先進設計技術在農業裝備研究中的應用分析

劉宏新 王登宇 郭麗峰 劉文武 張光甫 孫 偉

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

設計是產品研發的重要環節，是企業智力資源及研發條件轉化為生產力的主要形式。現代社會的裝備產品必須滿足用戶的定制化、多樣化的需求，裝備企業及其產品的核心競爭力很大程度上取決于能否以最快的速度向市場提供適合的產品，即是否有足夠的高素質技術人員以及先進的設計方法支撐高效與優質的研發過程。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》與《中國制造2025》均明確指出：裝備制造業是國民經濟的主要支柱，我國是世界制造大國，但還不是制造強國，制造技術基礎薄弱，創新能力不強。應提高裝備設計、制造和集成能力，促進企業技術創新。用高新技術改造和提升制造業，大力推進制造業信息化，大幅度提高產品檔次、技術含量和附加值，全面提升制造業整體技術水平[1-2]。《國家糧食安全中長期規劃綱要》和《國務院關于促進農業機械化和農機工業又好又快發展的意見》明確要求：根據不同區域的自然稟賦、耕作制度，以促進農機農藝結合、實現重大裝備技術突破為重點，加快實現糧食主產區、大宗農作物、關鍵生產環節機械化，積極推行主要糧食作物全程機械化作業，促進糧食生產專業化和標準化發展[3-4]。通過創新裝備設計的方法與技術，構建先進的研發平臺，同步提高效率與水平是實現這些目標的必要途徑[5-6]。

當前，農業裝備的先進設計正逐漸演變成一個知識密集與交叉的復雜過程，涉及機構原理、機械設計、農機農藝、CAD/CAM(Computer aided design/Computer aided manufacturing)、數字樣機(Digital mockup，DMU)、知識工程、人工智能(Artificial intelligence，AI)、網絡協同和虛擬仿真(Virtual reality，VR)等多領域多學科的技術和方法[7-14]。為提升產品研發效率，搶占市場先機，約翰迪爾(John Deere)、凱斯紐荷蘭(CNH)、愛科(AGCO)、久保田(Kubota)等國際知名企業應用現代信息技術，紛紛建立了以PDM/PLM(Product data management/Product lifecycle management)為基礎，結合高端工程應用軟件的優質產品研發體系和設計資源與信息共享平臺。同時，基于知識工程的CAD/CAM技術得到了高度重視，并取得快速發展，參數化、虛擬化、網絡化和集成化成為先進設計技術研究與開發的熱點[15]。

相對而言，中國農業裝備制造企業與國際先進水平存在較大差距，正面臨來自目標市場多層面競爭的嚴峻挑戰。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、缺乏自主核心技術，已成為中國農業裝備企業可持續發展的瓶頸[16]。加之農業裝備種類繁多和地域差異顯著所導致的專業知識、結構形式、實踐經驗等極其龐雜，沒有先進的研發體系與技術手段的支持，個體設計人員難以全面掌握相關知識與技能，無法保證研發質量，嚴重制約了產業發展及自主創新能力。

研究適合農業裝備的先進設計技術，對支撐《中國制造2025》等國家重大規劃為農業裝備設定的發展目標的實現，在國際上實現彎道超車具有重要的現實與戰略意義。先進設計方法與技術在不同的歷史階段有不同的內涵，是一個相對的概念，有其產生的必然條件和時代環境。本文擬通過全面梳理并分析設計方法及其在農業裝備研發中應用的發展歷程，探尋先進設計方法的產生規律與特點，結合當前科技與社會背景，充分利用現代3D-CAD虛擬現實的優勢與計算機技術的發展成果，為開發農業裝備智能化設計系統提供基礎理論與技術模式，充分整合行業成果及專業知識，提高研發效率和水平，提升中國裝備制造業的國際競爭力。

1 設計方法與技術的演變

1.1 設計的概念

設計是人類為了實現某種特定目的而進行的一項創造性活動，是把頭腦中的一種規劃、設想以視覺的形式傳達出來的人類智力運用過程。隨著人類社會的逐漸發展，設計在不同領域細化出不同的內涵與方法。機械工程領域，設計是根據使用要求對機械裝備的工作原理、結構組成、形狀尺寸、運動方式、力和能量傳遞、零件材料、潤滑形式、控制過程等進行構思、分析、計算，并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械裝備性能的最主要因素[17]。

1.2 發展歷程

為高度概括人類幾千年文明史中機械工程領域設計的發展歷程，根據其在時代軸上的宏觀特征，劃分為以下3個階段：17世紀前，人類創造和使用機械裝備為古代機械設計階段；17世紀至第二次世界大戰，機械設計在世界范圍內快速發展，為近代機械設計階段；第二次世界大戰結束至今，計算機出現，進入并主導著設計的變革，為現代機械設計階段。機械設計發展歷程如圖1所示。

圖1 機械設計發展歷程Fig.1 History of mechanical design

2 計算機輔助設計

2.1 計算機輔助設計的產生

計算機輔助設計(CAD)是利用計算機快速的數值計算和強大的圖文處理功能，輔助工程技術人員進行產品設計、工程繪圖和數據管理的一門計算機應用技術，是計算機科學技術發展和應用中的一個重要領域[18]。樸素的計算機輔助設計用于輔助圖形的生成與設計的表達，以單純的提高速度為其主要任務，并通過提供一些標準的圖形與圖例而兼顧規范性與美觀性。隨著科技的進步，CAD的外延不斷擴大，逐漸囊括了為設計結構而進行的分析、計算及虛擬仿真。

