劉宏新 王登宇 郭麗峰 劉文武 張光甫 孫 偉

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

設(shè)計是產(chǎn)品研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，是企業(yè)智力資源及研發(fā)條件轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的主要形式?，F(xiàn)代社會的裝備產(chǎn)品必須滿足用戶的定制化、多樣化的需求，裝備企業(yè)及其產(chǎn)品的核心競爭力很大程度上取決于能否以最快的速度向市場提供適合的產(chǎn)品，即是否有足夠的高素質(zhì)技術(shù)人員以及先進的設(shè)計方法支撐高效與優(yōu)質(zhì)的研發(fā)過程。

《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》與《中國制造2025》均明確指出：裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主要支柱，我國是世界制造大國，但還不是制造強國，制造技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，創(chuàng)新能力不強。應(yīng)提高裝備設(shè)計、制造和集成能力，促進企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。用高新技術(shù)改造和提升制造業(yè)，大力推進制造業(yè)信息化，大幅度提高產(chǎn)品檔次、技術(shù)含量和附加值，全面提升制造業(yè)整體技術(shù)水平[1-2]?！秶壹Z食安全中長期規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院關(guān)于促進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機工業(yè)又好又快發(fā)展的意見》明確要求：根據(jù)不同區(qū)域的自然稟賦、耕作制度，以促進農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合、實現(xiàn)重大裝備技術(shù)突破為重點，加快實現(xiàn)糧食主產(chǎn)區(qū)、大宗農(nóng)作物、關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械化，積極推行主要糧食作物全程機械化作業(yè)，促進糧食生產(chǎn)專業(yè)化和標準化發(fā)展[3-4]。通過創(chuàng)新裝備設(shè)計的方法與技術(shù)，構(gòu)建先進的研發(fā)平臺，同步提高效率與水平是實現(xiàn)這些目標的必要途徑[5-6]。

當前，農(nóng)業(yè)裝備的先進設(shè)計正逐漸演變成一個知識密集與交叉的復雜過程，涉及機構(gòu)原理、機械設(shè)計、農(nóng)機農(nóng)藝、CAD/CAM(Computer aided design/Computer aided manufacturing)、數(shù)字樣機(Digital mockup，DMU)、知識工程、人工智能(Artificial intelligence，AI)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和虛擬仿真(Virtual reality，VR)等多領(lǐng)域多學科的技術(shù)和方法[7-14]。為提升產(chǎn)品研發(fā)效率，搶占市場先機，約翰迪爾(John Deere)、凱斯紐荷蘭(CNH)、愛科(AGCO)、久保田(Kubota)等國際知名企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，紛紛建立了以PDM/PLM(Product data management/Product lifecycle management)為基礎(chǔ)，結(jié)合高端工程應(yīng)用軟件的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品研發(fā)體系和設(shè)計資源與信息共享平臺。同時，基于知識工程的CAD/CAM技術(shù)得到了高度重視，并取得快速發(fā)展，參數(shù)化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化成為先進設(shè)計技術(shù)研究與開發(fā)的熱點[15]。

相對而言，中國農(nóng)業(yè)裝備制造企業(yè)與國際先進水平存在較大差距，正面臨來自目標市場多層面競爭的嚴峻挑戰(zhàn)。產(chǎn)品研發(fā)普遍以跟蹤、仿制為主，存在研發(fā)周期長、效率低、產(chǎn)品可靠性差等問題。企業(yè)和產(chǎn)品的競爭力低下、缺乏自主核心技術(shù)，已成為中國農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[16]。加之農(nóng)業(yè)裝備種類繁多和地域差異顯著所導致的專業(yè)知識、結(jié)構(gòu)形式、實踐經(jīng)驗等極其龐雜，沒有先進的研發(fā)體系與技術(shù)手段的支持，個體設(shè)計人員難以全面掌握相關(guān)知識與技能，無法保證研發(fā)質(zhì)量，嚴重制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展及自主創(chuàng)新能力。

研究適合農(nóng)業(yè)裝備的先進設(shè)計技術(shù)，對支撐《中國制造2025》等國家重大規(guī)劃為農(nóng)業(yè)裝備設(shè)定的發(fā)展目標的實現(xiàn)，在國際上實現(xiàn)彎道超車具有重要的現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義。先進設(shè)計方法與技術(shù)在不同的歷史階段有不同的內(nèi)涵，是一個相對的概念，有其產(chǎn)生的必然條件和時代環(huán)境。本文擬通過全面梳理并分析設(shè)計方法及其在農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)中應(yīng)用的發(fā)展歷程，探尋先進設(shè)計方法的產(chǎn)生規(guī)律與特點，結(jié)合當前科技與社會背景，充分利用現(xiàn)代3D-CAD虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢與計算機技術(shù)的發(fā)展成果，為開發(fā)農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計系統(tǒng)提供基礎(chǔ)理論與技術(shù)模式，充分整合行業(yè)成果及專業(yè)知識，提高研發(fā)效率和水平，提升中國裝備制造業(yè)的國際競爭力。

1 設(shè)計方法與技術(shù)的演變

1.1 設(shè)計的概念

設(shè)計是人類為了實現(xiàn)某種特定目的而進行的一項創(chuàng)造性活動，是把頭腦中的一種規(guī)劃、設(shè)想以視覺的形式傳達出來的人類智力運用過程。隨著人類社會的逐漸發(fā)展，設(shè)計在不同領(lǐng)域細化出不同的內(nèi)涵與方法。機械工程領(lǐng)域，設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械裝備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、形狀尺寸、運動方式、力和能量傳遞、零件材料、潤滑形式、控制過程等進行構(gòu)思、分析、計算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。機械設(shè)計是機械工程的重要組成部分，是機械生產(chǎn)的第一步，是決定機械裝備性能的最主要因素[17]。

1.2 發(fā)展歷程

為高度概括人類幾千年文明史中機械工程領(lǐng)域設(shè)計的發(fā)展歷程，根據(jù)其在時代軸上的宏觀特征，劃分為以下3個階段：17世紀前，人類創(chuàng)造和使用機械裝備為古代機械設(shè)計階段；17世紀至第二次世界大戰(zhàn)，機械設(shè)計在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，為近代機械設(shè)計階段；第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今，計算機出現(xiàn)，進入并主導著設(shè)計的變革，為現(xiàn)代機械設(shè)計階段。機械設(shè)計發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 機械設(shè)計發(fā)展歷程Fig.1 History of mechanical design

2 計算機輔助設(shè)計

2.1 計算機輔助設(shè)計的產(chǎn)生

計算機輔助設(shè)計(CAD)是利用計算機快速的數(shù)值計算和強大的圖文處理功能，輔助工程技術(shù)人員進行產(chǎn)品設(shè)計、工程繪圖和數(shù)據(jù)管理的一門計算機應(yīng)用技術(shù)，是計算機科學技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用中的一個重要領(lǐng)域[18]。樸素的計算機輔助設(shè)計用于輔助圖形的生成與設(shè)計的表達，以單純的提高速度為其主要任務(wù)，并通過提供一些標準的圖形與圖例而兼顧規(guī)范性與美觀性。隨著科技的進步，CAD的外延不斷擴大，逐漸囊括了為設(shè)計結(jié)構(gòu)而進行的分析、計算及虛擬仿真。

