數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用

樂 雷

（湖北科技學院，湖北 咸寧 437199）

2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《“十四五”全國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》，總結(jié)了我國“十三五”期間農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的成果，農(nóng)業(yè)機械化管理體制機制持續(xù)優(yōu)化、農(nóng)業(yè)機械化轉(zhuǎn)型升級取得明顯成效，全國農(nóng)機總動力達到10.56億kW，比“十二五”期末增長17%。2021年全國農(nóng)作物耕種收綜合機械化率達到72.03%，較上年提高0.78個百分點，其中機耕率、機播率、機收率分別達到86.42%、60.22%、64.66%?！丁笆奈濉比珖r(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展提出了新要求，要加快推動農(nóng)業(yè)機械化、智能化、綠色化，運用數(shù)字化等新技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展大型高端智能農(nóng)機裝備[1]。在農(nóng)機裝備的設計環(huán)節(jié)，數(shù)字化技術(shù)能夠發(fā)揮重要作用，推動農(nóng)機研發(fā)創(chuàng)新，通過與農(nóng)機研發(fā)基地、高校等的聯(lián)合，提升農(nóng)業(yè)機械設計水平，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營效率和產(chǎn)出效益，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展格局的形成?！笆奈濉鞭r(nóng)業(yè)機械化主要指標如表1所示，2021年主要農(nóng)作物耕種收綜合機械化率如表2所示。

表1 “十四五”農(nóng)業(yè)機械化主要指標

表2 主要農(nóng)作物耕種收綜合機械化率

1 數(shù)字化技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械設計

1.1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化（Digitalize）是運用0、1編碼表達傳輸信息的綜合性技術(shù)，實現(xiàn)了從模擬信息向二進制語言的轉(zhuǎn)變，數(shù)字化是信息時代發(fā)展的新階段，數(shù)字化信息時代的到來，對人們的生產(chǎn)、生活、工作都產(chǎn)生了重大的影響。在數(shù)字化技術(shù)的推動下，數(shù)字化政府、數(shù)字化社會、數(shù)字化社區(qū)、數(shù)字化農(nóng)業(yè)等形式出現(xiàn)并發(fā)展[2]。以人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等為代表的數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，對諸多行業(yè)轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生了積極的影響，數(shù)字化技術(shù)廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械、航天航空、汽車制造、建筑設計等方面。在企業(yè)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用、回收等環(huán)節(jié)的數(shù)字化變革有助于提高資源配置效率，促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域的應用，有助于推動農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化升級。

1.2 農(nóng)業(yè)機械設計

在工業(yè)設計領(lǐng)域，知識信息密集型產(chǎn)品已成為主流，產(chǎn)品設計向智能化、集成化、網(wǎng)絡化等方向發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)的應用，推動了工業(yè)設計智能化發(fā)展[3]。農(nóng)業(yè)機械設計的智能化水平與其他行業(yè)還存在較大差距，這與農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的特點有密切關(guān)系，農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的種類繁多，產(chǎn)品具有季節(jié)性使用特點，并且作業(yè)環(huán)境也比較復雜，我國農(nóng)業(yè)機械設計的智能化水平與美國、德國、日本等國家還存在一定的差距。農(nóng)業(yè)機械數(shù)字化設計涉及機械設計、農(nóng)機農(nóng)藝、人工智能、計算機繪圖等多方面知識，我國雖然是農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)大國，但是農(nóng)業(yè)機械的設計能力不強，當前仍然以仿造國外農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品為主，自主研發(fā)能力還存在較大提升空間。提高數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域的應用水平，有助于我國農(nóng)業(yè)機械的數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化發(fā)展。

2 我國農(nóng)業(yè)機械設計發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)業(yè)機械設計研究基礎(chǔ)薄弱

數(shù)字化技術(shù)支持下的農(nóng)業(yè)機械設計與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設計有很大的差異，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設計是根據(jù)設計對象開展的一系列設計活動；數(shù)字化技術(shù)背景下，農(nóng)業(yè)機械設計需要把握產(chǎn)品的生命周期，充分利用CAD、CAE、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，在設計前期進行充分的調(diào)研，合理調(diào)整影響設計的相關(guān)因素，確保設計效率與設計質(zhì)量。當前，我國在農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)較為薄弱，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不足，難以滿足我國作為農(nóng)業(yè)大國對各類復雜農(nóng)業(yè)機械設備的需求[4]。

