計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)化中的支撐作用

黎運(yùn)宇 ，黎建華

（1.廣西民族師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣西 崇左 532200；2.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明650224；3.湖南省慈利縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，湖南 慈利 427200）

計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、工農(nóng)業(yè)、生活等各個(gè)方面，徹底改變了人們的工作、生活方式，推動了各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，快速邁進(jìn)了工業(yè)現(xiàn)代化、信息現(xiàn)代化時(shí)代的步伐，加速了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化方面應(yīng)用起到了越來越重要的作用，已經(jīng)應(yīng)用到了所有的農(nóng)業(yè)機(jī)械化的各個(gè)領(lǐng)域，可以分為3個(gè)方面：①設(shè)計(jì)和制造方面；②農(nóng)業(yè)機(jī)械的管理和決策方面；③實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化、實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、實(shí)踐物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建方面。

1 計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，首先要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造現(xiàn)代化，就必須借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)、仿真、制造、管理?，F(xiàn)階段計(jì)算機(jī)應(yīng)用在機(jī)械的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、制造各方面，并且是必不可少的工具，也是衡量農(nóng)機(jī)化設(shè)計(jì)制造水平的重要標(biāo)志之一。

1.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用

現(xiàn)代的農(nóng)機(jī)離不開現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法是以計(jì)算機(jī)為設(shè)計(jì)手段，依靠軟硬件支持的系統(tǒng)，完全不同于原來的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。已經(jīng)廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法有優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、建模與仿真設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、有限元法等。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，簡稱CAD)是以人的操作為主，依靠計(jì)算機(jī)軟硬件執(zhí)行的系統(tǒng)過程。計(jì)算機(jī)能完成工程設(shè)計(jì)的大部分工作，如分析、計(jì)算、繪圖、制表、仿真等，但仍不能完全取代人的創(chuàng)造性勞動，如工程總體方案的擬定和全面評價(jià)等，人在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中仍占主導(dǎo)地位，故稱之為CAD。90年代以來，CAD技術(shù)已成為設(shè)計(jì)工作中必備的技術(shù)。一批高等院校和科研院所（如：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院等）也紛紛投入到CAD的研究之中，在理論研究和軟件開發(fā)方面都取得了長足的進(jìn)展。CAD的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)和制造，用三維實(shí)體模型代替二維繪圖表達(dá)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，但為了適應(yīng)目前許多企業(yè)的實(shí)際，仍需將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖紙。目前普遍采用的有Pro/E、UG、Solid-works、MDT等軟件,如今大部分企業(yè)基本都實(shí)現(xiàn)了CAD的二維繪圖，計(jì)算機(jī)傳圖，大型企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了三維整體設(shè)計(jì)，如結(jié)構(gòu)、裝配、模具等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，有農(nóng)機(jī)底盤CAD技術(shù)，農(nóng)機(jī)模具CAX技術(shù)，農(nóng)機(jī)車身CAD技術(shù)等，這些技術(shù)助力農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平和保證質(zhì)量及機(jī)械的復(fù)雜性，人手工紙筆繪圖將成為歷史。

1.2 計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)模具環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

在20世紀(jì)60年代初期，國外一些農(nóng)機(jī)制造公司就開始了模具CAD的研究，如DIECOMP公司研制成功的模具CAD系統(tǒng)，使整個(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期由126d縮短為42d。目前，我國已有許多企業(yè)采用模具CAD技術(shù)，取得了一些經(jīng)驗(yàn)和技巧，提高了模具精度和生產(chǎn)率，有些企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，但是模具CAD工作仍局限于計(jì)算機(jī)畫圖和二維設(shè)計(jì)。此外，國內(nèi)也出現(xiàn)了一些擁有自主版權(quán)的軟件，如北京航空航天大學(xué)華正模具研究所開發(fā)的CAD系統(tǒng)CAXA等，解決了生產(chǎn)中的一些問題，但還沒有得到很好地推廣和使用。模具是農(nóng)機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可分為二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)兩種，目前模具CAX技術(shù)主要向參數(shù)化、智能化、集成化和專業(yè)化等方面發(fā)展。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)的應(yīng)用

CAPP（Computer Aided Process Planning）指通過向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等)，由計(jì)算機(jī)自動輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件的過程。CAPP可以大幅提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，是衡量企業(yè)計(jì)算機(jī)集成制造工藝水平的重要方面。近年來無論是采用國內(nèi)的CAPP軟件，還是采用國外相關(guān)軟件的工藝管理模塊，都取得了很大地進(jìn)步和創(chuàng)新，為汽車制造業(yè)、農(nóng)機(jī)動力企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)和管理的數(shù)控化、先進(jìn)制造技術(shù)作出了重要貢獻(xiàn)。

