数字孪生在农机电子产品设计中的技术优势与应用前景

2024-05-18许昌学院电气与机械学院王安梅

河北农机 2024年2期

许昌学院电气与机械学院王安梅

前言

数字孪生作为一种新兴的技术手段，在各个行业领域中的应用正逐步普及，尤其是在农业领域中，数字孪生为农机电子产品的设计优化提供了全新的思路方法。数字孪生是通过将实体物理世界与虚拟仿真世界进行无缝连接，实现实时数据获取，模拟仿真分析以及优化设计的一种全新技术，本文旨在探讨数字孪生在农机电子产品设计中的技术优势与应用前景，希望能够为农机电子产品的设计创新提供研究帮助。

1 数字孪生的基本概念和原理

1.1 数字孪生的定义

数字孪生是一种基于实体的实时数据与虚拟模型相结合的技术，通过创建一个数字副本来准确模拟物理实体的外观结构以及行为，然后反映其性能与运行状态。在数字孪生中，物理实体的实时数据包括各种感知数据、传感器数据及测量数据等，这些数据通过传感器与监测设备获取，并进行高频率的采集更新。而虚拟模型则是通过建模与仿真技术基于物理实体的几何形状、材料属性、运动特征以及行为模式等信息创建，并且可以基于物理定律与数学模型等算法进行计算预测。在数字孪生中物理实体的准确模拟是非常关键的，它需要考虑实体的几何形状、材料属性以及结构组成和工作原理等方面的信息，准确的物理模拟可以通过三维建模与仿真软件来实现，例如使用CAD 软件进行几何建模，使用有限元分析软件进行力学仿真[1]。

1.2 数字孪生的基本原理

数字孪生的基本原理是基于物联网与传感器等技术获取物理实体的实时数据，并将这些实时数据与虚拟模型相结合，虚拟模型可以是基于计算机辅助设计软件创建的，也可以是基于物理实体的替代物模型。在数字孪生中实时数据与虚拟模型之间的结合是通过数据采集传输及处理等技术实现的，通过物联网技术将各种传感器与感知设备跟物理实体连接起来，实时采集物理实体的各项数据，这些数据可以是温度、压力、湿度、振动、流量以及能耗等各种物理量的测量值，也可以是图像、声音或视频等各种感知数据。传感器与感知设备通过高频率采集更新数据，以此来反映物理实体的实时状态变化。将实时数据与虚拟模型相结合是通过数据传输与处理等技术来实现的，实时数据可以通过网络传输到计算机或云平台与虚拟模型进行比对匹配。对于基于计算机辅助设计软件创建的虚拟模型，可以通过与实时数据进行对比，实现对物理实体的外观结构、位置等方面的准确模拟；对于基于物理实体的替代物模型，则可以通过与实时数据进行比对,实现对物理实体行为性能的反映。

1.3 数字孪生技术的发展历程

数字孪生技术的发展历程可以追溯到20 世纪60年代，当时计算机模拟技术开始崭露头角。计算机模拟技术利用计算机的计算能力与建模技术，通过对物理系统的数学建模仿真分析实现对系统行为性能的预测优化，这为数字孪生技术的发展奠定了基础。随着计算机技术的快速发展与物联网技术的兴起，数字孪生技术开始得到更广泛推广应用，计算机的计算存储能力与通信能力的不断提升，使得数字孪生技术能够处理分析更复杂的实时数据。与此同时，物联网技术的发展使得各种传感设备能够实时采集传输物理实体的各种数据，为数字孪生技术的实现提供了基础。近年来随着人工智能与云计算等技术的迅猛发展，数字孪生技术在各行各业都得到了更广泛的应用，人工智能的发展使得虚拟模型能够更加智能化，能够自动学习实时数据、不断更新完善模型，从而提高模拟预测的准确性，云计算技术的发展使得虚拟模型能够被远程访问共享，不受地域限制，为不同地区行业之间的智能化协作提供了可能性[2]。

2 数字孪生在农机电子产品设计中的技术优势

2.1 提高农机电子产品设计效率

2.1.1 实时数据采集和分析

数字孪生技术通过物联网与传感器等设备实现对农机运行数据的实时采集传输，其中的实时数据包含了温度、压力、湿度、振动以及流量等物理量的测量值，还有图像、声音和视频等感知数据。通过数字孪生技术，设计师可以获取到实时的农机运行状态及性能数据，为农机的设计优化提供更准确的依据。