2.2 農(nóng)業(yè)機械設計理念落后，創(chuàng)新能力不足

農(nóng)業(yè)機械設計與其他工業(yè)產(chǎn)品設計有很大的不同，我國作為農(nóng)業(yè)大國，具有廣闊的農(nóng)業(yè)機械市場，并且農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的種類多樣，這對農(nóng)業(yè)機械設計的要求也更高。與發(fā)達國家相比，我國工業(yè)機械現(xiàn)代化起步較晚，在關(guān)鍵核心技術(shù)、重要零部件、材料等方面仍然受國外制約，研發(fā)能力難以滿足當前農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)的要求，一些高端農(nóng)業(yè)機械仍然依賴進口，當前國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械以中低端產(chǎn)品為主，產(chǎn)能過剩，同質(zhì)化問題突出。長期受傳統(tǒng)觀念影響，對農(nóng)業(yè)機械設計的重視度不夠，缺乏數(shù)字化人才，農(nóng)業(yè)機械設計人員創(chuàng)新能力不足，這也導致我國數(shù)字化技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械設計的融合程度不高，不利于農(nóng)業(yè)機械設計的優(yōu)化發(fā)展[5]。

2.3 農(nóng)業(yè)機械設計投入不足

我國農(nóng)作物種類多，不同區(qū)域之間的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境差異較大，農(nóng)業(yè)機械設計過程中要根據(jù)不同區(qū)域、不同農(nóng)作物的生產(chǎn)特點，設計出符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械產(chǎn)品，這需要投入較大的人力、物力、財力。雖然我國在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的投入在逐年增加，但是在農(nóng)業(yè)機械設計方面仍然存在較大的資金與人才缺口，這不利于農(nóng)業(yè)機械設計的發(fā)展，需要持續(xù)完善農(nóng)業(yè)機械化扶持政策體系。

3 數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用策略

3.1 數(shù)字化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設計的目標

2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳出臺《農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范區(qū)數(shù)字化建設指南》，提出推進信息基礎(chǔ)設施建設、推進數(shù)據(jù)資源匯聚共享、推進農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化升級、拓展數(shù)字支撐應用場景等重點任務。數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域的應用，實現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設計與網(wǎng)絡技術(shù)的結(jié)合，能夠有效提升農(nóng)業(yè)機械設計的效率與精準度，通過農(nóng)業(yè)機械的升級優(yōu)化，探索智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計應用過程中要確立設計目標，為具體設計工作提供指導[6]。第一，通過ASP、NET、C語言編程等設計數(shù)字化農(nóng)業(yè)機械設計系統(tǒng)，系統(tǒng)設計的過程中可以結(jié)合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設計的經(jīng)驗，提高系統(tǒng)的科學性；第二，加強數(shù)字化農(nóng)業(yè)機械設計系統(tǒng)的局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)建設；第三，優(yōu)化數(shù)字化農(nóng)業(yè)機械設計系統(tǒng)的各模塊，確保各模塊能夠單獨作業(yè)，提高模塊運行效率；第四，提高數(shù)字化農(nóng)業(yè)機械設計系統(tǒng)的操作效率，通過簡潔明了的系統(tǒng)界面，提升操作便捷性。

3.2 數(shù)字化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設計的整體框架

數(shù)字化技術(shù)的應用過程中會構(gòu)建農(nóng)業(yè)機械設計系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械設計數(shù)字化，整個系統(tǒng)整體框架包括六個功能層次：第一，交互層，交互層是農(nóng)業(yè)機械設計人員操作系統(tǒng)的相關(guān)界面，交互層的設計要簡約便捷，方面農(nóng)業(yè)機械設計人員設計相關(guān)操作；第二，支撐層，這一層面是農(nóng)業(yè)機械設計的核心，包括CAD、CAE等系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)及數(shù)據(jù)挖掘算法，方便農(nóng)業(yè)機械設計人員在設計過程中的數(shù)據(jù)計算、模型精修等工作；第三，數(shù)據(jù)庫層，農(nóng)業(yè)機械設計過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)、圖表、文獻資料等，需要SQL數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)存儲與檢索功能；第四，管理層，管理層包括系統(tǒng)的登錄、訪問、管理權(quán)限、軟件使用權(quán)限等內(nèi)容；第五，應用層，涉及系統(tǒng)的具體應用，對農(nóng)業(yè)機械設計人員來說也十分重要，包括設計案例、CAD建模、大數(shù)據(jù)挖掘、CAE分析、可靠性設計等模塊；第六，數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層是對農(nóng)業(yè)機械設計相關(guān)參數(shù)的規(guī)范，確保設計過程中數(shù)據(jù)準確。