2.2 CAD技術(shù)發(fā)展過程

計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展過程如圖2所示。

圖2 CAD技術(shù)發(fā)展過程Fig.2 Development stage of CAD

20世紀90年代以來，計算機輔助設(shè)計技術(shù)趨于成熟，以現(xiàn)代3D-CAD軟件為代表，CAD技術(shù)不再停留在單一模式、單一功能、單一領(lǐng)域的功能與水平，而是向著開放性、標準化、集成化的方向發(fā)展[19]。CAD技術(shù)結(jié)合企業(yè)管理平臺的并行工程和協(xié)同共享的組織架構(gòu)，允許更多計算機輔助設(shè)計功能實現(xiàn)，為其技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。

近年來，以計算機輔助設(shè)計為基礎(chǔ)的新方法與新技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，并在設(shè)計實踐活動中普遍應(yīng)用，不斷提升產(chǎn)品設(shè)計過程的專業(yè)化與自動化水平。

2.3 CAD技術(shù)的優(yōu)勢與意義

2.3.1技術(shù)優(yōu)勢

計算機可根據(jù)人的意圖迅速做出反應(yīng)，并能夠?qū)⒃O(shè)計結(jié)果實時顯示出來，設(shè)計者可根據(jù)計算機的顯示及時處理。同時，利用計算機所提供的復制、查詢、存儲等功能以及模版、圖樣、模型等資源，使得在計算機上進行設(shè)計與修改相比在圖紙上工作簡便易行，節(jié)省了大量的開發(fā)時間[20-22]。

由于計算機的計算能力強，計算精度高，設(shè)計人員在具備專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，利用計算機輔助設(shè)計手段可以完成復雜的參數(shù)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)合實體模型參數(shù)化設(shè)計、全相關(guān)數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以最大程度保證產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，并為其它先進技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)和前提條件[23]。

計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計過程的記錄及所生成的設(shè)計結(jié)果均以數(shù)字信息的形式呈現(xiàn)，易于存儲和檢索，便于同其它計算機應(yīng)用系統(tǒng)接口，從而實現(xiàn)資源共享及多任務(wù)協(xié)同組織，依托企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)全局性的管理，大幅提高企業(yè)的管理效率與管理水平[24]。

2.3.2影響與意義

計算機輔助設(shè)計能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量以及管理水平，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了行業(yè)競爭力[25]。農(nóng)業(yè)裝備由于其自身特點和工作對象的復雜性，很多理論分析和綜合計算過程復雜，計算量大，依靠人工幾乎不可能完成。因此，被CAD概念外延所擴展的過程分析、參數(shù)計算、優(yōu)化求解、虛擬仿真等，在農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)過程中發(fā)揮了重要的作用[26-27]，多種綜合性農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計問題的解決，如：大行程液壓支撐機構(gòu)的參數(shù)求解[28]、曲柄搖桿式分插機構(gòu)的運動學和動力學分析[29]、懸掛機組空間多維作用力下的平衡分析與計算[30]、滾筒式免耕播種機構(gòu)交互式優(yōu)化[31]、物料清選過程的多相耦合分析與仿真[32]。

計算機輔助設(shè)計的影響與意義不止在于對設(shè)計過程的各項輔助，更重要的是其設(shè)計過程的數(shù)字信息形式催生了模型資源重用、數(shù)字化設(shè)計、智能化設(shè)計等先進設(shè)計技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。廣義的計算機輔助設(shè)計技術(shù)已發(fā)展成一項集計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等計算機及其它領(lǐng)域知識于一體的綜合性的高新技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要組成部分，并對諸多領(lǐng)域的技術(shù)進步和發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響[33-34]。

3 基于3D模型的資源重用與產(chǎn)品重構(gòu)

目前，產(chǎn)品設(shè)計過程中三維模型已逐漸取代二維圖紙成為技術(shù)交流與信息傳遞的媒介[35]。三維模型可為產(chǎn)品提供更豐富的展示形式，使產(chǎn)品抽象的空間信息直觀化和可視化，同時，基于特征創(chuàng)建的三維模型具有嵌入式參數(shù)化和關(guān)聯(lián)能力，通過對模型主要參數(shù)的修改可實現(xiàn)零件、部件乃至整個產(chǎn)品尺寸結(jié)構(gòu)的快速修改，易于系列化設(shè)計的實現(xiàn)。

三維模型的特點使其具有重復使用的可能，即具有了資源的屬性，現(xiàn)代三維設(shè)計軟件良好的二次開發(fā)接口功能也為這種可能提供了技術(shù)支持。

3.1 模型重用技術(shù)

3.1.1模型重用的定義

關(guān)于模型重用的概念，目前還沒有一個統(tǒng)一、標準而又全面的描述。根據(jù)其應(yīng)用目的不同，國內(nèi)外學者們從不同角度給出了關(guān)于模型重用的定義，較為典型的有：模型重用是對已有代碼、函數(shù)、組件和完整模型通過軟件分析判斷后實現(xiàn)的重復利用[36]；模型重用是通過對已有的模型進行重復使用或在已有模型基礎(chǔ)上做進一步開發(fā)，以適應(yīng)新環(huán)境的要求[37]；模型重用是將仿真模型進行重復使用，避免模型的重復構(gòu)建，通過對成熟模型的重用降低仿真開發(fā)成本，提高仿真水平和質(zhì)量[38]。綜合上述定義，模型重用是將已有成熟的模型資源直接進行重復使用，或通過對其進行適當調(diào)整以滿足當前的需求，其目的是通過對模型的再利用快速獲得滿足需求的結(jié)果，提高產(chǎn)品設(shè)計效率和質(zhì)量。

可重用度用于評價模型資源可被重復使用的能力，是對零部件模型在不同環(huán)境下重復使用能力的度量[39-40]。模型資源在重用前，需要對模型的可重用性進行判斷，根據(jù)當前的需求判定已有模型滿足需求的程度，模型可重用的判定標準和可重用度是模型重用準確與否的關(guān)鍵。

3.1.2模型的組織

模型的標準化、規(guī)范化及組織結(jié)構(gòu)的層次化是實現(xiàn)模型資源重用的前提[41-42]。模型資源的建設(shè)可以從基礎(chǔ)的標準件庫和行業(yè)通用件庫開始，隨著模型資源的數(shù)量與種類的不斷增加，逐漸多樣化模型庫的構(gòu)建形式，并加強與軟件工程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的結(jié)合。將模型所具有的屬性和量值進行提取，用模型實體加屬性信息的形式表達設(shè)計實例，并將模型實體與屬性信息分別但又相互關(guān)聯(lián)的方式存儲，通過實例屬性匹配實現(xiàn)高效檢索與模型資源重用。

目前較為完善的模型庫有TraceParts、Inpart、Cadenas、3DSource、Cadenas Link和Strack Norma，能夠提供標準件、行業(yè)通用件、模具專用件等模型資源。同時，基于三維軟件二次開發(fā)的零件參數(shù)化設(shè)計和零件庫構(gòu)建方法[43]、針對提高基于Web的零件庫自主性和自助性的領(lǐng)域本體組織開放式零件庫系統(tǒng)[44]、同步CAD/CAE(Computer aided engineering)模型構(gòu)建使模型可直接用于仿真分析[45]等對模型庫建設(shè)與模型組織的深入研究仍在繼續(xù)。

