一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法及系统

1.本发明属于农业机械设计领域,具体地说，涉及一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法及系统。


背景技术：

2.机械化收获是马铃薯全程机械化生产过程中最重要也是最薄弱的环节，对实现马铃薯的稳产增收具有重要意义。而要保质保量地完成马铃薯机械化收获，关键在于设计并选用切合用户需求的农机装备。
3.马铃薯收获机是典型的功能复合型农机装备，可完成作物茎叶清除，块茎挖掘，薯土分离，装载运输等多道工序，设计较为复杂；同时由于我国地域环境复杂，种植模式和土壤条件多变；目前主流的以仿照或改型设计为主的传统农业机械设计方法难以满足农户多样化和定制化的设计需求，严重制约了产业发展。
4.实际机械产品设计中80％以上的是变型设计和适应性设计，如果可以将过去设计过程中积累的大量设计知识和已有产品经验进行重用，就可以使产品工程师从重复的劳动中解放出来，大大提高产品设计效率。知识工程是以知识为处理对象，研究知识表示、处理和应用的方法和开发工具的学科，可以通过整合大量已有知识与经验并进行推理应用，从而求解特定领域的问题。随着知识工程的发展，这种需求逐步得到了实现。将知识工程与传统设计结合形成的智能设计自二十一世纪以来在国内已有研究，但在农业机械领域还相对较少。
5.因此本发明提出一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法及系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的是在于提供一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法及系统。通过对马铃薯收获机已有设计知识进行收集和分类，并在此基础上建立面向马铃薯收获机设计需求的知识系统，将构建好的知识系统与计算机辅助设计软件相结合形成马铃薯收获机智能化设计系统。从而能够实现马铃薯收获机快速、可靠、智能化的设计，以解决现有马铃薯收获机设计效率低，效果差的技术问题。
7.一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法，包括如下步骤：
8.步骤1：搜集马铃薯收获机设计过程中相关知识并进行分类；
9.步骤2：利用整理好的设计知识构建马铃薯收获机设计知识库；
10.步骤3：提出设计任务，即输入需设计马铃薯收获机的总体设计要求；
11.步骤4：在知识库中根据马铃薯收获机总体设计要求对马铃薯收获机进行概念设计；
12.步骤5：根据马铃薯收获机概念设计完成后的方案对马铃薯收获机进行详细设计；
13.步骤6：对设计完成的马铃薯收获机进行产品评价；
14.步骤7：对评价完成后的马铃薯收获机进行产品优化；
15.进一步地，所述步骤1的具体过程为：
16.分析马铃薯收获机设计过程，并通过查阅设计手册、参考文献、相关专利和国家标准，充分搜集马铃薯收获机设计所需的相关知识，将马铃薯收获机设计相关知识划分为参数类，结构类，功能类，规则类，实例类和方案类六个部分，并建立各部分知识之间的联系。
17.进一步地，所述步骤4的具体过程为：
18.将需设计的马铃薯收获机的总体设计要求(包括马铃薯收获机作业的作物类型，工作地域和农艺要求)通过分类和约简的方法分解并按照重要性排序，然后将分解并排序后的设计要求映射为知识库中需实现的具体功能。具体功能确定后，将其映射到知识库结构类，并从中查找出确定可以实现功能的相应结构，并对确定好的结构集合进行约束求解和功能解耦(避免出现结构干涉的现象)，最终得到设计方案。约束求解和功能解耦具体步骤如下：
19.(1)将结构适用范围作为补充条件，加入功能-结构映射，得到方案；
20.(2)判断功能-结构映射后，功能与结构是否一一对应，是则输出方案；
21.(3)若功能与结构并非一一对应，则重新在知识库中进行查找备用机构进入结构集，直至功能和结构一一对应。然后将结果推送给用户，由用户判断是否进入下一步。
