基于B/S 架構(gòu)的收割機(jī)軌跡數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)

白富強(qiáng)

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化高速發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了不同類型的農(nóng)機(jī)設(shè)備，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如果對(duì)農(nóng)機(jī)缺少監(jiān)管，不了解農(nóng)機(jī)的運(yùn)行情況，將無法對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，降低農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率。為了高效完成生產(chǎn)作業(yè)，需要加強(qiáng)農(nóng)機(jī)監(jiān)控和農(nóng)機(jī)調(diào)度，將B/S 架構(gòu)應(yīng)用在調(diào)度系統(tǒng)中。B/S 架構(gòu)即Browser/Server 架構(gòu)，主要表示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，在該架構(gòu)模式下，將各個(gè)客戶端集中到一起，完善服務(wù)器的功能，利用瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式開發(fā)收割機(jī)軌跡數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和應(yīng)用。在多種農(nóng)機(jī)設(shè)備中，收割機(jī)是一種常用的農(nóng)機(jī)，要想有效控制收割機(jī)，提高收割機(jī)的作業(yè)效率，需要加強(qiáng)監(jiān)控，建立可視化分析系統(tǒng)，在B/S 架構(gòu)的支持下分析收割機(jī)的運(yùn)行軌跡，將軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖像，實(shí)時(shí)顯示收割機(jī)的行駛軌跡，為工作人員提供參考，提高收割機(jī)的可視化水平和管理水平，保證收割機(jī)調(diào)度的合理性。

1 收割機(jī)軌跡數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

在前期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要科學(xué)規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，只有結(jié)構(gòu)框架足夠合理，才能夠保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)獲取收割機(jī)運(yùn)行的軌跡數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)判斷收割機(jī)的運(yùn)行狀況。根據(jù)B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，以服務(wù)器為核心，將不同的瀏覽器集中到一起，使各個(gè)瀏覽器與服務(wù)器相連。同時(shí)，服務(wù)器還連接著數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。為了獲取收割機(jī)的軌跡數(shù)據(jù)，需要安裝傳感器，利用該裝置收集收割機(jī)的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。獲得收割機(jī)的運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器會(huì)分析軌跡數(shù)據(jù)，在應(yīng)用服務(wù)器上形成可視化分析圖像，工作人員可以直觀地觀察收割機(jī)的軌跡路線，確保收割機(jī)管理人員能夠充分掌握農(nóng)機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，收割機(jī)的駕駛?cè)藛T也能夠了解當(dāng)前的軌跡信息[1]。

在可視化分析系統(tǒng)架構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要構(gòu)建MySQL 數(shù)據(jù)庫，要想順利進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，還要運(yùn)用Web 技術(shù)，根據(jù)B/S 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該架構(gòu)能夠?yàn)閿?shù)據(jù)交互提供支持，確保應(yīng)用服務(wù)器可以正常獲取數(shù)據(jù)，并在B/S 架構(gòu)的支持下對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行訪問。該系統(tǒng)不僅具有可視化分析功能，還具有可查詢功能，收割機(jī)的管理人員可以在Web 瀏覽器上查看可視化信息。當(dāng)收割機(jī)處于行駛狀態(tài)時(shí)，傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)可以分析和可視化處理數(shù)據(jù)，工作人員能夠直接在瀏覽器上查看農(nóng)機(jī)的行駛軌跡，根據(jù)收割機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)度，綜合分析各個(gè)農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況，合理規(guī)劃收割機(jī)的軌跡路徑，駕駛?cè)藛T按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行駕駛，如果收割機(jī)的軌跡發(fā)生偏差，駕駛?cè)藛T能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差情況，調(diào)整收割機(jī)的行駛方向[2]。

