許昌學(xué)院電氣與機(jī)械學(xué)院 王安梅
數(shù)字孿生作為一種新興的技術(shù)手段,在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用正逐步普及,尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中,數(shù)字孿生為農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了全新的思路方法。數(shù)字孿生是通過將實(shí)體物理世界與虛擬仿真世界進(jìn)行無縫連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取,模擬仿真分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種全新技術(shù),本文旨在探討數(shù)字孿生在農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景,希望能夠?yàn)檗r(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供研究幫助。
數(shù)字孿生是一種基于實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合的技術(shù),通過創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字副本來準(zhǔn)確模擬物理實(shí)體的外觀結(jié)構(gòu)以及行為,然后反映其性能與運(yùn)行狀態(tài)。在數(shù)字孿生中,物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括各種感知數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù)等,這些數(shù)據(jù)通過傳感器與監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取,并進(jìn)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(shù)基于物理實(shí)體的幾何形狀、材料屬性、運(yùn)動(dòng)特征以及行為模式等信息創(chuàng)建,并且可以基于物理定律與數(shù)學(xué)模型等算法進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。在數(shù)字孿生中物理實(shí)體的準(zhǔn)確模擬是非常關(guān)鍵的,它需要考慮實(shí)體的幾何形狀、材料屬性以及結(jié)構(gòu)組成和工作原理等方面的信息,準(zhǔn)確的物理模擬可以通過三維建模與仿真軟件來實(shí)現(xiàn),例如使用CAD 軟件進(jìn)行幾何建模,使用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)仿真[1]。
數(shù)字孿生的基本原理是基于物聯(lián)網(wǎng)與傳感器等技術(shù)獲取物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合,虛擬模型可以是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的,也可以是基于物理實(shí)體的替代物模型。在數(shù)字孿生中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型之間的結(jié)合是通過數(shù)據(jù)采集傳輸及處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感器與感知設(shè)備跟物理實(shí)體連接起來,實(shí)時(shí)采集物理實(shí)體的各項(xiàng)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以是溫度、壓力、濕度、振動(dòng)、流量以及能耗等各種物理量的測(cè)量值,也可以是圖像、聲音或視頻等各種感知數(shù)據(jù)。傳感器與感知設(shè)備通過高頻率采集更新數(shù)據(jù),以此來反映物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合是通過數(shù)據(jù)傳輸與處理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或云平臺(tái)與虛擬模型進(jìn)行比對(duì)匹配。對(duì)于基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的虛擬模型,可以通過與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的外觀結(jié)構(gòu)、位置等方面的準(zhǔn)確模擬;對(duì)于基于物理實(shí)體的替代物模型,則可以通過與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體行為性能的反映。
數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀(jì)60年代,當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)開始嶄露頭角。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力與建模技術(shù),通過對(duì)物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模仿真分析實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)行為性能的預(yù)測(cè)優(yōu)化,這為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起,數(shù)字孿生技術(shù)開始得到更廣泛推廣應(yīng)用,計(jì)算機(jī)的計(jì)算存儲(chǔ)能力與通信能力的不斷提升,使得數(shù)字孿生技術(shù)能夠處理分析更復(fù)雜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。與此同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得各種傳感設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集傳輸物理實(shí)體的各種數(shù)據(jù),為數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。近年來隨著人工智能與云計(jì)算等技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)在各行各業(yè)都得到了更廣泛的應(yīng)用,人工智能的發(fā)展使得虛擬模型能夠更加智能化,能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、不斷更新完善模型,從而提高模擬預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得虛擬模型能夠被遠(yuǎn)程訪問共享,不受地域限制,為不同地區(qū)行業(yè)之間的智能化協(xié)作提供了可能性[2]。
2.1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析
數(shù)字孿生技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)與傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸,其中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含了溫度、壓力、濕度、振動(dòng)以及流量等物理量的測(cè)量值,還有圖像、聲音和視頻等感知數(shù)據(jù)。通過數(shù)字孿生技術(shù),設(shè)計(jì)師可以獲取到實(shí)時(shí)的農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及性能數(shù)據(jù),為農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。
2.1.2 虛擬模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)合
數(shù)字孿生技術(shù)將虛擬模型與實(shí)際農(nóng)機(jī)相連接,通過與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)行為性能的準(zhǔn)確模擬。虛擬模型可以基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建,或基于實(shí)際農(nóng)機(jī)的替代物模型,通過將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合,設(shè)計(jì)師可以全面了解農(nóng)機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)位置等特征,和其運(yùn)行行為能耗與效率等性能參數(shù)。
