許昌學(xué)院電氣與機械學(xué)院 王安梅

前言

數(shù)字孿生作為一種新興的技術(shù)手段，在各個行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用正逐步普及，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，數(shù)字孿生為農(nóng)機電子產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化提供了全新的思路方法。數(shù)字孿生是通過將實體物理世界與虛擬仿真世界進行無縫連接，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)獲取，模擬仿真分析以及優(yōu)化設(shè)計的一種全新技術(shù)，本文旨在探討數(shù)字孿生在農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計中的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景，希望能夠為農(nóng)機電子產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新提供研究幫助。

1 數(shù)字孿生的基本概念和原理

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生是一種基于實體的實時數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合的技術(shù)，通過創(chuàng)建一個數(shù)字副本來準確模擬物理實體的外觀結(jié)構(gòu)以及行為，然后反映其性能與運行狀態(tài)。在數(shù)字孿生中，物理實體的實時數(shù)據(jù)包括各種感知數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)及測量數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)通過傳感器與監(jiān)測設(shè)備獲取，并進行高頻率的采集更新。而虛擬模型則是通過建模與仿真技術(shù)基于物理實體的幾何形狀、材料屬性、運動特征以及行為模式等信息創(chuàng)建，并且可以基于物理定律與數(shù)學(xué)模型等算法進行計算預(yù)測。在數(shù)字孿生中物理實體的準確模擬是非常關(guān)鍵的，它需要考慮實體的幾何形狀、材料屬性以及結(jié)構(gòu)組成和工作原理等方面的信息，準確的物理模擬可以通過三維建模與仿真軟件來實現(xiàn)，例如使用CAD 軟件進行幾何建模，使用有限元分析軟件進行力學(xué)仿真[1]。

1.2 數(shù)字孿生的基本原理

數(shù)字孿生的基本原理是基于物聯(lián)網(wǎng)與傳感器等技術(shù)獲取物理實體的實時數(shù)據(jù)，并將這些實時數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合，虛擬模型可以是基于計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建的，也可以是基于物理實體的替代物模型。在數(shù)字孿生中實時數(shù)據(jù)與虛擬模型之間的結(jié)合是通過數(shù)據(jù)采集傳輸及處理等技術(shù)實現(xiàn)的，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感器與感知設(shè)備跟物理實體連接起來，實時采集物理實體的各項數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以是溫度、壓力、濕度、振動、流量以及能耗等各種物理量的測量值，也可以是圖像、聲音或視頻等各種感知數(shù)據(jù)。傳感器與感知設(shè)備通過高頻率采集更新數(shù)據(jù)，以此來反映物理實體的實時狀態(tài)變化。將實時數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合是通過數(shù)據(jù)傳輸與處理等技術(shù)來實現(xiàn)的，實時數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C或云平臺與虛擬模型進行比對匹配。對于基于計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建的虛擬模型，可以通過與實時數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)對物理實體的外觀結(jié)構(gòu)、位置等方面的準確模擬；對于基于物理實體的替代物模型，則可以通過與實時數(shù)據(jù)進行比對,實現(xiàn)對物理實體行為性能的反映。

1.3 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀60年代，當時計算機模擬技術(shù)開始嶄露頭角。計算機模擬技術(shù)利用計算機的計算能力與建模技術(shù)，通過對物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模仿真分析實現(xiàn)對系統(tǒng)行為性能的預(yù)測優(yōu)化，這為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，數(shù)字孿生技術(shù)開始得到更廣泛推廣應(yīng)用，計算機的計算存儲能力與通信能力的不斷提升，使得數(shù)字孿生技術(shù)能夠處理分析更復(fù)雜的實時數(shù)據(jù)。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得各種傳感設(shè)備能夠?qū)崟r采集傳輸物理實體的各種數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。近年來隨著人工智能與云計算等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在各行各業(yè)都得到了更廣泛的應(yīng)用，人工智能的發(fā)展使得虛擬模型能夠更加智能化，能夠自動學(xué)習(xí)實時數(shù)據(jù)、不斷更新完善模型，從而提高模擬預(yù)測的準確性，云計算技術(shù)的發(fā)展使得虛擬模型能夠被遠程訪問共享，不受地域限制，為不同地區(qū)行業(yè)之間的智能化協(xié)作提供了可能性[2]。