2 收割機(jī)軌跡跟蹤分析

2.1 收割機(jī)割刀的受力分析

為了分析收割機(jī)的運(yùn)行軌跡，對(duì)韭菜收割機(jī)進(jìn)行研究。該收割機(jī)最主要的裝置是割刀電機(jī)，割刀電機(jī)會(huì)直接影響收割機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，必須科學(xué)設(shè)計(jì)割刀電機(jī)，分析切割韭菜時(shí)割刀的受力情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇特別定制的夾具，用該工具緊緊夾住20 根韭菜，將其固定之后，需要使用割刀，利用該工具進(jìn)行收割，將韭菜切斷。在切斷的過程中，需要精確記錄割刀的受力情況，一共展開6 組實(shí)驗(yàn)，計(jì)算割刀的平均受力數(shù)據(jù)，得到割刀受力的數(shù)值為4.6 N。割刀割斷韭菜的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行余擺線運(yùn)動(dòng)，割刀和韭菜相接處的部位就是割刀運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小速度，可以根據(jù)割刀的前進(jìn)速度和半徑進(jìn)行計(jì)算，得到割刀刀片的最小速度。使用韭菜收割機(jī)的時(shí)候，若切割的速度過慢，則無法保證韭菜的完整性，易導(dǎo)致根部受到破壞，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置切割速度。為了獲得最佳的切割速度，展開實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，割刀速度處于12 m/s~32 m/s 時(shí)，破壞性最小，能夠更好地保證韭菜的完整性，提高韭菜切割的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)主要選擇了半徑為10 cm 的割刀，根據(jù)割刀的半徑進(jìn)行計(jì)算，能夠得到韭菜收割機(jī)中割刀的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速主要處于1 800 r/min~8 500 r/min。

2.2 割刀電機(jī)

參考割刀半徑和轉(zhuǎn)速，選擇合適的割刀電機(jī)，根據(jù)特定型號(hào)的割刀電機(jī)展開研究，主要使用了57BL75S10-280TF9 高速直流無刷電機(jī)，該電機(jī)對(duì)能源的消耗量較少，該型號(hào)割刀電機(jī)的額定電壓為24 V，額定電流為4.2 A，額定功率為100 W，割刀電機(jī)的額定扭矩為0.12 N·m，電機(jī)中一共包含4 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)的額定速度為8 000 r/min。

2.3 收割機(jī)運(yùn)行軌跡分析

為了以可視化的形式展示收割機(jī)運(yùn)行路徑，需要在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的過程中收集軌跡數(shù)據(jù)。捕捉動(dòng)態(tài)目標(biāo)和捕捉靜態(tài)目標(biāo)的方式存在較大差異，要想獲取收割機(jī)行駛過程中的圖像，應(yīng)當(dāng)采用圖像逼近法，利用該方法得到實(shí)時(shí)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行掃描?？梢暬治鱿到y(tǒng)主要運(yùn)用了圖像幀間差分算法，在差分運(yùn)算過程中，需要參考每一幀圖像的灰度值，該算法能夠有效捕捉動(dòng)態(tài)的目標(biāo)圖像。但需要注意的是，在對(duì)圖像進(jìn)行處理的過程中，有可能會(huì)出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，為了解決該問題，應(yīng)當(dāng)使用外接矩形的處理手段[3]。

識(shí)別目標(biāo)圖像的時(shí)候，在周邊區(qū)域設(shè)置外接矩形，處理目標(biāo)圖像時(shí)，去除收割機(jī)目標(biāo)圖像的第一幀圖像，以此來確定目標(biāo)區(qū)域，提升動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕捉的精確性。另外，處理收割機(jī)目標(biāo)圖像之前，還要應(yīng)用迭代計(jì)算法，對(duì)其進(jìn)行降噪，減弱噪聲對(duì)圖像的影響。經(jīng)過幀間差分和迭代處理，得到最終的識(shí)別結(jié)果。如果單純使用分裂迭代計(jì)算方法，將會(huì)得到大量的圖像，為了更好地處理這些圖像，還要使用模糊分類方法，將這兩種方法相結(jié)合，采用幀間差分分裂迭代模糊聚類處理方式，可以有效提升收割機(jī)軌跡信息的精確度。應(yīng)用該方法的過程中，需要確定收割機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行迭代去噪，經(jīng)過模糊聚類處理之后，識(shí)別目標(biāo)特征，獲取空間信息，通過目標(biāo)逼近獲取最終的目標(biāo)數(shù)據(jù)[4]。