3.1.3設(shè)計重用流程與方法

設(shè)計重用的一般流程如圖3所示，該流程為一分支循環(huán)過程。

圖3 設(shè)計重用過程Fig.3 Design reuse process

設(shè)計重用時，設(shè)計人員運用自身掌握的專業(yè)知識與經(jīng)驗，分解用戶需求為設(shè)計需求，通過對自有實例資源及行業(yè)資源的檢索獲取與設(shè)計需求最為相似的已有設(shè)計，然后對獲取的已有設(shè)計進行修改完善，最終得到滿足用戶需求的新設(shè)計模型，循環(huán)過程中通過引入行業(yè)規(guī)范與標準檢驗環(huán)節(jié)保證檢索與模型推薦的專業(yè)性。設(shè)計完成后，對新產(chǎn)品模型進行再學習，提取信息并處理后按規(guī)則轉(zhuǎn)換為新的重用設(shè)計資源，實現(xiàn)資源的不斷擴充，以及重用系統(tǒng)的自我升級[46-48]。并不是所有的產(chǎn)品設(shè)計重用都必須具有上述流程中的所有環(huán)節(jié)，針對不同設(shè)計裝備領(lǐng)域與具體對象，設(shè)計重用過程也有所不同。

針對不同的目標與重點，現(xiàn)行設(shè)計重用方法多樣，各具特點與優(yōu)勢，如：基于結(jié)構(gòu)與功能模塊劃分的自適應(yīng)通用結(jié)構(gòu)產(chǎn)品族建模方法[49-50]、基于實例(范例)推理(Case-based reasoning，CBR)的產(chǎn)品設(shè)計重用[51-52]、針對裝配體模型進行模糊與精確檢索相結(jié)合的柔性裝配檢索方法[53]、基于計算機輔助集成制造方法(Integrated computer-aided manufacturing definition/ ICAM DEFinition method，IDEF)的設(shè)計知識重用[54]、基于規(guī)則推理(Rule-based reasoning，RBR)和基于實例推理綜合運用實現(xiàn)產(chǎn)品模型資源的重用[55-56]、面向設(shè)計重用的三維模型局部結(jié)構(gòu)檢索方法[57]、基于模擬退火的三維模型典型結(jié)構(gòu)挖掘與相似性評價[58]，等。按設(shè)計的原理與流程，歸納出機械產(chǎn)品設(shè)計重用的主要方法及各自特點，如表1所示。

表1 機械產(chǎn)品設(shè)計重用方法Tab.1 Design reuse method of mechanical products

3.2 產(chǎn)品重構(gòu)技術(shù)

3.2.1可重構(gòu)設(shè)計的內(nèi)涵

重構(gòu)是對被分解的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和重組，經(jīng)過對解構(gòu)之后的產(chǎn)品進行分析，可以篩選出必要的部分和可以被刪除或者替換的部分，是對現(xiàn)有產(chǎn)品的調(diào)整、改進，使產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、功能等方面優(yōu)化升級。

可重構(gòu)設(shè)計是為解決產(chǎn)品的客戶化定制與高效、可靠、低成本間矛盾而提出的一種新的設(shè)計和制造思想，通過對產(chǎn)品進行模塊化重組，快速響應(yīng)市場需求[59-60]。可重構(gòu)設(shè)計根據(jù)市場需求的變化，通過重復利用、重新組態(tài)快速調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能和加工工藝，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，實現(xiàn)以較低成本獲取高質(zhì)量的投資效益[61]。產(chǎn)品的可重構(gòu)性是指以經(jīng)濟有效的方式重復改變和重新排列系統(tǒng)組件的能力[62]。可重構(gòu)設(shè)計是使系統(tǒng)具有可重構(gòu)性的一類設(shè)計方法，具體包括可重構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計、可重構(gòu)制造系統(tǒng)的設(shè)計和可重構(gòu)軟件系統(tǒng)的設(shè)計[63]。

3.2.2可重構(gòu)設(shè)計活動域及過程

可重構(gòu)設(shè)計活動域是重構(gòu)設(shè)計活動過程中涉及的范圍及其集合，根據(jù)各范圍所表達的主要內(nèi)容，設(shè)計活動域可分為用戶域(Cn)、功能域(Fr)、物理域(Dp)和過程域(Pv)4部分。從用戶提出需求直至滿足需求的產(chǎn)品設(shè)計過程中，可重構(gòu)設(shè)計表現(xiàn)為各活動域的順序映射過程[64]。

用戶域即需求域，既含用戶對產(chǎn)品用途、性能的要求，又包括企業(yè)對生產(chǎn)效率、成本、質(zhì)量等方面的控制標準。功能域是對技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品所能完成任務(wù)的抽象描述，反映產(chǎn)品所具有的用途和特征，并以功能需求的形式表達設(shè)計目標及設(shè)計方案。物理域是實現(xiàn)功能需求的物理結(jié)構(gòu)集合，描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，并通過可變設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)滿足需求的功能。過程域是描述產(chǎn)品的工藝制造過程和加工方法，以過程變量形式滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求。

3.2.3可重構(gòu)設(shè)計的分類與特點

根據(jù)技術(shù)層次由低到高的順序，產(chǎn)品的重構(gòu)設(shè)計可分為調(diào)整重構(gòu)、更換重構(gòu)、集成重構(gòu)、創(chuàng)新重構(gòu)4種類型[65]，呈金字塔狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。根據(jù)可重構(gòu)設(shè)計過程中所針對的目標要素，可重構(gòu)設(shè)計可分為面向功能的可重構(gòu)設(shè)計和面向結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)設(shè)計兩種類型。

圖4 重構(gòu)層次金字塔Fig.4 Pyramid of reconsitution hierarchy

面向功能的可重構(gòu)設(shè)計是從功能的角度出發(fā),對產(chǎn)品進行功能模塊劃分后，根據(jù)市場對產(chǎn)品功能的需求，對產(chǎn)品各部分進行重新排列組合，實現(xiàn)對產(chǎn)品功能的調(diào)整，以滿足當前的需求。其特點在于以產(chǎn)品的功能需求為目標，通過產(chǎn)品重構(gòu)增加產(chǎn)品功能或去除冗余的功能，從而獲得具有可重構(gòu)性且功能不同的系列產(chǎn)品。適用于通過零部件重新配置即可使產(chǎn)品具有不同功能，或?qū)π阅苓M行調(diào)整的產(chǎn)品設(shè)計[66-67]。

面向結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)設(shè)計研究通過對產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)進行重組，以滿足對產(chǎn)品外形尺寸、質(zhì)量、成本等方面的要求。其特點是在產(chǎn)品功能不變的前提下，通過產(chǎn)品重構(gòu)實現(xiàn)對產(chǎn)品的優(yōu)化改進或作業(yè)能力的改變，從而獲得可滿足不同設(shè)計需求的產(chǎn)品。適用于通過功能相同但材料、結(jié)構(gòu)等不同的零部件配置，從而使產(chǎn)品具有不同空間結(jié)構(gòu)、工作方式、強度特性的產(chǎn)品設(shè)計[68-71]。

4 基于PLM平臺的數(shù)字化設(shè)計

數(shù)字化設(shè)計的概念與實際應(yīng)用是在計算機技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的，借助PLM平臺以數(shù)字模型及其相關(guān)信息數(shù)據(jù)貫穿產(chǎn)品研發(fā)的論證、設(shè)計、分析、制造，乃至售后的整個環(huán)節(jié)。數(shù)字化設(shè)計從屬性上來講是多種計算機輔助技術(shù)CAX的集成或鏈式應(yīng)用，以三維模型為信息載體，數(shù)據(jù)高度共享、關(guān)聯(lián)，有效提高企業(yè)運行及團隊協(xié)作的效率。

