基于知识的窝眼轮式排种器快速设计

曾心玥,赖庆辉,贾广鑫,赵瑾汶,刘志迎

(昆明理工大学 农业与食品学院，云南 昆明 650500)

排种器是精密播种机的核心部件，窝眼轮式排种器是精密播种机最常用的排种器之一。排种器设计包含对充种过程分析、关键部件设计和试验分析等步骤，其中涵盖大量复杂的公式计算及力学分析，导致传统的设计方法效率低、工作量大、研制周期冗长且成本高[1]，因此亟待寻找新的设计方法以改善排种器的设计现状。

在制造业信息化进程的不断推进中，知识是企业赢得竞争和获取利润的关键要素[2]，设计是企业研发产品的重要环节。用知识驱动设计，运用计算机辅助，可以提高设计效率、降低产品研发成本、缩短产品的开发周期[3-7]，为此国内外学者对该方法展开了不同程度的研究。在国外，Stenholm等[7]在康斯堡汽车公司建立了汽车设计知识库，实现了公司员工设计汽车知识共享，缩短了汽车产品上市时间；Mun等[8]在二维模型快速设计系统的数据库中,使用宏参数方法更改二维模型的标准建模命令，弥补了二维模型快速设计系统目前只能进行模型参数编辑的缺陷；Sandberg等[9]利用喷气发动机的设计知识建立了自动设计喷气发动机三维模型系统。查阅文献可知，国外学者主要是对快速设计相关软件开发和方法创新的研究。在国内，王建吉[10]利用知识工程建立知识库，用参数驱动拉刀的设计；陈金峰等[11]提出将知识工程与船舶构件设计结合，实现了知识的重用与共享；钟崴等[12]对锅炉设计建立了专用的快速设计系统，填补了快速设计方法在锅炉领域应用上的空白；郑伟[13]通过对VB、AutoCAD和Matlab/Simulink的耦合，运用数据库对参数及计算结果进行存储、读取和调用，实现了柴油机缸内工作过程计算、分析以及对机体构造CAD绘图的一体化运行；陈思栋[14]提出了知识工程与主流CAX软件系统集成的一般性方法和智能原型的概念及创建方法，设计出一款履带式排灌车样机，为降低开发成本提供了新的途径。其他国内学者还在航空、注塑模、特征零件、机械产品三维设计和铝型材挤压模具领域[15-19]，进行了基于知识的快速设计方法的研究与探索。但在农业机械领域相关研究相对较少，仅杜刘林[20]对甘蔗收获机械快速设计系统知识库进行了系统优化；李长林[21]利用知识工程构建了轮式联合收割机底盘传动系设计平台，有效提高了农机底盘的设计效率。还有一些学者对拖拉机关键部件开展了快速设计方法的研究，如石小龙[22]对拖拉机变速箱快速设计技术展开了研究，廖萍等[23]对拖拉机前驱动桥快速设计系统进行了研究。此外，也有学者将基于知识的快速设计方法运用在收获机设计上，朱忠祥等[24]对联合收割底盘进行了虚拟装配系统搭建，谢斌等[25]对联合收割机制动系统进行了虚拟样机仿真，安晶玉[26]对联合收割机快速设计系统软件接口技术与方法进行了研究，陈雨等[27]对轮式收获机变速箱进行了参数化设计，宋正河等[28]对履带式收获机传动系统快速设计的推理方法进行了研究，毕淑琴等[29]对履带式联合收割机传动系设计知识库进行了构建。这些基于知识的快速设计方法不仅使设计简单化，设计成本降低，还实现知识的重用与共享，开创人机共同思考的新时代。但综观目前的有关研究，作为播种机的关键部件排种器的快速设计却鲜有相关研究报道。

因此，本研究提出一种基于知识的窝眼轮式排种器快速设计方法，开发窝眼轮式排种器快速设计专家系统，并用EDEM仿真试验验证该系统的可行性，以期为窝眼轮式精密排种器的快速设计提供支持。

1 知识库知识的获取与存储

1.1 窝眼轮式排种器的知识表示

1.1.1 知识的获取及分类 知识获取是建立知识库的关键技术之一[29]，知识表示和知识库的建立是在获取知识的前提下完成的。窝眼轮式排种器相关知识可分为公式类知识、设计规则类知识、案例类知识、经验型知识和选型 类知识5大类，获取这5类知识主要通过3个途径:一是设计人员从相关领域的专家那里获取相关的知识，且以正确的形式存储到知识库当中；二是知识编辑器提供一个对话界面，相关领域的专家按照要求将自己的知识由知识编辑器存入知识库当中；三是通过知识学习器自动获取知识[30]。通过以上途径，获取得到窝眼轮式排种器结构组成和各部件设计及装配的知识，为建立知识库奠定基础，其框架如图1所示。