可視化分析系統(tǒng)對(duì)聚類K-means 算法進(jìn)行了應(yīng)用，該算法能夠使系統(tǒng)更加智能，應(yīng)用該算法的過程中，可以根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行處理，收集收割機(jī)軌跡數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析軌跡數(shù)據(jù)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分類的過程中，需要運(yùn)用關(guān)聯(lián)算法，在分類之前，編制數(shù)據(jù)記錄表，建立數(shù)據(jù)記錄候選集，分析各個(gè)數(shù)據(jù)的關(guān)系，根據(jù)彼此的關(guān)系展開分類工作，通過運(yùn)算得到聚類中心，可以根據(jù)分類結(jié)果判斷收割機(jī)的狀況，智能診斷收割機(jī)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題[5]。

經(jīng)過模糊聚類處理之后，可以得到準(zhǔn)確的位置，根據(jù)具體的位置確定收割機(jī)行駛軌跡。在可視化分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)編程主要運(yùn)用了C 語言，構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，主要在ASP.NET 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，ASP.NET 屬于Web 技術(shù)，能夠?yàn)槌绦蜷_發(fā)提供幫助，確保不同類型的瀏覽器都能夠查看收割機(jī)的運(yùn)行軌跡。為了更好地處理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)SQL 數(shù)據(jù)庫，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，確保農(nóng)機(jī)管理人員可以在遠(yuǎn)程終端查看收割機(jī)運(yùn)行路徑。為了測(cè)量收割機(jī)和作物之間的距離，需要使用平移傾斜裝置，對(duì)相機(jī)進(jìn)行操控，以此來判斷農(nóng)作物的距離。要想得到精確的位置，可以利用GPS 進(jìn)行定位，還可以使用IMU慣性測(cè)量裝置[6]。

3 基于B/S 架構(gòu)的收割機(jī)軌跡數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了科學(xué)調(diào)度收割機(jī)和其他農(nóng)機(jī)設(shè)備，需要設(shè)計(jì)可視化分析系統(tǒng)，以可視化的方式展示農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡，掌握農(nóng)機(jī)設(shè)備的作業(yè)情況，為農(nóng)機(jī)管理人員提供參考。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用多臺(tái)收割機(jī)時(shí)，必須做好調(diào)度管理工作，規(guī)劃不同收割機(jī)的行駛路徑，保證行駛路徑的合理性，提高農(nóng)作物收割效率。在可視化分析系統(tǒng)的應(yīng)用中，工作人員需要在系統(tǒng)中注冊(cè)賬戶，登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)農(nóng)機(jī)設(shè)備的相關(guān)信息。為了保證系統(tǒng)的登錄功能正常發(fā)揮作用，需要運(yùn)用Lginjsp，還要運(yùn)用Java 語言，對(duì)賬號(hào)和密碼進(jìn)行檢查。用戶登錄系統(tǒng)的時(shí)候，需要輸入信息，系統(tǒng)前端驗(yàn)證成功之后，繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)后端驗(yàn)證，完成驗(yàn)證后，用戶就能夠順利登錄系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用了Java 語言，確保系統(tǒng)模塊能夠發(fā)揮作用。對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了Web 服務(wù)器平臺(tái)，該平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，能夠?yàn)橛脩籼峁┺r(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行軌跡圖像[7]。