4.1 產(chǎn)品生命周期管理(PLM)

自20世紀90年代以來, 產(chǎn)品管理的概念從主要管理產(chǎn)品的定義數(shù)據(jù)，拓展到管理產(chǎn)品設(shè)計過程上下游的全鏈數(shù)據(jù)[72]。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的范圍也逐漸擴展為包括產(chǎn)品需求、設(shè)計、加工、銷售、供應(yīng)、安裝和維護等全面信息，這些信息構(gòu)成了裝備企業(yè)的核心數(shù)據(jù)[73]。產(chǎn)品生命周期管理的主要目的是支持工作人員能夠使用計算機系統(tǒng)在產(chǎn)品生命周期的各環(huán)節(jié)使用并處理這些數(shù)據(jù)[74]，其體系架構(gòu)如圖5所示。

PLM是一種管理模式和信息系統(tǒng)，集成組織計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝(Computer aided process planning，CAPP)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、企業(yè)資源計劃(Enterprise resource planning，ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing execution system，MES)、軟件配置管理(Software configuration management，SCM)、客戶關(guān)系管理(Customer relationship management，CRM)等應(yīng)用系統(tǒng)和企業(yè)資源。

圖5 產(chǎn)品生命周期管理體系框架Fig.5 Framework for product lifecycle management

相關(guān)人員在產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)的支持下，可以協(xié)同進行產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造等活動，并對所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的管理[75]。PLM系統(tǒng)為產(chǎn)品的整個生命周期提供了高度集成的數(shù)據(jù)、過程和組織環(huán)境[76]。

4.2 數(shù)字化設(shè)計的概念與內(nèi)涵

數(shù)字化設(shè)計以計算機技術(shù)為支撐，以數(shù)字化信息為表現(xiàn)形式，支持產(chǎn)品建模、分析、性能預測、優(yōu)化以及生成設(shè)計文檔[77-78]。雖然任何基于計算機圖形學(Computer graphics，CG)、支持產(chǎn)品設(shè)計的計算機硬件和軟件系統(tǒng)都可以歸為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)類別，但不可將數(shù)字化設(shè)計等同于計算機輔助設(shè)計。數(shù)字化設(shè)計的概念是以3D-CAD為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計過程的各項要求，形成的一整套解決方案，以數(shù)字信息的形式貫穿于產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的全過程，與數(shù)字化制造、數(shù)字化管理共同構(gòu)成了現(xiàn)代制造業(yè)的研發(fā)平臺。

數(shù)字化設(shè)計總體上包含結(jié)構(gòu)設(shè)計與虛擬驗證兩大環(huán)節(jié)，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計階段有對應(yīng)不同設(shè)計對象的高效功能化模塊，如實體造型、鈑金設(shè)計、曲面設(shè)計、工程制圖，以及相應(yīng)的設(shè)計方法學，并可引入知識工程模板，加入經(jīng)驗公式、方案判斷、防錯機制等輔助功能[79]。虛擬驗證基于結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)所完成的三維模型仿真進行設(shè)計審核與工程分析，驗證并排除配合干涉、組裝拆卸、運動狀態(tài)、人機界面、結(jié)構(gòu)強度與變形等方面的性能與問題，有效控制下游試制環(huán)節(jié)的大量返工和方案變更。同時，可將設(shè)計的可生產(chǎn)性、可維護性、可操作性等制造、工藝、生產(chǎn)、維護等問題提前到設(shè)計階段，進一步提高研發(fā)的效率和水平。

4.3 數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)特征

數(shù)字化設(shè)計強調(diào)計算機、數(shù)字化信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和算法在產(chǎn)品開發(fā)中的相互結(jié)合與運用[80]。數(shù)字化設(shè)計融合先進的計算機設(shè)計軟件和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，通過縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的途徑降低成本，并為生產(chǎn)效率的持續(xù)提高奠定基礎(chǔ)，具有多種特征與優(yōu)勢[81]。

4.3.1統(tǒng)一且附載產(chǎn)品信息的數(shù)字模型

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計，同一產(chǎn)品在設(shè)計過程中各階段具有多種定義模式，且定義手段與方法相互獨立。在設(shè)計的不同階段對同一產(chǎn)品的重復定義使得最終產(chǎn)品的設(shè)計復雜性不斷積累和擴展，增加了額外的協(xié)調(diào)和組織工作，這將導致最終產(chǎn)品的質(zhì)量降低，研制成本增加和開發(fā)時間延遲[82]。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的產(chǎn)品重復定義模式，建立了從產(chǎn)品設(shè)計到制造的單一計算機化產(chǎn)品定義模型，涵蓋了產(chǎn)品由方案論證到發(fā)布的整個設(shè)計制造及管理過程[83]。

以數(shù)字化設(shè)計技術(shù)建立的產(chǎn)品模型，其零部件并非獨立存在，它集成了零部件和裝配體的全部可用信息，是一個全局化數(shù)字模型，這一模型可被不同設(shè)計環(huán)節(jié)的工程師調(diào)用[84-85]。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)可以跟蹤查尋極其復雜的零部件和大型裝配體之間的內(nèi)在關(guān)系，項目負責人可以隨時通過系統(tǒng)跟蹤查尋，可以在早期的產(chǎn)品設(shè)計周期內(nèi)快速準確地更改設(shè)計，而無需花費大量協(xié)調(diào)時間[86]。

4.3.2面向產(chǎn)品生命周期

面向產(chǎn)品生命周期意味著從產(chǎn)品的策劃、研發(fā)、制造、發(fā)布，直至售后的集成，產(chǎn)品生命周期中各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化信息都集中承載到模型可對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并相應(yīng)地于各環(huán)節(jié)進行專門的管理和維護[87]。統(tǒng)一且包含完整信息的模型有助于實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計兼容性分析(Design compatibility analysis，DCA)、面向裝配的設(shè)計(Design for assembly，DFA)、面向制造的設(shè)計(Design for manufacturing，DFM)、面向維修的設(shè)計(Design for serviceability，DFS)等多項DFX集成，對于提高產(chǎn)品設(shè)計的效率和質(zhì)量具有重要的意義[88-89]。

4.3.3支持協(xié)同與虛擬仿真

傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)采用的是一種串行的工作方式，整個產(chǎn)品開發(fā)過程是一個靜態(tài)的、順序的、互相分離的過程。數(shù)字化設(shè)計支持產(chǎn)品設(shè)計的協(xié)同與并行，設(shè)計工作可以由多個設(shè)計團隊在不同的地域分頭并行設(shè)計，協(xié)作完成虛擬裝配，最終形成一個完整的數(shù)字化產(chǎn)品模型。

數(shù)字化設(shè)計允許產(chǎn)品設(shè)計在制造實物樣機之前，即產(chǎn)品的實際生產(chǎn)之前，在計算機上通過虛擬仿真完成設(shè)計驗證。數(shù)字化模型不僅能夠用于完成結(jié)構(gòu)強度、制造工藝、經(jīng)濟成本、機構(gòu)功能的分析與測試，還能夠可視化地展示給用戶，及時接受反饋[90]。數(shù)字化設(shè)計在計算機上定義的完整抽象信息與實體形象模型，可以節(jié)省大量生產(chǎn)實物模型的費用，并可反復引用，設(shè)計缺陷可以被及時發(fā)現(xiàn)并解決，減少由設(shè)計問題引起的工程反復問題，加快產(chǎn)品的發(fā)布[91]。

