李巖磊，白鵬，張曉輝，姜紅花

1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

3.山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山東泰安271018

基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代設計方法在農(nóng)業(yè)裝備設計中的應用

李巖磊1，2，白鵬1，2，張曉輝1，2，姜紅花3*

1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

3.山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山東泰安271018

通過分析農(nóng)業(yè)裝備開發(fā)面臨的嚴峻形勢，提出了現(xiàn)代設計機械理論與方法及其體系結(jié)構(gòu)。通過分析現(xiàn)階段現(xiàn)代機械設計理論與方法學的研究現(xiàn)狀，重點論述了智能優(yōu)化設計、計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)（CAID）、有限元分析方法、可靠性設計、機械設備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、智能化技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代設計方法的特點及其在農(nóng)業(yè)裝備中的應用。

物聯(lián)網(wǎng)；現(xiàn)代設計方法；農(nóng)業(yè)裝備；優(yōu)化設計；有限元

隨著計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝備更新?lián)Q代的周期日益縮短。在經(jīng)濟全球化的環(huán)境下，機械制造業(yè)的競爭本質(zhì)上是產(chǎn)品設計的競爭。我國生產(chǎn)農(nóng)業(yè)裝備的企業(yè)，普遍存在生產(chǎn)成本高、新產(chǎn)品開發(fā)周期長等問題，遠遠落后于歐美發(fā)達國家，雖然改革開放后取得了很大進展，但機械設計整體上仍處于較低的水平［1］。我國工業(yè)嚴重依賴進口，進口裝備約占GDP的10%［2］，而且高價引進的部分裝備不適宜國內(nèi)實際情況，造成嚴重的浪費。因而，加大機械產(chǎn)品現(xiàn)代化設計理論方法研究力度，加快開發(fā)研制獨占性技術(shù)的新產(chǎn)品是必要要求。

1　現(xiàn)代機械設計方法理論

現(xiàn)代設計方法相比較于傳統(tǒng)設計方法，是動態(tài)的、科學的、計算機化的方法，其實質(zhì)是科學方法論在設計中的應用。將現(xiàn)代設計方法應用到機械設計中，即為現(xiàn)代機械設計方法［3］。本體論、相似論和系統(tǒng)論構(gòu)成完整的理論體系，其通用性、普適性和互補性強，對現(xiàn)代設計方法形成有力支撐。從產(chǎn)品設計過程來看，完整的廣義設計體系包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計、技術(shù)設計、施工設計和服務設計等環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的快速發(fā)展、社會的不斷進步，產(chǎn)品實現(xiàn)人性化設計是不可阻擋的趨勢。比如，在農(nóng)機產(chǎn)品設計過程中，結(jié)合人機工程學開發(fā)良好的操作界面，在駕駛室中安置顯示屏、電子儀器等智能裝備，使得駕駛?cè)藛T操作方便且提高了安全性［4，5］。

現(xiàn)代機械設計方法理論具有創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、前瞻性、多學科理論和技術(shù)的交融性、最優(yōu)化等特點，以設計出功能全、成本低、性能好且符合環(huán)保概念的新產(chǎn)品為最終目的［6］。

2　優(yōu)化設計

優(yōu)化設計是從多種方案中選擇最佳方案的設計方法，具有降低成本，縮短設計周期，提高設計水平的作用。國外優(yōu)化設計基本理論方法非常成熟，在實際中已廣泛應用并發(fā)揮效益。我國對優(yōu)化設計研究起步較晚，相關(guān)理論及技術(shù)與國外相比存在較大差距。

機械系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計以合理的物理－數(shù)學建模為前提，考慮多變量動態(tài)特性，運用現(xiàn)代設計工具，使設計更加科學、邏輯［7］。由于系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)比較復雜，影響因素比較多樣，如何建立整個系統(tǒng)的優(yōu)化方法是科技界關(guān)注的熱點。

