基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李巖磊，白鵬，張曉輝，姜紅花

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

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

基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

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

通過分析農(nóng)業(yè)裝備開發(fā)面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)，提出了現(xiàn)代設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法學(xué)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述了智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)（CAID）、有限元分析方法、可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能化技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)及其在農(nóng)業(yè)裝備中的應(yīng)用。

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

隨著計(jì)算機(jī)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(jì)全球化的環(huán)境下，機(jī)械制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)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(zhǎng)等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，雖然改革開放后取得了很大進(jìn)展，但機(jī)械設(shè)計(jì)整體上仍處于較低的水平［1］。我國(guó)工業(yè)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，進(jìn)口裝備約占GDP的10%［2］，而且高價(jià)引進(jìn)的部分裝備不適宜國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。因而，加大機(jī)械產(chǎn)品現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論方法研究力度，加快開發(fā)研制獨(dú)占性技術(shù)的新產(chǎn)品是必要要求。

1　現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法理論

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相比較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是動(dòng)態(tài)的、科學(xué)的、計(jì)算機(jī)化的方法，其實(shí)質(zhì)是科學(xué)方法論在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，即為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)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(bǔ)性強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法形成有力支撐。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程來看，完整的廣義設(shè)計(jì)體系包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和服務(wù)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的快速發(fā)展、社會(huì)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)是不可阻擋的趨勢(shì)。比如，在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)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(jī)械設(shè)計(jì)方法理論具有創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性、前瞻性、多學(xué)科理論和技術(shù)的交融性、最優(yōu)化等特點(diǎn)，以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法，具有降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)水平的作用。國(guó)外優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論方法非常成熟，在實(shí)際中已廣泛應(yīng)用并發(fā)揮效益。我國(guó)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究起步較晚，相關(guān)理論及技術(shù)與國(guó)外相比存在較大差距。

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)以合理的物理－數(shù)學(xué)建模為前提，考慮多變量動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，使設(shè)計(jì)更加科學(xué)、邏輯［7］。由于系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響因素比較多樣，如何建立整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化方法是科技界關(guān)注的熱點(diǎn)。

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(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)的增加和有效解的個(gè)數(shù)增多時(shí)，更能顯出該方法的優(yōu)越性［8］。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張曉輝教授等提出集成基于相關(guān)向量機(jī)RVM、多目標(biāo)遺傳算法GA和模糊推理技術(shù)的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化氣流輔助式噴桿噴霧機(jī)的風(fēng)助風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為增加輔助氣流的減飄和穿透能力，通過流體動(dòng)力學(xué)仿真獲取反映風(fēng)筒結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的樣本數(shù)據(jù)集，由稀疏RVM學(xué)習(xí)過程辨識(shí)，給出了基于計(jì)算流體力學(xué)CFD分析的4個(gè)目標(biāo)和3個(gè)性能約束。結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法，通過NSGA-II算法尋優(yōu)出Pareto最優(yōu)解集。物理樣機(jī)試驗(yàn)證明優(yōu)化的風(fēng)助風(fēng)筒的出口速度和速度均勻性，可改善其霧滴輸送能力，實(shí)現(xiàn)了耗氣量小、高效和風(fēng)速變異小的結(jié)果［9］。

機(jī)械產(chǎn)品廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)要達(dá)到復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化效率的苛刻要求，遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所利用Inventor對(duì)1S-2型深松鏟柄進(jìn)行建模，并定義材料和進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)了快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿意的深松鏟柄設(shè)計(jì)模型，使設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化的智能集成設(shè)計(jì)體系。三維參數(shù)化CAD存儲(chǔ)了設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，通過變動(dòng)某些約束參數(shù)值來更新設(shè)計(jì)及控制設(shè)計(jì)結(jié)果，為多種方案的設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)話CAD可及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)CAD技術(shù)與優(yōu)化、有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法作用的結(jié)合，構(gòu)建三維實(shí)體模型，并進(jìn)行虛擬裝配和機(jī)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)干涉檢查、有限元應(yīng)力分析等［12］，實(shí)現(xiàn)專用化、集成化，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量［13，14］?；谔卣髟O(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、加工等。我國(guó)科研人員采用三維CAD設(shè)計(jì)復(fù)雜曲面較多的農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件［15］。