2.1.2 虚拟模型与实时数据的结合

数字孪生技术将虚拟模型与实际农机相连接，通过与实时数据进行比对分析，实现对农机行为性能的准确模拟。虚拟模型可以基于计算机辅助设计软件创建，或基于实际农机的替代物模型，通过将实时数据与虚拟模型相结合，设计师可以全面了解农机的外观结构位置等特征，和其运行行为能耗与效率等性能参数。

2.1.3 设计的实时优化

数字孪生技术为设计师提供了及时优化设计的手段。通过与实时数据的比对分析，设计师可以及时发现潜在问题与改进空间，并进行相应的调整优化。利用数字孪生技术设计师可以快速对农机的结构参数及控制策略等进行调整优化，还可以快速反馈设计改进的结果，以此来使农机的性能得到有效提升，帮助设计师迅速调整设计方案[3]。

2.1.4 设计方案的精确评估

基于实时数据与虚拟模型的结合，设计师能够准确评估不同设计方案的性能。通过数字孪生技术可以模拟不同的设计参数、材料选择以及部件配置等情况下的农机性能，通过对比分析评估各种方案的优劣，找到最优设计方案，这样可以减少试验与测试的时间成本，提高设计效率。

2.2 降低农机电子产品设计成本

2.2.1 虚拟环境中的模拟测试

数字孪生技术能够在虚拟环境中对农机电子产品进行模拟测试。通过在虚拟环境中建立农机的准确虚拟模型，设计师可以进行多种场景条件下模拟的不同工况环境仿真，来对农机的行为性能及可靠性进行测试评估。因此，虚拟环境提供了一个低成本且高效率的测试平台，减少了实际原型制造测试的需求，从而降低了设计成本。

2.2.2 提前发现问题和风险

通过数字孪生技术，设计师可以在虚拟环境中模拟多种情况场景，对农机电子产品的设计进行全面测试评估，这有助于提前发现设计中的缺陷，避免在实际制造和运行中出现问题。通过在虚拟环境中进行测试优化，设计师可以降低设计风险，减少设计过程中的返工修正，进一步降低设计成本。

2.3 加速农机电子产品的更新迭代

数字孪生技术能够帮助设计师快速评估创新的设计概念，设计师可以将新的设计想法转化为虚拟模型，通过数字孪生技术进行模拟分析测试，通过模拟分析设计师可以评估新的设计概念的可行性效果，这样可以帮助设计师迅速发现创新设计的优劣，避免不必要的实际制造测试，从而加速农机电子产品的创新过程。通过模拟分析与虚拟测试，设计师还可以发现产品的问题与改进空间，并对农机电子产品进行相应的调整优化，利用数字孪生技术快速对农机电子产品的结构参数及控制策略等进行调整，从而推动产品的更新迭代，这样可以使农机电子产品保持竞争力，更好地适应市场的需求变化。

2.4 产品故障的诊断预测

2.4.1 建立数字孪生模型

基于实时监测及数据采集的信息，数字孪生技术可建立农机电子产品的数字孪生模型，该模型能够准确地反映出农机电子产品的物理特征与行为性能，以此对农机电子产品进行精确的仿真分析来预测其寿命或故障模式。

2.4.2 故障诊断与预测

基于建立的数字孪生模型，数字孪生技术能够进行故障诊断预测。通过分析实时监测数据与数字孪生模型的对比，数字孪生技术可以检测到农机电子产品的异常情况及潜在故障，并能够根据模型对农机电子产品的寿命与故障模式进行精确预测，及时发出警报[4]。

2.4.3 维修与保养措施

凭借故障诊断预测结果，农机企业可以及时采取维修保养措施，为用户减少产品故障所带来的损失。利用数字孪生技术能够设计出提前预测故障模式，以此来帮助农机企业制定相应的维修计划，合理调度技术人员资源，确保及时维修保养，避免因故障而造成的生产停顿及损失。