1.4 計(jì)算機(jī)輔助制造應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing），Master-cam軟件是美國CNC Software Inc.公司開發(fā)的基于PC平臺的CAD/CAM軟件，它集二維繪圖、三維實(shí)體造型、曲面設(shè)計(jì)、體素拼合、數(shù)控編程、刀具路徑模擬及真實(shí)感模擬等功能于一身，已經(jīng)運(yùn)用到了CNC銑床、CNC車床或CNC線切割等加工操作中。如今在網(wǎng)絡(luò)制造、各種數(shù)控中心及自動化工廠等操作控制過程中，計(jì)算機(jī)的參與、支持成了支柱性設(shè)備，另外生產(chǎn)進(jìn)度編制、設(shè)備管理、市場預(yù)測、庫存管理、財(cái)務(wù)計(jì)劃管理、產(chǎn)品核價(jià)以及質(zhì)量控制等方面都離不開計(jì)算機(jī)的工作。

1.5 計(jì)算機(jī)輔助工程中的應(yīng)用

CAE（Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法，現(xiàn)已成為工程或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析（如航空航天機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）的重要工具，也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。著名的CAE軟件有ANSYS、ADINA、NASTRAN等，均已開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，可以模擬仿真農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)過程，并給出合理的數(shù)據(jù)分析，避免物理樣機(jī)重復(fù)多次的田間試驗(yàn)過程，既節(jié)省了成本又加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。

2 計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械管理、決策、推廣中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械化不僅是農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)代化，同時(shí)也是農(nóng)機(jī)的管理、決策、推廣的現(xiàn)代化，要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)管理、決策、推廣的現(xiàn)代化，就應(yīng)重視計(jì)算機(jī)在這些方面的應(yīng)用和作用。

2.1 計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)管理、決策方面的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理信息系統(tǒng)是采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具、信息手段和計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)機(jī)械管理者實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理功能的一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)。農(nóng)機(jī)化管理信息系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫、專家咨詢等軟件系統(tǒng)，完成相關(guān)的事務(wù)，涉及農(nóng)機(jī)化中的日常管理、農(nóng)機(jī)監(jiān)理、宣傳、培訓(xùn)生產(chǎn)、市場信息、經(jīng)營服務(wù)、推廣質(zhì)量監(jiān)督等各方面功能。通過農(nóng)機(jī)化管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：①為行政管理部門提供各種數(shù)據(jù)，便于上級部門作出相應(yīng)的政策調(diào)整，及時(shí)反映本轄區(qū)的農(nóng)機(jī)化的水平，如跟蹤農(nóng)機(jī)數(shù)量、異動情況、駕駛?cè)说呐嘤?xùn)、安全管理等方面，實(shí)現(xiàn)檢索和建立檔案具有突出的優(yōu)勢作用。②正確地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)經(jīng)營單位和農(nóng)機(jī)戶合理組織生產(chǎn)，向他們提供經(jīng)營決策的咨詢服務(wù)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的配備與更新方面，可以及時(shí)統(tǒng)計(jì)、上傳數(shù)據(jù)、快速做出決策，配備新的設(shè)備或調(diào)配已有的設(shè)備，保證農(nóng)機(jī)作業(yè)的順利進(jìn)行，為農(nóng)機(jī)合作社等企業(yè)隨時(shí)掌握市場信息，使農(nóng)機(jī)作業(yè)效益最大化；③在制造企業(yè)的管理方面，從產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)一直到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都離不開計(jì)算機(jī)的管理。在維修企業(yè)中現(xiàn)在應(yīng)用也非常普及，如統(tǒng)計(jì)維修數(shù)量、零配件信息、維修進(jìn)程、跟蹤服務(wù)等方面。④指導(dǎo)農(nóng)技人員對農(nóng)業(yè)機(jī)械田間操作使用的建議，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和維修建議。

2.2 計(jì)算機(jī)在農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣中的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化離不開農(nóng)機(jī)的推廣和普及，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)在整個(gè)推廣體系建設(shè)和實(shí)施過程中應(yīng)用日益廣泛，起到的作用效果日趨明顯。計(jì)算機(jī)參與推廣具有如下特點(diǎn)：①傳播速度快，可以大量復(fù)制；②收集資料信息流量大而準(zhǔn)確；③多媒體的傳播形式；④交互性、低成本。應(yīng)用計(jì)算機(jī)可控的互聯(lián)網(wǎng)宣傳平臺，開展農(nóng)機(jī)新技術(shù)推廣項(xiàng)目的介紹、圖像、演示視頻等訊息，讓農(nóng)機(jī)推廣組織為潛在農(nóng)機(jī)新技術(shù)使用者提供合理的解決方案和服務(wù)，如今農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品新技術(shù)推廣、宣傳和聯(lián)系等方面基本上依賴了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成。

3 計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化、實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、實(shí)踐物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)已不再是過去完全靠勞動力完成的簡單勞動，農(nóng)業(yè)科技越來越深入，自動化程度日益增強(qiáng)，所以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)也不是簡單的收收電子文檔，發(fā)發(fā)通知這么日常工作的事情了，作為高新科技代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械化相結(jié)合，在農(nóng)機(jī)化技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、動力性、動態(tài)指標(biāo)和作業(yè)管理精度，進(jìn)一步減少農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，從而更好地為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)由農(nóng)業(yè)機(jī)械化向農(nóng)業(yè)自動化轉(zhuǎn)變。