可視化分析系統(tǒng)能夠?yàn)槭崭顧C(jī)調(diào)度工作提供幫助，是收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的重要組成部分，調(diào)度系統(tǒng)由不同部分構(gòu)成，除了可視化分析系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)還包括通信網(wǎng)絡(luò)、GPS、調(diào)度臺(tái)、手持終端等。收割機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的功能比較完善，不僅能夠精確定位，還能夠以可視化圖像的形式展示運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)設(shè)備的位置和行駛路徑展開調(diào)度工作，滿足不同業(yè)務(wù)的需求。為了增加農(nóng)機(jī)軌跡數(shù)據(jù)可視化顯示的功能，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)會(huì)接收到大量的軌跡數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收任務(wù)后，系統(tǒng)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和存儲(chǔ)，根據(jù)服務(wù)請(qǐng)求展開工作，科學(xué)處理收割機(jī)運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行效率受到影響，為了提升系統(tǒng)的性能，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)的硬件配置架構(gòu)，科學(xué)設(shè)計(jì)服務(wù)器，確保系統(tǒng)能夠高效完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)[8]。

可視化分析系統(tǒng)中最關(guān)鍵的裝置為服務(wù)器，主要包括兩種類型的服務(wù)器，一種是可視化數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為了更好地管理數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中應(yīng)用了MySQL數(shù)據(jù)庫對(duì)該服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要選擇了1 T×8 的硬盤，服務(wù)器的內(nèi)存為16 GB×8；另一種是應(yīng)用服務(wù)器，這種服務(wù)器主要使用了512 GB×2 的硬盤，服務(wù)器的內(nèi)存為8 GB×4。另外，要想對(duì)運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，需要在64 位Windows 系統(tǒng)中進(jìn)行操作。在系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)會(huì)獲取收割機(jī)運(yùn)行過程中的位置信息，對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶可以登錄瀏覽器，在瀏覽器頁面查看設(shè)備運(yùn)行軌跡圖像，掌握收割機(jī)當(dāng)前的位置和行駛路徑，用戶還可以查看收割機(jī)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)和軌跡圖像，進(jìn)行科學(xué)調(diào)度和管理[9]。

展開大面積的收割作業(yè)時(shí)，往往要使用多臺(tái)收割機(jī)同時(shí)開展作業(yè)時(shí)，這就很容易產(chǎn)生混亂的情況，導(dǎo)致收割效率較低。而可視化分析系統(tǒng)能夠顯示收割機(jī)的行駛路徑，根據(jù)各個(gè)收割機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)度，科學(xué)規(guī)劃行駛路徑，收割機(jī)的駕駛?cè)藛T可以按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行操作，使各個(gè)收割機(jī)協(xié)同高效運(yùn)行，有序開展收割作業(yè)，最大程度提高收割效率。管理人員可以利用系統(tǒng)獲取作業(yè)區(qū)域和農(nóng)機(jī)設(shè)備的信息，明確作業(yè)區(qū)域的面積，掌握作業(yè)區(qū)域的具體狀況，判斷作業(yè)區(qū)域是否存在障礙物或急轉(zhuǎn)彎，根據(jù)該區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)駕駛?cè)藛T按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行操作時(shí)，若前方突然出現(xiàn)障礙物，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提醒駕駛?cè)藛T，駕駛?cè)藛T要快速調(diào)整收割機(jī)的行駛方向，繞過障礙物。若行駛過程中出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎，系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出警報(bào)，駕駛?cè)藛T會(huì)更加謹(jǐn)慎，避免在行駛的過程中發(fā)生安全事故[10]。

4 結(jié)論

在對(duì)收割機(jī)進(jìn)行調(diào)度和管理的過程中，為了準(zhǔn)確掌握收割機(jī)的行駛軌跡，需要應(yīng)用B/S 架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要應(yīng)用軌跡動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，以可視化的方式展示收割機(jī)運(yùn)行軌跡。此外，工作人員要科學(xué)規(guī)劃收割機(jī)的行駛路徑，對(duì)收割機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加強(qiáng)對(duì)收割機(jī)的管理，提升收割機(jī)的自動(dòng)化程度，提高收割機(jī)的運(yùn)行效率和作業(yè)質(zhì)量。