基于云计算的农机三维数字化云服务平台设计

李春燕，李 根，高永强

基于云计算的农机三维数字化云服务平台设计

李春燕1，李 根1，高永强2

(1.内蒙古化工职业学院 计算机与信息工程系，呼和浩特 010070；2.内蒙古大学 计算机学院，呼和浩特 010010)

考虑现代农机市场对产品多样性、个性化和订单交付周期短等需求，结合云计算和三维数字化设计理念，提出了一种针对模块化农机产品的快速设计方法，并对设计理念、关键技术进行了深入的分析和可行性验证。利用云计算中的 SaaS服务模式下应用系统的模型架构，构建了农机快速设计的三维数字化平台，选取农机设计过程中常用的零部件轴和齿轮等为研究对象，通过参数化建模，验证了基于云计算农机三维数字化设计平台的智能化和高效性。最后，通过农机设计周期、客户满意度和资源利用率等项目的评价，对传统方法和云设计方法进行了对比。对比结果表明：采用云服务对农机进行设计不仅可以提高设计效率和设计质量，而且能够充分利用设计资源，达到资源共享的目的。

农机设计；SaaS服务；三维数字化；云计算；参数化建模

0 引言

基于云环境的计算机协同技术可以有效缩短产品的设计周期，加快产品的设计和更新换代的速度，可以使需求客户和设计人员进行有效的交流和沟通，设计出更多的个性化和小批量的柔性产品。随着软件设计技术的发展，软件的二次开发实现了机械零部件的快速设计，其中参数化设计是机械零部件快速设计常用的方法之一，而利用云计算结合参数化界面对农机快速三维数字化设计具有重要的意义。利用云处理和参数化设计可以对农机进行快速的设计和定制，从而有效地缩短研发周期；将云架构引入设计平台可以有效地减少系统的开发时间，而将资源存储在云端可以有效地降低资源和系统升级维护的开支；利用云处理技术可以实现农机的协同化设计，加快中小企业的信息化进程。

1 基于云环境的农机三维数字化设计

云计算是多种技术的融合体，主要包括并行计算、分布式计算和网格计算等。云计算基于虚拟技术，利用互联网进行高效率的数据存储和传输，可以将计算机远程服务器和本地服务器集成到互联网上组成大规模的计算机集群，通过集群内的计算机发出指令，调用集群内的资源，完成数据的高速处理，然后将结果返回到远程服务端或者本地计算机。基于云环境的农机三维数字化设计从服务层次来看主要分为3层，包括软件服务Saa S、平台服务Paa S和基础设施服务Iaa S，其基本框架如图1所示。

图1 云计算服务框架模型Fig.1 The framework model of cloud computing service

图1中，SaaS利用农机软件设计通过互联网为客户提供服务，客户可以根据自身的软件需求进行付费。PaaS为农机设计提供服务平台，主要包括分布式计算、并行计算和协同仿真计算，利用SaaS可以快速地对自己需要的应用进行开发，且PaaS可以加快SaaS的开发。IaaS是一种基础性的服务，它将计算机存储资源以服务的形式提供给用户，从而使用户可以开发自己的农机软件设计工具和设计平台。

图2为农机的三维数字化设计实例图。利用SolidWorks和UG软件可以完成农机的三维设计，可以对其划分网格和力学分析，但其设计所需的计算量较大，对运算环境要求较高。因此，可采云环境加快产品的数字化设计，设计流程和框架如图3所示。

图2 三维数字化设计Fig.2 The three dimensional digital design

图3 基于云环境的农机快速数字化设计Fig.3 The rapid digital design of agricultural machinery based on cloud environment

为了加快农机数字化设计速度，本研究设计了可变产品模型的农机数字化云设计平台，并对产品进行模块化设计，根据农机设计市场的需求，将其模块主要分为产品的定制模块和产品的开发模块。农机的模块化设计有利于产品的个性化设计，用户可以根据已有的资源，采用参数化和模块化设计，对产品进行快速设计，从而加快产品研发速度，缩短设计周期。

2 基于多目标优化的农机云设计模块划分

为了优化农机云设计模块，使用多目标函数对农机设计的质量、效率和能耗进行优化，将目标函数总结为3个，而这3个方面又受到其他因素的制约，从而可以建多个优化条件。

1)农机的播种和收获质量。农机的播种和收获质量f1是设计农机时最重要的问题之一，其影响的主要因素有两个：一是漏播或者漏割率；二是重播或者重复收获率，这两个方面都会降低农机的质量。假设农机的正常作业速度为u，漏播或者漏割率为δ1，重播或者重复收获率为δ2，则农机的速度和质量模型可以表示为

u=f(δ1,δ2)=f1

(1)