2 數(shù)字孿生在農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計中的技術(shù)優(yōu)勢

2.1 提高農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計效率

2.1.1 實時數(shù)據(jù)采集和分析

數(shù)字孿生技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)與傳感器等設(shè)備實現(xiàn)對農(nóng)機運行數(shù)據(jù)的實時采集傳輸，其中的實時數(shù)據(jù)包含了溫度、壓力、濕度、振動以及流量等物理量的測量值，還有圖像、聲音和視頻等感知數(shù)據(jù)。通過數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計師可以獲取到實時的農(nóng)機運行狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)，為農(nóng)機的設(shè)計優(yōu)化提供更準確的依據(jù)。

2.1.2 虛擬模型與實時數(shù)據(jù)的結(jié)合

數(shù)字孿生技術(shù)將虛擬模型與實際農(nóng)機相連接，通過與實時數(shù)據(jù)進行比對分析，實現(xiàn)對農(nóng)機行為性能的準確模擬。虛擬模型可以基于計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建，或基于實際農(nóng)機的替代物模型，通過將實時數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合，設(shè)計師可以全面了解農(nóng)機的外觀結(jié)構(gòu)位置等特征，和其運行行為能耗與效率等性能參數(shù)。

2.1.3 設(shè)計的實時優(yōu)化

數(shù)字孿生技術(shù)為設(shè)計師提供了及時優(yōu)化設(shè)計的手段。通過與實時數(shù)據(jù)的比對分析，設(shè)計師可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題與改進空間，并進行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計師可以快速對農(nóng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略等進行調(diào)整優(yōu)化，還可以快速反饋設(shè)計改進的結(jié)果，以此來使農(nóng)機的性能得到有效提升，幫助設(shè)計師迅速調(diào)整設(shè)計方案[3]。

2.1.4 設(shè)計方案的精確評估

基于實時數(shù)據(jù)與虛擬模型的結(jié)合，設(shè)計師能夠準確評估不同設(shè)計方案的性能。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬不同的設(shè)計參數(shù)、材料選擇以及部件配置等情況下的農(nóng)機性能，通過對比分析評估各種方案的優(yōu)劣，找到最優(yōu)設(shè)計方案，這樣可以減少試驗與測試的時間成本，提高設(shè)計效率。

2.2 降低農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計成本

2.2.1 虛擬環(huán)境中的模擬測試

數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中對農(nóng)機電子產(chǎn)品進行模擬測試。通過在虛擬環(huán)境中建立農(nóng)機的準確虛擬模型，設(shè)計師可以進行多種場景條件下模擬的不同工況環(huán)境仿真，來對農(nóng)機的行為性能及可靠性進行測試評估。因此，虛擬環(huán)境提供了一個低成本且高效率的測試平臺，減少了實際原型制造測試的需求，從而降低了設(shè)計成本。

2.2.2 提前發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險

通過數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計師可以在虛擬環(huán)境中模擬多種情況場景，對農(nóng)機電子產(chǎn)品的設(shè)計進行全面測試評估，這有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，避免在實際制造和運行中出現(xiàn)問題。通過在虛擬環(huán)境中進行測試優(yōu)化，設(shè)計師可以降低設(shè)計風(fēng)險，減少設(shè)計過程中的返工修正，進一步降低設(shè)計成本。

2.3 加速農(nóng)機電子產(chǎn)品的更新迭代

數(shù)字孿生技術(shù)能夠幫助設(shè)計師快速評估創(chuàng)新的設(shè)計概念，設(shè)計師可以將新的設(shè)計想法轉(zhuǎn)化為虛擬模型，通過數(shù)字孿生技術(shù)進行模擬分析測試，通過模擬分析設(shè)計師可以評估新的設(shè)計概念的可行性效果，這樣可以幫助設(shè)計師迅速發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的優(yōu)劣，避免不必要的實際制造測試，從而加速農(nóng)機電子產(chǎn)品的創(chuàng)新過程。通過模擬分析與虛擬測試，設(shè)計師還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的問題與改進空間，并對農(nóng)機電子產(chǎn)品進行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，利用數(shù)字孿生技術(shù)快速對農(nóng)機電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略等進行調(diào)整，從而推動產(chǎn)品的更新迭代，這樣可以使農(nóng)機電子產(chǎn)品保持競爭力，更好地適應(yīng)市場的需求變化。