2.2 CAD技術發展過程

計算機輔助設計技術的發展過程如圖2所示。

圖2 CAD技術發展過程Fig.2 Development stage of CAD

20世紀90年代以來，計算機輔助設計技術趨于成熟，以現代3D-CAD軟件為代表，CAD技術不再停留在單一模式、單一功能、單一領域的功能與水平，而是向著開放性、標準化、集成化的方向發展[19]。CAD技術結合企業管理平臺的并行工程和協同共享的組織架構，允許更多計算機輔助設計功能實現，為其技術的發展和應用提供了更為廣闊的空間。

近年來，以計算機輔助設計為基礎的新方法與新技術受到越來越多的關注，并在設計實踐活動中普遍應用，不斷提升產品設計過程的專業化與自動化水平。

2.3 CAD技術的優勢與意義

2.3.1技術優勢

計算機可根據人的意圖迅速做出反應，并能夠將設計結果實時顯示出來，設計者可根據計算機的顯示及時處理。同時，利用計算機所提供的復制、查詢、存儲等功能以及模版、圖樣、模型等資源，使得在計算機上進行設計與修改相比在圖紙上工作簡便易行，節省了大量的開發時間[20-22]。

由于計算機的計算能力強，計算精度高，設計人員在具備專業知識的基礎上，利用計算機輔助設計手段可以完成復雜的參數分析與結構優化。結合實體模型參數化設計、全相關數據庫技術可以最大程度保證產品的設計質量，并為其它先進技術的應用提供基礎和前提條件[23]。

計算機輔助設計系統設計過程的記錄及所生成的設計結果均以數字信息的形式呈現，易于存儲和檢索，便于同其它計算機應用系統接口，從而實現資源共享及多任務協同組織，依托企業內部網絡可實現全局性的管理，大幅提高企業的管理效率與管理水平[24]。

2.3.2影響與意義

計算機輔助設計能夠縮短產品研發周期，提高產品設計質量以及管理水平，大大降低了企業的生產成本，提高了行業競爭力[25]。農業裝備由于其自身特點和工作對象的復雜性，很多理論分析和綜合計算過程復雜，計算量大，依靠人工幾乎不可能完成。因此，被CAD概念外延所擴展的過程分析、參數計算、優化求解、虛擬仿真等，在農業裝備的研發過程中發揮了重要的作用[26-27]，多種綜合性農業裝備設計問題的解決，如：大行程液壓支撐機構的參數求解[28]、曲柄搖桿式分插機構的運動學和動力學分析[29]、懸掛機組空間多維作用力下的平衡分析與計算[30]、滾筒式免耕播種機構交互式優化[31]、物料清選過程的多相耦合分析與仿真[32]。

計算機輔助設計的影響與意義不止在于對設計過程的各項輔助，更重要的是其設計過程的數字信息形式催生了模型資源重用、數字化設計、智能化設計等先進設計技術的產生與發展。廣義的計算機輔助設計技術已發展成一項集計算機圖形學、數據庫、網絡通訊等計算機及其它領域知識于一體的綜合性的高新技術，是先進制造技術的重要組成部分，并對諸多領域的技術進步和發展產生了巨大影響[33-34]。

3 基于3D模型的資源重用與產品重構

目前，產品設計過程中三維模型已逐漸取代二維圖紙成為技術交流與信息傳遞的媒介[35]。三維模型可為產品提供更豐富的展示形式，使產品抽象的空間信息直觀化和可視化，同時，基于特征創建的三維模型具有嵌入式參數化和關聯能力，通過對模型主要參數的修改可實現零件、部件乃至整個產品尺寸結構的快速修改，易于系列化設計的實現。

三維模型的特點使其具有重復使用的可能，即具有了資源的屬性，現代三維設計軟件良好的二次開發接口功能也為這種可能提供了技術支持。

3.1 模型重用技術

3.1.1模型重用的定義

關于模型重用的概念，目前還沒有一個統一、標準而又全面的描述。根據其應用目的不同，國內外學者們從不同角度給出了關于模型重用的定義，較為典型的有：模型重用是對已有代碼、函數、組件和完整模型通過軟件分析判斷后實現的重復利用[36]；模型重用是通過對已有的模型進行重復使用或在已有模型基礎上做進一步開發，以適應新環境的要求[37]；模型重用是將仿真模型進行重復使用，避免模型的重復構建，通過對成熟模型的重用降低仿真開發成本，提高仿真水平和質量[38]。綜合上述定義，模型重用是將已有成熟的模型資源直接進行重復使用，或通過對其進行適當調整以滿足當前的需求，其目的是通過對模型的再利用快速獲得滿足需求的結果，提高產品設計效率和質量。

可重用度用于評價模型資源可被重復使用的能力，是對零部件模型在不同環境下重復使用能力的度量[39-40]。模型資源在重用前，需要對模型的可重用性進行判斷，根據當前的需求判定已有模型滿足需求的程度，模型可重用的判定標準和可重用度是模型重用準確與否的關鍵。

3.1.2模型的組織

模型的標準化、規范化及組織結構的層次化是實現模型資源重用的前提[41-42]。模型資源的建設可以從基礎的標準件庫和行業通用件庫開始，隨著模型資源的數量與種類的不斷增加，逐漸多樣化模型庫的構建形式，并加強與軟件工程和數據庫技術的結合。將模型所具有的屬性和量值進行提取，用模型實體加屬性信息的形式表達設計實例，并將模型實體與屬性信息分別但又相互關聯的方式存儲，通過實例屬性匹配實現高效檢索與模型資源重用。