2)农机播种和收获效率。播种和收获的效率η是指在一定的时间内播种和收割机的作业量，主要影响因素包括行进速度u、排种和收割速度v、横向幅度l，其函数的表达式为

f(η)=f2=f(v,u,l)

(2)

3)农机播种和收获能耗。农机在进行播种和收获时，其耗能ε与播种与收获能量消耗系数ψ有关，其能耗的表达模型为

f(ε)=f3=f(ψ)

(3)

为了实现农机质量、效率和能耗的同步优化，采用多目标函数对模型进行优化，其表达式为

(4)

其中，x=(x1,x2,…,xn)表示n维向量；φ表示可行性空间；f1(x),f2(x),…,fn(x)表示目标函数。对于任意的两点(x1,x2)，如果公式(5)成立，则

f1(x),f2(x),...,fn(x)

(5)

即向量f1(x1),f2(x1),…,fM(x1)优于f1(x2),f2(x2),…,fM(x2)，则称为x1优于x2。利用多目标优化原理可以对农机设计的云平台进行模块化划分，划分的方法有直接组合和间接组分两种。其直接组合如图4所示。

图4 农机产品模块直接组合图Fig.4 The direct combination of agricultural product modules

模块直接组合是一种通过模块间的接口直接拼接并进行产品装配、几何模型、属性和工艺等信息的有效传递的组合方式，与之对应的还有间接模式，如图5所示。

模块间接组合是一种通过一个或数个中间接口模块传递信息并结合接口进行拼接的组合方式，利用多模块之间的信息交流，可以对整个农机的设计进行模块划分，最后装配组合，形成一个统一体，从而有效地提高了农机设计的效率。

图5 农机产品模块的间接组合Fig.5 The indirect combination of the module of agricultural

machinery product

3 农机三维数字化设计

本次设计的农机三维数字化设计平台采用云计算模式，利用云服务器将农机数字化设计平台架构在云端，设计者通过安装客户端便可以实现农机的快速设计，并可以同其他设计人员进行协同设计，其流程如图6所示。

图6 基于云服务的农机三维数字化设计平台Fig.6 The 3D digital design platform of agricultural machinery

based on cloud services

设计者可以下载客户端，然后注册登录系统。整个农机的设计权限分为多个级别，每个级别对应的相关部件的设计，用户可以根据自己的权限设计相关部件。云设计平台具有参数化设计界面，用户可以远程调取云端资源。当用户设计完成后，将数据提交到云端，云端进行存储后便可以后续的文档下载，最后将不同的设计文件整合，便可以完成农机整机的设计。利用云环境的分布式计算和存储方法，可以有效地提高农机数字化设计过程中计算机的运算速度和存储能力，因此用户端不需要很高的配置，便可以实现整个数字化设计过程。

采用农机设计云服务平台可对农机的零部件进行参数化设计，图7表示参数化设计的界面。通过输入齿轮的各种参数，可以一次性完成齿轮草图的绘制，并具有拉伸为三维实体的功能，如图8所示。

图7 云服务参数化设计界面Fig.7 The cloud services parameterized design interface

图8 数字化三维立体效果Fig.8 The digital three dimensional effect

分别建立农机的齿轮和轴之后，便可以对其进行装配。选择好基准后，点击配合便可以完成齿轮与轴装配，装配体的效果如图9所示。

图9中，将齿轮面和轴面按照一定的距离进行配合，然后将齿轮、轴和键进行装配，从而完成整个装配的设计，简便而高效。

图9 农机零部件装配效果图Fig.9 The assembly effect of agricultural machinery parts

表1为利用云服务平台和传统设计方法对农机进行数字化设计的各种评价对比结果。由统计结果可以看出：利用云服务平台不仅可以缩短设计周期，提高客户的满意度，最重要的是可以合理利用资源，达到资源共享的目的。

表1 设计效果统计结果

4 结论

结合现代农机设计市场需求，提出了一种个性化和模块化的农机快速设计方法，并将云处理计算引入到了设计平台，加快了设计速度，实现了中小型企业信息化和资源共享。采用云计算中的 SaaS服务模式下应用系统模型架构，构建了农机快速设计的三维数字化平台，并对平台的设计效果进行了验证。由参数化建模发现，利用三维数字化平台可以快速地实现农机常用设计部件的快速三维立体化构建。采用云处理平台对农机进行设计，既可有效地缩短设计周期，又可以提高设计质量，还可以达到资源共享的目的。因此，无论是中小型企业还是大型企业，都可以引入该系统，其市场应用前景十分广阔。

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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

内蒙古自治区自然科学基金项目(2015BS0602)

李春燕(1982-)，女，内蒙古包头人，讲师，硕士，(E-mail)xiaoman1927@sina.com。

S126；TP311.52

A

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