發布時間：2022-05-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：我國地域差異大、農作物種類和種植模式多樣，農業機械具有多功能、小批量、定制化及多樣化的用戶需求特征。當前國內農業機械制造企業產品研發普遍以跟蹤、仿制為主，存在研發周期長、效率低、產品可靠性差等問題，企業和產品的競爭力低下、缺乏核心自主技術，已
摘要：我國地域差異大、農作物種類和種植模式多樣，農業機械具有多功能、小批量、定制化及多樣化的用戶需求特征。當前國內農業機械制造企業產品研發普遍以跟蹤、仿制為主，存在研發周期長、效率低、產品可靠性差等問題，企業和產品的競爭力低下、缺乏核心自主技術，已成為制約我國農業機械企業可持續發展的瓶頸。智能化設計技術以滿足用戶定制化、多樣化需求為目標，以知識工程(KBE)、數據管理(DM)、人工智能(AI)、虛擬仿真等現代信息技術為手段，通過整合農業機械全生命周期過程中上下游相關企業已有資源，集成產品數據管理(PDM)和產品生命周期管理(PLM)的協同設計平臺，實現農業機械設計過程的協同化、自動化和智能化，是提高我國農業機械設計水平的關鍵。本文針對農業機械特點，對農業機械智能化設計技術的定義、技術體系、關鍵技術及發展現狀進行了深入剖析，重點總結了近年來計算機輔助設計(CAD)、模塊化設計、知識工程、虛擬仿真、PDM/PLM協同設計等智能化設計關鍵技術的研究現狀與發展趨勢，并提出了農業機械智能化設計領域未來發展趨勢，為農業機械設計技術發展提供參考。
關鍵詞：農業機械;智能化設計;CAD/CAE;模塊化設計;知識工程;虛擬仿真
0 引言
在當前工程設計從傳統的數據資源密集型向知識信息密集型轉化的背景下，新產品設計逐漸向智能化、集成化、虛擬化、網絡化、全球化方向發展。以信息處理為主的智能化設計，能夠滿足多樣化、定制化市場需求，避免大量重復工作，縮短研發周期，增強產品競爭力，已廣泛應用于航空航天…、汽車嵋。、船舶"1、機床”’等先進制造領域，被譽為“面向2l 世紀的先進設計技術”。
相比之下，農業機械產品設計的智能化程度與上述領域還存在較大差距。具體而言，農業機械產品具有種類繁多、作業環境復雜、工況多變、使用季節性強、配置需求多樣、單產品市場需求規模小等特點，其智能化設計是一個知識密集的復雜過程，涉及機械設計、農機農藝、CAD/CAE/CAM(Computer aided design/Computer aided engineering/Computer aided manufacturing)、人工智能與知識融合、知識管理和網絡協同仿真等多領域的技術和方法。近年來，國際農機企業間競爭愈發激烈，為提升產品研發效率，搶占市場先機，如約翰迪爾(John Deere)、凱斯紐荷蘭(CNH)、愛科(AGCO)和久保田(Kubota) 等國外知名企業應用各種自動化及信息技術手段，紛紛建立了以PDM/PLM(Product data management/ Product lifeeycle management)為支撐的產品研發體系和知識積累平臺。雖然我國農業機械產量穩居世界第一，但國內企業正面臨來自目標市場多層面競爭的嚴峻挑戰。當前以跟蹤和仿造國外產品為主的研發模式明顯存在設計周期長、效率低、設計可靠性差等問題，導致企業核心技術自主知識產權水平普遍偏低，企業競爭力不強，單純依靠國內農機補貼政策無法保證農機企業的可持續發展。
《中國制造2025》明確指出，農業機械制造業發展的重點任務就是加強行業技術標準體系、行業信息化數據服務系統、行業試驗檢測能力、產品數字化設計平臺建設，推動數字化、智能化、清潔生產、虛擬制造、網絡制造、并行制造、模塊化、快速資源重組技術的應用�！掇r業機械發展行動方案(2016— 2025)》也明確要求，加強重點關鍵技術攻關，推動數字化、智能化等先進技術與農業機械制造技術的深度融合，促進我國由農機制造大國向制造強國轉變，顯著提高農業機械有效供給能力。