4.3.4可實現(xiàn)面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品研發(fā)

常規(guī)的設(shè)計方法是一種面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計，強調(diào)過程和細節(jié)，這種設(shè)計方法適應(yīng)性較廣，易于實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的多樣性，但對設(shè)計人員的專業(yè)知識及綜合素質(zhì)具有較高的要求，專業(yè)性極強。

借助現(xiàn)代高端CAD軟件的二次開發(fā)接口，開發(fā)第三方軟件，將模型、信息等數(shù)字化資源與操作平臺組織起來，聯(lián)合運行，通過人機交互，可實現(xiàn)以需求為導向的產(chǎn)品設(shè)計。同時，結(jié)合模型參數(shù)化技術(shù)，將規(guī)則與標準固化于模型中，并對數(shù)字樣機(DMU)、工程分析(CAE)等專門模型預設(shè)運動機構(gòu)及邊界條件，提供融入專業(yè)知識與規(guī)范標準的模型資源，從而將面向結(jié)構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)化為面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，大幅降低對研發(fā)人員的專業(yè)性要求，并有效提高產(chǎn)品設(shè)計的準確性與專業(yè)性[92-94]。

綜上所述，基于PLM平臺的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，構(gòu)建了系統(tǒng)完備的信息化體系，促進了傳統(tǒng)制造業(yè)的改革和升級，隨著信息化進程的加快，制造業(yè)的智力轉(zhuǎn)化和管理水平日益增強[95]。

5 基于知識工程的智能化設(shè)計

在相關(guān)科學技術(shù)發(fā)展到一定階段，具備了廣泛集成可能性的前提下，促成了工程設(shè)計從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源密集型向知識信息密集型轉(zhuǎn)化，智能化設(shè)計的概念由此產(chǎn)生。理想的智能化設(shè)計系統(tǒng)無需設(shè)計者全面了解設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)底層的全部細節(jié)，支持缺省檢索與模糊推理，通過人機交互的方式，由計算機智能地根據(jù)用戶需求調(diào)動資源進行設(shè)計，高效獲得滿意的產(chǎn)品[96]。目前，智能化設(shè)計整體上處于理論研究與實際應(yīng)用的探索與試驗時期。

在前述的計算機輔助技術(shù)、三維模型的資源重用與產(chǎn)品重構(gòu)、基于PLM平臺的數(shù)字化設(shè)計階段，已無意識地出現(xiàn)了一些智能化設(shè)計的特征與應(yīng)用，但并未形成系統(tǒng)的理論與體系。智能化設(shè)計可以簡單地理解為在數(shù)字化設(shè)計技術(shù)及其體系的基礎(chǔ)上，模擬人的思維，以知識重用與推理為特征，有機組織與利用設(shè)計資源的集成化應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)裝備在機械裝備中具有最多的種類，高達幾千種形式，涉及農(nóng)藝、環(huán)境等復雜因素，加之地域差異顯著，導致業(yè)裝備設(shè)計與研發(fā)所需要的專業(yè)知識與實踐經(jīng)驗極其龐雜，個體設(shè)計人員難以全面掌握，因此對以知識信息應(yīng)用為特征的智能化設(shè)計需求更為迫切。

5.1 技術(shù)體系與系統(tǒng)架構(gòu)

5.1.1共性關(guān)鍵技術(shù)

智能化設(shè)計的共性關(guān)鍵技術(shù)包括兩大類，一是基礎(chǔ)技術(shù)，二是特征技術(shù)。其中，基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)有：計算機輔助設(shè)計、參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)庫、模型庫、虛擬仿真、PDM/PLM、專家系統(tǒng)、人機交互；特征共性關(guān)鍵技術(shù)有：知識工程、多系統(tǒng)聯(lián)合與多機制協(xié)同。

共性關(guān)鍵技術(shù)在智能設(shè)計理論的指導與組織下形成智能化的設(shè)計系統(tǒng)，其進展取決于人們對智能化設(shè)計過程的理解，以及在設(shè)計方法、設(shè)計程序和設(shè)計規(guī)律等方面適合于計算機處理的設(shè)計理論和技術(shù)模式研究的不斷深入。

就特征技術(shù)而言，知識工程以知識信息處理為主，是支持智能系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)。知識工程除涉及常規(guī)的知識表示、存儲、參數(shù)化于模型創(chuàng)建外，更為重要的是如何支持設(shè)計過程人工智能的實現(xiàn)，以及知識的再學習。當設(shè)計結(jié)果不能滿足要求時，系統(tǒng)應(yīng)該能夠自動返回到相應(yīng)的層次，重新組織并調(diào)動資源進行再設(shè)計，以完成局部或全局的優(yōu)化任務(wù)。同時，采用歸納推理和類比推理等方法總結(jié)經(jīng)驗，獲得并存儲新知識，通過再學習實現(xiàn)功能的自我完善與知識庫的自主擴充。多系統(tǒng)聯(lián)合與多機制協(xié)同用于解決集成化體系中多種應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)合運行與多維推理機制協(xié)同運用等問題。復雜的設(shè)計過程一般可分解為若干環(huán)節(jié)，分別由專門的應(yīng)用系統(tǒng)及綜合的推理機制提供解決方案，各環(huán)節(jié)有機聯(lián)合、信息與數(shù)據(jù)共享，并通過模糊評價和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法有效解決多環(huán)節(jié)設(shè)計過程中多學科、多目標的決策與優(yōu)化問題。

5.1.2智能化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 智能化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Intelligent design system architecture

理想的智能化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，具有開放特征與平臺屬性，各類設(shè)計資源流的運行由基于PDM/PLM的企業(yè)內(nèi)部循環(huán)及基于互聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)循環(huán)兩個層次組成。

其中，內(nèi)部循環(huán)以企業(yè)自身資源共享及再用為特征，基于CAX技術(shù)與PLM/PDM平臺，通過內(nèi)部知識與資源管理體系，有效融合設(shè)計規(guī)范與專業(yè)經(jīng)驗，滿足多樣化、定制化的農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品研發(fā)需求，按功能及技術(shù)區(qū)域分別設(shè)置知識工程、人機交互、模型庫、CAX集成、虛擬現(xiàn)實等結(jié)構(gòu)模塊及其子系統(tǒng)，并在結(jié)構(gòu)模塊及其子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置細化組織單元，輔以系統(tǒng)維護、拓展、幫助等服務(wù)機制，形成有機的運行體系。

外部循環(huán)是在特定機制下的行業(yè)設(shè)計資源與專業(yè)知識有限、有償共享，涵蓋裝備領(lǐng)域的行業(yè)伙伴、用戶、供應(yīng)商、銷售商，社會資源的計算中心，以及行業(yè)管理的行政機關(guān)等所有相關(guān)方，是一種高層次的運行，也是智能化設(shè)計概念全內(nèi)涵的體現(xiàn)與最大優(yōu)勢所在。

