農業機械智能化設計技術發展及展望

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摘要：目前，我國農業的高速發展，對于農業作業形式也有著更高的需求。傳統的農耕模式逐漸無法滿足農業的發展要求，而智能化農業機械的應用也獲得了廣泛的認可，成為了農業發展的必然趨向。由于我國具備人口多、人均耕地面積少等特征，所以農業資源的利用率也相對不高，對于農業的發展來說較為不利。而為了能夠改善這一現狀，農業機械的智能化發展至關重要，是保證農業生產效率以及農業經濟發展的重要條件。

關鍵詞：農業機械；智能化設計技術；發展現狀

引言

自動化控制技術在農業機械設計方面發揮著重要作用，因為農業機械的運作環境以及設計都較為復雜，單單憑借著傳感系統以及控制系統并不能實現生產的高效化，所以需要加大研發力度，針對其信息實現更高效地收集、整合、處理。在這一條件下，智能化的農業機械便由此而生，智能化農業機械能夠實現針對傳感器反饋信號的智能化處理，同時和控制系統與操作人員完成信息的交互，進而保證機械作業的可靠性和效率性。

1農業機械智能化設計技術發展

1.1農業機械的模塊化設計

模塊化設計指的是在分析產品功能性的條件下設計的一系列功能模塊，而這些模塊的結合則能夠組成各種類型的產品供客戶選擇。農業機械通常較為復雜，并且模塊常常無法充分適應，所以時常無法發揮模塊化設計的優點。所以，對于農業機械的模塊化設計需要針對模塊的劃分、優化和評價幾個方面開展。

1.1.1模塊的劃分。如今常見的劃分手段有聚類式及啟發式等，啟發式結合工程適用背景來建立數學規劃模型，利用相應的算法來獲得模塊劃分的最優解。聚類式通過矩陣和網絡的設計來表現產品元素拓撲關系，同時根據聚類算法來計算其中零件的成組模塊區分，最主要的方式有兩點，一種是以DSM聚類作為基礎的模塊劃分方法，另一種則是以圖論作為基礎的模塊劃分方法。啟發式的劃分方法較為容易得出局部最優解，而聚類法則較為復雜，一些較為復雜的產品則并不適用。結合模塊劃分標準可以將模塊劃分手段分成以產品功能性、結構、生命周期三個層面的模塊劃分方法。

1.1.2模塊的優化及評價。產品的模塊化劃分較為靈活，而模塊化方案的不同，模塊度也會存在一定差異。根據模塊的系統和屬性等層面來探討模塊化產品的優化問題，找出影響產品優化的因素，構建系統成本結構，重點改善系統的運作成本。而農業機械中應用模塊化設計則需要注意兩個層面的問題：其一，農業機械組件和功能性一般會存在一定的異質性，同時組件間的耦合強度普遍較高。所以，在實現模塊劃分過程中，需要重點關注其異質性，對組件進行同質化約簡。而且，因為農業機械組件較為復雜，所以需要進一步考量產品生命周期的影響；其二，需要結合客戶的要求和設計知識支撐的系統模塊參數設計問題。模塊化的設計需要有一個較為完備的應用體系，不但要做到模塊劃分，而且還要設計好模塊主參數[1]。

1.2計算機輔助建模

目前，CAD計算機輔助系統用作建模中，主要有PTCCreo參數化建模技術等，在農機產品數字化設計中有著普遍的應用。一般的產品模型數據與標準并不能有效地支撐幾何構造歷史等設計理念的傳遞，而通過以歷史作為基礎的參數化建模手段則能夠利用宏命令來實現CAD模型的交換。CAD建模需要利用設計知識來實現智能化的設計，而設計知識與計算機建模的結合，則能夠進一步保證模型的適用性。CAD模型的設計知識分為尺寸、標準、材料特征等幾個層面的隱性知識。以NISTCPM作為基礎的面向并行工程的設計數據庫表示模型則將知識描述為三個層面，提出以知識為基礎的參數化設計系統。這類系統通過運用KBE技術把AGMA標準結合在了直齒圓柱齒輪的CAD系統建模中。基于Web技術的CAD建模系統則能夠更加快速地產生CAD模型以及CNC代碼，形成一種CAD參數通用模型，利用嵌入式工程概念以及專家知識和設計標準編程與原型軟件包結合的方式來創建CDM模型，實現產品的自動化開發。