22.进一步地，所述步骤5的具体过程为：
23.确定方案后，开始进行详细设计，这一步通过实例推理和规则推理来完成。首先，将设计方案所确定的结构集s与知识库中已有的方案的结构集合s进行相似度匹配。通过两个结构集合中结构，零件和特征一一比较，得到相似度匹配值。如果匹配达到相似度一致，就采用这个方案，并进一步取用该方案对应的实例，否则就根据已有的知识和规则推理出马铃薯收获机的主要零件参数，对主要零件进行设计并将其与选好的标准件通用件一起进行装配。规则推理往往采用产生式规则表示法，即“if a then b，即如果a成立则b成立。
24.进一步地，所述步骤6的具体过程为：
25.产品检验合格后，可以通过遗传算法来对产品主要结构(挖掘装置和薯土分离装置)参数进行优化。
26.(1)首先构建目标函数,两者分别以伤薯率y1和y2为设计目标。设挖掘装置设计相关变量为铲刃倾角γ，铲面倾角α，铲长度l和铲幅宽s；薯土分离装置设计相关变量为物料进给速度v1，运行速度v2，振幅a和振频f1。通过力学分析分别构建两者目标函数如下。
27.y1＝f(γ,α,l,s)
28.y2＝f(v1,v2,a,f1)
29.(2)对(1)所涉及的各个设计变量以分别一变量取值范围构建约束条件，并与(1)中目标函数进行联立，完成优化数学模型构建。
30.(3)完成优化数学模型构建后，分别设置初始化种群，交叉概率，变异概率，终止迭代次数的具体数值，运用遗传算法对参数进行优化。最终得到最优化的模型并进行输出。
31.进一步地，所述步骤7的具体过程为：
32.产品检验合格后，可以通过遗传算法来对产品主要结构参数进行多目标优化，得到最优化的模型并进行输出。
33.一种马铃薯收获机的智能设计系统，所述系统包括用户需求模块，概念设计模块，结构设计模块，设计优化模块和知识库模块。
34.所述用户输入模块与概念设计模块相连接，所述用户输入模块需要用户输入需设计的马铃薯收获机作业的作物类型，工作地域和农艺要求，用于存储马铃薯收获机的总体设计要求。
35.所述概念设计模块与结构设计模块和知识库模块中方案子模块相连，模块用于求解马铃薯收获机的设计方案。
36.所述结构设计模块与评价优化模块和知识库模块中结构子模块相连，用于马铃薯收获机的详细设计，可将概念设计模块提出的方案通过计算生成三维模型和工程图。
37.所述评价优化模块用于评价生成三维模型的可靠性，并优化其结构。
38.所述知识库模块包括功能子模块，结构子模块，参数子模块，实例子模块，规则子模块和方案子模块。
39.优选的，所述用户需求模块中，用户需要输入的是待设计马铃薯收获机作业所面临的工作地域，作物类型及农艺要求，输入的内容最后将汇总为马铃薯收获机的总体设计要求。
40.优选的，所述的概念设计模块包括功能映射组合模块，结构映射组合模块，功构映射求解模块和方案评价模块四个子模块。通过概念设计模块求解马铃薯收获机设计方案的过程为：(1)通过功能映射组合模块将用户输入的马铃薯收获机总体设计要求，与知识库模块中的功能子模块中知识进行匹配组合，将设计要求变换成子功能集。(2)通过结构映射组合模块将上一步得到的子功能集与知识库中的结构子模块中知识进行匹配组合，将子功能集变换为结构集合。(3)通过功能-结构映射求解模块，将上一步得到的结构集合加入设计约束，求解得到合理的设计方案。(4)通过方案评价模块与知识库模块中方案模块进行交互，从以往方案中选择相似度高的方案进行推送，由设计者对方案进行初步评价，符合评价标准即可进行下一步马铃薯收获机的结构设计，否则返回重新进行设计。
41.优选的，所述结构设计模块包括产品推理设计模块和模型及工程图输出模块两个子模块。通过结构设计模块获得需设计马铃薯收获机的三维模型和工程图的过程为：(1)通过产品推理模块将上一步得到的产品设计方案与知识库中的结构子模块中的实例匹配进行推理，首先通过结构相似度匹配得到所选的模型大类，然后在大类内进行匹配得到最相似的实例。如果实例相似度达到相似阈值(由专家确认)，则直接调动实例库中的实例；如果相似度未达到相似阈值，则通过知识库中的规则部分中的规则对设计好的产品方案进行参数计算，得到参数后进入模型和工程图输出模块。(2)若方案采用相似实例，则模型和工程图输出模块直接输出实例模型和工程图；否则将相似实例按照计算的参数进行变换，然后输出模型和工程图。