本文在分析國內外智能化設計技術發展現狀基礎上，重點分析當前農業機械智能化設計技術的研究熱點，闡述歸納用戶需求描述和分析、產品模塊化設計、計算機輔助設計建模技術、知識工程 (Knowledge based engineering，KBE)、虛擬仿真與虛擬試驗驗證、基于PDM/PLM的協同設計等相關技術在農業機械智能化設計方面的典型應用，并在此基礎上，結合我國農業機械設計現狀，展望農業機械智能化設計未來發展趨勢，以期為我國農業機械設計制造提供參考。
1 智能化設計技術概述
1.1智能化設計
智能化設計是結合KBE和計算機輔助設計理論的現代設計方法，旨在通過對設計人員在設計活動中的認知和行為特征的模擬，使設計系統能夠運用豐富的知識(如專家經驗、設計手冊、標準、行業規范等)進行推理、判斷、決策，實現產品設計的定制化、自動化、智能化¨1。
1.2智能化設計特點
以現代設計理論和方法為指導，以知識為依托、以人工智能技術為實現手段、以傳統CAD技術為數值計算和圖形處理工具，以設計自動化為目的，是當前智能化設計的顯著特點。具有專業領域知識庫、可利用知識求解相關設計問題、具備協調數據庫和圖形庫等多種資源的能力，是當前智能化設計系統與傳統CAD的根本區別。
隨著大數據、智能制造、并行工程、虛擬現實技術(Virtual reality，VR)、多領域協同仿真技術(Multi. domain CO.simulation，MDCS)等概念的興起，智能化設計正向更高層次的自動化方向發展，以支持大規模的多學科、多領域知識集成。未來智能化設計技術將重點突出“以人為本”的設計思想，強調網絡及分布式數據庫環境下的多個獨立智能體(Agent)協同合作，實現產品設計集成化、并行化、協同化和網絡化。
產品設計過程實質是一個反復決策過程，包括用戶需求評估、設計過程決策、技術問題決策和評價性決策，而在決策過程中，用戶需求的模糊性、設計空間的約束性、設計過程的復雜性、設計結果的多樣性及其相對準確性，使智能化設計系統存在不同于其他智能系統的特殊困難，具體如下：
(1)用戶明確需求及隱性需求的正確描述及有效分析，即從市場需求、同業競爭力、企業現狀等多方位綜合評估分析，深入挖掘產品設計與用戶需求之間的轉換和映射關系，實現產品的定制化生產。
(2)設計任務的合理分解及其子任務之間相互關系的正確描述，即如何將產品的決策空間恰當地分為決策子空間，使有關決策在相應的子系統內有效進行，并實現決策結果的自動整合，以適應任務的多層次性和多目標性。
(3)如何充分表達各種異構知識及構建擁有良好組織結構知識庫，對不同類型的知識和數據進行合理的表示、分類、組織和管理。
(4)高效的知識推理機制及產品再設計的集成，即如何針對設計問題特點和知識表現形式，采用相應的推理機制提高知識的重用率和利用率，并可根據再設計知識確定回溯點和相應參數的修改，實現產品再設計。
1.3 智能化設計技術體系
分析農業機械產品及設計特點，綜合運用知識工程原理及數字化建模、虛擬仿真和虛擬試驗驗證技術;基于PDM/PLM、集成CAX等通用軟件，構建基于知識的農業機械智能化設計通用基礎平臺;通過指導產品設計，形成智能化設計標準規范和框架體系，如圖1所示。
2農業機械智能化設計關鍵技術
將農業機械智能化設計關鍵技術重點概括為用戶需求分析、模塊化設計、計算機輔助設計建模技術、知識工程、虛擬仿真和虛擬試驗驗證、基于 PDM/PLM的協同設計等6方面，并對其技術發展現狀進行深入分析。
2.1用戶需求描述與分析
