大数据模型在农机虚拟设计中的研究

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0引言

科学技术和农业现代化深入发展的同时，不断推动着农业从低代际向高代际发展。目前，我国已经进入农业4．0时代，也提出了实现农业5．0的口号。农业4．0是以物联网、人工智能和机器人为支撑的现代农业，而农业5．0则是采用设计和编程、设置，利用虚拟现实实现农业机械的设计、生产和装配。为此，基于Web和大数据模型，实现了一套农机虚拟设计系统，能够自动完成农业机械产品的设计。

1农机虚拟设计

1．1虚拟设计概念

虚拟设计将计算机仿真和虚拟技术结合起来，利用网络和大数据技术，对机械产品设计、加工进行统一建立数据模型，然后通过模型对产品功能进行模拟仿真，预测产品设计、生产、装配的复杂度以及产品生产的实际性能等，并对整个周期进行实时监管。因此，利用该技术进行农机产品的设计，能够提前模拟农机产品的性能和加工可行度，在降低产品设计复杂度、提高产品设计功率的基础上，节省研发和生产成本。虚拟设计技术的特点如下:(1)将设计、生产和装配工艺进行信息融合，采用软件对整个过程进行数字化设计与仿真，并利用大数据技术对产品生产流程和装配复杂度进行模拟仿真，对整个过程中进行优化和改进。(2)将软件设计仿真和产品生产装配计算集合起来，从多方面、多角度对多个设计和生产计划模型进行对比，并利用大数据模型对生产工艺的效率和时间成本进行计算和分析，优化生产配置和降低原材料成本。(3)将自动设计和控制技术运用到产品模型的研发设计中，对设计参数进行评估，对生产加工环境进行预判，对产品设计和生产策略进行充分分析，最大程度地实现设计和生产模型的优化与改进。

1．2虚拟设计关键技术

虚拟设计是一门将机械电子、机械自动化、软件模拟仿真和虚拟现实深度融合的综合性学科，包括网络技术、大数据、特征提取、数据建模和机构设计等技术。总的来说，虚拟设计的重点是建模与仿真技术。1．2．1虚拟设计建模虚拟设计是实际研发和生产中在计算机进行模拟的映射，是将虚拟现实进行模型化的一种方法，包括设计、生产和工艺3部分。1)设计包括动、静态两种模型。前者是对产品性能和结构进行分析;而后者则是对整个产品框架、结构、状态和客户需求进行数据统计和分析。2)产品模型是加工实体的有效集合，主要包括产品内部结构、外观等静态参数。若欲集成产品设计和生产制造的所有信息，需要先设计模拟出整个产品的完整模型，将单一的静态模型转化为具有映射、抽象的复合型模型。3)工艺模型是对工艺的参数和影响产品生产的设计进行分析，找出生产和产品模型的联系。1．2．2虚拟设计仿真技术虚拟设计仿真是利用计算机对生产模型进行抽象和集成后，建立完整的系统模型，并对该模型进行运行和分析，实现系统性能的统计。仿真技术是一种以理论为支撑、以生产设计模型为对象的研究方法，具有计算速度快、可靠性高等优点，能够通过短时间的模拟仿真出需要数月或数年实际生产设计和制造的结果，大大降低研发成本。虚拟设计仿真流程如图1所示。虚拟设计是从系统前期可行性研究到产品结构设计，再到搭建产品仿真模型、结构分析的过程，可以提前对产品设计、生产装配工艺进行仿真，并根据仿真结果进行优化和改进。

2基于Web和大数据模型的虚拟设计建模

2．1虚拟设计建模的特点

2．1．1虚拟设计建模的基本要素随着互联网技术的发展，人们一直在追求一种真实的再现生活场景的方法，并引入了虚拟设计这一概念。但实际上，大家对这种说法并不是非常了解，很多人认为只要提供三维立体视觉就是虚拟设计。其实，这并不是完全正确的，按照当今国际上的定义，虚拟设计技术包括以下3个要素:(1)三维立体的虚拟环境。由于人双眼的视觉作用，在实际生产生活中，人类可以观察到物体景深、立体的三维世界，要实现真正的虚拟现实，必须摈弃二维平面图像，采用三维系统建立三维模型，给设计人员身临其境的感觉。(2)能够实时自由活动。所谓自由活动，是指人类可以在场景中体验与现实生活一样的感觉，也就是人类可以真正体会亲身参与。这也就要求把视点移到构造成三维场景的任何一点，即在真实世界中随意地前进、后退、跳起，以得到不同的视角、形成不同的场景。(3)通过特殊装置可以进入虚拟环境中。人们可以通过一些开关、按键进入虚拟环境中，除了可以按照现实生活中的方法操作之外，还可以按照人的思维对虚拟环境进行控制。2．1．2虚拟设计建模的基本特征虚拟设计是一种先进的计算机设计和仿真接口，是可以给客户提供触摸、倾听和可视的感知交互方法，方便客户进行实际的操作，从而减轻客户负担，提高设计效率。虚拟设计建模特征如图2所示。

2．2虚拟设计建模的数据流模型

虚拟设计建模是利用数据流模型将三维场景中目标对象的属性采用传感器、插值器、脚本和路径进行描述，实现与用户之间的通讯。每个器件的节点都有能够接受数据的接口，当有数据输入时就可以触发内部的计算函数，并将值输出给EventOut域，然后再发给相关的节点，实现预期的效果。虚拟设计建模的数据流模型中可以清晰地了解虚拟场景对象数据传输过程，如图3所示。