基于模糊理論的相似優(yōu)先比法，從眾多有效解中選出最有效解，可明顯降低人為因素的干擾，且隨著目標函數(shù)個數(shù)的增加和有效解的個數(shù)增多時，更能顯出該方法的優(yōu)越性［8］。山東農(nóng)業(yè)大學張曉輝教授等提出集成基于相關(guān)向量機RVM、多目標遺傳算法GA和模糊推理技術(shù)的多目標動態(tài)優(yōu)化設計方法，優(yōu)化氣流輔助式噴桿噴霧機的風助風筒的結(jié)構(gòu)設計。為增加輔助氣流的減飄和穿透能力，通過流體動力學仿真獲取反映風筒結(jié)構(gòu)動態(tài)響應特性的樣本數(shù)據(jù)集，由稀疏RVM學習過程辨識，給出了基于計算流體力學CFD分析的4個目標和3個性能約束。結(jié)合多目標遺傳算法，通過NSGA-II算法尋優(yōu)出Pareto最優(yōu)解集。物理樣機試驗證明優(yōu)化的風助風筒的出口速度和速度均勻性，可改善其霧滴輸送能力，實現(xiàn)了耗氣量小、高效和風速變異小的結(jié)果［9］。

機械產(chǎn)品廣義優(yōu)化設計要達到復雜機械設計對優(yōu)化效率的苛刻要求，遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所利用Inventor對1S-2型深松鏟柄進行建模，并定義材料和進行有限元分析，實現(xiàn)了快速優(yōu)化設計，得到滿意的深松鏟柄設計模型，使設計者擺脫了繁瑣的校核工作［10］。目前，在非數(shù)值優(yōu)化與數(shù)值優(yōu)化的結(jié)合、人類智能與人工智能的結(jié)合、多機并行分布式優(yōu)化中協(xié)同求解等關(guān)鍵問題上尚待深入研究。

3　計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)

計算機輔助工業(yè)設計（Computer Aided Industrial Design）CAID以保證產(chǎn)品造型質(zhì)量為前提，將產(chǎn)品功能和形式二者的關(guān)系協(xié)調(diào)好，實現(xiàn)人機一體化的智能集成設計體系。三維參數(shù)化CAD存儲了設計的整個過程，通過變動某些約束參數(shù)值來更新設計及控制設計結(jié)果，為多種方案的設計和比較提供了有效手段，保證了產(chǎn)品外造型的延續(xù)性［11］。人機對話CAD可及時有效地實現(xiàn)CAD技術(shù)與優(yōu)化、有限元等現(xiàn)代設計理論方法作用的結(jié)合，構(gòu)建三維實體模型，并進行虛擬裝配和機構(gòu)分析、動力學分析、動態(tài)干涉檢查、有限元應力分析等［12］，實現(xiàn)專用化、集成化，大大縮短了產(chǎn)品的設計周期，提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量［13，14］?；谔卣髟O計的CAD/CAE/CAM技術(shù)已廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械的設計、制造、加工等。我國科研人員采用三維CAD設計復雜曲面較多的農(nóng)業(yè)機械零部件［15］。

現(xiàn)代CAD技術(shù)正向網(wǎng)絡化、智能化、標準化、可視化等方向發(fā)展。智能CAD系統(tǒng)利用Web機制，采用動態(tài)導航技術(shù)，建立知識設計倉庫，解決了產(chǎn)品設計中對知識的需求問題。將ICAD技術(shù)（智能技術(shù)）應用到農(nóng)業(yè)機械設計中［16］，可明顯提高產(chǎn)品設計水平和效率，降低勞動強度。對于功能和結(jié)構(gòu)并不復雜的農(nóng)業(yè)機械，可采用變量設計技術(shù)和參數(shù)設計技術(shù)［17］，如有些企業(yè)采用Ansys、Dynamic Designer、Edge CAM等第三方產(chǎn)品進行工程分析和輔助制造。隨著概念設計理論和技術(shù)、協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的成熟和發(fā)展，機械設計制造業(yè)將向全數(shù)字化設計和制造應用方面發(fā)展。

4　綠色設計

探索資源節(jié)約和優(yōu)化利用是當前大力發(fā)展制造業(yè)的有效途徑，設計、制造、使用維修和回收再利用等產(chǎn)品全過程均影響節(jié)約型機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計。因此要考慮將人機工程學、消費心理學等學科應用到產(chǎn)品的綠色設計（Green Design）和研究產(chǎn)品資源消耗模型、能量消耗的控制模型、計算機優(yōu)化設計的資源節(jié)約的設計［18］。