42.优选的，所述评价优化模块包括产品模型仿真模块和产品模型优化模块两个子模块。评价优化模块评价三维模型可靠性，并优化其结构的过程为：(1)通过产品模型仿真模块对设计好的马铃薯收获机三维模型进行离散元和静力学仿真，如果仿真结果与参数知识库中参数比较，满足伤薯率≤2％，明薯率≥96％的国家标准且符合国家规定的结构强度，则评价为合格，进入产品模型优化模块；否则返回重新设计。(2)通过产品模型优化模块调用遗传算法对生成模型主要结构进行参数优化，输出优化后的三维模型及工程图。
43.优选的，所述知识库模块包含功能子模块，结构子模块，参数子模块，规则子模块，方案子模块和实例子模块。(1)功能子模块中包含了大多数马铃薯收获机工作所需要的功
能元(即不可再进行划分的功能)。(2)结构子模块中包括通用件(大多数马铃薯收获机所通用的结构)，专用件(薯土分离装置和挖掘装置)，标准件(螺栓，螺母等)三大模块(3)参数子模块中包含着马铃薯收获机的作业环境参数，需作业的作物力学参数以及种植模式(4)规则子模块中包含设计专用零件所需的公式，随专用件变化辅助零件的参数以及模型参数选择规则和零件装配规则。(5)方案子模块中存储马铃薯收获机已有设计方案和相关设计方法。(6)实例子模块中存储有分类清晰的已完成的马铃薯整机实例。
44.本发明的有益效果是：
45.本发明将知识工程理论和现代设计理论结合并运用到马铃薯收获机设计领域。用户直接输入设计要求，就可以借助构建好的知识库和计算机强大的计算功能按照拟定的设计流程实现马铃薯收获机的设计知识重用，完成马铃薯收获机的智能设计和优化，最终得到符合设计要求的马铃薯收获机三维模型和工程图。本发明大大提高了马铃薯收获机的设计效率，减少了工程师的工作量。同时概念设计中的方案评价和产品模型完成后的仿真验证可以使设计完成的马铃薯收获机更加精准可靠，减少了设计误差和设计返工，节省了大量设计成本。
附图说明
46.图1为本发明提供的马铃薯收获机智能设计方法流程图；
47.图2为本发明提供的马铃薯收获机知识搜集整理流程图；
48.图3为本发明提供的马铃薯收获机功能-结构部分映射图；
49.图4为本发明提供的马铃薯收获机智能设计系统框图。
具体实施方式
50.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
51.请参阅图1，本发明提供一种马铃薯收获机的智能设计方法，所述方法如下步骤：
52.步骤1：面向马铃薯收获机设计需求，将马铃薯收获机设计过程中涉及到的知识通过查阅国家标准、行业规范、设计手册，相关文献等进行搜集。搜集完成后按照功能、结构、方案、实例、规则、参数六部分进行划分，并将知识进行表示和存储同时建立各部分知识之间的联系。
53.步骤2：对知识库进行架构和构建，并将整理好的知识填充入知识库。
54.步骤3：输入需设计马铃薯收获机的总体设计要求。马铃薯收获机的总体设计要求具体包括马铃薯收获机作业的作物类型，工作地域和农艺要求。马铃薯收获机的作业环境一般是指马铃薯收获机作业土地的土壤类型和作业区域，可以选择作业环境为沙壤土或者黏土，大面积作业或者小地块作业。马铃薯收获机的作业对象指其作物品种，可以选择作业对象为中薯一号，丽薯六号或者克新13。马铃薯收获机的农艺要求具体指用户对于马铃薯收获机挖掘深度和幅宽数值的要求。
55.步骤4：根据马铃薯收获机的总体设计要求,对马铃薯收获机进行概念设计。(1)要