用戶需求(Customer requirements，CRs)通常具有明顯的特性，如多樣性、層次性、動態性、模糊性、優先性等∞1。在當前競爭激烈的農機市場，農機企業越來越注重設計出用戶滿意度高、價格低的產品，如何對用戶需求進行有效分析，為優化產品設計提供決策支持，是農業機械制造業當前迫切需要解決的問題。
一般通過分析、數據挖掘和預測等方式滿足用戶需求，實現農機產品的定制化設計。Kano模型¨1 和產品質量功能配置模型(Quality function deployment，QFD)¨1是用戶需求描述和分析的典型代表。其中，Kano模型是一種對CRs分類和優先排序的有用工具，其特點是將用戶需求分為五大需求，如圖2所示，通過標準化的問卷調查解決產品屬性定位問題，以提高用戶滿意度。QFD是一種用戶需求驅動的產品設計開發方法，代表了從傳統設計方法向現代設計方式的轉變，其核心技術產品質量屋 (House of quality，HOQ)采用矩陣圖解方法建立用戶需求和技術需求之間的關系，如圖3所示。
對于CRs的描述和分析，JIN等”5針對競爭性產品的在線評論，提出了考慮信息的代表性、可比性和多樣性的優化問題，并利用3種貪婪算法進行最優求解，實現客戶關注產品的細粒度級別分析。 WANG等¨叫提出了基于樸素貝葉斯方法來描述客戶的技術功能需求和主觀偏好，并根據具體屬性和設計參數進行映射。張宇博…1提出一種Kano模型改進下基于交互式遺傳算法(Interactive genetic algorithm，IGA)的產品配置決策方法，從產品定制屬性的有效識別和合理設置角度出發，進一步降低產品定制過程中的復雜性，優化設計體驗。 KAHRAMAN等¨。提出一種集成模糊QFD和模糊 ANP的產品設計模型，以確定產品設計中需考慮的技術要求。利用模糊理論求解用戶需求重要權重已成為解決用戶需求不確定性的重要手段。
為解決傳統Kano模型和QFD模型的固有不足，JI等¨2J和HE等¨劉將Kano模型的定性和定量結果用非線性規劃模型集成到QFD中，從而在企業滿意度和客戶滿意度的最佳平衡下，實現最優設計方案。PAKIZEHKAR等’141通過整合Kano模型、 AHP和QFD實現了客戶需求的識別和優化。此外，引入公理化設計(Axiomatic design，AD)理論等現代設計方法實現用戶需求與設計參數之間的映射轉化也是當前的研究熱點之一，如ASHTIANY等¨糾利用AD理論，結合QFD和生態設計理念，實現了 Beech Baron 58輕型雙引擎飛機的再設計。AD理論通常由客戶域、功能域、物理域和工藝域等4個域組成。利用兩條設計公理和若干定理及推論實現域之間的映射，完成從抽象到具體的設計過程。楊汝靜‘61集成AD和QFD實現了機床方案設計需求信息的功能轉化，為數控機床的實例檢索提供了依據。 DU等‘1釗提出了基于AD理論和QFD模型的面向重用的舊產品再設計方法。
此外，國內外學者也對用戶需求建模和集成知識的需求描述進行了探索。SIM等Ⅲ1提出了基于本體角色驅動的用戶需求模型; sINGHAPuTTANGKuL等¨馴開發了一種基于模糊知識的決策支持系統質量功能自動部署(KBDSS— QFD)工具，以解決高層住宅設計早期的評估決策問題。ZHAI等¨引提出了一種基于粗集理論的改進模糊QFD方法的新擴展，建立基于QFD的產品設計專家系統，提高了設計目標的可辨性。綜上，用戶需求研究主要集中在基于集合理論、本體理論等方法的需求描述和基于模糊理論的需求轉化映射等方面。當前基于用戶需求的設計面臨以下問題：
(1)用戶需求的一致性描述
為了快速提高用戶需求的標準化程度，保證 CRs設計過程的準確性和一致性，需要從時間維度、過程維度、空間維度等方面建立多層次的用戶需求模型。
(2)預測和挖掘用戶需求
云計算和人工智能的興起，使得通過互聯網和物聯網收集用戶數據成為可能，從海量數據中挖掘用戶行為模式和使用習慣，預測CRs，確定隱藏需求已成為分析CRs的重要手段。
(3)用戶需求的轉化和映射