3.1 實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化的數(shù)據(jù)的采集、傳輸、圖像的識別技術(shù)離不開計(jì)算機(jī)的支撐

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要農(nóng)機(jī)具有自動識別功能，如耕地深度、遇到石頭、不必毀壞的作物、施肥的量、噴藥的對象等方面都需要做精準(zhǔn)的識別，光靠探頭拍攝圖像還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，要靠計(jì)算機(jī)分析識別哪些是什么信號、發(fā)出諸如是不是該噴等方面的指令。這中間要的大量圖像數(shù)據(jù)，傳感器傳來的各類數(shù)據(jù)匯總，進(jìn)行分析、計(jì)算，按預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行下一步動作，指導(dǎo)農(nóng)機(jī)手給出合適操作。

3.2 計(jì)算機(jī)使農(nóng)業(yè)自動化、遠(yuǎn)程化、精準(zhǔn)化成為趨勢

以計(jì)算機(jī)作為終端，與衛(wèi)星構(gòu)建定位系統(tǒng)管控農(nóng)機(jī)是新近發(fā)明技術(shù)，目前發(fā)明的有局部空間使用的自動農(nóng)業(yè)耕整機(jī)、農(nóng)業(yè)谷物收獲機(jī)、西紅柿采摘機(jī)，基于GPS與GIS結(jié)合的施肥、播種、噴藥無人機(jī)，提高了播種和作業(yè)精度，減少收獲損失，節(jié)約種子、肥料和農(nóng)藥，更好地實(shí)現(xiàn)田間管理機(jī)械化。隨著我國的北斗衛(wèi)星組網(wǎng)完成，我國在計(jì)算機(jī)導(dǎo)航，實(shí)施農(nóng)業(yè)自動化、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)化的進(jìn)程會加快，計(jì)算機(jī)、通信在這幾方面的應(yīng)用會更加普及、更深入，也是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)必然的發(fā)展趨勢。

3.3 計(jì)算機(jī)是實(shí)踐農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建必不可少的設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，簡稱 IOT)的概念是在1999年提出的，2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的n’U互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)自2009年下半年以來快速成為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新熱點(diǎn),目前物聯(lián)網(wǎng)被正式列為我國5大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。管控這些網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)、中心，均要通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，如今拖拉機(jī)與自走農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間自動導(dǎo)航、機(jī)器視覺與農(nóng)業(yè)應(yīng)用機(jī)器，各種電子監(jiān)示、控制裝置應(yīng)用于各種復(fù)雜農(nóng)業(yè)機(jī)械上，不光終端要計(jì)算機(jī)控制，管理單位均要計(jì)算機(jī)來控制管理服務(wù)。近來我國的數(shù)字化農(nóng)業(yè)、溫室大棚、設(shè)施農(nóng)業(yè)等等都離開了計(jì)算機(jī)參與工作，所以計(jì)算機(jī)的重要性非常明顯，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)田間控制管理、控制土壤測量分析系統(tǒng)、對病蟲害防控等構(gòu)成整個(gè)農(nóng)業(yè)、設(shè)施、農(nóng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控、無處不在。以后會隨著國家的新一輪補(bǔ)貼政策，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，加快農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)到位，我國家計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域應(yīng)用水平會上一個(gè)新臺階。

4 結(jié)語

2013年中央國務(wù)院一號文件明確要求：組織化生產(chǎn)和社會化服務(wù)將加速推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)物質(zhì)技術(shù)裝備；全國農(nóng)機(jī)發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出，到2015年，農(nóng)機(jī)總動力達(dá)到10億kW耕種收綜合機(jī)械化水平達(dá)到60%以上(“十一五”末期為52%)，主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化、農(nóng)機(jī)工業(yè)和流通業(yè)快速發(fā)展，全面提高農(nóng)機(jī)裝備和作業(yè)水平，不斷壯大農(nóng)業(yè)機(jī)械化人才隊(duì)伍，努力推動科技創(chuàng)新及技術(shù)推廣，大力促進(jìn)農(nóng)機(jī)工業(yè)和流通業(yè)發(fā)展等方面的要求。以上政策給農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展注入了強(qiáng)心劑，會使農(nóng)機(jī)自動化、信息化與智能化技術(shù)進(jìn)程加快，在研發(fā)、生產(chǎn)、教育培訓(xùn)、推廣、行政管理，宣傳等方面，使計(jì)算機(jī)與農(nóng)機(jī)化發(fā)展中的應(yīng)用更具深度、更具有依賴性。我國大力發(fā)展高效農(nóng)業(yè)必定促進(jìn)計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化各領(lǐng)域的普及應(yīng)用，也會促使農(nóng)機(jī)化向優(yōu)質(zhì)、高效、安全、簡便、經(jīng)濟(jì)、舒適的方向發(fā)展。總之計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)化領(lǐng)域，是我國乃至世界農(nóng)機(jī)化發(fā)展的必然趨勢。

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