2022年9月13日上线论文“大马力拖拉机数字孪生体构建方法”，这篇文章由中国农业大学农机装备数字孪生课题组杜岳峰副教授团队完成。文章面向智能农机装备农业生产过程，提出了大马力拖拉机数字孪生体构建方法，阐述其运行机制。为了验证所提方法的有效性，以大马力拖拉机犁耕作业为例，通过部署拖拉机、中心服务器、物联网平台，开发智能农机装备农业生产系统数字孪生服务平台，构建拖拉机数字孪生体，并开展试验验证。该研究为大马力拖拉机运维控制过程数字孪生体的构建提供了方法框架，可为智慧农业蓬勃发展提供有力支持。

背景：农机装备作为农业先进生产力的核心要素。农机装备作业系统涉及机器-人-环境-社会，受限于农机装备的生产方式、经营模式等，当前装备的设计研发、制造、运维管控、回收利用等环节依然相互独立，农业生产过程中的海量信息未得到充分利用，存在智能农机装备的作业性能不高、生产效率低、农机农艺融合差等突出问题。

方法：本文面向智能农机装备农业生产过程，提出了大马力拖拉机数字孪生体构建方法，阐述其运行机制。为了验证所提方法的有效性，以大马力拖拉机犁耕作业为例，通过部署拖拉机、中心服务器、物联网平台，开发智能农机装备农业生产系统数字孪生服务平台，构建拖拉机数字孪生体，并开展试验验证。

结果：基于该平台开展的拖拉机犁耕作业质量预测服务正确率为96.65%，开环控制下犁耕作业优、良、中、差的组数分别为153、955、1470和1422，采取作业质量闭环控制后，优、良的组数分别增加了378、821，中、差的组数分别减少119、1080，能够有效准确地预测和提升作业质量，验证了所提智能农机装备数字孪生体构建方法的有效性。

结论：该研究为大马力拖拉机运维控制过程数字孪生体的构建提供了方法框架，可为智慧农业蓬勃发展提供有力支持。

关键词：数字孪生、智能农机装备、农业生产系统、拖拉机

农机装备是融合生物和农艺技术，集成先进设计、制造与智能控制、新一代信息通信、新材料等高新技术的信息化、智能化的先进装备。农机装备技术经历了从替代人畜力的机械化阶段，正以电控技术为基础实现自动化应用，并朝着以信息技术为核心的智能化与先进制造方向发展。当前，智能农机装备行业已步入产品设计-制造-验证-优化理论方法和技术方案的全程、全面革新时代，面临设计理念、生产方式、制造技术、验证手段等多元新兴交叉因素的综合冲击与挑战，涉及覆盖农机产品的设计-制造-使用-回收再利用全生命周期。

受传统农机装备产业业态、生产制造模式、经营模式的影响，当前农机装备设计-制造-运维-回收再利用等全生命周期仍然存在信息孤岛，农机装备农业生产过程的海量数据信息未得到充分利用，且农机装备作业系统涉及机器-人-环境-社会等多协同耦合，存在智能农机装备的作业性能不高、生产效率低、农机农艺融合差等突出问题，亟需挖掘农机装备农业生产过程的海量数据信息，形成信息世界和物理世界的双向连接与交互，精准把握农机装备生产过程，优化农机装备资源配置、优化生产活动计划、优化生产过程中的农机装备作业性能，提高装备质量、作业性能与农业生产效率、农艺水平。

数字孪生以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。随着德国工业4.0、中国制造2025等战略的提出和物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的发展，数字孪生技术得到广泛推广。陶飞等提出了数字孪生五维模型、数字孪生标准体系、数字孪生模型评价指标体系等，并探索了数字孪生车间、数字孪生装备等的理论与实现方法，有力的推动了数字孪生蓬勃发展。Zhang等探索建立了一套数字孪生数据构建与处理准则、“获取-存储-交互-关联-融合-演化-服务化”理论方法和数字孪生数据关键技术体系；Palensky等提出了数字孪生在电力和能源系统的应用，协同仿真和协同建模为模型的跨学科性、不同时间尺度和异构性提供了解决手段；He等提出了一种“形性一体化”数字孪生解决方案来实现不同人体姿势下真实腰椎的生物力学性能预测；Lei等探讨了基于web的数字孪生控制算法设计和实时物理孪生控制，构建了数字孪生在线实验室系统；江献良等针对直驱部件负载惯量摄动、系统非线性等特点，提出了一种基于数字孪生模型的复合控制方法，以物理实体数据驱动数字孪生模型参数同步，以数字孪生模型优化物理实体的伺服控制参数。西门子、微软、达索、ANSYS等工业软件巨头纷纷推出数字孪生服务。因此，数字孪生为实现农业生产活动中信息世界和物理世界的交互与共融提供了一种有效手段。

本文针对智能农机装备农业生产系统物理世界与信息世界交互与共融的难题，提出了智能农机装备数字孪生体构建方法，阐述基于智能农机装备数字孪生体的农业生产系统运行机制。为验证所提方法的有效性，通过部署拖拉机、中心服务器、物联网平台，开发智能农机装备农业生产系统数字孪生服务平台，构建拖拉机数字孪生体，开展拖拉机犁耕作业质量预测与优化控制试验。

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