5.2 關(guān)鍵科學與技術(shù)問題

5.2.1智能化設(shè)計理論與方法

當前農(nóng)業(yè)裝備行業(yè)通過不同程度的數(shù)字化設(shè)計平臺積累了一定的設(shè)計資源與專業(yè)知識，但由于缺乏成熟的理論與方法指導，以及系統(tǒng)化和模式化的利用體系，資源與知識繼承與重用度不高，大多以拷貝下載及查詢?yōu)g覽的方式提供低級服務(wù)，無法實現(xiàn)設(shè)計過程與知識的有效融合，難以滿足現(xiàn)代裝備產(chǎn)品的設(shè)計需求。

建立一套以知識重用與推理為主要特征的農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計專門理論和方法，是智能化技術(shù)全面發(fā)展與實際應(yīng)用的前提。同時，研究智能化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)體系方案的評價方法，包括響應(yīng)指標的確定、評價因素的選擇、因素權(quán)重的評估以及評價模型的優(yōu)化，也是農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計能否取得預期效果的關(guān)鍵因素。通過系統(tǒng)的理論方法與科學的體系架構(gòu)指導智能化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)滿足用戶定制化、多樣化需求，以知識工程、數(shù)據(jù)管理、人工智能、虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，整合機械裝備全生命周期管理過程中上下游相關(guān)節(jié)點資源，集成PDM/PLM協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)協(xié)同、高效、精準的設(shè)計過程。

5.2.2模型資源的三化組織

規(guī)范化的模型及系統(tǒng)的標識是模型程序化識別、產(chǎn)品虛擬組裝，以及模型資源化與資源庫資源有效調(diào)用的前提條件。農(nóng)業(yè)裝備類型繁多，工作部件更是數(shù)不勝數(shù)，規(guī)格不一，導致在模型資源的組織上存在很大難度，在設(shè)計和使用階段需要大量投入管理與識別精力。結(jié)合目前我國高端農(nóng)業(yè)裝備處于小批量生產(chǎn)模式的現(xiàn)狀，難以在控制成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時滿足定制化、多樣化的產(chǎn)品設(shè)計需求。

標準化、系列化、通用化的三化設(shè)計及對應(yīng)的模型資源配置，配合統(tǒng)一的標識方法，使模型真正的資源化，方可有效減輕設(shè)計工作量，大幅提高設(shè)計質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期，且便于零部件的大批量生產(chǎn)、維修更換和產(chǎn)品整體質(zhì)量保證，綜合控制企業(yè)成本并提高用戶滿意度。

5.2.3多學科動態(tài)協(xié)同仿真與驗證

農(nóng)業(yè)裝備部件工作條件復雜且面對的作物對象具有強非線性、時空變異性極大的材料力學特性，現(xiàn)有仿真軟件難以描述其相互作用過程和有效邊界條件的確定，使得仿真驗證與實際結(jié)果吻合難度大。同時，關(guān)鍵部件仿真驗證涉及多個學科，目前通用仿真軟件無法實現(xiàn)在動力學計算、控制仿真、流體系統(tǒng)分析等多個仿真過程中的協(xié)同工作。需要建立復雜條件下功能部件與作物相互作用多體動力學模型，解決基于通用仿真軟件的多學科動態(tài)協(xié)同仿真技術(shù)和虛擬驗證方法。

5.2.4多元知識的組織與再學習

由農(nóng)業(yè)裝備的特點所決定，即使同一類裝備仍受應(yīng)用地域、作業(yè)環(huán)境、作物品種、種植模式，以及生產(chǎn)的組織與管理方式、設(shè)計與制造水平、使用與維護技術(shù)能力等多因素制約，涉及需求、功能、結(jié)構(gòu)、制造與裝配等多個環(huán)節(jié)，其數(shù)據(jù)總量龐大、增長快速、種類多樣，且因素多變、組合方式多樣。目前在設(shè)計知識的獲取、歸納、分類、表達、推理及推送等方面還沒有很好的解決方案。如何快速準確地獲取整機及關(guān)鍵零部件設(shè)計信息和知識，進行歸納與分類，進而構(gòu)建合適的設(shè)計知識表示模型和應(yīng)用模式，有效建立農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計知識庫，實現(xiàn)智能化的知識服務(wù)等問題亟待解決。

同時，裝備的發(fā)展也必須配合不斷發(fā)展的農(nóng)藝技術(shù)，系統(tǒng)運行期間能夠快速準確地補充獲取關(guān)鍵零部件與整機設(shè)計信息和知識，與原有知識庫有機融合，保持知識庫的時效性極為重要。其中，作為開放式的架構(gòu)體系，再學習知識的科學評判，是新知識相對于已有知識而采用替換、補充或修正的關(guān)鍵，同時也影響基于知識推理的信息流向及信息處理方式，是智能化設(shè)計系統(tǒng)中開放運行，自我更新的技術(shù)保障。

5.2.5多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的組織與傳遞

裝備企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計以及上下游企業(yè)協(xié)同設(shè)計中應(yīng)用了多種專業(yè)設(shè)計軟件，依據(jù)了多種企業(yè)規(guī)范與行業(yè)標準，產(chǎn)生了大量異構(gòu)多源數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品本身又有個性化強、定制要求多、配置設(shè)計和變型設(shè)計頻繁等特點，研發(fā)協(xié)同中存在數(shù)據(jù)一致性差、數(shù)據(jù)共享困難以及信息孤島等突出問題，有待建立以物料清單(Bill of material，BOM)為核心的多源數(shù)據(jù)管理模型，突破產(chǎn)品全生命周期中數(shù)據(jù)組織、傳遞與共享的瓶頸。

5.2.6行業(yè)開放共享的機制與方法

企業(yè)現(xiàn)有PDM/PLM以內(nèi)部局域網(wǎng)架構(gòu)為主，水平參差不齊，雖有部分高端平臺，但實際上大多只用于文檔調(diào)存和審批流程的簡單管理，不能有效集成專業(yè)設(shè)計軟件，尚未形成企業(yè)內(nèi)部資源的有效共享。缺少基于供應(yīng)鏈的多維度研發(fā)協(xié)同管控模型，體系結(jié)構(gòu)不適應(yīng)農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)應(yīng)用擴展的需求，難以支持產(chǎn)品全生命周期中供應(yīng)鏈上下游各部門的橫向協(xié)同和產(chǎn)品規(guī)劃、總體設(shè)計、詳細設(shè)計、試驗驗證、生產(chǎn)制造的縱向協(xié)同。更為突出的是當前企業(yè)的PDM/PLM在行業(yè)內(nèi)均以一種封閉的單元孤島形式存在，除內(nèi)部運行的一些問題外，幾乎無對外的端口與相關(guān)機制，行業(yè)范圍的資源共享與信息流動體系無法搭建。

5.3 部分研究進展與技術(shù)突破

5.3.1基于規(guī)則轉(zhuǎn)換的變型設(shè)計

模型資源的建設(shè)及數(shù)字樣機與仿真技術(shù)運用過程中需要大量的模型設(shè)計和裝配工作，很多為重復性勞動。利用參數(shù)化解決裝配體的系列變形與變異變型設(shè)計，可有效減少基礎(chǔ)模型的數(shù)量，提高工作效率。裝配體通過參數(shù)化設(shè)計可根據(jù)市場的需求對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)形式上的更新，實現(xiàn)產(chǎn)品的改進，是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與升級換代的主要形式[97]。國內(nèi)外針對裝配體參數(shù)化變型設(shè)計大多停留在具有幾何拓撲關(guān)系的系列模型，而對于結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的變異模型的研究鮮有報道，裝配體同時實現(xiàn)系列變型與變異變型，在參數(shù)化變型設(shè)計中具有更大的應(yīng)用價值。