我國的農(nóng)業(yè)機械制造業(yè)存在的問題有：一是資源和能源不能得到優(yōu)化利用，造成浪費；二是資源的回收與再利用沒有得到應有的重視；三是企業(yè)對廢棄物處理消極，對治理污染不加重視；四是未能綜合考慮面向環(huán)保的諸多環(huán)節(jié)的設計，階段性與實踐性未能相結(jié)合。

在產(chǎn)品設計時盡量采用容易分解的材料，要盡量減少工業(yè)“三廢”的排放。綠色選型設計要加快開發(fā)新能源發(fā)動機，研制新型裝備，降低對能源的大量需求并將VR/可視化技術(shù)應用到設計環(huán)節(jié)［7］。要重視研發(fā)適應農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)機械，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物再利用與處理設備。如發(fā)展起壟雙條分層施肥機械、打頂抑芽消毒機械、殘稈處理機械和復合聯(lián)合作業(yè)機械等。

5　有限元法

有限元法能夠設計分析結(jié)構(gòu)的力學問題，隨機理論、結(jié)構(gòu)拓撲理論等已引入其中，目前已應用到振動、熱傳導、流體力學等諸多領(lǐng)域。有限元法對復雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析和動態(tài)分析已發(fā)展得比較成熟，正向斷裂力學分析、疲勞分析方向發(fā)展［19］。

有限元法高效、靈活、通用，易于掌握，應用有限元法進行結(jié)構(gòu)的自動設計，在當前結(jié)構(gòu)設計中發(fā)展的相對成熟。山東農(nóng)業(yè)大學張曉輝教授研制的葡萄園立體噴桿風送式噴霧機［20］，使用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對機架結(jié)構(gòu)進行了分析，使用FLUENT流體仿真軟件對氣流流場進行了模擬，使整機結(jié)構(gòu)更加可靠。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所胡進鑫對R175A-8柴油機曲軸進行了有限元分析，曲軸的材料最終選用QT700-2，明顯降低了生產(chǎn)成本［21］。浙江理工大學的趙勻等利用有限元分析軟件ANSYS對水稻插秧機車架進行了有限元分析，經(jīng)過優(yōu)化，車架質(zhì)量得到極大提高［22］。將有限元分析方法應用到其他農(nóng)業(yè)機械的分析中，可為農(nóng)業(yè)機械的設計和改良提供更為準確的理論依據(jù)。

機械設計部門可根據(jù)產(chǎn)品設計的需要，利用網(wǎng)絡技術(shù)、可視化技術(shù)和高性能數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息處理技術(shù)及網(wǎng)絡中各種典型程序，將一些常用計算方法、圖表等編成專用程序，建立有限元分析遠程服務系統(tǒng)。常用的計算數(shù)學內(nèi)容有：方程求根、代數(shù)插值、數(shù)值微積分和曲線擬合等。

6　可靠性設計

可靠性設計是一門應用概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法確定構(gòu)件在一定可靠度下安全壽命的學科，機械產(chǎn)品的可靠性可實現(xiàn)對零件、機器、系統(tǒng)的工作可靠性進行預測。主要研究內(nèi)容有質(zhì)量控制方法學、可靠性預測模型、試驗設計［19］，應系統(tǒng)掌握常用材料性能的概率分布規(guī)律、典型零部件的載荷概率分布規(guī)律及失效概率。

機械零部件在工作中受到的破壞主要為疲勞破壞。近年來，各國廣泛使用了電子計算機控制的電液伺服疲勞實驗設備進行各種波形的程序疲勞實驗。如波蘭華沙工程機械研究院對裝載機進行了疲勞強度試驗，并進行樣機摸擬試驗，發(fā)現(xiàn)了各個部件或整機的薄弱環(huán)節(jié)，通過動態(tài)分析測定了其振動特性［23］。

為保證農(nóng)業(yè)機械的可靠性，所研制的農(nóng)業(yè)機械應能適應季節(jié)性強、施工周期短、施工條件差等要求。如在沿海地區(qū)多為鹽堿地，土壤對設備的腐蝕較嚴重，必須考慮到這一因素。精密播種機的特殊性決定了可靠性的特殊性。在我國，農(nóng)民的購買力低下，播種機的價格應在其能接受的水準上，所以價格也是影響播種機可靠性的因素。簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高單元的可靠度，可提高精密播種機的可靠度［24］。

