農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

朱靜靜

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中起著重要的作用，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)都是復(fù)雜的。單靠檢測(cè)和控制系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的。因此，有必要加強(qiáng)研發(fā)工作，以實(shí)現(xiàn)更有效的信息收集、集成和處理。在這些條件下，產(chǎn)生了智能農(nóng)業(yè)機(jī)械。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械可以對(duì)傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行智能處理，同時(shí)與控制系統(tǒng)和操作者進(jìn)行交互，完成信息交互，確保機(jī)械運(yùn)行的可靠性和效率。

1 智能化設(shè)計(jì)技術(shù)概述

1.1 智能化設(shè)計(jì)

智能化設(shè)計(jì)是一種結(jié)合KBE和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)理論的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。旨在模擬認(rèn)知和行為特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)活動(dòng)系統(tǒng)時(shí)可以使用大量的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)、判斷、決策來(lái)定制和對(duì)智能產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 智能化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

基于已有理論和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，借鑒相關(guān)知識(shí)、人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CAD技術(shù)數(shù)值計(jì)算和圖形處理工具，構(gòu)建一個(gè)出現(xiàn)出色的自動(dòng)化智能設(shè)計(jì)。伴隨著大數(shù)據(jù)等概念的興起，智能生產(chǎn)、并行工程、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和模擬技術(shù)等，以及更高層次的自動(dòng)化整合多學(xué)科知識(shí)和支持大規(guī)模。在未來(lái)，智能設(shè)計(jì)技術(shù)將“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)環(huán)境中的多個(gè)獨(dú)立代理合作網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)并行性、協(xié)同，不斷的整合網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程本質(zhì)上是一個(gè)重復(fù)決策過程，包括用戶需求評(píng)估，設(shè)計(jì)決定過程，技術(shù)問題決策和評(píng)價(jià)決策。在決策的過程中，用戶的需求模糊，模糊的設(shè)計(jì)空間，設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性及其相對(duì)精度，使智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)不同于其他智能系統(tǒng)特別困難。因此，就其具體改善措施而言：（1）有效的需求分析，描述用戶的隱式和顯式需求，以得到進(jìn)一步的分析處理和映射關(guān)系的設(shè)計(jì)產(chǎn)品和用戶的需求，從多方面的綜合分析和市場(chǎng)需求，職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和公司的情況。（2）描述需要分解和任務(wù)設(shè)計(jì)，理清各個(gè)任務(wù)之間關(guān)系，如何分配相應(yīng)的需求決定產(chǎn)品的決策單元。（3）充分表達(dá)各類型的知識(shí)，建立結(jié)構(gòu)良好的知識(shí)庫(kù)，合理地表示、分類、組織和管理不同類型的知識(shí)和數(shù)據(jù)。（4）知識(shí)推理機(jī)制有效融合和設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是利用相應(yīng)的推理機(jī)制，改善知識(shí)重用率和使用。根據(jù)重新設(shè)計(jì)的知識(shí)，可以確定產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和相應(yīng)的參數(shù)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是指在分析產(chǎn)品功能的條件下設(shè)計(jì)的一系列功能模塊，這些模塊的組合可以形成多種產(chǎn)品類型供客戶選擇。農(nóng)業(yè)機(jī)械往往更為復(fù)雜，模塊往往無(wú)法充分適應(yīng)，因此它們往往無(wú)法利用模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)必須在模塊劃分、優(yōu)化和評(píng)價(jià)的各個(gè)方面進(jìn)行。

2.1.1 模塊的劃分

今天，常用的劃分方法是分組和模塊劃分。建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并利用相應(yīng)的算法得到模塊除法的最優(yōu)解。分組通過矩陣和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)顯示生成元素的拓?fù)潢P(guān)系。同時(shí)，根據(jù)分組算法，計(jì)算了各部分分組模塊之間的區(qū)別。主要有兩種形式：一種是基于DSM分組的模塊分區(qū)方法，另一種是基于圖論的模塊分區(qū)方法。模塊分區(qū)方法更容易得到局部最優(yōu)解，而聚類定律更復(fù)雜，一些更復(fù)雜的乘積不適用。結(jié)合模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)，模塊劃分方法可分為產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和模塊劃分方法生命周期三個(gè)層次。

2.1.2 模塊的優(yōu)化及評(píng)價(jià)

產(chǎn)品的模塊化劃分更加靈活，不同的模塊化程序在模塊級(jí)別上也會(huì)有所不同。根據(jù)系統(tǒng)和模塊屬性等層次探索模塊產(chǎn)品優(yōu)化，確定影響產(chǎn)品優(yōu)化的因素，構(gòu)建系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)提高系統(tǒng)運(yùn)行成本。然而，模塊化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用必須注意兩個(gè)方面：第一，農(nóng)業(yè)機(jī)械的部件和功能通常具有一定的異質(zhì)性，而部件之間的耦合力一般較高。因此，在劃分模塊的過程中，我們必須關(guān)注模塊的異質(zhì)性，減少組件的同質(zhì)性。此外，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械部件的復(fù)雜性，需要進(jìn)一步考慮產(chǎn)品生命周期的影響；其次，需要結(jié)合客戶需求和設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)支持系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)需要一個(gè)更完整的應(yīng)用系統(tǒng)，不僅要對(duì)模塊進(jìn)行劃分，還要設(shè)計(jì)模塊的主要參數(shù)。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助建模