裝配體是具有裝配約束關(guān)系的零件集合，一個完整的裝配體，除要對裝配體中各個零件描述外，還需明確零件間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，裝配體的參數(shù)化模型應(yīng)該包括零件參數(shù)化模型和裝配體內(nèi)零件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)[98]。裝配體的變型是由關(guān)鍵零件變型引起，對裝配體進行變型設(shè)計前，需先解決零件變型設(shè)計，并將裝配體的設(shè)計主參數(shù)轉(zhuǎn)化為零件的驅(qū)動參數(shù)。裝配體參數(shù)化層次關(guān)系如圖7所示。為實現(xiàn)變異變型設(shè)計過程，需要在核心零件創(chuàng)建過程中，對某些關(guān)鍵尺寸進行“規(guī)則”設(shè)置，引入新的函數(shù)替換原有數(shù)值，稱為規(guī)則轉(zhuǎn)換。

圖7 裝配體參數(shù)化層次關(guān)系Fig.7 Parametric hierarchy relationship of assembly

如表2所示，為同一個3D模型所實現(xiàn)的2B-JP-FX系列排種器中2B-JP-FL立式種盤及2B-JP-FP淺盆形種盤同類兩型排種器的系列型與變異變型。

表2 同體系列變型與變異變型
Tab.2 Serial variation and variant variationbased on one model

規(guī)則轉(zhuǎn)換法的效率及有效性取決于約束條件的全面性以及模型間關(guān)聯(lián)函數(shù)的清晰表達，是實現(xiàn)裝配模型變型的基礎(chǔ)，在解決此問題上具有明顯的優(yōu)越性與便捷性。在同一個基礎(chǔ)的裝配體3D模型上同時實現(xiàn)由尺寸改變引發(fā)的系列變型及型式變化引發(fā)的變異變型設(shè)計，對于以模型資源調(diào)用與重復利用為技術(shù)特征的智能化系統(tǒng)中模型集合的構(gòu)建，可極大減少基礎(chǔ)模型資源的數(shù)量，并有效提高模型集的檢索與組織效率[99]。

5.3.2農(nóng)業(yè)裝備模塊聚類劃分與譜系拓撲

當模型庫及其數(shù)據(jù)規(guī)模增大到一定程度，模型資源的組織管理、高效檢索以及便捷重用成為必須解決的問題。因此提出了裝備譜系與譜系拓撲圖的概念，用于對復雜機械裝備系統(tǒng)的零部件進行深入的分類與規(guī)劃，為清晰表達裝備系統(tǒng)的組成模塊及拓撲關(guān)系，從而實現(xiàn)規(guī)范化、程序化管理零部件模型，保證信息數(shù)據(jù)的可用性與易用性奠定基礎(chǔ)。譜系拓撲圖的制作需經(jīng)過譜系層次設(shè)置、模塊化分解與聚類分析等前期工作準備。

譜系層次設(shè)置是整個拓撲圖構(gòu)建過程的重要階段，按照資源庫的層次化設(shè)計原則，以裝備分類設(shè)置基礎(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合對象裝備設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)知識和相關(guān)特征，采用自頂向下的方法，依次將各類的零部件按功能與類型逐層分解，形成具有單一繼承關(guān)系樹狀結(jié)構(gòu)的譜系層次，如圖8所示。

圖8 譜系層次結(jié)構(gòu)Fig.8 Pedigree layer structure

模塊化分解是針對零部件各自功能，利用模糊聚類分析對零部件進行單元聚合，結(jié)合裝備實際應(yīng)用中零部件所屬類別確定裝備的功能模塊分組，完成模塊化分解，分解流程如圖9所示。

圖9 模塊化分解流程圖Fig.9 Flow chart of modularity decomposition

模塊分組遵循各模塊應(yīng)彼此獨立且結(jié)構(gòu)完整、模塊間相關(guān)性較弱且模塊內(nèi)各個單元間相關(guān)性較強、模塊分解程度適中的三原則。為了使模塊分類結(jié)果具有足夠的準確性與通用性，將功能與結(jié)構(gòu)相互結(jié)合、映射。根據(jù)零部件間存在的功能相關(guān)性與幾何相關(guān)性，通過加權(quán)求和方法計算并建立綜合相關(guān)矩陣，然后使用模糊聚類分析確定分組。

根據(jù)最終的模塊化分解結(jié)果，結(jié)合譜系層次進行歸納與整合，即可構(gòu)建出裝備譜系拓撲圖。譜系拓撲圖以裝備分類為基本組成單元，具有與模塊化分解相對應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，逐層分布專用件模塊、標準件模塊、通用件模塊及系列功能模塊，除拓撲指向與連接關(guān)系外，輔以色塊方式表示功能模塊之間的相關(guān)性。譜系拓撲圖不僅為模型的資源化組織、索引與重復利用提供路徑引導，也為模型資源中相關(guān)性較高的零部件間優(yōu)先匹配性檢索提供了重要的信息來源[100]。

5.3.3資源模型的全息物元化標識

為系統(tǒng)、規(guī)范、全面地表達數(shù)字模型信息，適應(yīng)復雜機械裝備零部件的互換性裝配，以及模型庫系統(tǒng)性擴展與維護要求，提出全息物元化標識的概念。這里將全息物元化標識定義為數(shù)字模型檢索及實現(xiàn)自動裝配所需的全部信息被以物元形式完整標記的過程。全息標識體系可為標準化的數(shù)字模型庫的構(gòu)建提供方法和規(guī)則，規(guī)則化標識和標準化模型可為模型資源的檢索與虛擬裝配提供豐富的可重用資源和信息。

全息標識結(jié)構(gòu)由基本信息和裝配信息兩部分組成，包含數(shù)字模型調(diào)用和虛擬裝配所需的全部要素，如圖10所示。

基本信息物元由零件名稱、零件所處拓撲層次位置、零件在裝配結(jié)構(gòu)樹中所屬層次位置和上一級層次位置4要素構(gòu)成，以有序的四元組B=(N，T，S，H)表達。裝配信息物元定義為零件所屬裝配層次、與其有裝配關(guān)系的零件、裝配參考元素、裝配約束類型、裝配約束方向和裝配約束數(shù)值6要素，以有序的六元組R=(A，I，E，Y，D，V)表達。

為使信息計算機可讀，將基本物元和裝配物元要素語義抽象為編碼，并制定普適性與精簡性兼具的語義編碼規(guī)則，滿足信息表達的完整性與可計算性。配套開發(fā)輔助標識軟件，實現(xiàn)面對任何一般裝配體，通過對裝配體裝配信息的分析與提取，以人機交互的形式實現(xiàn)模型的全息標識和裝配參考元素的創(chuàng)建，快速完成數(shù)字模型的資源轉(zhuǎn)化，為全息物元化標識方法的實用性提供了技術(shù)保障[101]。