結(jié)合農(nóng)機特點且要考慮到疲勞影響因素很多，通過疲勞壽命可靠性研究及結(jié)構(gòu)疲勞模擬試驗來檢驗其可信程度，可提高農(nóng)機結(jié)構(gòu)的使用壽命和可靠度。提高農(nóng)機產(chǎn)品使用壽命和可靠性需要全社會整體技術(shù)、管理水平的提高［25］。

7　機械設備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及應用，為機械系統(tǒng)的狀態(tài)檢測帶來了新的思路和活力。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入可監(jiān)測性設計理論，研究基于物聯(lián)網(wǎng)條件下的可監(jiān)測性設計理論體系和關(guān)鍵應用技術(shù)，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)絡信息抓取和物聯(lián)網(wǎng)實時采集等功能。如物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖機械裝備中豬舍通風溫控系統(tǒng)及母豬電子發(fā)情鑒定，利用結(jié)合RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取代人工行為，極大的提高了數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性、連續(xù)性［26］。

目前狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有性能參數(shù)監(jiān)測、油液分析監(jiān)測和振動監(jiān)測等，各種監(jiān)測設備和新型傳感器更加多樣和細密［27］，嵌入機械系統(tǒng)中相互之間在物理上隔離，實際狀態(tài)監(jiān)測利用率不高。有些農(nóng)業(yè)裝備在設計時沒有預留監(jiān)測所需要的監(jiān)測部位或接口，需要重點監(jiān)測的設備無法進行有效的監(jiān)測［28］。

為適應物聯(lián)網(wǎng)下狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，機械設備應準確實時獲取狀態(tài)信息，加強監(jiān)測點優(yōu)化布置，形成從設計－狀態(tài)監(jiān)測－故障診斷－維修－…－報廢－再設計的全生命周期內(nèi)的健康管理閉環(huán)體系，提高產(chǎn)品智能化、自動化水平。采用微納米、智能材料、光纖傳感等技術(shù)，積極研發(fā)基于微型化、無線網(wǎng)絡、超低功耗以及非電池供電的在線監(jiān)測傳感器和便攜式監(jiān)測儀器設備，嵌入機械設備中具備物聯(lián)網(wǎng)中物的基本特征屬性。充分利用在線監(jiān)測設備和離線便攜式設備資源，采用多傳感器信息融合故障診斷系統(tǒng)，構(gòu)建專家知識庫建立基于網(wǎng)絡的分布式資源狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)。如中國農(nóng)業(yè)大學的何雄奎教授采用紅外傳感器監(jiān)測果樹，設計了自動對靶控制噴霧機構(gòu)，實現(xiàn)了變量施藥，提高了農(nóng)藥利用率，減少了農(nóng)藥對環(huán)境污染［29］。

國內(nèi)外科研機構(gòu)已經(jīng)開展了通過測量動力機械的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)來監(jiān)測診斷系統(tǒng)的故障［30］。振動監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點有診斷速度快、準確率高，許多技術(shù)先進的國家已將其成功應用于機械設備狀態(tài)監(jiān)測實踐中。加強集成技術(shù)研究是今后發(fā)展機械維修保障系統(tǒng)的必然趨勢。

8　現(xiàn)代設計方法中的智能化技術(shù)

現(xiàn)代設計方法中的智能化技術(shù)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡、知識倉庫、仿真等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用在建模、搜索、選擇、評價、經(jīng)驗知識的獲取和表達等方面；知識倉庫又稱資源倉庫，主要應用于知識管理與知識重用問題。通過計算機建立數(shù)學物理模型并進行仿真，在農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品設計中可以提高設計質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低設計成本。將現(xiàn)代智能收割機與遙感技術(shù)、衛(wèi)星導向系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)收割作業(yè)無人操作。常用于智能設計的推理技術(shù)主要有基于規(guī)則的推理、基于實例的推理、基于原型的推理和定性推理等。先進制造技術(shù)創(chuàng)新包括產(chǎn)品、制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)模式三個方面的創(chuàng)新，智能化技術(shù)是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)。