為保證CRs到工程技術特征轉換的一致性、準確性和時效性，需要建立用戶域到功能域的轉換模型，包括動態的、模糊的以及隱性的CRs。
2.2農業機械模塊化設計
模塊化設計是在產品功能分析基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合，構成不同產品，以滿足用戶定制需求。2…。研究發現，對于農業機械這種具有特殊要求的復雜產品，應用現有技術，在共性單元歸并形成模塊方面，尚不能得到有效解決，產生的模塊適應范圍較小，且數量偏多，不能充分發揮模塊化設計的優勢¨“。因此，針對農業機械模塊化設計，國內外相關研究主要集中在模塊劃分(識別)和模塊優化與評價方面。
2.2.1模塊劃分方法
目前，常用的模塊劃分方法可大致分為啟發式、聚類式和其他方法。其中，啟發式方法根據不同的工程應用背景構建數學規劃模型，并采用啟發式算法獲取最優模塊劃分方案，其求解過程如圖4所示。一般啟發式方法主要應用啟發式遺傳算法、基于約束的遺傳算法、組合編碼遺傳算法、混合多目標蛙跳算法等心2。2“。羅石林心5 3通過計算零部件間的關聯度建立了山地農機設計結構矩陣(Design structure matrix，DSM)，分別運用遺傳算法和遺傳模擬退火算法，實現了山地農機產品的模塊化處理。
聚類式方法利用設計矩陣、圖論、復雜網絡等方法對產品元素的拓撲關系進行形式化表達，并利用聚類算法實現零部件成組/聚類的模塊劃分，其一般求解過程如圖5所示。常見的方法有兩種：基于DSM聚類的模塊劃分方法和基于圖論的模塊劃分方法‘2“2 81。ALGEDDAWY【291采用網格理論和DSM 矩陣編制模塊化代碼。KUSIAK等¨叫以圖論為工具表達零部件間的各種物理連接關系，采用定性的啟發式規則實現了模塊化組件的識別，并嘗試采用模糊神經網絡算法探索產品性能和成本之間的平衡點。
研究發現，啟發式方法極易陷入局部最優，而基于DSM和圖論的聚類式方法，其矩陣變化過程和聚類過程極其復雜，不適合復雜產品的模塊劃分，因此，部分學者嘗試通過多種方法集成實現復雜產品的模塊化設計。其中，SCHUH等"¨提出一種面向高度集成機電產品的模塊化產品平臺(Modular product platforms，MPP)設計方法，該方法應用擴展的AD理論將復雜系統分解為機電一體化功能模塊 (Mechatronic function modules，MFM)，確保開發過程中的功能導向，并將MFM用于產品平臺設計。
依據模塊劃分標準可將模塊劃分方法分為基于功能的方法、基于功能和結構的方法和基于產品生命周期的方法。為此，本文對當前常見的模塊劃分方法進行總結歸納，如表1所示。
2.2.2模塊化方案優化與評價
產品模塊化劃分方案并不唯一，不同模塊化方案對應不同的模塊度。ULRICHⅢ1對模塊度的概念和內涵進行了初步探討。SOSA等∽1提出了基于圖論和社會網絡的3種零件模塊度的度量方法。 FUJITAⅢ1從屬性、模塊、系統3層次研究模塊化產品族優化問題，提出產品族優化要考慮并平衡模塊和生產過程中的各種因素，建立系統成本結構，以系統運行總成本為優化目標。羅石林¨糾提出了基于編碼加權計算的模塊相似度評價方法，并應用于山地農機扶手架設計。
綜上，農業機械作為一種復雜、異質性產品系統，其模塊化設計支持理論及應用技術還相對匱乏，模塊化設計在農業機械領域中的應用仍存在一定的不足：
(1)農業機械零部件與功能之間通常具有顯著異質性、零部件數量巨大、零部件間的耦合強度高等特點，因此，在進行模塊劃分時，要對其異質的功能和零部件進行同質化約簡，剔除冗余功能和零部件。另外，由于農業機械零部件的多維復雜性，需充分考慮產品生命周期各環節的影響，實現模塊劃分方案的多屬性評價。
