數字孿生在農機電子產品設計中的技術優勢與應用前景

許昌學院電氣與機械學院 王安梅

前言

數字孿生作為一種新興的技術手段，在各個行業領域中的應用正逐步普及，尤其是在農業領域中，數字孿生為農機電子產品的設計優化提供了全新的思路方法。數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，實現實時數據獲取，模擬仿真分析以及優化設計的一種全新技術，本文旨在探討數字孿生在農機電子產品設計中的技術優勢與應用前景，希望能夠為農機電子產品的設計創新提供研究幫助。

1 數字孿生的基本概念和原理

1.1 數字孿生的定義

數字孿生是一種基于實體的實時數據與虛擬模型相結合的技術，通過創建一個數字副本來準確模擬物理實體的外觀結構以及行為，然后反映其性能與運行狀態。在數字孿生中，物理實體的實時數據包括各種感知數據、傳感器數據及測量數據等，這些數據通過傳感器與監測設備獲取，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建，并且可以基于物理定律與數學模型等算法進行計算預測。在數字孿生中物理實體的準確模擬是非常關鍵的，它需要考慮實體的幾何形狀、材料屬性以及結構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，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仿真[1]。

1.2 數字孿生的基本原理

數字孿生的基本原理是基于物聯網與傳感器等技術獲取物理實體的實時數據，并將這些實時數據與虛擬模型相結合，虛擬模型可以是基于計算機輔助設計軟件創建的，也可以是基于物理實體的替代物模型。在數字孿生中實時數據與虛擬模型之間的結合是通過數據采集傳輸及處理等技術實現的，通過物聯網技術將各種傳感器與感知設備跟物理實體連接起來，實時采集物理實體的各項數據，這些數據可以是溫度、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據。傳感器與感知設備通過高頻率采集更新數據，以此來反映物理實體的實時狀態變化。將實時數據與虛擬模型相結合是通過數據傳輸與處理等技術來實現的，實時數據可以通過網絡傳輸到計算機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計軟件創建的虛擬模型，可以通過與實時數據進行對比，實現對物理實體的外觀結構、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據進行比對,實現對物理實體行為性能的反映。

1.3 數字孿生技術的發展歷程

數字孿生技術的發展歷程可以追溯到20 世紀60年代，當時計算機模擬技術開始嶄露頭角。計算機模擬技術利用計算機的計算能力與建模技術，通過對物理系統的數學建模仿真分析實現對系統行為性能的預測優化，這為數字孿生技術的發展奠定了基礎。隨著計算機技術的快速發展與物聯網技術的興起，數字孿生技術開始得到更廣泛推廣應用，計算機的計算存儲能力與通信能力的不斷提升，使得數字孿生技術能夠處理分析更復雜的實時數據。與此同時，物聯網技術的發展使得各種傳感設備能夠實時采集傳輸物理實體的各種數據，為數字孿生技術的實現提供了基礎。近年來隨著人工智能與云計算等技術的迅猛發展，數字孿生技術在各行各業都得到了更廣泛的應用，人工智能的發展使得虛擬模型能夠更加智能化，能夠自動學習實時數據、不斷更新完善模型，從而提高模擬預測的準確性，云計算技術的發展使得虛擬模型能夠被遠程訪問共享，不受地域限制，為不同地區行業之間的智能化協作提供了可能性[2]。

2 數字孿生在農機電子產品設計中的技術優勢

2.1 提高農機電子產品設計效率

2.1.1 實時數據采集和分析

數字孿生技術通過物聯網與傳感器等設備實現對農機運行數據的實時采集傳輸，其中的實時數據包含了溫度、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據。通過數字孿生技術，設計師可以獲取到實時的農機運行狀態及性能數據，為農機的設計優化提供更準確的依據。

2.1.2 虛擬模型與實時數據的結合

數字孿生技術將虛擬模型與實際農機相連接，通過與實時數據進行比對分析，實現對農機行為性能的準確模擬。虛擬模型可以基于計算機輔助設計軟件創建，或基于實際農機的替代物模型，通過將實時數據與虛擬模型相結合，設計師可以全面了解農機的外觀結構位置等特征，和其運行行為能耗與效率等性能參數。

2.1.3 設計的實時優化

數字孿生技術為設計師提供了及時優化設計的手段。通過與實時數據的比對分析，設計師可以及時發現潛在問題與改進空間，并進行相應的調整優化。利用數字孿生技術設計師可以快速對農機的結構參數及控制策略等進行調整優化，還可以快速反饋設計改進的結果，以此來使農機的性能得到有效提升，幫助設計師迅速調整設計方案[3]。

2.1.4 設計方案的精確評估

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

2.2 降低農機電子產品設計成本

2.2.1 虛擬環境中的模擬測試

數字孿生技術能夠在虛擬環境中對農機電子產品進行模擬測試。通過在虛擬環境中建立農機的準確虛擬模型，設計師可以進行多種場景條件下模擬的不同工況環境仿真，來對農機的行為性能及可靠性進行測試評估。因此，虛擬環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，從而降低了設計成本。

2.2.2 提前發現問題和風險

通過數字孿生技術，設計師可以在虛擬環境中模擬多種情況場景，對農機電子產品的設計進行全面測試評估，這有助于提前發現設計中的缺陷，避免在實際制造和運行中出現問題。通過在虛擬環境中進行測試優化，設計師可以降低設計風險，減少設計過程中的返工修正，進一步降低設計成本。