目前較為完善的模型庫有TraceParts、Inpart、Cadenas、3DSource、Cadenas Link和Strack Norma，能夠提供標準件、行業通用件、模具專用件等模型資源。同時，基于三維軟件二次開發的零件參數化設計和零件庫構建方法[43]、針對提高基于Web的零件庫自主性和自助性的領域本體組織開放式零件庫系統[44]、同步CAD/CAE(Computer aided engineering)模型構建使模型可直接用于仿真分析[45]等對模型庫建設與模型組織的深入研究仍在繼續。

3.1.3設計重用流程與方法

設計重用的一般流程如圖3所示，該流程為一分支循環過程。

圖3 設計重用過程Fig.3 Design reuse process

設計重用時，設計人員運用自身掌握的專業知識與經驗，分解用戶需求為設計需求，通過對自有實例資源及行業資源的檢索獲取與設計需求最為相似的已有設計，然后對獲取的已有設計進行修改完善，最終得到滿足用戶需求的新設計模型，循環過程中通過引入行業規范與標準檢驗環節保證檢索與模型推薦的專業性。設計完成后，對新產品模型進行再學習，提取信息并處理后按規則轉換為新的重用設計資源，實現資源的不斷擴充，以及重用系統的自我升級[46-48]。并不是所有的產品設計重用都必須具有上述流程中的所有環節，針對不同設計裝備領域與具體對象，設計重用過程也有所不同。

針對不同的目標與重點，現行設計重用方法多樣，各具特點與優勢，如：基于結構與功能模塊劃分的自適應通用結構產品族建模方法[49-50]、基于實例(范例)推理(Case-based reasoning，CBR)的產品設計重用[51-52]、針對裝配體模型進行模糊與精確檢索相結合的柔性裝配檢索方法[53]、基于計算機輔助集成制造方法(Integrated computer-aided manufacturing definition/ ICAM DEFinition method，IDEF)的設計知識重用[54]、基于規則推理(Rule-based reasoning，RBR)和基于實例推理綜合運用實現產品模型資源的重用[55-56]、面向設計重用的三維模型局部結構檢索方法[57]、基于模擬退火的三維模型典型結構挖掘與相似性評價[58]，等。按設計的原理與流程，歸納出機械產品設計重用的主要方法及各自特點，如表1所示。

表1 機械產品設計重用方法Tab.1 Design reuse method of mechanical products

3.2 產品重構技術

3.2.1可重構設計的內涵

重構是對被分解的產品結構進行優化和重組，經過對解構之后的產品進行分析，可以篩選出必要的部分和可以被刪除或者替換的部分，是對現有產品的調整、改進，使產品在結構、功能等方面優化升級。

可重構設計是為解決產品的客戶化定制與高效、可靠、低成本間矛盾而提出的一種新的設計和制造思想，通過對產品進行模塊化重組，快速響應市場需求[59-60]。可重構設計根據市場需求的變化，通過重復利用、重新組態快速調整產品的結構、功能和加工工藝，縮短產品開發周期，實現以較低成本獲取高質量的投資效益[61]。產品的可重構性是指以經濟有效的方式重復改變和重新排列系統組件的能力[62]。可重構設計是使系統具有可重構性的一類設計方法，具體包括可重構產品的設計、可重構制造系統的設計和可重構軟件系統的設計[63]。

3.2.2可重構設計活動域及過程

可重構設計活動域是重構設計活動過程中涉及的范圍及其集合，根據各范圍所表達的主要內容，設計活動域可分為用戶域(Cn)、功能域(Fr)、物理域(Dp)和過程域(Pv)4部分。從用戶提出需求直至滿足需求的產品設計過程中，可重構設計表現為各活動域的順序映射過程[64]。

用戶域即需求域，既含用戶對產品用途、性能的要求，又包括企業對生產效率、成本、質量等方面的控制標準。功能域是對技術系統或產品所能完成任務的抽象描述，反映產品所具有的用途和特征，并以功能需求的形式表達設計目標及設計方案。物理域是實現功能需求的物理結構集合，描述產品的結構設計過程，并通過可變設計參數實現滿足需求的功能。過程域是描述產品的工藝制造過程和加工方法，以過程變量形式滿足產品生產需求。

3.2.3可重構設計的分類與特點

根據技術層次由低到高的順序，產品的重構設計可分為調整重構、更換重構、集成重構、創新重構4種類型[65]，呈金字塔狀結構，如圖4所示。根據可重構設計過程中所針對的目標要素，可重構設計可分為面向功能的可重構設計和面向結構的可重構設計兩種類型。

圖4 重構層次金字塔Fig.4 Pyramid of reconsitution hierarchy

面向功能的可重構設計是從功能的角度出發,對產品進行功能模塊劃分后，根據市場對產品功能的需求，對產品各部分進行重新排列組合，實現對產品功能的調整，以滿足當前的需求。其特點在于以產品的功能需求為目標，通過產品重構增加產品功能或去除冗余的功能，從而獲得具有可重構性且功能不同的系列產品。適用于通過零部件重新配置即可使產品具有不同功能，或對性能進行調整的產品設計[66-67]。

面向結構的可重構設計研究通過對產品裝配結構進行重組，以滿足對產品外形尺寸、質量、成本等方面的要求。其特點是在產品功能不變的前提下，通過產品重構實現對產品的優化改進或作業能力的改變，從而獲得可滿足不同設計需求的產品。適用于通過功能相同但材料、結構等不同的零部件配置，從而使產品具有不同空間結構、工作方式、強度特性的產品設計[68-71]。

4 基于PLM平臺的數字化設計

數字化設計的概念與實際應用是在計算機技術發展到一定階段后出現的，借助PLM平臺以數字模型及其相關信息數據貫穿產品研發的論證、設計、分析、制造，乃至售后的整個環節。數字化設計從屬性上來講是多種計算機輔助技術CAX的集成或鏈式應用，以三維模型為信息載體，數據高度共享、關聯，有效提高企業運行及團隊協作的效率。