2.5 改善农机电子产品的性能

数字孪生技术可以实现对农机在不同工况下的运行情况进行模拟，传统的农机性能测试通常需要借助实际的场景设备，而这往往需要耗费大量的成本，相比之下数字孪生技术可以通过建模仿真在计算机中还原并模拟农机的运行环境，从而快速获得农机在不同工况下的性能数据，这为设计师提供了一个更加高效灵活的工具，可以在设计阶段提前发现并解决潜在的问题。例如，在农田作业过程中，农机设备往往会面临着各种不同的工况环境条件，诸如道路状况、土壤湿度以及农田坡度等，通过数字孪生技术就可以将这些因素都考虑进去，并对农机的性能指标进行综合评估，设计师可以通过模拟分析找出影响农机性能的关键因素，并针对性地进行产品优化。同时数字孪生技术还可以对农机的可靠性进行评估，预测分析潜在的故障现象，通过对农机的各个部件和系统进行精确的建模仿真，模拟不同参数和工况下的运行情况，设计师可以快速了解农机各部件之间的相互作用与影响，然后有针对性地进行产品参数的调整优化，从而提高产品的性能。

3 数字孪生在农机电子产品设计中的应用前景

3.1 农机电子产品设计的未来发展趋势

数字孪生可以为农机电子产品的设计与开发提供真实的仿真环境，通过数字孪生技术可以建立农机的数字模型，并在虚拟环境中进行仿真实验，设计师可以在计算机上比较与优化多种不同的设计方案，从而节约了时间成本。同时数字孪生技术可以模拟不同环境下的工作条件，预测农机电子产品的性能，为产品的改进优化提供参考。通过在农机上安装传感器和执行器，实时监测农机的运行状态，这些数据可通过网络传输到远程服务器上进行实时的分析处理，设计师可以根据这些数据进行产品的优化调整，提高农机的使用性能。除此之外，数字孪生技术可以结合人工智能算法实现对农机电子产品的自动化控制，提高了农机的智能化水平。通过数字孪生技术所建立的农机数字化孪生模型，能够实时更新农机的运行状态与故障信息，运维人员就可以通过远程访问数字孪生模型，获取农机信息并及时采取措施进行维修保养。数字孪生技术可以通过数据分析预测，提前预知农机的故障隐患，为运维人员提供决策支持，提高农机的使用寿命。最后数字孪生技术可以为农机电子产品的销售与售后服务提供支持，为农机电子产品建立虚拟展示与销售平台，通过远程访问数字孪生模型，解决客户的疑问，不仅提高了销售效率与用户满意度，还节省了售后服务的时间成本。

3.2 数字孪生在农机电子产品中的新兴应用领域

数字孪生技术在智能农机的设计与测试中发挥着重要作用，通过数字孪生技术可以对智能农机进行全面仿真测试，其中包括机械结构、电气系统以及控制系统等方面，设计者可以在虚拟环境中对农机进行各种复杂的模拟实验，如载荷测试或运行过程分析等，通过这些仿真测试可以提前发现并解决可能存在的问题。同时数字孪生还可以提供农机的运行数据与故障诊断信息，使得设计者能够更好地了解农机的性能并进行相应的优化。并且数字孪生技术还可以应用于农田管理与决策支持系统中。通过数字孪生技术可以对农田进行精细的模拟管理，例如利用数字孪生技术对作物的生长过程进行模拟预测，对作物的生长速度，周期及产量等内容进行分析；数字孪生还可以结合气象数据为农田的灌溉施肥或病虫害防治等决策提供科学依据，通过这些模拟预测农田管理者可以更加科学地制定农田管理策略，提高农田的产量效益[5]。

3.3 数字孪生与其他技术的融合创新

数字孪生可以与虚拟现实技术结合为农机电子产品设计带来全新的交互体验，设计者可以将数字孪生技术应用于虚拟现实系统中，通过虚拟现实设备模拟出真实的农田环境与农机操作场景，使设计者能够身临其境地进行产品设计测试，更加直观地感知到农机的工作状态性能，发现并解决其中所存在的问题，提高产品的安全性。同时数字孪生技术还可以与区块链技术相结合，实现对农机电子产品设计数据的安全存储共享，区块链技术可以提供去中心化的数据存储管理方式，确保农机电子产品设计数据的真实性，将设计数据通过区块链技术存储在分布式网络中，并实现对数据的权限管理及溯源跟踪，确保农机电子产品设计过程的透明性与可信度。