基于云計(jì)算的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化云服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

李春燕，李 根，高永強(qiáng)

基于云計(jì)算的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化云服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

李春燕1，李 根1，高永強(qiáng)2

(1.內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程系，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，呼和浩特 010010)

考慮現(xiàn)代農(nóng)機(jī)市場對產(chǎn)品多樣性、個(gè)性化和訂單交付周期短等需求，結(jié)合云計(jì)算和三維數(shù)字化設(shè)計(jì)理念，提出了一種針對模塊化農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方法，并對設(shè)計(jì)理念、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的分析和可行性驗(yàn)證。利用云計(jì)算中的 SaaS服務(wù)模式下應(yīng)用系統(tǒng)的模型架構(gòu)，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)快速設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化平臺，選取農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中常用的零部件軸和齒輪等為研究對象，通過參數(shù)化建模，驗(yàn)證了基于云計(jì)算農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺的智能化和高效性。最后，通過農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)周期、客戶滿意度和資源利用率等項(xiàng)目的評價(jià)，對傳統(tǒng)方法和云設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明：采用云服務(wù)對農(nóng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)不僅可以提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且能夠充分利用設(shè)計(jì)資源，達(dá)到資源共享的目的。

農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)；SaaS服務(wù)；三維數(shù)字化；云計(jì)算；參數(shù)化建模

0 引言

基于云環(huán)境的計(jì)算機(jī)協(xié)同技術(shù)可以有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和更新?lián)Q代的速度，可以使需求客戶和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行有效的交流和溝通，設(shè)計(jì)出更多的個(gè)性化和小批量的柔性產(chǎn)品。隨著軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，軟件的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械零部件的快速設(shè)計(jì)，其中參數(shù)化設(shè)計(jì)是機(jī)械零部件快速設(shè)計(jì)常用的方法之一，而利用云計(jì)算結(jié)合參數(shù)化界面對農(nóng)機(jī)快速三維數(shù)字化設(shè)計(jì)具有重要的意義。利用云處理和參數(shù)化設(shè)計(jì)可以對農(nóng)機(jī)進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)和定制，從而有效地縮短研發(fā)周期；將云架構(gòu)引入設(shè)計(jì)平臺可以有效地減少系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，而將資源存儲在云端可以有效地降低資源和系統(tǒng)升級維護(hù)的開支；利用云處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的協(xié)同化設(shè)計(jì)，加快中小企業(yè)的信息化進(jìn)程。

1 基于云環(huán)境的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

云計(jì)算是多種技術(shù)的融合體，主要包括并行計(jì)算、分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等。云計(jì)算基于虛擬技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效率的數(shù)據(jù)存儲和傳輸，可以將計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程服務(wù)器和本地服務(wù)器集成到互聯(lián)網(wǎng)上組成大規(guī)模的計(jì)算機(jī)集群，通過集群內(nèi)的計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，調(diào)用集群內(nèi)的資源，完成數(shù)據(jù)的高速處理，然后將結(jié)果返回到遠(yuǎn)程服務(wù)端或者本地計(jì)算機(jī)?；谠骗h(huán)境的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)從服務(wù)層次來看主要分為3層，包括軟件服務(wù)Saa S、平臺服務(wù)Paa S和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)Iaa S，其基本框架如圖1所示。

圖1 云計(jì)算服務(wù)框架模型Fig.1 The framework model of cloud computing service

圖1中，SaaS利用農(nóng)機(jī)軟件設(shè)計(jì)通過互聯(lián)網(wǎng)為客戶提供服務(wù)，客戶可以根據(jù)自身的軟件需求進(jìn)行付費(fèi)。PaaS為農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)提供服務(wù)平臺，主要包括分布式計(jì)算、并行計(jì)算和協(xié)同仿真計(jì)算，利用SaaS可以快速地對自己需要的應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)，且PaaS可以加快SaaS的開發(fā)。IaaS是一種基礎(chǔ)性的服務(wù)，它將計(jì)算機(jī)存儲資源以服務(wù)的形式提供給用戶，從而使用戶可以開發(fā)自己的農(nóng)機(jī)軟件設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)平臺。

圖2為農(nóng)機(jī)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)例圖。利用SolidWorks和UG軟件可以完成農(nóng)機(jī)的三維設(shè)計(jì)，可以對其劃分網(wǎng)格和力學(xué)分析，但其設(shè)計(jì)所需的計(jì)算量較大，對運(yùn)算環(huán)境要求較高。因此，可采云環(huán)境加快產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程和框架如圖3所示。

圖2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)Fig.2 The three dimensional digital design

圖3 基于云環(huán)境的農(nóng)機(jī)快速數(shù)字化設(shè)計(jì)Fig.3 The rapid digital design of agricultural machinery based on cloud environment

為了加快農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)速度，本研究設(shè)計(jì)了可變產(chǎn)品模型的農(nóng)機(jī)數(shù)字化云設(shè)計(jì)平臺，并對產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)市場的需求，將其模塊主要分為產(chǎn)品的定制模塊和產(chǎn)品的開發(fā)模塊。農(nóng)機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)有利于產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)已有的資源，采用參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)，對產(chǎn)品進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，從而加快產(chǎn)品研發(fā)速度，縮短設(shè)計(jì)周期。

2 基于多目標(biāo)優(yōu)化的農(nóng)機(jī)云設(shè)計(jì)模塊劃分

為了優(yōu)化農(nóng)機(jī)云設(shè)計(jì)模塊，使用多目標(biāo)函數(shù)對農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和能耗進(jìn)行優(yōu)化，將目標(biāo)函數(shù)總結(jié)為3個(gè)，而這3個(gè)方面又受到其他因素的制約，從而可以建多個(gè)優(yōu)化條件。