4.1 產品生命周期管理(PLM)

自20世紀90年代以來, 產品管理的概念從主要管理產品的定義數據，拓展到管理產品設計過程上下游的全鏈數據[72]。產品數據的范圍也逐漸擴展為包括產品需求、設計、加工、銷售、供應、安裝和維護等全面信息，這些信息構成了裝備企業的核心數據[73]。產品生命周期管理的主要目的是支持工作人員能夠使用計算機系統在產品生命周期的各環節使用并處理這些數據[74]，其體系架構如圖5所示。

PLM是一種管理模式和信息系統，集成組織計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝(Computer aided process planning，CAPP)、產品數據管理(PDM)、企業資源計劃(Enterprise resource planning，ERP)、制造執行系統(Manufacturing execution system，MES)、軟件配置管理(Software configuration management，SCM)、客戶關系管理(Customer relationship management，CRM)等應用系統和企業資源。

圖5 產品生命周期管理體系框架Fig.5 Framework for product lifecycle management

相關人員在產品生命周期管理系統的支持下，可以協同進行產品設計、工藝規劃、生產制造等活動，并對所產生的業務數據進行系統的管理[75]。PLM系統為產品的整個生命周期提供了高度集成的數據、過程和組織環境[76]。

4.2 數字化設計的概念與內涵

數字化設計以計算機技術為支撐，以數字化信息為表現形式，支持產品建模、分析、性能預測、優化以及生成設計文檔[77-78]。雖然任何基于計算機圖形學(Computer graphics，CG)、支持產品設計的計算機硬件和軟件系統都可以歸為產品數字化設計的技術類別，但不可將數字化設計等同于計算機輔助設計。數字化設計的概念是以3D-CAD為基礎，結合產品設計過程的各項要求，形成的一整套解決方案，以數字信息的形式貫穿于產品研發相關的全過程，與數字化制造、數字化管理共同構成了現代制造業的研發平臺。

數字化設計總體上包含結構設計與虛擬驗證兩大環節，其中結構設計階段有對應不同設計對象的高效功能化模塊，如實體造型、鈑金設計、曲面設計、工程制圖，以及相應的設計方法學，并可引入知識工程模板，加入經驗公式、方案判斷、防錯機制等輔助功能[79]。虛擬驗證基于結構設計環節所完成的三維模型仿真進行設計審核與工程分析，驗證并排除配合干涉、組裝拆卸、運動狀態、人機界面、結構強度與變形等方面的性能與問題，有效控制下游試制環節的大量返工和方案變更。同時，可將設計的可生產性、可維護性、可操作性等制造、工藝、生產、維護等問題提前到設計階段，進一步提高研發的效率和水平。

4.3 數字化設計的技術特征

數字化設計強調計算機、數字化信息、網絡技術和算法在產品開發中的相互結合與運用[80]。數字化設計融合先進的計算機設計軟件和數據管理技術，通過縮短產品研發周期和提高產品設計質量的途徑降低成本，并為生產效率的持續提高奠定基礎，具有多種特征與優勢[81]。

4.3.1統一且附載產品信息的數字模型

傳統的產品設計，同一產品在設計過程中各階段具有多種定義模式，且定義手段與方法相互獨立。在設計的不同階段對同一產品的重復定義使得最終產品的設計復雜性不斷積累和擴展，增加了額外的協調和組織工作，這將導致最終產品的質量降低，研制成本增加和開發時間延遲[82]。數字化設計技術摒棄了傳統的產品重復定義模式，建立了從產品設計到制造的單一計算機化產品定義模型，涵蓋了產品由方案論證到發布的整個設計制造及管理過程[83]。

以數字化設計技術建立的產品模型，其零部件并非獨立存在，它集成了零部件和裝配體的全部可用信息，是一個全局化數字模型，這一模型可被不同設計環節的工程師調用[84-85]。數字化設計技術可以跟蹤查尋極其復雜的零部件和大型裝配體之間的內在關系，項目負責人可以隨時通過系統跟蹤查尋，可以在早期的產品設計周期內快速準確地更改設計，而無需花費大量協調時間[86]。

4.3.2面向產品生命周期

面向產品生命周期意味著從產品的策劃、研發、制造、發布，直至售后的集成，產品生命周期中各個環節的數字化信息都集中承載到模型可對應的數據庫中，并相應地于各環節進行專門的管理和維護[87]。統一且包含完整信息的模型有助于實現產品的設計兼容性分析(Design compatibility analysis，DCA)、面向裝配的設計(Design for assembly，DFA)、面向制造的設計(Design for manufacturing，DFM)、面向維修的設計(Design for serviceability，DFS)等多項DFX集成，對于提高產品設計的效率和質量具有重要的意義[88-89]。

4.3.3支持協同與虛擬仿真

傳統的產品研發采用的是一種串行的工作方式，整個產品開發過程是一個靜態的、順序的、互相分離的過程。數字化設計支持產品設計的協同與并行，設計工作可以由多個設計團隊在不同的地域分頭并行設計，協作完成虛擬裝配，最終形成一個完整的數字化產品模型。

數字化設計允許產品設計在制造實物樣機之前，即產品的實際生產之前，在計算機上通過虛擬仿真完成設計驗證。數字化模型不僅能夠用于完成結構強度、制造工藝、經濟成本、機構功能的分析與測試，還能夠可視化地展示給用戶，及時接受反饋[90]。數字化設計在計算機上定義的完整抽象信息與實體形象模型，可以節省大量生產實物模型的費用，并可反復引用，設計缺陷可以被及時發現并解決，減少由設計問題引起的工程反復問題，加快產品的發布[91]。