2.3 加速農機電子產品的更新迭代

數字孿生技術能夠幫助設計師快速評估創新的設計概念，設計師可以將新的設計想法轉化為虛擬模型，通過數字孿生技術進行模擬分析測試，通過模擬分析設計師可以評估新的設計概念的可行性效果，這樣可以幫助設計師迅速發現創新設計的優劣，避免不必要的實際制造測試，從而加速農機電子產品的創新過程。通過模擬分析與虛擬測試，設計師還可以發現產品的問題與改進空間，并對農機電子產品進行相應的調整優化，利用數字孿生技術快速對農機電子產品的結構參數及控制策略等進行調整，從而推動產品的更新迭代，這樣可以使農機電子產品保持競爭力，更好地適應市場的需求變化。

2.4 產品故障的診斷預測

2.4.1 建立數字孿生模型

基于實時監測及數據采集的信息，數字孿生技術可建立農機電子產品的數字孿生模型，該模型能夠準確地反映出農機電子產品的物理特征與行為性能，以此對農機電子產品進行精確的仿真分析來預測其壽命或故障模式。

2.4.2 故障診斷與預測

基于建立的數字孿生模型，數字孿生技術能夠進行故障診斷預測。通過分析實時監測數據與數字孿生模型的對比，數字孿生技術可以檢測到農機電子產品的異常情況及潛在故障，并能夠根據模型對農機電子產品的壽命與故障模式進行精確預測，及時發出警報[4]。

2.4.3 維修與保養措施

憑借故障診斷預測結果，農機企業可以及時采取維修保養措施，為用戶減少產品故障所帶來的損失。利用數字孿生技術能夠設計出提前預測故障模式，以此來幫助農機企業制定相應的維修計劃，合理調度技術人員資源，確保及時維修保養，避免因故障而造成的生產停頓及損失。

2.5 改善農機電子產品的性能

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

3 數字孿生在農機電子產品設計中的應用前景

3.1 農機電子產品設計的未來發展趨勢

數字孿生可以為農機電子產品的設計與開發提供真實的仿真環境，通過數字孿生技術可以建立農機的數字模型，并在虛擬環境中進行仿真實驗，設計師可以在計算機上比較與優化多種不同的設計方案，從而節約了時間成本。同時數字孿生技術可以模擬不同環境下的工作條件，預測農機電子產品的性能，為產品的改進優化提供參考。通過在農機上安裝傳感器和執行器，實時監測農機的運行狀態，這些數據可通過網絡傳輸到遠程服務器上進行實時的分析處理，設計師可以根據這些數據進行產品的優化調整，提高農機的使用性能。除此之外，數字孿生技術可以結合人工智能算法實現對農機電子產品的自動化控制，提高了農機的智能化水平。通過數字孿生技術所建立的農機數字化孿生模型，能夠實時更新農機的運行狀態與故障信息，運維人員就可以通過遠程訪問數字孿生模型，獲取農機信息并及時采取措施進行維修保養。數字孿生技術可以通過數據分析預測，提前預知農機的故障隱患，為運維人員提供決策支持，提高農機的使用壽命。最后數字孿生技術可以為農機電子產品的銷售與售后服務提供支持，為農機電子產品建立虛擬展示與銷售平臺，通過遠程訪問數字孿生模型，解決客戶的疑問，不僅提高了銷售效率與用戶滿意度，還節省了售后服務的時間成本。

3.2 數字孿生在農機電子產品中的新興應用領域

數字孿生技術在智能農機的設計與測試中發揮著重要作用，通過數字孿生技術可以對智能農機進行全面仿真測試，其中包括機械結構、電氣系統以及控制系統等方面，設計者可以在虛擬環境中對農機進行各種復雜的模擬實驗，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現并解決可能存在的問題。同時數字孿生還可以提供農機的運行數據與故障診斷信息，使得設計者能夠更好地了解農機的性能并進行相應的優化。并且數字孿生技術還可以應用于農田管理與決策支持系統中。通過數字孿生技術可以對農田進行精細的模擬管理，例如利用數字孿生技術對作物的生長過程進行模擬預測，對作物的生長速度，周期及產量等內容進行分析；數字孿生還可以結合氣象數據為農田的灌溉施肥或病蟲害防治等決策提供科學依據，通過這些模擬預測農田管理者可以更加科學地制定農田管理策略，提高農田的產量效益[5]。

3.3 數字孿生與其他技術的融合創新

數字孿生可以與虛擬現實技術結合為農機電子產品設計帶來全新的交互體驗，設計者可以將數字孿生技術應用于虛擬現實系統中，通過虛擬現實設備模擬出真實的農田環境與農機操作場景，使設計者能夠身臨其境地進行產品設計測試，更加直觀地感知到農機的工作狀態性能，發現并解決其中所存在的問題，提高產品的安全性。同時數字孿生技術還可以與區塊鏈技術相結合，實現對農機電子產品設計數據的安全存儲共享，區塊鏈技術可以提供去中心化的數據存儲管理方式，確保農機電子產品設計數據的真實性，將設計數據通過區塊鏈技術存儲在分布式網絡中，并實現對數據的權限管理及溯源跟蹤，確保農機電子產品設計過程的透明性與可信度。

4 結語

綜上所述，數字孿生技術在農機電子產品設計中具有諸多技術優勢及廣闊的應用前景，它可以提高設計效率質量，實現農機電子產品性能的精確預測，達成產品的智能化控制等，隨著數字孿生技術的不斷發展成熟，相信它將在農機電子產品設計領域發揮越來越重要的作用。