确定马铃薯收获机需设计的功能并按重要性排序，设计一款合格的马铃薯收获机需要保证其具有挖掘，分离，运输，移动这些功能，若用户有其余需求还可加入清除茎叶，碎土等辅助功能。根据用户实践和专家打分为选定功能确定权重，按照权重大小将确定的功能按照权重排序，构成功能集合。(2)按照预期功能和设计约束完成产品结构设计。将预期功能即前一步获得的功能集合与能完成这些功能的结构一一映射。如完成移动功能需要马铃薯收获机与拖拉机进配套进行三点悬挂及设计传动系统(选择相应作业功率拖拉机，传动系统中需要的动力传动轴和齿轮系等)，完成挖掘功能需要为马铃薯收获机设计挖掘装置，完成分离功能需要为马铃薯收获机设计升运链，完成破碎功能需要为马铃薯收获机设计镇压轮以及为马铃薯收获机设计整体机架罩壳等。为确定的结构构建集合，并结合设计约束(结构之间不能干涉)确定产品结构设计方案。
56.步骤5：根据上一步确定的马铃薯收获机设计方案对马铃薯收获机进行详细设计。将产品结构方案进行设计推理。首先将产品设计方案与已有设计方案和实例进行相似度匹配，或得最相近的方案和实例。如果方案达到相似阈值(相似阈值由专家确定)，则直接调用该方案和实例。若方案未达到相似阈值，则将方案中关键结构按照已有的设计规则进行设计，输出模型。
57.步骤6：对设计完成的产品进行评价。将详细设计出的马铃薯收获机模型进行用edem(离散元仿真软件)进行土垄仿真实验，仿真后使用明薯率和伤薯率作为评价指标，且评价标准为：伤薯率≤2％，明薯率≥96％，用ansys(静力学分析软件)对马铃薯收获机挖掘装置和薯土分离装置进行静力学仿真，确定其主要工作部件符合规定强度。
58.步骤7：对设计好的产品进行优化。评价合格的产品可以采用遗传算法进行优化马铃薯收获机关键部件(挖掘装置和薯土分离装置)参数，再次输出模型和工程图，即可获得符合用户需求的模型。
59.请参阅图3，本发明提供了一种马铃薯收获机的智能设计系统，所述系统包括用户需求模块，概念设计模块，结构设计模块，设计优化模块，知识库模块。
60.所述用户输入模块与概念设计模块相连接，所述用户输入模块需要用户输入需设计的马铃薯收获机的作物类型，工作地域和农艺要求，用于存储马铃薯收获机的总体设计要求。马铃薯收获机的作物类型指待耕土壤种植作物，如用户可以选择作业对象为丽薯六号，中薯一号或克新13等。马铃薯收获机的工作地域是指马铃薯收获机作业土地的土壤类型和种植面积，用户可以选择作业环境为沙壤土和黏土，大范围或小块种植。马铃薯收获机的农艺要求具体指用户对于马铃薯收获机挖掘深度和幅宽数值的要求(耕深在200mm到250mm之间，幅宽在600mm到1500mm之间)以及对马铃薯收获机经济性的要求。
61.所述概念设计模块与结构设计模块和知识库模块相连，包括功能映射组合模块，结构映射组合模块，功构映射求解模块和方案评价模块四个子模块，用于求解马铃薯收获机的设计方案。具体实施过程为：(1)按照用户输入模块中输入的马铃薯收获机设计要求，从知识库中的功能子模块中匹配相应的功能。如设计一款有较强分离能力的在大面积黏土作业且具有清除茎叶功能的马铃薯收获机，在输入设计要求后，知识库会根据设计要求相应匹配运动，挖掘，运输，分离，移动和清除茎叶这几项功能，然后将这些功能组合成功能集合后返回功能映射组合子模块。(2)通过结构映射组合子模块，首先将上一步获得的功能集合与知识库中的结构子模块进行结构匹配。如完成运动功能需要马铃薯收获机与拖拉机进
配套进行三点悬挂及设计传动系统(选择相应作业功率的拖拉机，传动系统中需要的动力传动轴和齿轮系等)，完成挖掘功能需要为马铃薯收获机设计挖掘装置(铲刃，铲面，铲体等)，完成运输功能需要为马铃薯收获机设计输送带，完成分离功能需要为马铃薯收获机设计薯土分离装置(较强薯土分离能力可选择升运链)，完成清除茎叶功能需要为马铃薯收获机设计旋转轮式击碎器以及为马铃薯收获机设计整体机架罩壳等。将确定的结构构建集合返回结构映射组合模块。(3)将返回的结构构建集合形式化进入功能映射求解子模块，建立功能-结构映射模型，结合结构间设计约束通过博弈优化算法确定产品结构设计方案。(4)在方案评价子模块中与知识库中方案子模块进行交互，匹配最相似的方案，并推送到系统界面，由设计者评价并决定是否进行下一步。