4.3.4可實現面向對象的產品研發

常規的設計方法是一種面向產品結構的設計，強調過程和細節，這種設計方法適應性較廣，易于實現產品設計的多樣性，但對設計人員的專業知識及綜合素質具有較高的要求，專業性極強。

借助現代高端CAD軟件的二次開發接口，開發第三方軟件，將模型、信息等數字化資源與操作平臺組織起來，聯合運行，通過人機交互，可實現以需求為導向的產品設計。同時，結合模型參數化技術，將規則與標準固化于模型中，并對數字樣機(DMU)、工程分析(CAE)等專門模型預設運動機構及邊界條件，提供融入專業知識與規范標準的模型資源，從而將面向結構的設計轉化為面向對象的設計，大幅降低對研發人員的專業性要求，并有效提高產品設計的準確性與專業性[92-94]。

綜上所述，基于PLM平臺的數字化設計技術的應用和發展，構建了系統完備的信息化體系，促進了傳統制造業的改革和升級，隨著信息化進程的加快，制造業的智力轉化和管理水平日益增強[95]。

5 基于知識工程的智能化設計

在相關科學技術發展到一定階段，具備了廣泛集成可能性的前提下，促成了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，智能化設計的概念由此產生。理想的智能化設計系統無需設計者全面了解設計開發系統底層的全部細節，支持缺省檢索與模糊推理，通過人機交互的方式，由計算機智能地根據用戶需求調動資源進行設計，高效獲得滿意的產品[96]。目前，智能化設計整體上處于理論研究與實際應用的探索與試驗時期。

在前述的計算機輔助技術、三維模型的資源重用與產品重構、基于PLM平臺的數字化設計階段，已無意識地出現了一些智能化設計的特征與應用，但并未形成系統的理論與體系。智能化設計可以簡單地理解為在數字化設計技術及其體系的基礎上，模擬人的思維，以知識重用與推理為特征，有機組織與利用設計資源的集成化應用。

農業裝備在機械裝備中具有最多的種類，高達幾千種形式，涉及農藝、環境等復雜因素，加之地域差異顯著，導致業裝備設計與研發所需要的專業知識與實踐經驗極其龐雜，個體設計人員難以全面掌握，因此對以知識信息應用為特征的智能化設計需求更為迫切。

5.1 技術體系與系統架構

5.1.1共性關鍵技術

智能化設計的共性關鍵技術包括兩大類，一是基礎技術，二是特征技術。其中，基礎共性關鍵技術有：計算機輔助設計、參數化建模、數據庫、模型庫、虛擬仿真、PDM/PLM、專家系統、人機交互；特征共性關鍵技術有：知識工程、多系統聯合與多機制協同。

共性關鍵技術在智能設計理論的指導與組織下形成智能化的設計系統，其進展取決于人們對智能化設計過程的理解，以及在設計方法、設計程序和設計規律等方面適合于計算機處理的設計理論和技術模式研究的不斷深入。

就特征技術而言，知識工程以知識信息處理為主，是支持智能系統開發的核心技術。知識工程除涉及常規的知識表示、存儲、參數化于模型創建外，更為重要的是如何支持設計過程人工智能的實現，以及知識的再學習。當設計結果不能滿足要求時，系統應該能夠自動返回到相應的層次，重新組織并調動資源進行再設計，以完成局部或全局的優化任務。同時，采用歸納推理和類比推理等方法總結經驗，獲得并存儲新知識，通過再學習實現功能的自我完善與知識庫的自主擴充。多系統聯合與多機制協同用于解決集成化體系中多種應用系統聯合運行與多維推理機制協同運用等問題。復雜的設計過程一般可分解為若干環節，分別由專門的應用系統及綜合的推理機制提供解決方案，各環節有機聯合、信息與數據共享，并通過模糊評價和人工神經網絡等方法有效解決多環節設計過程中多學科、多目標的決策與優化問題。

5.1.2智能化設計系統架構

圖6 智能化設計系統架構Fig.6 Intelligent design system architecture

理想的智能化設計系統架構如圖6所示，具有開放特征與平臺屬性，各類設計資源流的運行由基于PDM/PLM的企業內部循環及基于互聯網的行業循環兩個層次組成。

其中，內部循環以企業自身資源共享及再用為特征，基于CAX技術與PLM/PDM平臺，通過內部知識與資源管理體系，有效融合設計規范與專業經驗，滿足多樣化、定制化的農業裝備產品研發需求，按功能及技術區域分別設置知識工程、人機交互、模型庫、CAX集成、虛擬現實等結構模塊及其子系統，并在結構模塊及其子系統內部設置細化組織單元，輔以系統維護、拓展、幫助等服務機制，形成有機的運行體系。

外部循環是在特定機制下的行業設計資源與專業知識有限、有償共享，涵蓋裝備領域的行業伙伴、用戶、供應商、銷售商，社會資源的計算中心，以及行業管理的行政機關等所有相關方，是一種高層次的運行，也是智能化設計概念全內涵的體現與最大優勢所在。

5.2 關鍵科學與技術問題

5.2.1智能化設計理論與方法

當前農業裝備行業通過不同程度的數字化設計平臺積累了一定的設計資源與專業知識，但由于缺乏成熟的理論與方法指導，以及系統化和模式化的利用體系，資源與知識繼承與重用度不高，大多以拷貝下載及查詢瀏覽的方式提供低級服務，無法實現設計過程與知識的有效融合，難以滿足現代裝備產品的設計需求。