目前，計(jì)算機(jī)輔助CAD系統(tǒng)主要用于參數(shù)化建模技術(shù)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)品模型的一般數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)不能有效地支持幾何結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)概念的轉(zhuǎn)移。然而，通過基于歷史的參數(shù)建模方法，宏命令可以用于交換CAD模型。CAD建模需要使用設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)知識(shí)和計(jì)算機(jī)建模的結(jié)合可以進(jìn)一步保證模型的適用性。CAD模型設(shè)計(jì)知識(shí)分為幾個(gè)層次的隱性知識(shí)，如尺寸、標(biāo)準(zhǔn)和材料特性?；贜ISTCPM的面向并行工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)表示模型將知識(shí)描述為三個(gè)層次，并提出了一個(gè)基于知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)結(jié)合了AGMA標(biāo)準(zhǔn)和使用KBE技術(shù)對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行建模?；趙eb技術(shù)的CAD建模系統(tǒng)可以更快地生成廣告模型和CNC代碼，形成一個(gè)通用的CAD參數(shù)模型。CDM模型是通過使用集成的工程概念和專家知識(shí)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)編程和原型包來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的自動(dòng)化而創(chuàng)建的。

2.3 虛擬仿真

2.3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械中虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用

生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合是將先進(jìn)制造技術(shù)與智能控制技術(shù)以及新材料結(jié)合起來(lái)的先進(jìn)手段。農(nóng)業(yè)機(jī)械模擬涉及許多學(xué)科，如農(nóng)業(yè)科學(xué)、力學(xué)和控制學(xué)。目前，雖然仿真工具可以解決大多數(shù)仿真問題，但要滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)雜的、物理性的耦合要求，必須依靠多個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的仿真。

2.3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)的普及也對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了影響。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)困難的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，VR技術(shù)可以對(duì)其外觀、功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬操作。評(píng)估產(chǎn)品的功能和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人與農(nóng)業(yè)機(jī)械的靈活互動(dòng)。在這個(gè)階段，VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用已經(jīng)成為生活各方面的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用也取得了顯著的成果，主要用于虛擬裝配和虛擬實(shí)驗(yàn)。首先是虛擬裝配技術(shù)。與一般的裝配技術(shù)相比，VR虛擬裝配可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械在融入式條件下的裝配，并在產(chǎn)品的裝配方向上確定其裝配能力，設(shè)計(jì)裝配方案。特別是在一些最復(fù)雜的裝配任務(wù)中，VR技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于VR技術(shù)的推廣，國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬裝配建模技術(shù)和裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究；第二，虛擬測(cè)試。利用VR技術(shù)完成農(nóng)機(jī)虛擬測(cè)試，不僅可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，還可以讓操作者了解農(nóng)機(jī)狀況。VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用還不夠成熟，利用VR技術(shù)開發(fā)的非道路車輛虛擬樣機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到模擬駕駛的目的。通過這種方式，也可以對(duì)駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)的發(fā)展展望

3.1 將客戶需要作為方向的個(gè)性化設(shè)計(jì)

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械，客戶的要求和選擇是不同的且是分層的。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集和組織客戶信息，分析客戶需求和偏好，研究農(nóng)機(jī)使用、管理、客戶需求三者之間的聯(lián)系，構(gòu)建用戶需求模型。另外，重點(diǎn)分析客戶需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間的轉(zhuǎn)換，如人工智能算法和理論，實(shí)現(xiàn)客戶領(lǐng)域?qū)δ芎皖I(lǐng)域的接觸性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加科學(xué)和高性能的農(nóng)業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)客戶多樣性的要求。

3.2 將知識(shí)重用作為動(dòng)力的建模技術(shù)

從農(nóng)業(yè)機(jī)械生命周期的角度來(lái)看，多系統(tǒng)、多方面、多層次的數(shù)據(jù)交換和知識(shí)重用于所需的集成產(chǎn)品建模至關(guān)重要。目前常用的建模技術(shù)有本體建模和MBD技術(shù)建模。它們?cè)诤娇蘸教旃I(yè)和船舶中有共同的應(yīng)用。它們可以有效地提高智能設(shè)計(jì)與智能生產(chǎn)的兼容性，特別是MBD技術(shù)，有效地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)和連接方式，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性，減少對(duì)其他信息的依賴。促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工制造和產(chǎn)品銷售的更廣泛的交流。因此，從生命周期角度而言，農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的模型以及農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)統(tǒng)一的概念，使用知識(shí)重用和一體化進(jìn)程的生命周期，包括交換信息，是未來(lái)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的主要研發(fā)方向。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開智能農(nóng)業(yè)機(jī)械。先進(jìn)的智能技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造相結(jié)合，進(jìn)一步加強(qiáng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能和效率，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，分析和研究農(nóng)業(yè)機(jī)械智能設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，決定了農(nóng)業(yè)機(jī)械的未來(lái)發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的價(jià)值，是十分重要的。