現(xiàn)代CAD技術(shù)正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化等方向發(fā)展。智能CAD系統(tǒng)利用Web機(jī)制，采用動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)，建立知識(shí)設(shè)計(jì)倉(cāng)庫，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)知識(shí)的需求問題。將ICAD技術(shù)（智能技術(shù)）應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中［16］，可明顯提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)于功能和結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，可采用變量設(shè)計(jì)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)行工程分析和輔助制造。隨著概念設(shè)計(jì)理論和技術(shù)、協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)將向全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造應(yīng)用方面發(fā)展。

4　綠色設(shè)計(jì)

探索資源節(jié)約和優(yōu)化利用是當(dāng)前大力發(fā)展制造業(yè)的有效途徑，設(shè)計(jì)、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(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此要考慮將人機(jī)工程學(xué)、消費(fèi)心理學(xué)等學(xué)科應(yīng)用到產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)（Green Design）和研究產(chǎn)品資源消耗模型、能量消耗的控制模型、計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的資源節(jié)約的設(shè)計(jì)［18］。

我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)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(fèi)；二是資源的回收與再利用沒有得到應(yīng)有的重視；三是企業(yè)對(duì)廢棄物處理消極，對(duì)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(shè)計(jì)，階段性與實(shí)踐性未能相結(jié)合。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)要加快開發(fā)新能源發(fā)動(dòng)機(jī)，研制新型裝備，降低對(duì)能源的大量需求并將VR/可視化技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)［7］。要重視研發(fā)適應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)機(jī)械，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物再利用與處理設(shè)備。如發(fā)展起壟雙條分層施肥機(jī)械、打頂抑芽消毒機(jī)械、殘稈處理機(jī)械和復(fù)合聯(lián)合作業(yè)機(jī)械等。

5　有限元法

有限元法能夠設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，隨機(jī)理論、結(jié)構(gòu)拓?fù)淅碚摰纫岩肫渲?，目前已?yīng)用到振動(dòng)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等諸多領(lǐng)域。有限元法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析已發(fā)展得比較成熟，正向斷裂力學(xué)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(yīng)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自動(dòng)設(shè)計(jì)，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)展的相對(duì)成熟。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張曉輝教授研制的葡萄園立體噴桿風(fēng)送式噴霧機(jī)［20］，使用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，使用FLUENT流體仿真軟件對(duì)氣流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，使整機(jī)結(jié)構(gòu)更加可靠。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所胡進(jìn)鑫對(duì)R175A-8柴油機(jī)曲軸進(jìn)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(xué)的趙勻等利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)水稻插秧機(jī)車架進(jìn)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(yīng)用到其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的分析中，可為農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)和改良提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)部門可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，利用網(wǎng)絡(luò)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(luò)中各種典型程序，將一些常用計(jì)算方法、圖表等編成專用程序，建立有限元分析遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。常用的計(jì)算數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是一門應(yīng)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定構(gòu)件在一定可靠度下安全壽命的學(xué)科，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件、機(jī)器、系統(tǒng)的工作可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要研究?jī)?nèi)容有質(zhì)量控制方法學(xué)、可靠性預(yù)測(cè)模型、試驗(yàn)設(shè)計(jì)［19］，應(yīng)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(jī)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(guó)廣泛使用了電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行各種波形的程序疲勞實(shí)驗(yàn)。如波蘭華沙工程機(jī)械研究院對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，并進(jìn)行樣機(jī)摸擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了各個(gè)部件或整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，通過動(dòng)態(tài)分析測(cè)定了其振動(dòng)特性［23］。

為保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性，所研制的農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)能適應(yīng)季節(jié)性強(qiáng)、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(duì)設(shè)備的腐蝕較嚴(yán)重，必須考慮到這一因素。精密播種機(jī)的特殊性決定了可靠性的特殊性。在我國(guó)，農(nóng)民的購(gòu)買力低下，播種機(jī)的價(jià)格應(yīng)在其能接受的水準(zhǔn)上，所以價(jià)格也是影響播種機(jī)可靠性的因素。簡(jiǎn)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(jī)的可靠度［24］。

結(jié)合農(nóng)機(jī)特點(diǎn)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(yàn)來檢驗(yàn)其可信程度，可提高農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命和可靠度。提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品使用壽命和可靠性需要全社會(huì)整體技術(shù)、管理水平的提高［25］。

