基于云計算的農機三維數字化云服務平臺設計

李春燕，李 根，高永強

基于云計算的農機三維數字化云服務平臺設計

李春燕1，李 根1，高永強2

(1.內蒙古化工職業學院 計算機與信息工程系，呼和浩特 010070；2.內蒙古大學 計算機學院，呼和浩特 010010)

考慮現代農機市場對產品多樣性、個性化和訂單交付周期短等需求，結合云計算和三維數字化設計理念，提出了一種針對模塊化農機產品的快速設計方法，并對設計理念、關鍵技術進行了深入的分析和可行性驗證。利用云計算中的 SaaS服務模式下應用系統的模型架構，構建了農機快速設計的三維數字化平臺，選取農機設計過程中常用的零部件軸和齒輪等為研究對象，通過參數化建模，驗證了基于云計算農機三維數字化設計平臺的智能化和高效性。最后，通過農機設計周期、客戶滿意度和資源利用率等項目的評價，對傳統方法和云設計方法進行了對比。對比結果表明：采用云服務對農機進行設計不僅可以提高設計效率和設計質量，而且能夠充分利用設計資源，達到資源共享的目的。

農機設計；SaaS服務；三維數字化；云計算；參數化建模

0 引言

基于云環境的計算機協同技術可以有效縮短產品的設計周期，加快產品的設計和更新換代的速度，可以使需求客戶和設計人員進行有效的交流和溝通，設計出更多的個性化和小批量的柔性產品。隨著軟件設計技術的發展，軟件的二次開發實現了機械零部件的快速設計，其中參數化設計是機械零部件快速設計常用的方法之一，而利用云計算結合參數化界面對農機快速三維數字化設計具有重要的意義。利用云處理和參數化設計可以對農機進行快速的設計和定制，從而有效地縮短研發周期；將云架構引入設計平臺可以有效地減少系統的開發時間，而將資源存儲在云端可以有效地降低資源和系統升級維護的開支；利用云處理技術可以實現農機的協同化設計，加快中小企業的信息化進程。

1 基于云環境的農機三維數字化設計

云計算是多種技術的融合體，主要包括并行計算、分布式計算和網格計算等。云計算基于虛擬技術，利用互聯網進行高效率的數據存儲和傳輸，可以將計算機遠程服務器和本地服務器集成到互聯網上組成大規模的計算機集群，通過集群內的計算機發出指令，調用集群內的資源，完成數據的高速處理，然后將結果返回到遠程服務端或者本地計算機。基于云環境的農機三維數字化設計從服務層次來看主要分為3層，包括軟件服務Saa S、平臺服務Paa S和基礎設施服務Iaa S，其基本框架如圖1所示。

圖1 云計算服務框架模型Fig.1 The framework model of cloud computing service

圖1中，SaaS利用農機軟件設計通過互聯網為客戶提供服務，客戶可以根據自身的軟件需求進行付費。PaaS為農機設計提供服務平臺，主要包括分布式計算、并行計算和協同仿真計算，利用SaaS可以快速地對自己需要的應用進行開發，且PaaS可以加快SaaS的開發。IaaS是一種基礎性的服務，它將計算機存儲資源以服務的形式提供給用戶，從而使用戶可以開發自己的農機軟件設計工具和設計平臺。

圖2為農機的三維數字化設計實例圖。利用SolidWorks和UG軟件可以完成農機的三維設計，可以對其劃分網格和力學分析，但其設計所需的計算量較大，對運算環境要求較高。因此，可采云環境加快產品的數字化設計，設計流程和框架如圖3所示。

圖2 三維數字化設計Fig.2 The three dimensional digital design

圖3 基于云環境的農機快速數字化設計Fig.3 The rapid digital design of agricultural machinery based on cloud environment

為了加快農機數字化設計速度，本研究設計了可變產品模型的農機數字化云設計平臺，并對產品進行模塊化設計，根據農機設計市場的需求，將其模塊主要分為產品的定制模塊和產品的開發模塊。農機的模塊化設計有利于產品的個性化設計，用戶可以根據已有的資源，采用參數化和模塊化設計，對產品進行快速設計，從而加快產品研發速度，縮短設計周期。

2 基于多目標優化的農機云設計模塊劃分

為了優化農機云設計模塊，使用多目標函數對農機設計的質量、效率和能耗進行優化，將目標函數總結為3個，而這3個方面又受到其他因素的制約，從而可以建多個優化條件。

1)農機的播種和收獲質量。農機的播種和收獲質量f1是設計農機時最重要的問題之一，其影響的主要因素有兩個：一是漏播或者漏割率；二是重播或者重復收獲率，這兩個方面都會降低農機的質量。假設農機的正常作業速度為u，漏播或者漏割率為δ1，重播或者重復收獲率為δ2，則農機的速度和質量模型可以表示為

u=f(δ1,δ2)=f1

(1)

2)農機播種和收獲效率。播種和收獲的效率η是指在一定的時間內播種和收割機的作業量，主要影響因素包括行進速度u、排種和收割速度v、橫向幅度l，其函數的表達式為

f(η)=f2=f(v,u,l)

(2)

3)農機播種和收獲能耗。農機在進行播種和收獲時，其耗能ε與播種與收獲能量消耗系數ψ有關，其能耗的表達模型為

f(ε)=f3=f(ψ)

(3)

為了實現農機質量、效率和能耗的同步優化，采用多目標函數對模型進行優化，其表達式為

(4)

其中，x=(x1,x2,…,xn)表示n維向量；φ表示可行性空間；f1(x),f2(x),…,fn(x)表示目標函數。對于任意的兩點(x1,x2)，如果公式(5)成立，則

f1(x),f2(x),...,fn(x)