1.1.2 知识表示 用知识表示方法表达获取知识，是知识库建立的第二步骤。知识表达方法有产生式表示法、框架表示法、面向对象表示法、一阶谓词逻辑表示法、语义网络表示法、状态空间表示法等[31]。本研究将框架表示法和产生式表示法相结合，得到窝眼轮式排种器设计规则类知识、案例类知识及零部件结构拓扑关系的集成如图2所示。针对以往设计出的案例，其知识用特征向量的方法来表示：先基于窝眼轮式排种器案例构建结构树，然后针对单个案例用n个特征f1,f2,f3,…,fn描述，用vi表示fi的值(fi=1,2,3,…，n)，则特征向量vi=(x1,x2,x3,…,xn)表示为一个向量。

1.2 窝眼轮式排种器知识的存储

收集知识的存储是以一种计算机能识别的语言对设计相关知识进行描述和整理，为计算机后续工作提供理论支撑。本研究将所获取的知识存储在SQL数据库中。

1.2.1 公式类和设计规则类知识 在窝眼轮式排种器的设计过程中，含有大量的参数推导、尺寸确定和校核等公式类和设计规则类知识，这些都是确定性知识。因此，本研究将该类知识以ID、名称、公式的存储格式存储在SQL数据库中(图3)，其他知识的存储格式与此类似。

1.2.2 选型类知识 设计者需要对已经标准化的零部件进行选型。本研究将国家标准、选型类知识存储在SQL数据库中，且在此类知识的存储形式上对列名不作具体规定。

1.2.3 经验型知识 经验型知识是不确定性知识，需要借助专家经验和市场上已有机型确定。因此，本研究将该类知识以名称、参数和信息的形式存入SQL数据库。

1.2.4 案例类知识 案例类知识分为整机案例和部件案例，本研究对这2种案例知识以案例ID、案例名称、部件ID、部件名称、数量和说明的形式存储在SQL数据库中。

2 模块化处理

模块化处理过程是先将一个复杂的系统分解成若干个独立的操作子系统，再将分解成的子系统进行组合的过程。因此，模块化为复杂系统的设计和开发提供了理想的功能环境[32]。为了计算机能快速清晰地找到排种器的相关设计知识，本研究用知识树状图对窝眼轮式排种器的设计知识进行模块化处理,结果见图4。

模块化处理后，系统同时对所有划分的模块进行识别，获取设计所需的所有知识，缩短了因系统按顺序识别知识的时间。

在程序中，以树控件来组织和应用设计相关数据库表格的形式表达知识管理模块(图5)。如图5所示，树控件的根节点是窝眼轮式排种器设计数据库。

3 窝眼轮式排种器专家系统的设计与实现

3.1 快速设计专家系统的建立

设计型的专家系统主要对整机机型、功能部件等进行选型设计，实现从需求到功能的映射，输出设计方案[33]。首先，本研究在前期知识储备中选用合理的知识表达方法的基础上，根据窝眼轮式排种器的特点，构建设计知识数据库；然后对专家系统中推理机的推理方法进行研究，建立总体设计推理机制；最后，采用理论分析与验证相结合的方法，搭建窝眼轮式排种器快速设计平台，其总体技术路线如图6所示。

建立快速设计专家系统前，首先要对数据进行准备、处理及提取，然后再运用合理的知识表示方法为建立知识库提供依托。建立专家系统的同时建立数据库管理系统，将数据库和专家系统实时联系，以实现知识库知识的及时更新，可使专家系统以最快的速度设计出优良的窝眼轮式排种器。

3.2 快速设计专家系统的实现

窝眼轮式排种器快速设计专家系统,在Visual Studio平台上设计基于知识的窝眼轮式排种器设计平台的交互界面，且利用VB.NET编程设计基于知识的窝眼轮式排种器设计平台的交互界面，可按照用户的设计需求，来实现产品的快速设计。图7为用户进入人机交互界面的窗口。

窝眼轮式排种器快速设计专家系统的输入参数为种子形状、种子类型、行距、株距、作业速度和种子最大尺寸，输出参数为窝眼轮线速度和窝眼轮转速。该系统根据输入参数调用数据库中存储的公式进行参数计算(其代码如图8-a所示)，然后对库中的排种器模型进行调用，并进行零件模型的参数化变更(部分代码如图8-b所示)。零件模型参数化变更需先判断模型库是否存在该模型，并读取该模型参数的名称和尺寸数据。系统自动新建SolidWorks文件，打开该零件模型，修改模型参数并保存。