2.4 產(chǎn)品故障的診斷預(yù)測

2.4.1 建立數(shù)字孿生模型

基于實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集的信息，數(shù)字孿生技術(shù)可建立農(nóng)機電子產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，該模型能夠準確地反映出農(nóng)機電子產(chǎn)品的物理特征與行為性能，以此對農(nóng)機電子產(chǎn)品進行精確的仿真分析來預(yù)測其壽命或故障模式。

2.4.2 故障診斷與預(yù)測

基于建立的數(shù)字孿生模型，數(shù)字孿生技術(shù)能夠進行故障診斷預(yù)測。通過分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型的對比，數(shù)字孿生技術(shù)可以檢測到農(nóng)機電子產(chǎn)品的異常情況及潛在故障，并能夠根據(jù)模型對農(nóng)機電子產(chǎn)品的壽命與故障模式進行精確預(yù)測，及時發(fā)出警報[4]。

2.4.3 維修與保養(yǎng)措施

憑借故障診斷預(yù)測結(jié)果，農(nóng)機企業(yè)可以及時采取維修保養(yǎng)措施，為用戶減少產(chǎn)品故障所帶來的損失。利用數(shù)字孿生技術(shù)能夠設(shè)計出提前預(yù)測故障模式，以此來幫助農(nóng)機企業(yè)制定相應(yīng)的維修計劃，合理調(diào)度技術(shù)人員資源，確保及時維修保養(yǎng)，避免因故障而造成的生產(chǎn)停頓及損失。

2.5 改善農(nóng)機電子產(chǎn)品的性能

數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)對農(nóng)機在不同工況下的運行情況進行模擬，傳統(tǒng)的農(nóng)機性能測試通常需要借助實際的場景設(shè)備，而這往往需要耗費大量的成本，相比之下數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建模仿真在計算機中還原并模擬農(nóng)機的運行環(huán)境，從而快速獲得農(nóng)機在不同工況下的性能數(shù)據(jù)，這為設(shè)計師提供了一個更加高效靈活的工具，可以在設(shè)計階段提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。例如，在農(nóng)田作業(yè)過程中，農(nóng)機設(shè)備往往會面臨著各種不同的工況環(huán)境條件，諸如道路狀況、土壤濕度以及農(nóng)田坡度等，通過數(shù)字孿生技術(shù)就可以將這些因素都考慮進去，并對農(nóng)機的性能指標進行綜合評估，設(shè)計師可以通過模擬分析找出影響農(nóng)機性能的關(guān)鍵因素，并針對性地進行產(chǎn)品優(yōu)化。同時數(shù)字孿生技術(shù)還可以對農(nóng)機的可靠性進行評估，預(yù)測分析潛在的故障現(xiàn)象，通過對農(nóng)機的各個部件和系統(tǒng)進行精確的建模仿真，模擬不同參數(shù)和工況下的運行情況，設(shè)計師可以快速了解農(nóng)機各部件之間的相互作用與影響，然后有針對性地進行產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的性能。