建立一套以知識重用與推理為主要特征的農業裝備智能化設計專門理論和方法，是智能化技術全面發展與實際應用的前提。同時，研究智能化設計系統架構體系方案的評價方法，包括響應指標的確定、評價因素的選擇、因素權重的評估以及評價模型的優化，也是農業裝備智能化設計能否取得預期效果的關鍵因素。通過系統的理論方法與科學的體系架構指導智能化設計系統開發，實現滿足用戶定制化、多樣化需求，以知識工程、數據管理、人工智能、虛擬仿真等現代信息技術為手段，整合機械裝備全生命周期管理過程中上下游相關節點資源，集成PDM/PLM協同設計平臺，實現協同、高效、精準的設計過程。

5.2.2模型資源的三化組織

規范化的模型及系統的標識是模型程序化識別、產品虛擬組裝，以及模型資源化與資源庫資源有效調用的前提條件。農業裝備類型繁多，工作部件更是數不勝數，規格不一，導致在模型資源的組織上存在很大難度，在設計和使用階段需要大量投入管理與識別精力。結合目前我國高端農業裝備處于小批量生產模式的現狀，難以在控制成本并提高產品質量的同時滿足定制化、多樣化的產品設計需求。

標準化、系列化、通用化的三化設計及對應的模型資源配置，配合統一的標識方法，使模型真正的資源化，方可有效減輕設計工作量，大幅提高設計質量、縮短生產周期，且便于零部件的大批量生產、維修更換和產品整體質量保證，綜合控制企業成本并提高用戶滿意度。

5.2.3多學科動態協同仿真與驗證

農業裝備部件工作條件復雜且面對的作物對象具有強非線性、時空變異性極大的材料力學特性，現有仿真軟件難以描述其相互作用過程和有效邊界條件的確定，使得仿真驗證與實際結果吻合難度大。同時，關鍵部件仿真驗證涉及多個學科，目前通用仿真軟件無法實現在動力學計算、控制仿真、流體系統分析等多個仿真過程中的協同工作。需要建立復雜條件下功能部件與作物相互作用多體動力學模型，解決基于通用仿真軟件的多學科動態協同仿真技術和虛擬驗證方法。

5.2.4多元知識的組織與再學習

由農業裝備的特點所決定，即使同一類裝備仍受應用地域、作業環境、作物品種、種植模式，以及生產的組織與管理方式、設計與制造水平、使用與維護技術能力等多因素制約，涉及需求、功能、結構、制造與裝配等多個環節，其數據總量龐大、增長快速、種類多樣，且因素多變、組合方式多樣。目前在設計知識的獲取、歸納、分類、表達、推理及推送等方面還沒有很好的解決方案。如何快速準確地獲取整機及關鍵零部件設計信息和知識，進行歸納與分類，進而構建合適的設計知識表示模型和應用模式，有效建立農業裝備設計知識庫，實現智能化的知識服務等問題亟待解決。

同時，裝備的發展也必須配合不斷發展的農藝技術，系統運行期間能夠快速準確地補充獲取關鍵零部件與整機設計信息和知識，與原有知識庫有機融合，保持知識庫的時效性極為重要。其中，作為開放式的架構體系，再學習知識的科學評判，是新知識相對于已有知識而采用替換、補充或修正的關鍵，同時也影響基于知識推理的信息流向及信息處理方式，是智能化設計系統中開放運行，自我更新的技術保障。

5.2.5多源異構數據的組織與傳遞

裝備企業在產品設計以及上下游企業協同設計中應用了多種專業設計軟件，依據了多種企業規范與行業標準，產生了大量異構多源數據，農業裝備產品本身又有個性化強、定制要求多、配置設計和變型設計頻繁等特點，研發協同中存在數據一致性差、數據共享困難以及信息孤島等突出問題，有待建立以物料清單(Bill of material，BOM)為核心的多源數據管理模型，突破產品全生命周期中數據組織、傳遞與共享的瓶頸。

5.2.6行業開放共享的機制與方法

企業現有PDM/PLM以內部局域網架構為主，水平參差不齊，雖有部分高端平臺，但實際上大多只用于文檔調存和審批流程的簡單管理，不能有效集成專業設計軟件，尚未形成企業內部資源的有效共享。缺少基于供應鏈的多維度研發協同管控模型，體系結構不適應農業裝備企業應用擴展的需求，難以支持產品全生命周期中供應鏈上下游各部門的橫向協同和產品規劃、總體設計、詳細設計、試驗驗證、生產制造的縱向協同。更為突出的是當前企業的PDM/PLM在行業內均以一種封閉的單元孤島形式存在，除內部運行的一些問題外，幾乎無對外的端口與相關機制，行業范圍的資源共享與信息流動體系無法搭建。

5.3 部分研究進展與技術突破

5.3.1基于規則轉換的變型設計

模型資源的建設及數字樣機與仿真技術運用過程中需要大量的模型設計和裝配工作，很多為重復性勞動。利用參數化解決裝配體的系列變形與變異變型設計，可有效減少基礎模型的數量，提高工作效率。裝配體通過參數化設計可根據市場的需求對產品進行結構形式上的更新，實現產品的改進，是現代工業產品研發與升級換代的主要形式[97]。國內外針對裝配體參數化變型設計大多停留在具有幾何拓撲關系的系列模型，而對于結構發生變化的變異模型的研究鮮有報道，裝配體同時實現系列變型與變異變型，在參數化變型設計中具有更大的應用價值。

裝配體是具有裝配約束關系的零件集合，一個完整的裝配體，除要對裝配體中各個零件描述外，還需明確零件間相互關聯關系，裝配體的參數化模型應該包括零件參數化模型和裝配體內零件間的參數關聯[98]。裝配體的變型是由關鍵零件變型引起，對裝配體進行變型設計前，需先解決零件變型設計，并將裝配體的設計主參數轉化為零件的驅動參數。裝配體參數化層次關系如圖7所示。為實現變異變型設計過程，需要在核心零件創建過程中，對某些關鍵尺寸進行“規則”設置，引入新的函數替換原有數值，稱為規則轉換。