5.3.4基于物元標識的虛擬裝配

產(chǎn)品的裝配是制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，裝配質(zhì)量是產(chǎn)品性能的重要影響因素。據(jù)統(tǒng)計，裝配成本在制造成本中的比重超過40%，裝配工作量占產(chǎn)品制造工作總量20%以上，最高可達70%[102]。虛擬裝配技術(shù)對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、避免或減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本、提高裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。但利用計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件進行的虛擬裝配，主要依靠用戶手動添加繁瑣的約束關(guān)系，并且在裝配組件形狀體征變化時，無法適時更新重新裝配，不能滿足復雜機械裝備數(shù)字化模型的快速裝配[103]。因此，研究人員嘗試基于CAD軟件二次開發(fā)的智能裝配技術(shù)，以期為復雜裝配體的快速虛擬裝配提供一種可行的方法和高效的模式。國內(nèi)外對于智能裝配技術(shù)中的人機交互、裝配序列規(guī)劃、裝配建模、裝配路徑、碰撞檢測及可裝配性等方面進行了廣泛的研究，但在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段?，F(xiàn)有虛擬裝配系統(tǒng)普遍缺乏對復雜零部件的裝配情景的分析能力，難以準確預測用戶的意圖，導致系統(tǒng)智能性較差，用戶認知負荷較重[104]。

目前，主流的三維設(shè)計軟件均為用戶提供了多種開放式接口，支持第三方的開發(fā)軟件對其進行后臺操作與驅(qū)動，為智能化虛擬裝配提供了基本條件?；谘b配物元標識的智能裝配系統(tǒng)，以VB(Visual Basic)為開發(fā)語言，結(jié)合CATIA(Computer aided three-dimensional interactive application)的二次開發(fā)，輔以人機交互界面，完成裝配信息的提取與分析，并將信息整合轉(zhuǎn)化為裝配約束，實現(xiàn)智能引導下的自動裝配[105]。虛擬裝配流程如圖11所示。

圖11 虛擬裝配流程圖Fig.11 Virtual assembly process

裝配過程包括操作平臺軟件訪問、裝配物元信息的獲取、裝配層次順序的確定、相關(guān)零部件依級依次組合、裝配約束驅(qū)動等環(huán)節(jié)。裝配過程通過人機交互引導、監(jiān)視及必要的人工干預：在裝配順序區(qū)域中，可以人工設(shè)置裝配層次，如不做設(shè)置則默認為系統(tǒng)缺省；完成裝配層次設(shè)置后，在引導裝配區(qū)域按照由低到高的層次順序依次進行逐級裝配，一級裝配完成后自動保存，并可以進行查看和另存設(shè)置，確認無誤后進行下一等級的裝配，直至完成總裝配。

5.3.5基于知識圖譜的知識服務(wù)體系

知識圖譜(Knowledge graph)又稱為科學知識圖譜，在圖書情報界解釋為知識域可視化或知識領(lǐng)域映射地圖，是顯示知識發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一系列各種不同的圖形，用可視化技術(shù)描述知識資源及其載體，挖掘、分析、構(gòu)建、繪制和顯示知識及它們之間的相互聯(lián)系。

農(nóng)業(yè)裝備整機及關(guān)鍵零部件設(shè)計知識數(shù)據(jù)總量龐大、增長快速、信息率低、數(shù)據(jù)種類多樣，基于知識圖譜技術(shù)的知識服務(wù)系統(tǒng)可有效解決智能化設(shè)計中的設(shè)計知識獲取、表達、呈現(xiàn)、推送及管理等核心問題，能提供智能搜索、智能推薦和智能管理等功能。

應(yīng)用知識工程理論和方法，將農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計知識分為實例類、規(guī)則類、參數(shù)類和資料類等形式，采用面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)生式規(guī)則與框架式組織相結(jié)合的混合知識表示方法，將文本、圖像、三維模型、視頻等不同類型數(shù)據(jù)的特征提取，實現(xiàn)多元異構(gòu)農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計知識的統(tǒng)一表達，進而支持知識的關(guān)聯(lián)推送[106]。通過知識圖譜直觀辨識農(nóng)業(yè)裝備前沿的演進路徑和內(nèi)部聯(lián)系，借助實例、規(guī)則和模型相結(jié)合的推理機技術(shù)，優(yōu)化知識檢索、推薦和管理等服務(wù)[107-108]。構(gòu)建包含知識獲取、表示、存儲、發(fā)布、檢索、評價、推理等知識復合重用與聯(lián)合驅(qū)動，以及自主再學習的農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計知識服務(wù)體系，如圖12所示。

知識服務(wù)體系采用資源層、管理層和知識層的3層次結(jié)構(gòu)，由中間的管理層聯(lián)接上下層，基于網(wǎng)絡(luò)運行，統(tǒng)籌知識的獲取、儲存、運用及相關(guān)服務(wù)。

圖12 農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計知識服務(wù)體系Fig.12 Agricultural equipment intelligent design knowledge service system

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

(1)先進設(shè)計是一個相對的概念，不同時代有其不同的特點與具體的方法，但構(gòu)成先進設(shè)計的要素是不變的，一是當時的科學技術(shù)基礎(chǔ)，二是針對性的設(shè)計理論，二者缺一不可。隨著人們對先進設(shè)計發(fā)展規(guī)律認識的深入，以及科學技術(shù)的不斷進步，先進設(shè)計的更新與升級呈現(xiàn)出不斷加速的趨勢。

(2)21世紀以來，以計算機輔助設(shè)計為基礎(chǔ)的各種先進設(shè)計技術(shù)與方法互為支撐、交叉遞進，劃代與分級界線不明顯，但數(shù)字化為主線的集成融合、聯(lián)合架構(gòu)，智能化、自動化運行的特征顯著。

(3)智能化設(shè)計代表了當今時代的先進設(shè)計及發(fā)展趨勢，是相關(guān)科學技術(shù)發(fā)展到一定階段后，促成的設(shè)計從數(shù)據(jù)資源密集型向知識信息密集型的集成式轉(zhuǎn)化。智能化設(shè)計是人工智能在設(shè)計上的應(yīng)用，以知識重用與推理、學科交叉與融合、平臺開放與共享為典型特征，是設(shè)計資源有機組織與綜合利用的最高級形式。

(4)農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計目前整體上處于理論研究和實際應(yīng)用的探索與試驗時期，距有效的實用性開發(fā)和推廣尚有很長的距離。有關(guān)智能化設(shè)計理論與方法、模型資源三化組織、動態(tài)協(xié)同仿真和驗證、多元知識組織與再學習、異構(gòu)數(shù)據(jù)的組織及傳遞、行業(yè)開放共享等諸多理論、技術(shù)以及機制等問題有待解決。

6.2 展望

中國整體科技水平的高速發(fā)展與先進科學技術(shù)的不斷積累，現(xiàn)已具備實現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備智能化設(shè)計的各項條件，應(yīng)將智能化設(shè)計提升至國家高技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略層面，通過系統(tǒng)的規(guī)劃與頂層設(shè)計，協(xié)調(diào)并融合高校、科研院所、企業(yè)等相關(guān)單位，以合理的機制打通各部門設(shè)計資源與信息的孤島壁壘，實現(xiàn)行業(yè)資源的有償、適度、分類共享，順暢企業(yè)內(nèi)部循環(huán)及基于互聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)循環(huán)。

充分融合現(xiàn)代信息技術(shù)的最新發(fā)展，引入云計算、大數(shù)據(jù)等信息領(lǐng)域的前沿技術(shù)，強化知識調(diào)動及優(yōu)化設(shè)計資源的效率與效果，扭轉(zhuǎn)中國農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)水平低下、國際競爭力不足的局面。