(2)考慮客戶需求及設計知識支撐的系統模塊參數規劃問題。模塊化設計要形成完善的應用體系，除實現模塊劃分之外，還應對模塊的主參數進行設計，包括模塊接口標準、主參數的取值范圍、取值個數等信息，合理的模塊規劃對滿足用戶需求和提高變型設計具有重要意義。
2.3計算機輔助設計建模
當前CAD建模主流技術是以PTC Creo為代表的參數化建模技術和以SDRC I—DEAS Master Series為代表的變量化建模技術，廣泛應用于農機產品的數字化設計Ⅲ)。RIESENFELD等m1認為，現有的CAD系統與支撐整個工程設計的最初設想背道而馳。不必要的人為干預、異構CAD系統信息共享、CAx的集成是阻礙高效設計的關鍵因素。針對現有CAD系統建模技術的不足，國內外學者開展了廣泛深入的研究。
(1)基于統一建模思想的CAD建模技術
常見的產品模型數據交換標準如DXF、IGES、 ESP、PDES、VDAFS以及早期的STEP等只能傳遞顯式邊界表示實體模型，而無法支持幾何構造歷史、參數、特征、約束等設計意圖的完整傳遞。為此，MUN 等日引提出了一套基于歷史的參數化建模方法的標準命令，通過宏命令交換CAD模型。LI等H叫提出了一種實現異構CAD系統互操作性的參數化數據交換方法，并將該方法應用于TransCAD和AVEVA Marine的數據交換。雖然基于中性文件和標準的方法可以實現產品模型信息和建模過程的有效交互，但這些方法只考慮產品模型中的幾何信息。為了實現非幾何描述建模，FENVESH¨開發了一種描述產品信息的核心產品模型(Core product model，CPM)。 CPM的關鍵對象是制成品，制成品是一個獨立實體，通過功能、結構、行為3方面描述其屬性。新一代CPM在概念、中間、應用模型3個不同層級上描述廣泛的產品生命周期信息，而且CPM的擴展已包括開放的裝配模型、產品語義表達語言、設計分析綜合、產品族進化模型、混合材料模型等，涵蓋產品建模的各個方面。4“。
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此外，基于統一建模語言的CAD建模技術或將從根本上改變異構CAD系統的數據交換難題。常見的統一建模語言包括：面向對象建模語言(Object. oriented modeling language，OOML)和基于本體的建模語言(Ontology—based modeling language，OBML)。其中，OOML以STEP標準的EXPRESS及其圖形表示格式EXPRESS—G、統一建模語言(Unified modeling language，UML)為主。SEKARAN”糾基于 UML設計了一種基于多智能Agent的復雜系統開發框架。XUEH4o在基于特征的產品建模語言 (Feature·based product modeling language，FBPML) 基礎上，提出了一種分布式的基于特征的產品建模語言(Distributed feature—based product modeling language，DFBPML)，用于對不同位置的類特征和實例特征進行建模，并將這些特征關聯到一個集成環境中。而對于基于本體的建模語言，應用最廣泛的是本體Web語言(Ontology web language，OWL)。 BOCK等¨副將本體與模型相結合的技術用于協同設計，開發了本體產品建模語言(Ontology product modeling language，OPML)。在該方法中，產品模型被視為基于模型體系結構中整體系統的本體類型。 BARBAU等一叫提出了OntoSTEP模型，用于STEP 數據與OWL數據的轉換。PANETTO等H刊開發了一個公共核心模型——產品驅動的產品數據管理本體(Product-driven ontology for product data management，ONTO—PDM)。該模型通過現有標準的概念化提供以產品為中心的信息模型，然后將其形式化為產品本體。