如利用衛(wèi)星高光譜遙感技術(shù)可在區(qū)域和全球尺度上從高空監(jiān)測作物長勢。便攜式高光譜儀診斷法通過測定綠色植物葉片的反射率、透射率和吸收率來測定葉綠素含量，簡便快速、損傷率低。野外便攜式高光譜儀具有更多的波段數(shù)和更高的光譜分辨率。診斷法主要包括：被動遙感光譜儀法、主動遙感光譜儀診斷－Green Seeker法。用Green Seeker可動態(tài)監(jiān)測作物氮素豐缺狀況，如與施肥機具相結(jié)合可診斷養(yǎng)分虧缺狀況并進行變量施肥。

智能化技術(shù)在性能方面正朝著高速高精度、工藝復合性、實時智能化方向發(fā)展，在功能方面正朝著用戶界面圖形化、科學計算可視化、多媒體技術(shù)應用方向發(fā)展，在體系結(jié)構(gòu)方面正朝著集成化、模塊化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展［31］。應充分研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化技術(shù)中的應用，開發(fā)網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集和管理分析系統(tǒng)，加快農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展。

9　數(shù)據(jù)處理的常用方法

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)下機械產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)網(wǎng)絡化需求，需具備以下條件：各種監(jiān)測分析方法的數(shù)據(jù)的提取、保存、查詢，瀏覽歷史數(shù)據(jù)、進行趨勢分析；可支持分布式應用，能夠隨裝備或機動采集車一起使用；采用配置式軟件模式，支持新增加傳感器、分析儀器；能夠調(diào)用和共享各種知識，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性處理、分析［32］。

采用以下方法可以快速及時的處理測試數(shù)據(jù)和計算所得的數(shù)據(jù)：借助電子表格類軟件處理簡單的數(shù)據(jù)；通過MATLAB的各種功能函數(shù)處理復雜的設計［33］；采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法處理信息量大、規(guī)律性差、參數(shù)信息多的數(shù)據(jù)；采用數(shù)值插值方法來處理離散數(shù)據(jù)；采用牛頓插值及樣條函數(shù)插值可提高插值的精度［34］。通過分析處理的數(shù)據(jù)可以找到鹽堿地水鹽的長期變化規(guī)律、改良鹽堿地的最佳方法、土壤綜合性能變化規(guī)律，為科學改良土壤和品種篩選、施肥及管理提供合理依據(jù)。

除上述方法外，現(xiàn)代設計方法還有機械產(chǎn)品模塊化設計、價值分析、相似設計等。

10　結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)代機械設計方法與農(nóng)業(yè)機械設計相結(jié)合，可大大縮短農(nóng)業(yè)機械的設計周期，提高產(chǎn)品的性能，為農(nóng)業(yè)機械帶來更大的推廣應用價值［35］。對現(xiàn)代設計理論和方法的大力推廣和應用，可使機械產(chǎn)品設計向自動化、智能化、精準化等現(xiàn)代化設計方向發(fā)展。我國應努力做到由引進、仿制國外先進機械向消化、吸收、改進和創(chuàng)新轉(zhuǎn)移，推動我國企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的現(xiàn)代化?？傊S著農(nóng)業(yè)裝備的智能化、網(wǎng)絡化和信息化，應用傳感器技術(shù)、計算機控制技術(shù)、CAN總線技術(shù)、農(nóng)機物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高農(nóng)機作業(yè)技術(shù)標準，是未來農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展方向［36，37］。

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Application of Modern Design Method Based on Internet of Things in Agricultural Equipment Design

LI Yan-lei1，2，BAI Peng1，2，ZHANG Xiao-hui1，2，JIANG Hong-hua3*
1.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China
2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，Taian 271018，China
3.College of Information Science and Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

This paper proposed a modern design theory&methods and physical architecture through analyzing the serious situation faced by the agricultural equipment development.It analyzed the present research situation of modern mechanical design.The intelligent optimizing design，computer aided industrial design（CAID），finite element analyzing method，the reliability design，mechanical state monitoring technology，intelligent technology，data processing etc were introduced in this paper.Their characteristics and applied prospects in agricultural equipment design were discussed，too.

Internet of Things；modern design method；agricultural equipment；optimizing design；finite element

TP273

A

1000-2324（2016）02-0269-05

2015-01-04

2015-01-20

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系棉花創(chuàng)新團隊農(nóng)業(yè)機械崗位專家資助（SDAIT0701110）

李巖磊（1989-），男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向為機械工程.E-mail：937634686@qq.com

Author for correspondence.E-mail：j_honghua@sdau.edu.cn