1)農(nóng)機(jī)的播種和收獲質(zhì)量。農(nóng)機(jī)的播種和收獲質(zhì)量f1是設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)時(shí)最重要的問題之一，其影響的主要因素有兩個(gè)：一是漏播或者漏割率；二是重播或者重復(fù)收獲率，這兩個(gè)方面都會降低農(nóng)機(jī)的質(zhì)量。假設(shè)農(nóng)機(jī)的正常作業(yè)速度為u，漏播或者漏割率為δ1，重播或者重復(fù)收獲率為δ2，則農(nóng)機(jī)的速度和質(zhì)量模型可以表示為

u=f(δ1,δ2)=f1

(1)

2)農(nóng)機(jī)播種和收獲效率。播種和收獲的效率η是指在一定的時(shí)間內(nèi)播種和收割機(jī)的作業(yè)量，主要影響因素包括行進(jìn)速度u、排種和收割速度v、橫向幅度l，其函數(shù)的表達(dá)式為

f(η)=f2=f(v,u,l)

(2)

3)農(nóng)機(jī)播種和收獲能耗。農(nóng)機(jī)在進(jìn)行播種和收獲時(shí)，其耗能ε與播種與收獲能量消耗系數(shù)ψ有關(guān)，其能耗的表達(dá)模型為

f(ε)=f3=f(ψ)

(3)

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)質(zhì)量、效率和能耗的同步優(yōu)化，采用多目標(biāo)函數(shù)對模型進(jìn)行優(yōu)化，其表達(dá)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(biāo)函數(shù)。對于任意的兩點(diǎn)(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(yōu)于f1(x2),f2(x2),…,fM(x2)，則稱為x1優(yōu)于x2。利用多目標(biāo)優(yōu)化原理可以對農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的云平臺進(jìn)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(nóng)機(jī)產(chǎn)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(jìn)行產(chǎn)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(yīng)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(gè)或數(shù)個(gè)中間接口模塊傳遞信息并結(jié)合接口進(jìn)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(gè)農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊劃分，最后裝配組合，形成一個(gè)統(tǒng)一體，從而有效地提高了農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率。

圖5 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品模塊的間接組合Fig.5 The indirect combination of the module of agricultural

machinery product

3 農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺采用云計(jì)算模式，利用云服務(wù)器將農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺架構(gòu)在云端，設(shè)計(jì)者通過安裝客戶端便可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的快速設(shè)計(jì)，并可以同其他設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，其流程如圖6所示。

圖6 基于云服務(wù)的農(nóng)機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺Fig.6 The 3D digital design platform of agricultural machinery

based on cloud services

設(shè)計(jì)者可以下載客戶端，然后注冊登錄系統(tǒng)。整個(gè)農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)權(quán)限分為多個(gè)級別，每個(gè)級別對應(yīng)的相關(guān)部件的設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)自己的權(quán)限設(shè)計(jì)相關(guān)部件。云設(shè)計(jì)平臺具有參數(shù)化設(shè)計(jì)界面，用戶可以遠(yuǎn)程調(diào)取云端資源。當(dāng)用戶設(shè)計(jì)完成后，將數(shù)據(jù)提交到云端，云端進(jìn)行存儲后便可以后續(xù)的文檔下載，最后將不同的設(shè)計(jì)文件整合，便可以完成農(nóng)機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)。利用云環(huán)境的分布式計(jì)算和存儲方法，可以有效地提高農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程。

采用農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)云服務(wù)平臺可對農(nóng)機(jī)的零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，圖7表示參數(shù)化設(shè)計(jì)的界面。通過輸入齒輪的各種參數(shù)，可以一次性完成齒輪草圖的繪制，并具有拉伸為三維實(shí)體的功能，如圖8所示。

圖7 云服務(wù)參數(shù)化設(shè)計(jì)界面Fig.7 The cloud services parameterized design interface

圖8 數(shù)字化三維立體效果Fig.8 The digital three dimensional effect

分別建立農(nóng)機(jī)的齒輪和軸之后，便可以對其進(jìn)行裝配。選擇好基準(zhǔn)后，點(diǎn)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(jìn)行配合，然后將齒輪、軸和鍵進(jìn)行裝配，從而完成整個(gè)裝配的設(shè)計(jì)，簡便而高效。

圖9 農(nóng)機(jī)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(wù)平臺和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對農(nóng)機(jī)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的各種評價(jià)對比結(jié)果。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：利用云服務(wù)平臺不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高客戶的滿意度，最重要的是可以合理利用資源，達(dá)到資源共享的目的。

表1 設(shè)計(jì)效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)市場需求，提出了一種個(gè)性化和模塊化的農(nóng)機(jī)快速設(shè)計(jì)方法，并將云處理計(jì)算引入到了設(shè)計(jì)平臺，加快了設(shè)計(jì)速度，實(shí)現(xiàn)了中小型企業(yè)信息化和資源共享。采用云計(jì)算中的 SaaS服務(wù)模式下應(yīng)用系統(tǒng)模型架構(gòu)，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)快速設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化平臺，并對平臺的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。由參數(shù)化建模發(fā)現(xiàn)，利用三維數(shù)字化平臺可以快速地實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)常用設(shè)計(jì)部件的快速三維立體化構(gòu)建。采用云處理平臺對農(nóng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可有效地縮短設(shè)計(jì)周期，又可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可以達(dá)到資源共享的目的。因此，無論是中小型企業(yè)還是大型企業(yè)，都可以引入該系統(tǒng)，其市場應(yīng)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(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015BS0602)

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

S126；TP311.52

A

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