(5)

即向量f1(x1),f2(x1),…,fM(x1)優于f1(x2),f2(x2),…,fM(x2)，則稱為x1優于x2。利用多目標優化原理可以對農機設計的云平臺進行模塊化劃分，劃分的方法有直接組合和間接組分兩種。其直接組合如圖4所示。

圖4 農機產品模塊直接組合圖Fig.4 The direct combination of agricultural product modules

模塊直接組合是一種通過模塊間的接口直接拼接并進行產品裝配、幾何模型、屬性和工藝等信息的有效傳遞的組合方式，與之對應的還有間接模式，如圖5所示。

模塊間接組合是一種通過一個或數個中間接口模塊傳遞信息并結合接口進行拼接的組合方式，利用多模塊之間的信息交流，可以對整個農機的設計進行模塊劃分，最后裝配組合，形成一個統一體，從而有效地提高了農機設計的效率。

圖5 農機產品模塊的間接組合Fig.5 The indirect combination of the module of agricultural

machinery product

3 農機三維數字化設計

本次設計的農機三維數字化設計平臺采用云計算模式，利用云服務器將農機數字化設計平臺架構在云端，設計者通過安裝客戶端便可以實現農機的快速設計，并可以同其他設計人員進行協同設計，其流程如圖6所示。

圖6 基于云服務的農機三維數字化設計平臺Fig.6 The 3D digital design platform of agricultural machinery

based on cloud services

設計者可以下載客戶端，然后注冊登錄系統。整個農機的設計權限分為多個級別，每個級別對應的相關部件的設計，用戶可以根據自己的權限設計相關部件。云設計平臺具有參數化設計界面，用戶可以遠程調取云端資源。當用戶設計完成后，將數據提交到云端，云端進行存儲后便可以后續的文檔下載，最后將不同的設計文件整合，便可以完成農機整機的設計。利用云環境的分布式計算和存儲方法，可以有效地提高農機數字化設計過程中計算機的運算速度和存儲能力，因此用戶端不需要很高的配置，便可以實現整個數字化設計過程。

采用農機設計云服務平臺可對農機的零部件進行參數化設計，圖7表示參數化設計的界面。通過輸入齒輪的各種參數，可以一次性完成齒輪草圖的繪制，并具有拉伸為三維實體的功能，如圖8所示。

圖7 云服務參數化設計界面Fig.7 The cloud services parameterized design interface

圖8 數字化三維立體效果Fig.8 The digital three dimensional effect

分別建立農機的齒輪和軸之后，便可以對其進行裝配。選擇好基準后，點擊配合便可以完成齒輪與軸裝配，裝配體的效果如圖9所示。

圖9中，將齒輪面和軸面按照一定的距離進行配合，然后將齒輪、軸和鍵進行裝配，從而完成整個裝配的設計，簡便而高效。

圖9 農機零部件裝配效果圖Fig.9 The assembly effect of agricultural machinery parts

表1為利用云服務平臺和傳統設計方法對農機進行數字化設計的各種評價對比結果。由統計結果可以看出：利用云服務平臺不僅可以縮短設計周期，提高客戶的滿意度，最重要的是可以合理利用資源，達到資源共享的目的。

表1 設計效果統計結果

4 結論

結合現代農機設計市場需求，提出了一種個性化和模塊化的農機快速設計方法，并將云處理計算引入到了設計平臺，加快了設計速度，實現了中小型企業信息化和資源共享。采用云計算中的 SaaS服務模式下應用系統模型架構，構建了農機快速設計的三維數字化平臺，并對平臺的設計效果進行了驗證。由參數化建模發現，利用三維數字化平臺可以快速地實現農機常用設計部件的快速三維立體化構建。采用云處理平臺對農機進行設計，既可有效地縮短設計周期，又可以提高設計質量，還可以達到資源共享的目的。因此，無論是中小型企業還是大型企業，都可以引入該系統，其市場應用前景十分廣闊。

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Design of 3D Digital Cloud Service Platform for Agricultural Machinery Based on Cloud Computing

Li Chunyan1, Li Gen1, Gao Yongqiang2

(1.Department of Computer and Information Engineering, Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering, Hohhot 010070, China; 2.School of computing, Inner Mongolia University, Hohhot 010010, China)

Considering that modern agricultural market of product variety, individuality, and the order delivery period is short, and the demand, combined with the concept of cloud computing and 3D digital design ,it proposed a for the module of the rapid design method of agricultural products, and in-depth analysis and verify the feasibility of the design idea, key technology. The SaaS service model of cloud computing application system model architecture to construct the 3D digital platform of rapid design of agricultural machinery, select in the course of agricultural machinery design commonly used parts of the shaft and gear as the research object, through parametric modeling, verify the intellectualization and high efficiency of the agricultural machine 3D digital design platform based on cloud computing. Finally through the cycle of the agricultural machinery design, customer satisfaction and resource utilization project evaluation, the traditional method and the design method of cloud were compared. By the comparison of results, adoption of cloud services design of agricultural machinery can not only improve the design efficiency and design quality, but also fully use the design resources and achieve the sharing of resources.

farm machinery design; SaaS service；three dimensional digital; cloud computing; parametric modeling

2016-08-11

內蒙古自治區自然科學基金項目(2015BS0602)

李春燕(1982-)，女，內蒙古包頭人，講師，碩士，(E-mail)xiaoman1927@sina.com。

S126；TP311.52

A

1003-188X(2017)12-0195-05