62.所述结构设计模块与评价优化模块和知识库模块相连，用于马铃薯收获机的详细设计，可将概念设计模块提出的方案通过计算生成三维模型和工程图。结构设计模块包括产品推理设计模块和模型和工程图输出模块两个子模块。具体实施过程为：(1)通过产品推理模块将上一步得到的产品设计方案与推理知识库中的实例知识库中的实例匹配进行推理，首先通过结构相似度匹配得到所选的模型大类(如上述提到的例子可进入升运链式马铃薯收获机大类)，然后在大类内进行匹配得到最相似的实例。如果实例相似度达到相似阈值(由专家打分确定)，则直接调动实例库中的实例；如果相似度未达到相似阈值，则通过知识库中的规则知识子模块中的规则对设计好的产品方案进行参数计算，得到参数后进入模型和工程图输出模块。(2)若方案采用相似实例，则模型和工程图输出模块直接输出实例模型和工程图；否则将相似实例按照计算的参数进行变换，然后输出模型和工程图。
63.所述评价优化模块用于评价生成三维模型的可靠性，并优化其结构。评价优化模块包括产品模型仿真模块和产品模型优化模块两个子模块。评价优化模块评价三维模型可靠性，并优化其结构的具体过程为：(1)通过产品模型仿真模块对设计好的马铃薯收获机三维模型进行离散元和静力学仿真并与知识库中参数知识子模块进行交互获取作物力学特性，如果仿真后伤薯率≤2％，明薯率≥96％且符合国家规定强度，则评价为合格，进入产品模型优化模块；否则返回重新设计。(2)通过产品模型优化模块调用遗传算法对生成模型主要部件进行参数优化，输出优化后的三维模型及工程图。
64.所述知识库模块，包括功能知识子模块，结构知识子模块，参数知识子模块，规则知识子模块，实例知识子模块和方案知识子模块。(1)功能知识子模块中功能包括目前涉及到的马铃薯收获机的常用功能元(不可再分离的功能)，系统管理员可以根据领域发展向其中添加新的功能。(2)结构知识子模块中结构包括目前涉及到的马铃薯收获机的常用结构，并将马铃薯收获机结构分为通用件(大多数马铃薯收获机通用结构)，专用件(可以满足用户需求的特型结构如挖掘装置，薯土分离装置，茎叶清除装置等)，标准件(螺栓，螺母等)。结构知识库中结构，系统管理员可以根据领域发展向其中添加新的结构。3)参数子模块中包含着马铃薯收获机的作业环境参数，需作业的作物力学参数以及种植模式(4)规则子模块中包含设计专用零件所需的公式，随专用件变化辅助零件的参数以及模型参数选择规则和零件装配规则。(5)方案子模块中存储马铃薯收获机已有设计方案和相关设计方法，系统管理员可以根据领域发展向其中添加新的方案。(6)实例子模块中存储有分类清晰的已完成的马铃薯整机实例，系统管理员可以根据领域发展向其中添加新的实例。
65.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，对于本领域技
术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：搜集马铃薯收获机设计过程中相关知识并进行分类；步骤2：利用整理好的设计知识构建马铃薯收获机设计知识库；步骤3：提出设计任务，即输入需设计马铃薯收获机的总体设计要求；步骤4：在知识库中根据马铃薯收获机总体设计要求对马铃薯收获机进行概念设计；步骤5：根据马铃薯收获机概念设计完成后的方案对马铃薯收获机进行详细设计；步骤6：对设计完成的马铃薯收获机进行产品评价；步骤7：对评价完成后的马铃薯收获机进行产品优化。2.根据权利要求1所述的一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：分析马铃薯收获机设计过程，并通过查阅设计手册、参考文献、相关专利和国家标准，充分搜集马铃薯收获机设计所需的相关知识，将马铃薯收获机设计相关知识划分为参数类，结构类，功能类，规则类，实例类和方案类六个部分，并建立各部分知识之间的联系。3.根据权利要求1所述的一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：将需设计的马铃薯收获机的总体设计要求(包括马铃薯收获机作业的作物类型，工作地域和农艺要求)通过分类和约简的方法分解并按照重要性排序，然后将分解并排序后的设计要求映射为知识库中需实现的具体功能。