(2)基于知識的CAD建模
智能化設計的實現依賴于設計知識的高效利用，尤其在CAD建模方面，設計知識與建模過程的融合，有利于提高模型的靈活性、適應性和可重用性。CAD模型的設計知識包括標準規范、尺寸約束、材料特性、裝配語義等顯性知識和設計意圖等隱性知識。1YER等【4引對二維CAD中的設計意圖進行了定義，指出“CAD設計意圖是對設計變量(設計目標、約束、備選方案、演變、指南、加工指令和標準)的洞察，這些變量隱含在幾何結構、材料特性、維度實體和文本實體之間的結構、語義中”。XUE 等‘4引開發了一種基于NIST CPM的面向并行工程的設計數據庫表示模型(CE—DDRM)，將設計知識描述為元類層、類層和實例層3個不同的層次。 REDDY等¨01提出了基于知識的參數化CAD設計系統，該系統利用KBE技術將AGMA規則應用于直齒圓柱齒輪的CAD參數化建模。此外，REDDY 等"¨還開發了一種基于Web的CAD建模與制造知識系統，旨在尋找能夠及時、高效地生成CAD模型和CNC代碼的方法。GUJARATHI等∞引提出了一種集成CAD和CAE參數的通用數據模型(Common data model，CDM)，通過將嵌入式工程概念、專家知識和設計標準編程到原型軟件包，自動創建CDM模型，利用商業化的CAD/CAE API接口，以最少的用戶界面實現產品開發的自動化。
(3)基于模型的定義
基于模型的定義(Model—based definition，MBD) 是一種面向計算機應用的產品和制造過程數字化定義技術，實現了基于知識的CAD模型全面可視化，如圖6所示，旨在創建豐富的技術數據包(Technical data package，TDP)，其中包含3D模型、性能要求、產品制造信息(Product manufacturing information， PMI)、包裝信息等數據元素，可充分定義產品，確保上下游客戶都能夠有效地對其進行溝通和使用，從而避免了以2D工程圖紙為基礎的傳統制造方法所產生的諸如協作障礙、信息丟失、理解偏差等問題，提高了設計知識的利用效率和模型的可重用性。圖6 瓞于MBD技術的一：維零件模刑 Fig.6 3D parls model based()n MBD 當前，北美和歐洲等地區的MBD技術應用相對成熟∞“。但MBD在產品數據交換、用戶使用習慣、系統集成等方面仍有許多局限性，因此，國內外學者進行了廣泛研究。QUINTANA等"41分析了產品全生命周期管理中存在的問題和解決方案，尤其是 MBD技術的實現，并總結了MBD在制造過程中的優勢。ALEMANNI等”“提出了一種包含MBD技術的PLM產品全生命周期管理解決方案，并在某航天器案例中，實現了基于MBD的復雜產品建模。ZHU 等¨釗提出了一種基于MBD和PLM的集成設計制造系統整體實現方法。西門子NX、DS CATIA、PTC Creo 4.0等商用CAD軟件均推出了各自的MBD技術，允許設計人員在3D模型中標注GD/T信息。
MBD技術在中國的應用還相對較少，在波音公司的影響和要求下，波音公司的中國零部件供應商逐漸開發了一些基于MBD的零部件3D模型。為滿足“三維模型下車間”的技術需求，中國航空工業最早開展了一些基于MBD的技術研究，基于 CATIA、NX、Creo等產品的全三維設計模型規范不斷完善，應用水平不斷提升，廣泛應用于飛機、衛星、火箭以及其他典型航空航天產品的設計與制造領域�；贛BD的產品協同設計與智能制造已成為先進制造領域的必然趨勢，但尚未出現基于MBD的農業機械設計相關研究的報道。——論文作者：杜岳峰 傅生輝 毛恩榮 朱忠祥 李 臻
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