计。概念设计作为工业设计中一种常见的开发创新型产品的设计方法，具备创造性与开拓性的设计思维[5]，非常适合用于本次课题的设计开发内容。

2.2设计定位

本课题将内河等中小型水域作为该款概念产品的应用场景，尤其是容易造成水草堆积的尽头浅水区。主要针对的治理对象为淡水河道常见的水葫芦等漂浮型水生植物。

通过运用思维导图与分类归纳相结合的方法，分析并明确此次河道水生植物治理产品设计的7种基本功能，分别为两栖功能、切割粉碎功能、装载收集功能、满载警报功能、能源动力支持、防撞功能、监测识别功能。

在产品造型方面的创新设计须打破市面上传统清理设备的造型约束，改变“人工驾驶箱体铁皮船”的既视感，减少过于工程化给人带来的冰凉感。同时，打破船体工作的思维局限，尝试向“非船体”方向进行发散。

3、河道水生植物治理产品概念设计的具体应用

3.1设计概念表达与可行性方案设计

依据设计概念与设计定位，通过头脑风暴的方法，将符合设计要求与定位的产品解决方案用产品草图的方式进行表达。并通过草图方案的整理与分析，提出三种符合设计概念定位的可行性方案，如图1所示。

设计方案一采用水陆两栖的概念。在传统船体上安装了可变形的两栖轮胎，前方由机械抓手捞取水草，放入存储仓，通过存储仓送入后方可拆卸处理仓进行粉碎压缩。产品设计方案二为履带式水陆两栖水生植物治理产品，其两栖前进动力均为履带拨动水产生前进动力，清理功能由机器前端的旋转切割刀片完成。该设计的特点在于送带能将切割下的水草输送至暂时储存部位，到达沥水、烘干部分，最后粉碎，压成固定形状储存，便于水草的收集处理。

第三种设计方案较前两种突破较大，结合最新的科技成果无人机技术与人工智能技术，设计出一款水空两栖概念下的水生植物治理产品。该产品在外观设计上结合仿生学与产品语义学的方法，造型灵感来源为草食性昆虫，从昆虫的进食方式以及外观进行抽象化的仿生模拟，将昆虫口器及外壳、翅膀的元素，演化成揽收水生植物的入口、产品壳体及太阳能充电板，符合产品功能的同时，在设计上使其整体造型具有较强的科技感。

3.2产品设计优化与最终方案确立

经过讨论分析，笔者所在设计团队普遍认为第三种设计方案无论从产品功能还是造型方面均具有较高的创新性，由此对其进行从外观到结构的优化设计。在外观设计方面，抓住甲虫的造型特点进行高度抽象与提炼，并使其更加符合飞行类产品的造型特点。在内部工作原理与结构方面，将内部结构完善化、合理化。最终确定了该产品的最优设计方案，如图2所示。该产品的实际尺寸为整体机身长2.5米，机身宽3米，整体高1.6米。

图1三种可行性产品设计方案

图2最终产品设计造型方案三维建模展示

图3产品内部结构设计方案

3.3产品结构设计与功能设计

图3为产品内部结构的设计方案，主要包括主智能控制终端、锥齿轮、水泵、蓄电池、太阳能板工作箱、驱动电机、连接轴等部件。主智能控制终端主要控制探测装置的勘测、路线规划、返程导航，以及驱动装置的模式切换和机身满载的提醒。传送带的两头分别连接切割装置的刀片和驱动电机，传送带中间的锥齿轮连接轴通过锥齿轮控制水泵的转动。在刀片切割水草的过程中，被带动的水泵同时运动，将切割进内部的水草泵入机身下方的收集网袋。太阳能板工作箱和蓄电池主要是将太阳能充电板上收集来的太阳能转化为电能并存储下来。驱动电机的另一端还连接着水空流溪轮胎轮体来控制它的转动以及进行模式的切换。

该款水生植物治理产品概念设计的产品功能共包含7个方面，分别为水空两栖功能、切割粉碎功能、装载收集功能、满载警报功能、新能源驱动、监测定位功能和防撞保护功能。产品工作运行原理为：（1）运用无人机技术。采用无人机为机身主体，在空中作业时，四个螺旋桨驱动产品飞行。（2）结合人工智能技术。通过机身的探测装置感知水生植物的分布区域，规划清洁路线，引导机体飞行至指定水域进行作业。在水中作业时，四个螺旋桨转向为机身推进器，使其保持浮在水面工作的能力。该产品将收集到的水生植物通过压缩处理统一置于储存部位，到达一定的储存量后，四翼转换带动机体飞向事先设定好的卸货区域，卸货完成后，该产品重新返回河道继续清洁工作。所有工作流程由电脑端提前设置，机器结合人工智能自主完成。

图4产品最终色彩方案配色说明

3.4产品色彩方案设计

产品的外观主要包括色彩和形态两大方面。关于色彩，传统的机械大多给人以灰暗、冰冷的感觉[6]。当今社会的产品市场竞争激烈，设计师已经开始重视机器给人们生活带来的“生命气息”。

通过对机械色彩语言的调研分析，最终以乳白色为产品主体颜色，搭配机体上身的黑色太阳能板，四个轮体机翼配有警示性的橙色防撞条，机体前段的水草处理器与机体连接件均为深灰色。本着简洁大方、理性严谨的配色理念，该色彩方案的设计摆脱了同类型产品以蓝、绿等重工业颜色为主的产品色系，让河道水生植物治理产品以科技化、智能化的新面貌展现在大众面前。产品最终色彩方案设计与配色说明如图4所示。

4、总结

水生植物治理产品的概念设计研究从当前严峻的环境问题出发，与可持续发展理念紧密契合，以生态设计为背景，运用工业设计的方法，实现了产品概念创新的突破，并将产品功能与造型设计协调统一。本课题的研究内容能够为创建健康水生环境提供新的研究视角，具有一定的参考价值与实践意义，同时也为当前河道水生植物治理行业的产品设计研发指明了方向。当然，该设计也存在一定的局限性，由于该产品设计方案仅为概念设计，其功能设计的实现性还需要严谨的科学验证与市场验证。

参考文献：

[1]秦伯强,杨柳燕,陈非洲,等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用[J].科学通报,2006,51(16):1857-1866.

[2]王向春小型水草收割机设计[D].上海:上海海洋大学,2014.

[3]唐金艳.水生植物腐烂分解对水质的影响[D].南京:南京大学,2013.

[4]卞怀强.基于并联机构的可变形水陆两栖清理船设计与研究[D].上海:上海工程技术大学,2016.

[5]李文军.面向用户需要的机械产品可拓概念设计方法研究[D].广州:广东工业大学,2018.

[6]白暖.工业设计中的工程机械产品外观造型设计研究[J].艺术科技,2019,32(2):219.

顾岱秀,侯亚婧,张玉春,董超男.基于概念设计的河道水生植物治理产品设计研究[J].科教文汇(上旬刊),2020(12):104-106+130.