2.1.3 設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)優(yōu)化
數(shù)字孿生技術(shù)為設(shè)計(jì)師提供了及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的手段。通過與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,設(shè)計(jì)師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題與改進(jìn)空間,并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)師可以快速對(duì)農(nóng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,還可以快速反饋設(shè)計(jì)改進(jìn)的結(jié)果,以此來使農(nóng)機(jī)的性能得到有效提升,幫助設(shè)計(jì)師迅速調(diào)整設(shè)計(jì)方案[3]。
2.1.4 設(shè)計(jì)方案的精確評(píng)估
基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬模型的結(jié)合,設(shè)計(jì)師能夠準(zhǔn)確評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的性能。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬不同的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選擇以及部件配置等情況下的農(nóng)機(jī)性能,通過對(duì)比分析評(píng)估各種方案的優(yōu)劣,找到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,這樣可以減少試驗(yàn)與測(cè)試的時(shí)間成本,提高設(shè)計(jì)效率。
2.2.1 虛擬環(huán)境中的模擬測(cè)試
數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品進(jìn)行模擬測(cè)試。通過在虛擬環(huán)境中建立農(nóng)機(jī)的準(zhǔn)確虛擬模型,設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行多種場(chǎng)景條件下模擬的不同工況環(huán)境仿真,來對(duì)農(nóng)機(jī)的行為性能及可靠性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。因此,虛擬環(huán)境提供了一個(gè)低成本且高效率的測(cè)試平臺(tái),減少了實(shí)際原型制造測(cè)試的需求,從而降低了設(shè)計(jì)成本。
2.2.2 提前發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險(xiǎn)
通過數(shù)字孿生技術(shù),設(shè)計(jì)師可以在虛擬環(huán)境中模擬多種情況場(chǎng)景,對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)估,這有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷,避免在實(shí)際制造和運(yùn)行中出現(xiàn)問題。通過在虛擬環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化,設(shè)計(jì)師可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),減少設(shè)計(jì)過程中的返工修正,進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)成本。
數(shù)字孿生技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)師快速評(píng)估創(chuàng)新的設(shè)計(jì)概念,設(shè)計(jì)師可以將新的設(shè)計(jì)想法轉(zhuǎn)化為虛擬模型,通過數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行模擬分析測(cè)試,通過模擬分析設(shè)計(jì)師可以評(píng)估新的設(shè)計(jì)概念的可行性效果,這樣可以幫助設(shè)計(jì)師迅速發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,避免不必要的實(shí)際制造測(cè)試,從而加速農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的創(chuàng)新過程。通過模擬分析與虛擬測(cè)試,設(shè)計(jì)師還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的問題與改進(jìn)空間,并對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化,利用數(shù)字孿生技術(shù)快速對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略等進(jìn)行調(diào)整,從而推動(dòng)產(chǎn)品的更新迭代,這樣可以使農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品保持競(jìng)爭(zhēng)力,更好地適應(yīng)市場(chǎng)的需求變化。
2.4.1 建立數(shù)字孿生模型
基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集的信息,數(shù)字孿生技術(shù)可建立農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型,該模型能夠準(zhǔn)確地反映出農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的物理特征與行為性能,以此對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品進(jìn)行精確的仿真分析來預(yù)測(cè)其壽命或故障模式。
2.4.2 故障診斷與預(yù)測(cè)
基于建立的數(shù)字孿生模型,數(shù)字孿生技術(shù)能夠進(jìn)行故障診斷預(yù)測(cè)。通過分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型的對(duì)比,數(shù)字孿生技術(shù)可以檢測(cè)到農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的異常情況及潛在故障,并能夠根據(jù)模型對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的壽命與故障模式進(jìn)行精確預(yù)測(cè),及時(shí)發(fā)出警報(bào)[4]。
2.4.3 維修與保養(yǎng)措施
憑借故障診斷預(yù)測(cè)結(jié)果,農(nóng)機(jī)企業(yè)可以及時(shí)采取維修保養(yǎng)措施,為用戶減少產(chǎn)品故障所帶來的損失。利用數(shù)字孿生技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出提前預(yù)測(cè)故障模式,以此來幫助農(nóng)機(jī)企業(yè)制定相應(yīng)的維修計(jì)劃,合理調(diào)度技術(shù)人員資源,確保及時(shí)維修保養(yǎng),避免因故障而造成的生產(chǎn)停頓及損失。