在窝眼轮式排种器快速设计专家系统的人机交互界面，可以预览符合用户设计要求的排种器的三维及二维示意图，用户可在该平台通过“进入”控件连接SolidWorks界面，实现对零部件的自动装配，并生成二维图，该系统界面在Intel i5处理器、系统内存8 GB配置环境下，完成窝眼轮式排种器设计。实现其自动装配主要代码为：Dim Swapp As SldWolks.SldWolks //声明SldWolks对象；Swapp=CreateObject (“SldWolks.Application”)//创建并返回SldWolks的对象引用。生成窝眼轮式排种器二维图的部分代码如图9所示。

窝眼轮式排种器快速设计专家系统还可根据作物，如小麦、大豆、三七、油菜等的不同，完成其排种器的快速设计。为验证该专家系统是否具有可行性，以及系统设计的窝眼轮式排种器工作性能是否良好，需通过仿真验证对所生成的排种器的工作过程进行分析。

3.3 快速设计专家系统的仿真试验

仿真试验是窝眼轮式排种器快速设计专家系统性能的重要检验方法之一。通过仿真试验分析该系统生成的多个排种器的充种单粒率是否满足国家标准和作物的农艺要求，进而评价窝眼轮式排种器快速设计专家系统是否可行和可靠。仿真试验是通过模拟排种器在工作时的运动状态，如通过对排种器充种过程的分析，验证窝眼轮式排种器快速设计专家系统的可行性。本研究选择三七、油菜、小麦3种作物进行验证，将这3种作物的行距、株距、作业速度等播种技术要求作为输入参数分别输入到专家系统中，得到相应窝眼轮式排种器的三维模型如图10所示，并将其存储为“.stl”格式。结合文献[34-38]对三七、油菜、小麦3种作物种子仿真参数的标定,建立各排种器仿真模型，使用逆向工程建模得到3种作物种子模型如图11所示，且本研究在EDEM中选用的种子-种子和种子-排种器的接触模型均为Hertz-Mindlin(no slip)模型。

将“.stl”格式的排种器三维模型导入EDEM软件中，经参数标定后确定种子-种子和种子-排种器模型的接触参数，种子和排种器的本征参数如表1所示。仿真结束后为观察排种器内部种子充种效果，在后处理模块中将排种器壳体设为“mesh”，窝眼轮设为“filled”。

表1 三七、油菜和小麦种子仿真验证的主要参数Table 1 Main parameters of simulation verification for Panax notoginseng,rape and wheat seeds

窝眼轮起始旋转时间为0.5 s，故排种器前0.5 s为充种阶段，窝眼轮旋转结束时间为30 s。三七种子总颗粒数设为5 000颗，生成颗粒的速率为2 000 粒/s。仿真求解模块中，时间步长设定为Rayleigh时间步长的10%，设定仿真时间为30 s，时间步长为0.01 s。三七种子生成平面网格划分的单元尺寸一般设置为颗粒最小球面半径的3倍。图12所示为窝眼轮式排种器正常排种的仿真过程。验证试验中，分别设定不同排种器现实工作中的真实转速等因素，三七排种器转速为3.27 r/s，小麦和油菜排种器转速均为3.5 r/s。

排种器仿真试验模拟真实工作过程，其试验指标为单粒率、多粒率和空粒率，计算公式如下：

(1)

式中：A为单粒率，%；D为多粒率，%；M为空粒率，%；n1为合格孔数，个；n2为多充孔数，个；n3为漏充孔数，个；N′为试验总孔数，个。

本仿真试验测量排种器总孔数为200个，各型孔中只有1粒种子为合格孔数，型孔中有2粒及以上种子为多充孔数，型孔中无种子为漏充孔数,计算可得相应的仿真数据，结果见表2。表2表明，该快速设计专家系统设计出的三七、油菜、小麦3种窝眼轮式排种器单粒率分别为95.5%，94.0%和96.0%，排种器运动过程达到较优状态。由此可知该窝眼轮式排种器设计的快速设计专家系统具有可行性、可靠性。

表2 3种作物窝眼轮式排种器的仿真结果Table 2 Simulation results of three kinds of crop socket wheel seed metering devices

4 结 论

1)围绕窝眼轮式排种器设计来展开研究，根据窝眼轮式排种器快速设计专家系统的总体设计路线，对设计知识进行获取、表示和存储，运用SQL数据库建立了模型库、规则库、参数库和零件库。

2)通过Visual Studio平台，建立窝眼轮式排种器快速设计专家系统。

3)将三七、油菜、小麦的播种技术要求输入所建的快速设计专家系统中，得到播种这3种作物的窝眼轮式排种器，且将得到的排种器导入EDEM中进行仿真试验，对系统设计的排种器进行性能检验，证明该快速设计专家系统具有可行性和可靠性。