3农机产品信息建模和数据处理

3．1农机产品信息大数据分析

农业机械行业的企、事业经过长期设计、生产和装配发展，已经在CAD开发、PDM管理、MES制造系统、CRM客户关系和SCM供应链等各个信息化管理系统的数据库中保存了大量复杂的产品配置设计数据，如图4所示。在农业机械的产品设计和配置过程中，各个信息化的管理系统之间要检索、获取产品设计所需的信息。以数字化设计(CAD)为例，CAD与其他信息管理系统错综交织，系统间的数据调用和交流已经形成了难以维护的“蜘蛛网”，故需要利用Web和大数据技术对这个数据信息进行统一表达和建模。在同一家企业中，农业机械的信息化管理系统中存储的机械产品设计和配置信息根据大数据可以分为结构化、非结构化和半结构化3个部分，如图5所示。图5中，3种结构分类比较清晰。对于产品设计而言，非结构化数据占据重要地位，而对于这种非结构化的数据可以采用人工智能或者大数据分析等方法来进行解释。

3．2农机产品信息大数据特点

农业机械产品设计是从企业现有产品系列中包含的一系列模块化产品组件中提取出符合客户需求的零部件，然后通过大数据根据配置参数和配置规则进行最终产品的设计。为了高效运用农业机械产品设计和配置信息的海量信息，需要对这些信息的来源和产生过程进行分析。农业机械零部件产品配置设计主要包括客户需求的提取、可配置产品模块化、配置推理、工艺设计和装配信息提取等，是一个重复运行和动态变化的过程。农业机械企业在长期的产品设计和升级中积累了大量的产品信息和装配参数，主要包括零部件参数、结构参数、零部件设计和加工标准、客户需求获取规范到模板属性的映射规则和约束。另外，客户需求升级也会产生新的零部件和新的配置规则，这样也会丰富产品配置设计信息。在企业发展和客户需求提升的过程中，机械产品设计和配置信息逐渐从小数据发展成海量大数据，其流程如图6所示。机械产品设计和配置信息具备数量大、种类多、增长速度快和价值密度低等特点，在使用过程中需要找出这些信息的同源性，从而实现新产品的设计和装配。

4农机虚拟设计的具体实现

4．1农机虚拟设计系统功能

本文研究的农业机械虚拟设计系统采用B/SBrowser/Server)模型结构，容易将资源进行共享，也可以在同一个范围内实现交互式的仿真设计;另外，B/S模型结构还利于系统功能的扩展和完善。农业机械虚拟设计系统主要功能如下:1)具备Web的B/S模型结构;(2)在网络中与大数据数据库相连，可以随时获取数据库中资源;(3)可以访问CAD和Pro/E仿真软件，并能将数据库中的数据信息拖到设计界面中;(4)可以采用封装的工作模式，在设计窗口随意移动、旋转和等比例缩放零部件，以满足新的设计需求。

4．2农机虚拟设计系统的体系结构

根据B/S模型结构工作特点，需要设计一个能够实现农机虚拟设计系统的网络站点，如图7所示。该结构主要包括浏览器Browser和服务器Server两个站点。4．2．1Server端的实现配置(1)基于WindowsServer2008建立系统平台，实现IIS7．0(InternetInformationServer)的系统集成项目，并采取HTTP、ASP和后端数据库的访问方式。(2)后端服务器采用MSSQLServer2008数据库，用来保存农业机械的零部件模型，方便用户实时查询调用。(3)采用HTTP、ASP和C++为主要编程语言，实现Browser和Server的计算、模型调用、数据处理、与用户之间的程序编写。4．2．2Browser端的实现配置客户端需要身份信息认证，采用TCP/IP协议访问服务器，任何连接在服务器的用户都可以访问设计软件进行产品的设计和模拟。用户界面由功能不同的网页构成，每个网页否实现不同的功能，主要包括:(1)虚拟场景区;由HTML浏览器组成，可以显示、交互和操纵虚拟场景;(2)基本功能区:可以实现常见的访问数据库的功能。(3)数据显示区:可以用于实时显示数据库中的模型，或者展示新设计出的产品。

4．3农机虚拟设计系统的仿真实验

为了验证农机虚拟设计系统的可行性和有效性，采用该系统对新型农业拖拉机进行了仿真实验。实验采用B/S模型和3D仿真软件Pro/E，根据客户的需求进行了参数化建模和实际的设计。农业拖拉机仿真模拟如图8所示。利用农机虚拟设计系统对拖拉机进行了设计，并采用Pro/E进行了3D仿真。仿真结果表明:拖拉机从传动比、速度、功耗和振动比多方面都满足理论计算值，符合设计预期。

5结论

利用Web和大数据模型设计了农机虚拟设计系统，包括一套B/S(Browser/Server)模型结构和虚拟设计模型，可以根据实际需求自动完成农业机械产品的设计。从仿真结果来看，仿真设计的拖拉机从传动比、速度、功耗和振动比多方面都满足理论计算值，符合设计预期。

作者:靳继红 张莉 单位:焦作师范高等专科学校 武汉晴川学院