1.3虛擬仿真

1.3.1農業機械中虛擬仿真技術的運用。結合生物技術及農藝技術，是集結先進制造技術和智能控制技術以及新材料的先進手段。農業機械仿真涉及到了農業科學、機械學、控制學等多個學科領域，目前仿真工具雖然能夠化解多數仿真問題，不過若想進一步滿足農業機械較為繁雜且多物理耦合的要求則需要根據各個農業機械領域的仿真進行分析。

1.3.2虛擬現實技術的應用。VR技術的推廣也為農業機械設計帶來了影響，針對一些結構繁雜，設計起來難度較大的大型農業機械來說，通過VR技術能夠針對其外觀、功能性、結構等完成建模，并通過虛擬現實技術來實現虛擬作業，對產品的功能性以及設計方案進行評價，并實現人與農業機械的靈活交互。現階段，VR技術在農業機械中的運用已經成為了各界所廣泛關注的話題，而這一技術的應用也有著顯著的成效，主要應用于虛擬裝配以及虛擬試驗中。其一，虛擬裝配技術。和一般的裝配技術對比，虛擬裝配通過VA能夠在沉浸式的條件下實現農業機械的裝配，并在產品裝配的方向上來確定其可裝配性，并設計裝配方案。尤其是一些較為復雜的裝配工作，VA技術擁有著顯著的優勢。由于VA技術的推廣，國內外都針對虛擬裝配技術的裝配建模以及裝配流程設計等進行了深入的研究；其二，虛擬試驗。利用VR技術完成農業機械的虛擬試驗不但可以確定產品性能的預測，而且還可以為操作人員了解農業機械提供條件。VR技術在農業機械虛擬試驗中的應用尚不夠成熟，而通過VR技術開發的非道路車輛虛擬樣機系統則能夠完成模擬駕駛的目標，通過這一手段可以還實現駕駛控制系統的評測。

2農業機械智能化設計的發展展望

2.1將客戶需要作為方向的個性化設計

對于農業機械來說，客戶的要求和選擇是多樣化的，也是層次化的。利用大數據技術來收集并整理客戶信息，分析客戶的需求和偏好，研究農業機械的使用、管理、客戶要求三者之間的聯系性，構建用戶需求模型。除此之外，重點分析客戶要求以及產品設計間的轉化方式，比如人工智能算法以及AD理論等，實現客戶域到功能和結構域的聯系性表現，進而設計出更加科學且高性能的農業機械，以此來達到客戶們多樣化的要求。

2.2農業機械設計基礎數據和互作機理

促進農業發展，保證糧食安全是農業機械的發展目標，而針對農業機械設計數據缺乏，以及產品質量不足等現象，通過土壤—機械—作物系統的規律，以及相關裝置技術的研究，重點分析構建基于網絡化的農田土壤力學參數和農業機械物理特性指標、農業機械荷載及結構力學、工程材料和農業機械通用組件數字化設計數據庫等，以此來為農業機械智能化的設計基于支持。

2.3將知識重用作為動力的建模技術

以農業機械生命周期為角度，做到多系統、多層面、多環節的數據共享以及知識重用所需集成的產品建模至關重要，目前常見的建模技術有本體建模和MBD技術建模等，在航天、船舶中都有著普遍的應用，能夠有效提高智能化設計和智能化生產的契合程度，特別是MBD技術，有效改善了農業機械產品的生產和研發模式，確保設計數據的可靠性，降低了針對其他信息的依賴性，促進了產品設計、產品加工與制造、產品銷售的進一步交流。所以，農業機械生命周期視角下，開發農業機械產品TDP，以及擁有統一化設計理念的農業機械產品模型，利用知識重用和生命周期流程的集成，以及信息共享則是農業機械智能化設計未來主要的研發方向[2]。

3結語

綜上所述，現代農業的發展離不開智能化農業機械，通過將先進智能化技術與農業機械設計與制造的充分融合，進一步加強農業機械的功能性與效率性，推動了現代農業的穩定發展。基于此，針對農業機械智能化設計技術的發展現狀以及未來發展趨勢進行分析與研究至關重要，決定了未來農業機械的發展，及其在農業發展中的價值。

參考文獻

[1]杜岳峰，傅生輝，毛恩榮，等.農業機械智能化設計技術發展現狀與展望[J].農業機械學報，2019，50（9）：1-17.

[2]陳福云.農業機械智能化的發展現狀與前景[J].農業科技與裝備，2018，（5）：78-79.

作者：崔躍峰 單位：遼寧省農業發展服務中心