3.3 數(shù)字化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設計的軟硬件支持

數(shù)字化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設計離不開硬件開發(fā)與軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。農(nóng)業(yè)機械設計過程中，數(shù)字化技術(shù)能夠提高設計的精準度，這需要硬件開發(fā)環(huán)境的支持，提高服務器的配置，確保系統(tǒng)能夠滿足多名農(nóng)業(yè)機械設計人員協(xié)同作業(yè)的需求。系統(tǒng)開發(fā)工具、設計工具、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等要及時更新，確保項目創(chuàng)設、頁面設計排版、數(shù)據(jù)管理等功能的實現(xiàn)[7]。

3.4 虛擬仿真在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用

農(nóng)業(yè)機械設計涉及農(nóng)藝技術(shù)、通信技術(shù)、新材料等，數(shù)字化技術(shù)應用下的農(nóng)業(yè)機械設計需要虛擬仿真技術(shù)的支持，現(xiàn)有仿真工具適用于單領(lǐng)域仿真問題的解決，難以滿足農(nóng)業(yè)機械設計多領(lǐng)域仿真需求。通過面向?qū)ο蟮亩囝I(lǐng)域統(tǒng)一建模，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械采摘、高地隙噴霧等農(nóng)業(yè)機械運動的建模與仿真，提高模型的靈活性，提高農(nóng)業(yè)機械設計的精準度?；谕寥?、植物、機器體系建模的多軟件協(xié)同仿真，能夠揭示農(nóng)機作業(yè)的復雜過程與變化特征，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的優(yōu)化設計?；谟布诃h(huán)的虛擬仿真，能夠應用于農(nóng)業(yè)機械自動控制系統(tǒng)設計過程中，在設計葡萄采摘機器人、高地隙噴霧機、重型拖拉機過程中，能夠有效驗證系統(tǒng)控制下的機械作業(yè)效果[8]。

3.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)機械設計帶來了變革性的影響，通過VR技術(shù)能夠?qū)Υ笮娃r(nóng)業(yè)機械進行建模，將結(jié)構(gòu)復雜的農(nóng)業(yè)機械通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)呈現(xiàn)，借助虛擬作業(yè)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械外觀、結(jié)構(gòu)、性能等方面的設計。當前VR技術(shù)已經(jīng)應用于農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域，主要包括虛擬裝配（VA）、虛擬試驗（VE）等[9]。VA技術(shù)支持下的虛擬裝配有傳統(tǒng)裝配難以比擬的優(yōu)勢，可以構(gòu)建沉浸式的農(nóng)業(yè)機械裝配環(huán)境，能夠從總體規(guī)劃裝配過程中解決復雜產(chǎn)品的裝配難點，當前我國虛擬裝配技術(shù)在人機交互、裝配建模、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑優(yōu)化、裝配工具等領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間[10]。VA技術(shù)支持下的虛擬試驗驗證應用在農(nóng)業(yè)機械設計領(lǐng)域還處于起步階段，能夠在農(nóng)業(yè)機械設計過程中評估產(chǎn)品的性能。如中國農(nóng)業(yè)大學運用虛擬試驗進行農(nóng)業(yè)機械設計，構(gòu)建虛擬場景，對農(nóng)業(yè)機械的加速、轉(zhuǎn)向、制動等功能進行試驗，提高農(nóng)業(yè)機械設計的效率與精準度。

4 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展能夠有效提升農(nóng)業(yè)機械設計的效率，推動農(nóng)業(yè)機械設計的創(chuàng)新發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)機械研發(fā)水平，促進農(nóng)業(yè)機械數(shù)字化、智能化、綠色化發(fā)展。通過大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提高核心技術(shù)、重要零部件、材料方面的研發(fā)能力，滿足我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)機械的要求，實現(xiàn)機械化與信息化、智能化的融合，助力農(nóng)業(yè)機械化又好又快發(fā)展，推進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設。