數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)在不同工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)性能測(cè)試通常需要借助實(shí)際的場(chǎng)景設(shè)備,而這往往需要耗費(fèi)大量的成本,相比之下數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建模仿真在計(jì)算機(jī)中還原并模擬農(nóng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境,從而快速獲得農(nóng)機(jī)在不同工況下的性能數(shù)據(jù),這為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)更加高效靈活的工具,可以在設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。例如,在農(nóng)田作業(yè)過程中,農(nóng)機(jī)設(shè)備往往會(huì)面臨著各種不同的工況環(huán)境條件,諸如道路狀況、土壤濕度以及農(nóng)田坡度等,通過數(shù)字孿生技術(shù)就可以將這些因素都考慮進(jìn)去,并對(duì)農(nóng)機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估,設(shè)計(jì)師可以通過模擬分析找出影響農(nóng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素,并針對(duì)性地進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)還可以對(duì)農(nóng)機(jī)的可靠性進(jìn)行評(píng)估,預(yù)測(cè)分析潛在的故障現(xiàn)象,通過對(duì)農(nóng)機(jī)的各個(gè)部件和系統(tǒng)進(jìn)行精確的建模仿真,模擬不同參數(shù)和工況下的運(yùn)行情況,設(shè)計(jì)師可以快速了解農(nóng)機(jī)各部件之間的相互作用與影響,然后有針對(duì)性地進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化,從而提高產(chǎn)品的性能。
數(shù)字孿生可以為農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供真實(shí)的仿真環(huán)境,通過數(shù)字孿生技術(shù)可以建立農(nóng)機(jī)的數(shù)字模型,并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)上比較與優(yōu)化多種不同的設(shè)計(jì)方案,從而節(jié)約了時(shí)間成本。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)可以模擬不同環(huán)境下的工作條件,預(yù)測(cè)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的性能,為產(chǎn)品的改進(jìn)優(yōu)化提供參考。通過在農(nóng)機(jī)上安裝傳感器和執(zhí)行器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),這些數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理,設(shè)計(jì)師可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化調(diào)整,提高農(nóng)機(jī)的使用性能。除此之外,數(shù)字孿生技術(shù)可以結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的自動(dòng)化控制,提高了農(nóng)機(jī)的智能化水平。通過數(shù)字孿生技術(shù)所建立的農(nóng)機(jī)數(shù)字化孿生模型,能夠?qū)崟r(shí)更新農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與故障信息,運(yùn)維人員就可以通過遠(yuǎn)程訪問數(shù)字孿生模型,獲取農(nóng)機(jī)信息并及時(shí)采取措施進(jìn)行維修保養(yǎng)。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè),提前預(yù)知農(nóng)機(jī)的故障隱患,為運(yùn)維人員提供決策支持,提高農(nóng)機(jī)的使用壽命。最后數(shù)字孿生技術(shù)可以為農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品的銷售與售后服務(wù)提供支持,為農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品建立虛擬展示與銷售平臺(tái),通過遠(yuǎn)程訪問數(shù)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(jié)省了售后服務(wù)的時(shí)間成本。
數(shù)字孿生技術(shù)在智能農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)與測(cè)試中發(fā)揮著重要作用,通過數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)智能農(nóng)機(jī)進(jìn)行全面仿真測(cè)試,其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等方面,設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行各種復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn),如載荷測(cè)試或運(yùn)行過程分析等,通過這些仿真測(cè)試可以提前發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題。同時(shí)數(shù)字孿生還可以提供農(nóng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障診斷信息,使得設(shè)計(jì)者能夠更好地了解農(nóng)機(jī)的性能并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。并且數(shù)字孿生技術(shù)還可以應(yīng)用于農(nóng)田管理與決策支持系統(tǒng)中。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)農(nóng)田進(jìn)行精細(xì)的模擬管理,例如利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)作物的生長(zhǎng)過程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),對(duì)作物的生長(zhǎng)速度,周期及產(chǎn)量等內(nèi)容進(jìn)行分析;數(shù)字孿生還可以結(jié)合氣象數(shù)據(jù)為農(nóng)田的灌溉施肥或病蟲害防治等決策提供科學(xué)依據(jù),通過這些模擬預(yù)測(cè)農(nóng)田管理者可以更加科學(xué)地制定農(nóng)田管理策略,提高農(nóng)田的產(chǎn)量效益[5]。
數(shù)字孿生可以與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合為農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來全新的交互體驗(yàn),設(shè)計(jì)者可以將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備模擬出真實(shí)的農(nóng)田環(huán)境與農(nóng)機(jī)操作場(chǎng)景,使設(shè)計(jì)者能夠身臨其境地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)測(cè)試,更加直觀地感知到農(nóng)機(jī)的工作狀態(tài)性能,發(fā)現(xiàn)并解決其中所存在的問題,提高產(chǎn)品的安全性。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)還可以與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)共享,區(qū)塊鏈技術(shù)可以提供去中心化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方式,確保農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性,將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈技術(shù)存儲(chǔ)在分布式網(wǎng)絡(luò)中,并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的權(quán)限管理及溯源跟蹤,確保農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的透明性與可信度。
綜上所述,數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景,它可以提高設(shè)計(jì)效率質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品性能的精確預(yù)測(cè),達(dá)成產(chǎn)品的智能化控制等,隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,相信它將在農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。