圖7 裝配體參數化層次關系Fig.7 Parametric hierarchy relationship of assembly

如表2所示，為同一個3D模型所實現的2B-JP-FX系列排種器中2B-JP-FL立式種盤及2B-JP-FP淺盆形種盤同類兩型排種器的系列型與變異變型。

表2 同體系列變型與變異變型
Tab.2 Serial variation and variant variationbased on one model

規則轉換法的效率及有效性取決于約束條件的全面性以及模型間關聯函數的清晰表達，是實現裝配模型變型的基礎，在解決此問題上具有明顯的優越性與便捷性。在同一個基礎的裝配體3D模型上同時實現由尺寸改變引發的系列變型及型式變化引發的變異變型設計，對于以模型資源調用與重復利用為技術特征的智能化系統中模型集合的構建，可極大減少基礎模型資源的數量，并有效提高模型集的檢索與組織效率[99]。

5.3.2農業裝備模塊聚類劃分與譜系拓撲

當模型庫及其數據規模增大到一定程度，模型資源的組織管理、高效檢索以及便捷重用成為必須解決的問題。因此提出了裝備譜系與譜系拓撲圖的概念，用于對復雜機械裝備系統的零部件進行深入的分類與規劃，為清晰表達裝備系統的組成模塊及拓撲關系，從而實現規范化、程序化管理零部件模型，保證信息數據的可用性與易用性奠定基礎。譜系拓撲圖的制作需經過譜系層次設置、模塊化分解與聚類分析等前期工作準備。

譜系層次設置是整個拓撲圖構建過程的重要階段，按照資源庫的層次化設計原則，以裝備分類設置基礎層次結構，結合對象裝備設計領域的專業知識和相關特征，采用自頂向下的方法，依次將各類的零部件按功能與類型逐層分解，形成具有單一繼承關系樹狀結構的譜系層次，如圖8所示。

圖8 譜系層次結構Fig.8 Pedigree layer structure

模塊化分解是針對零部件各自功能，利用模糊聚類分析對零部件進行單元聚合，結合裝備實際應用中零部件所屬類別確定裝備的功能模塊分組，完成模塊化分解，分解流程如圖9所示。

圖9 模塊化分解流程圖Fig.9 Flow chart of modularity decomposition

模塊分組遵循各模塊應彼此獨立且結構完整、模塊間相關性較弱且模塊內各個單元間相關性較強、模塊分解程度適中的三原則。為了使模塊分類結果具有足夠的準確性與通用性，將功能與結構相互結合、映射。根據零部件間存在的功能相關性與幾何相關性，通過加權求和方法計算并建立綜合相關矩陣，然后使用模糊聚類分析確定分組。

根據最終的模塊化分解結果，結合譜系層次進行歸納與整合，即可構建出裝備譜系拓撲圖。譜系拓撲圖以裝備分類為基本組成單元，具有與模塊化分解相對應的層次結構，逐層分布專用件模塊、標準件模塊、通用件模塊及系列功能模塊，除拓撲指向與連接關系外，輔以色塊方式表示功能模塊之間的相關性。譜系拓撲圖不僅為模型的資源化組織、索引與重復利用提供路徑引導，也為模型資源中相關性較高的零部件間優先匹配性檢索提供了重要的信息來源[100]。

5.3.3資源模型的全息物元化標識

為系統、規范、全面地表達數字模型信息，適應復雜機械裝備零部件的互換性裝配，以及模型庫系統性擴展與維護要求，提出全息物元化標識的概念。這里將全息物元化標識定義為數字模型檢索及實現自動裝配所需的全部信息被以物元形式完整標記的過程。全息標識體系可為標準化的數字模型庫的構建提供方法和規則，規則化標識和標準化模型可為模型資源的檢索與虛擬裝配提供豐富的可重用資源和信息。

全息標識結構由基本信息和裝配信息兩部分組成，包含數字模型調用和虛擬裝配所需的全部要素，如圖10所示。

基本信息物元由零件名稱、零件所處拓撲層次位置、零件在裝配結構樹中所屬層次位置和上一級層次位置4要素構成，以有序的四元組B=(N，T，S，H)表達。裝配信息物元定義為零件所屬裝配層次、與其有裝配關系的零件、裝配參考元素、裝配約束類型、裝配約束方向和裝配約束數值6要素，以有序的六元組R=(A，I，E，Y，D，V)表達。

為使信息計算機可讀，將基本物元和裝配物元要素語義抽象為編碼，并制定普適性與精簡性兼具的語義編碼規則，滿足信息表達的完整性與可計算性。配套開發輔助標識軟件，實現面對任何一般裝配體，通過對裝配體裝配信息的分析與提取，以人機交互的形式實現模型的全息標識和裝配參考元素的創建，快速完成數字模型的資源轉化，為全息物元化標識方法的實用性提供了技術保障[101]。