3 數(shù)字孿生在農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用前景

3.1 農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計的未來發(fā)展趨勢

數(shù)字孿生可以為農(nóng)機電子產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)提供真實的仿真環(huán)境，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以建立農(nóng)機的數(shù)字模型，并在虛擬環(huán)境中進行仿真實驗，設(shè)計師可以在計算機上比較與優(yōu)化多種不同的設(shè)計方案，從而節(jié)約了時間成本。同時數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬不同環(huán)境下的工作條件，預(yù)測農(nóng)機電子產(chǎn)品的性能，為產(chǎn)品的改進優(yōu)化提供參考。通過在農(nóng)機上安裝傳感器和執(zhí)行器，實時監(jiān)測農(nóng)機的運行狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器上進行實時的分析處理，設(shè)計師可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品的優(yōu)化調(diào)整，提高農(nóng)機的使用性能。除此之外，數(shù)字孿生技術(shù)可以結(jié)合人工智能算法實現(xiàn)對農(nóng)機電子產(chǎn)品的自動化控制，提高了農(nóng)機的智能化水平。通過數(shù)字孿生技術(shù)所建立的農(nóng)機數(shù)字化孿生模型，能夠?qū)崟r更新農(nóng)機的運行狀態(tài)與故障信息，運維人員就可以通過遠程訪問數(shù)字孿生模型，獲取農(nóng)機信息并及時采取措施進行維修保養(yǎng)。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測，提前預(yù)知農(nóng)機的故障隱患，為運維人員提供決策支持，提高農(nóng)機的使用壽命。最后數(shù)字孿生技術(shù)可以為農(nóng)機電子產(chǎn)品的銷售與售后服務(wù)提供支持，為農(nóng)機電子產(chǎn)品建立虛擬展示與銷售平臺，通過遠程訪問數(shù)字孿生模型，解決客戶的疑問，不僅提高了銷售效率與用戶滿意度，還節(jié)省了售后服務(wù)的時間成本。

3.2 數(shù)字孿生在農(nóng)機電子產(chǎn)品中的新興應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)在智能農(nóng)機的設(shè)計與測試中發(fā)揮著重要作用，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以對智能農(nóng)機進行全面仿真測試，其中包括機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等方面，設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境中對農(nóng)機進行各種復(fù)雜的模擬實驗，如載荷測試或運行過程分析等，通過這些仿真測試可以提前發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題。同時數(shù)字孿生還可以提供農(nóng)機的運行數(shù)據(jù)與故障診斷信息，使得設(shè)計者能夠更好地了解農(nóng)機的性能并進行相應(yīng)的優(yōu)化。并且數(shù)字孿生技術(shù)還可以應(yīng)用于農(nóng)田管理與決策支持系統(tǒng)中。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以對農(nóng)田進行精細的模擬管理，例如利用數(shù)字孿生技術(shù)對作物的生長過程進行模擬預(yù)測，對作物的生長速度，周期及產(chǎn)量等內(nèi)容進行分析；數(shù)字孿生還可以結(jié)合氣象數(shù)據(jù)為農(nóng)田的灌溉施肥或病蟲害防治等決策提供科學(xué)依據(jù)，通過這些模擬預(yù)測農(nóng)田管理者可以更加科學(xué)地制定農(nóng)田管理策略，提高農(nóng)田的產(chǎn)量效益[5]。

3.3 數(shù)字孿生與其他技術(shù)的融合創(chuàng)新

數(shù)字孿生可以與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合為農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計帶來全新的交互體驗，設(shè)計者可以將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備模擬出真實的農(nóng)田環(huán)境與農(nóng)機操作場景，使設(shè)計者能夠身臨其境地進行產(chǎn)品設(shè)計測試，更加直觀地感知到農(nóng)機的工作狀態(tài)性能，發(fā)現(xiàn)并解決其中所存在的問題，提高產(chǎn)品的安全性。同時數(shù)字孿生技術(shù)還可以與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的安全存儲共享，區(qū)塊鏈技術(shù)可以提供去中心化的數(shù)據(jù)存儲管理方式，確保農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的真實性，將設(shè)計數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈技術(shù)存儲在分布式網(wǎng)絡(luò)中，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的權(quán)限管理及溯源跟蹤，確保農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計過程的透明性與可信度。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計中具有諸多技術(shù)優(yōu)勢及廣闊的應(yīng)用前景，它可以提高設(shè)計效率質(zhì)量，實現(xiàn)農(nóng)機電子產(chǎn)品性能的精確預(yù)測，達成產(chǎn)品的智能化控制等，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，相信它將在農(nóng)機電子產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。