具体功能确定后，将其映射到知识库结构类，并从中查找出确定可以实现功能的相应结构，并对确定好的结构集合进行约束求解和功能解耦(避免出现结构干涉的现象)，最终得到设计方案。约束求解和功能解耦具体过程如下：(1)将结构适用范围作为补充条件，加入功能-结构映射，得到方案；(2)判断功能-结构映射后，功能与结构是否一一对应，是则输出方案(3)若功能与结构并非一一对应，则重新在知识库中进行查找备用机构进入结构集，直至功能和结构一一对应。然后将结果推送给用户，由用户判断是否进入下一步。4.根据权利要求1所述的一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：确定方案后，开始进行详细设计，这一步通过实例推理和规则推理来完成。首先，将设计方案所确定的结构集s与知识库中已有的方案的结构集合s进行相似度匹配。通过两个结构集合中结构，零件和特征一一比较，得到相似度匹配值。如果匹配达到相似度一致，就采用这个方案，并进一步取用该方案对应的实例，否则就根据已有的知识和规则推理出马铃薯收获机的主要零件参数，对主要零件进行设计并将其与选好的标准件通用件一起进行装配。规则推理往往采用产生式规则表示法，即“if a then b，即如果a成立则b成立。5.根据权利要求1所述的一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于：所述步骤6的具体过程为：详细设计完成后，输出三维模型和产品图纸。对三维模型进行离散元和静力学仿真。通过离散元仿真模拟土壤与机具相互作用特征与过程，可以检验设计完成的马铃薯收获机的作业效果。通过静力学仿真可以检验模型的机构强度。经两者检验均为合格，则视为产品合格，否则认为产品结构不合格。6.根据权利要求1所述的一种马铃薯收获机的智能设计方法，其特征在于：所述步骤7
的具体过程为：产品检验合格后，可以通过遗传算法来对产品主要结构(挖掘装置和薯土分离装置)参数进行优化。(1)首先构建目标函数,两者分别以伤薯率y1和y2为设计目标。设挖掘装置设计相关变量为铲刃倾角γ，铲面倾角α，铲长度l和铲幅宽s；薯土分离装置设计相关变量为物料进给速度v1，运行速度v2，振幅a和振频f1。通过力学分析分别构建两者目标函数如下。y1＝f(γ,α,l,s)y2＝f(v1,v2,a,f1)(2)对(1)所涉及的各个设计变量以分别一变量取值范围构建约束条件，并与(1)中目标函数进行联立，完成优化数学模型构建。(3)完成优化数学模型构建后，分别设置初始化种群，交叉概率，变异概率，终止迭代次数的具体数值，运用遗传算法对参数进行优化。最终得到最优化的模型并进行输出。7.一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述系统包括用户需求模块，概念设计模块，结构设计模块，设计优化模块和知识库模块。所述用户输入模块与概念设计模块相连接，所述用户输入模块需要用户输入需设计的马铃薯收获机作业的作物类型，工作地域和农艺要求，用于存储马铃薯收获机的总体设计要求。所述概念设计模块与结构设计模块和知识库模块中方案子模块相连，模块用于求解马铃薯收获机的设计方案。所述结构设计模块与评价优化模块和知识库模块中结构子模块相连，用于马铃薯收获机的详细设计，可将概念设计模块提出的方案通过计算生成三维模型和工程图。所述评价优化模块用于评价生成三维模型的可靠性，并优化其结构。所述知识库模块包括功能子模块，结构子模块，参数子模块，实例子模块，规则子模块和方案子模块。8.根据权利要求7所述的一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述用户需求模块中，用户需要输入的是待设计马铃薯收获机作业所面临的工作地域，作物类型及农艺要求，输入的内容最后将汇总为马铃薯收获机的总体设计要求。9.