5.3.4基于物元標識的虛擬裝配

產品的裝配是制造過程的關鍵環節，裝配質量是產品性能的重要影響因素。據統計，裝配成本在制造成本中的比重超過40%，裝配工作量占產品制造工作總量20%以上，最高可達70%[102]。虛擬裝配技術對優化產品設計、避免或減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本、提高裝配質量和效率具有重要意義。但利用計算機輔助設計(CAD)軟件進行的虛擬裝配，主要依靠用戶手動添加繁瑣的約束關系，并且在裝配組件形狀體征變化時，無法適時更新重新裝配，不能滿足復雜機械裝備數字化模型的快速裝配[103]。因此，研究人員嘗試基于CAD軟件二次開發的智能裝配技術，以期為復雜裝配體的快速虛擬裝配提供一種可行的方法和高效的模式。國內外對于智能裝配技術中的人機交互、裝配序列規劃、裝配建模、裝配路徑、碰撞檢測及可裝配性等方面進行了廣泛的研究，但在農業裝備設計制造領域的應用還處于起步階段。現有虛擬裝配系統普遍缺乏對復雜零部件的裝配情景的分析能力，難以準確預測用戶的意圖，導致系統智能性較差，用戶認知負荷較重[104]。

目前，主流的三維設計軟件均為用戶提供了多種開放式接口，支持第三方的開發軟件對其進行后臺操作與驅動，為智能化虛擬裝配提供了基本條件。基于裝配物元標識的智能裝配系統，以VB(Visual Basic)為開發語言，結合CATIA(Computer aided three-dimensional interactive application)的二次開發，輔以人機交互界面，完成裝配信息的提取與分析，并將信息整合轉化為裝配約束，實現智能引導下的自動裝配[105]。虛擬裝配流程如圖11所示。

圖11 虛擬裝配流程圖Fig.11 Virtual assembly process

裝配過程包括操作平臺軟件訪問、裝配物元信息的獲取、裝配層次順序的確定、相關零部件依級依次組合、裝配約束驅動等環節。裝配過程通過人機交互引導、監視及必要的人工干預：在裝配順序區域中，可以人工設置裝配層次，如不做設置則默認為系統缺省；完成裝配層次設置后，在引導裝配區域按照由低到高的層次順序依次進行逐級裝配，一級裝配完成后自動保存，并可以進行查看和另存設置，確認無誤后進行下一等級的裝配，直至完成總裝配。

5.3.5基于知識圖譜的知識服務體系

知識圖譜(Knowledge graph)又稱為科學知識圖譜，在圖書情報界解釋為知識域可視化或知識領域映射地圖，是顯示知識發展進程與結構關系的一系列各種不同的圖形，用可視化技術描述知識資源及其載體，挖掘、分析、構建、繪制和顯示知識及它們之間的相互聯系。

農業裝備整機及關鍵零部件設計知識數據總量龐大、增長快速、信息率低、數據種類多樣，基于知識圖譜技術的知識服務系統可有效解決智能化設計中的設計知識獲取、表達、呈現、推送及管理等核心問題，能提供智能搜索、智能推薦和智能管理等功能。

應用知識工程理論和方法，將農業裝備設計知識分為實例類、規則類、參數類和資料類等形式，采用面向對象的產生式規則與框架式組織相結合的混合知識表示方法，將文本、圖像、三維模型、視頻等不同類型數據的特征提取，實現多元異構農業裝備設計知識的統一表達，進而支持知識的關聯推送[106]。通過知識圖譜直觀辨識農業裝備前沿的演進路徑和內部聯系，借助實例、規則和模型相結合的推理機技術，優化知識檢索、推薦和管理等服務[107-108]。構建包含知識獲取、表示、存儲、發布、檢索、評價、推理等知識復合重用與聯合驅動，以及自主再學習的農業裝備智能化設計知識服務體系，如圖12所示。

知識服務體系采用資源層、管理層和知識層的3層次結構，由中間的管理層聯接上下層，基于網絡運行，統籌知識的獲取、儲存、運用及相關服務。

圖12 農業裝備智能化設計知識服務體系Fig.12 Agricultural equipment intelligent design knowledge service system

6 結論與展望

6.1 結論

(1)先進設計是一個相對的概念，不同時代有其不同的特點與具體的方法，但構成先進設計的要素是不變的，一是當時的科學技術基礎，二是針對性的設計理論，二者缺一不可。隨著人們對先進設計發展規律認識的深入，以及科學技術的不斷進步，先進設計的更新與升級呈現出不斷加速的趨勢。

(2)21世紀以來，以計算機輔助設計為基礎的各種先進設計技術與方法互為支撐、交叉遞進，劃代與分級界線不明顯，但數字化為主線的集成融合、聯合架構，智能化、自動化運行的特征顯著。

(3)智能化設計代表了當今時代的先進設計及發展趨勢，是相關科學技術發展到一定階段后，促成的設計從數據資源密集型向知識信息密集型的集成式轉化。智能化設計是人工智能在設計上的應用，以知識重用與推理、學科交叉與融合、平臺開放與共享為典型特征，是設計資源有機組織與綜合利用的最高級形式。

(4)農業裝備智能化設計目前整體上處于理論研究和實際應用的探索與試驗時期，距有效的實用性開發和推廣尚有很長的距離。有關智能化設計理論與方法、模型資源三化組織、動態協同仿真和驗證、多元知識組織與再學習、異構數據的組織及傳遞、行業開放共享等諸多理論、技術以及機制等問題有待解決。

6.2 展望

中國整體科技水平的高速發展與先進科學技術的不斷積累，現已具備實現農業裝備智能化設計的各項條件，應將智能化設計提升至國家高技術發展的戰略層面，通過系統的規劃與頂層設計，協調并融合高校、科研院所、企業等相關單位，以合理的機制打通各部門設計資源與信息的孤島壁壘，實現行業資源的有償、適度、分類共享，順暢企業內部循環及基于互聯網的行業循環。

充分融合現代信息技術的最新發展，引入云計算、大數據等信息領域的前沿技術，強化知識調動及優化設計資源的效率與效果，扭轉中國農業裝備研發水平低下、國際競爭力不足的局面。