7　機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，為機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)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(cè)性設(shè)計(jì)理論，研究基于物聯(lián)網(wǎng)條件下的可監(jiān)測(cè)性設(shè)計(jì)理論體系和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)絡(luò)信息抓取和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集等功能。如物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖機(jī)械裝備中豬舍通風(fēng)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(cè)技術(shù)有性能參數(shù)監(jiān)測(cè)、油液分析監(jiān)測(cè)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)等，各種監(jiān)測(cè)設(shè)備和新型傳感器更加多樣和細(xì)密［27］，嵌入機(jī)械系統(tǒng)中相互之間在物理上隔離，實(shí)際狀態(tài)監(jiān)測(cè)利用率不高。有些農(nóng)業(yè)裝備在設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)留監(jiān)測(cè)所需要的監(jiān)測(cè)部位或接口，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的設(shè)備無法進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)［28］。

為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)下狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備應(yīng)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取狀態(tài)信息，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置，形成從設(shè)計(jì)－狀態(tài)監(jiān)測(cè)－故障診斷－維修－…－報(bào)廢－再設(shè)計(jì)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(dòng)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(luò)、超低功耗以及非電池供電的在線監(jiān)測(cè)傳感器和便攜式監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，嵌入機(jī)械設(shè)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(cè)設(shè)備和離線便攜式設(shè)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(shí)庫建立基于網(wǎng)絡(luò)的分布式資源狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)。如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的何雄奎教授采用紅外傳感器監(jiān)測(cè)果樹，設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)靶控制噴霧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變量施藥，提高了農(nóng)藥利用率，減少了農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染［29］。

國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了通過測(cè)量動(dòng)力機(jī)械的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、功率等性能參數(shù)來監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的故障［30］。振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有診斷速度快、準(zhǔn)確率高，許多技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家已將其成功應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)踐中。加強(qiáng)集成技術(shù)研究是今后發(fā)展機(jī)械維修保障系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。

8　現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的智能化技術(shù)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的智能化技術(shù)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)倉(cāng)庫、仿真等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在建模、搜索、選擇、評(píng)價(jià)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的獲取和表達(dá)等方面；知識(shí)倉(cāng)庫又稱資源倉(cāng)庫，主要應(yīng)用于知識(shí)管理與知識(shí)重用問題。通過計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)物理模型并進(jìn)行仿真，在農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低設(shè)計(jì)成本。將現(xiàn)代智能收割機(jī)與遙感技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)向系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)收割作業(yè)無人操作。常用于智能設(shè)計(jì)的推理技術(shù)主要有基于規(guī)則的推理、基于實(shí)例的推理、基于原型的推理和定性推理等。先進(jìn)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(gè)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(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)。便攜式高光譜儀診斷法通過測(cè)定綠色植物葉片的反射率、透射率和吸收率來測(cè)定葉綠素含量，簡(jiǎn)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(dòng)遙感光譜儀法、主動(dòng)遙感光譜儀診斷－Green Seeker法。用Green Seeker可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作物氮素豐缺狀況，如與施肥機(jī)具相結(jié)合可診斷養(yǎng)分虧缺狀況并進(jìn)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(fù)合性、實(shí)時(shí)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(xué)計(jì)算可視化、多媒體技術(shù)應(yīng)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(luò)化方向發(fā)展［31］。應(yīng)充分研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化技術(shù)中的應(yīng)用，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)下機(jī)械產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化需求，需具備以下條件：各種監(jiān)測(cè)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(jìn)行趨勢(shì)分析；可支持分布式應(yīng)用，能夠隨裝備或機(jī)動(dòng)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(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性處理、分析［32］。

采用以下方法可以快速及時(shí)的處理測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算所得的數(shù)據(jù)：借助電子表格類軟件處理簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)；通過MATLAB的各種功能函數(shù)處理復(fù)雜的設(shè)計(jì)［33］；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)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(xué)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(shè)計(jì)方法還有機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、價(jià)值分析、相似設(shè)計(jì)等。

10　結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法與農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合，可大大縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的性能，為農(nóng)業(yè)機(jī)械帶來更大的推廣應(yīng)用價(jià)值［35］。對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的大力推廣和應(yīng)用，可使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)向自動(dòng)化、智能化、精準(zhǔn)化等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。我國(guó)應(yīng)努力做到由引進(jìn)、仿制國(guó)外先進(jìn)機(jī)械向消化、吸收、改進(jìn)和創(chuàng)新轉(zhuǎn)移，推動(dòng)我國(guó)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的現(xiàn)代化?？傊?，隨著農(nóng)業(yè)裝備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化，應(yīng)用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、CAN總線技術(shù)、農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(tuán)隊(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)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?yàn)闄C(jī)械工程.E-mail：937634686@qq.com

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