根据权利要求6所述的一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述的概念设计模块包括功能映射组合模块，结构映射组合模块，功构映射求解模块和方案评价模块四个子模块；通过概念设计模块求解马铃薯收获机设计方案的过程为：(1)通过功能映射组合模块将用户输入的马铃薯收获机总体设计要求，与知识库模块中的功能子模块中知识进行匹配组合，将设计要求变换成子功能集。(2)通过结构映射组合模块将上一步得到的子功能集与知识库中的结构子模块中知识进行匹配组合，将子功能集变换为结构集合。(3)通过功能-结构映射求解模块，将上一步得到的结构集合加入设计约束，求解得到合理的设计方案。(4)通过方案评价模块与知识库模块中方案模块进行交互，从以往方案中选择相似度高的方案进行推送，由设计者对方案进行初步评价，符合评价标准即可进行下一步马铃薯收获机的结构设计，否则返回重新进行设计。
10.根据权利要求7所述的一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述结构设计模块包括产品推理设计模块和模型及工程图输出模块两个子模块。通过结构设计模块获得需设计马铃薯收获机的三维模型和工程图的过程为：(1)通过产品推理模块将上一步得到的产品设计方案与知识库中的结构子模块中的实例匹配进行推理，首先通过结构相似度匹配得到所选的模型大类，然后在大类内进行匹配得到最相似的实例。如果实例相似度达到相似阈值(由专家确认)，则直接调动实例库中的实例；如果相似度未达到相似阈值，则通过知识库中的规则部分中的规则对设计好的产品方案进行参数计算，得到参数后进入模型和工程图输出模块。(2)若方案采用相似实例，则模型和工程图输出模块直接输出实例模型和工程图；否则将相似实例按照计算的参数进行变换，然后输出模型和工程图。11.根据权利要求7所述的一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述评价优化模块包括产品模型仿真模块和产品模型优化模块两个子模块。评价优化模块评价三维模型可靠性，并优化其结构的过程为：(1)通过产品模型仿真模块对设计好的马铃薯收获机三维模型进行离散元和静力学仿真，如果仿真结果与参数知识库中参数比较，满足伤薯率≤2％，明薯率≥96％的国家标准且符合国家规定的结构强度，则评价为合格，进入产品模型优化模块；否则返回重新设计。(2)通过产品模型优化模块调用遗传算法对生成模型主要结构进行参数优化，输出优化后的三维模型及工程图。12.根据权利要求7所述的一种马铃薯收获机的智能设计系统，其特征在于：所述知识库模块包含功能子模块，结构子模块，参数子模块，规则子模块，方案子模块和实例子模块。(1)功能子模块中包含了大多数马铃薯收获机工作所需要的功能元(即不可再进行划分的功能)；(2)结构子模块中包括通用件(大多数马铃薯收获机所通用的结构)，专用件(薯土分离装置和挖掘装置)，标准件(螺栓，螺母等)三大模块；(3)参数子模块中包含着马铃薯收获机的作业环境参数，需作业的作物力学参数以及种植模式；(4)规则子模块中包含设计专用零件所需的公式，随专用件变化辅助零件的参数以及模型参数选择规则和零件装配规则；(5)方案子模块中存储马铃薯收获机已有设计方案和相关设计方法；(6)实例子模块中存储有分类清晰的已完成的马铃薯整机实例。

技术总结
本发明为一种基于知识工程的马铃薯收获机智能设计方法及系统，属于农业机械设计领域。用户直接输入设计要求，就可以借助系统知识库和计算机强大的计算功能按照拟定的设计流程实现马铃薯收获机的设计知识重用，完成马铃薯收获机的智能设计和优化，最终得到符合设计要求的马铃薯收获机三维模型和工程图。本发明可以大大提高马铃薯收获机的设计效率，减少了工程师的工作量。同时概念设计中的方案评价和产品模型完成后的仿真验证可以使设计完成的马铃薯收获机更加精准可靠，减少了设计误差和设计返工，节省了大量设计成本。节省了大量设计成本。节省了大量设计成本。


技术研发人员：周宇峰 王凤花 熊海辉 耿俊豪 孙喆兴
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2023/7/22