大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺研究與設(shè)計

馮 琛

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

目前，智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。黨和國家高度重視農(nóng)業(yè)建設(shè)，尤其是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)，2021年中央一號文件提出，智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，是進(jìn)一步解放生產(chǎn)力、激發(fā)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的內(nèi)生動力。智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)已經(jīng)成為我國推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的重要內(nèi)容。黨的十九屆五中全會通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，明確提出要建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化[1-3]。我國目前建設(shè)的智慧監(jiān)管平臺主要集中在工業(yè)，對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備缺乏科學(xué)有效的監(jiān)管，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備一旦發(fā)生故障，一方面影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，另一方面甚至?xí)斐砂踩鹿蔥4-5]。為此，對于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)而言，設(shè)計和裝備安全智慧管理平臺，進(jìn)而監(jiān)控大型機(jī)械在生產(chǎn)中的運(yùn)行狀態(tài)，顯得尤為重要[6-7]。

1 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理現(xiàn)狀及重要性

1.1 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安全智慧管理的核心就是農(nóng)業(yè)機(jī)械的有效監(jiān)控，當(dāng)前使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控產(chǎn)品發(fā)展大致經(jīng)歷四個發(fā)展階段[8]：第一代主要以監(jiān)控類設(shè)備為代表，結(jié)合機(jī)械類型的開關(guān)進(jìn)行故障和相關(guān)作業(yè)的預(yù)警；第二代是以監(jiān)控發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為主的單個儀表和燈光結(jié)合監(jiān)控指示，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān)控項(xiàng)目有限；第三代主要是基于現(xiàn)代電子技術(shù)的多個智能報警器聯(lián)合，其監(jiān)測機(jī)械的功能較多，監(jiān)測結(jié)果以數(shù)字顯示為主，預(yù)警方式仍以燈光報警為主；第四代是產(chǎn)品以組合儀表、智能報警器為主，較以往增加了畫面監(jiān)控的功能，其顯示效果更為直觀?？傊?，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安全智慧管理平臺建設(shè)雖取得了一定成效，但是其產(chǎn)品仍存在問題，即農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)不能夠有效串聯(lián)和整合，不能夠及時反饋給用戶、生產(chǎn)商和經(jīng)銷商。特別到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高峰期，車輛一旦出現(xiàn)問題，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1.2 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理重要性

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動者在提升生產(chǎn)效率和舒適度方面有了更高的要求，這就促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著自動化和信息化方向發(fā)展。這有助于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械安全，提高從業(yè)者工作的便利性和舒適性以及安全性。目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境相比于以往有了較大改善，但是環(huán)境依舊很差，勞動強(qiáng)度大，不能夠體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提升。為此，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的智能化勢在必行。在發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的智能化過程中，首先，要充分體現(xiàn)以人為本的理念，將操作人員的舒適性和安全性放在首位。其次，要考慮設(shè)備性能問題。在保證機(jī)械正常運(yùn)行基礎(chǔ)上，做好相關(guān)安全智慧監(jiān)測，保障人員安全。事實(shí)上，在欠發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)業(yè)機(jī)械事故頻發(fā)，嚴(yán)重的甚至威脅人身安全，例如小麥聯(lián)合收割機(jī)、棉花打包機(jī)等常常發(fā)生火災(zāi)等。

2 農(nóng)業(yè)裝置安全管理存在的問題及應(yīng)對策略

目前，我國農(nóng)業(yè)裝置安全管理方面主要存在以下幾方面的問題：1）多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造企業(yè)從設(shè)計制造流程到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，均缺乏智慧安全管理意識，缺乏一體化的智慧監(jiān)測平臺。2）農(nóng)業(yè)大型機(jī)械生產(chǎn)商建設(shè)的監(jiān)控平臺多是二維管理平臺，缺乏三維立體式的監(jiān)控，不能真實(shí)有效監(jiān)管農(nóng)業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。3）監(jiān)測大多依靠人工巡檢，對于隱患的監(jiān)測不夠全面和及時，往往是發(fā)生故障后才知曉。在處理故障時對事故現(xiàn)場不熟悉，應(yīng)急響應(yīng)延遲，處置效率低下[9-10]。

面對上述農(nóng)業(yè)裝置安全管理存在的問題，筆者認(rèn)為應(yīng)采取以下幾方面的措施：1）開發(fā)建設(shè)基于三維模擬場景的信息平臺建設(shè)，即利用現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段與通信技術(shù)融合，構(gòu)建起現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)設(shè)備智慧管理平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時收集和監(jiān)測，分析可能發(fā)生的故障并進(jìn)行重點(diǎn)領(lǐng)域的防范。2）通過對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械在運(yùn)行過程中可能遇到的故障和事故（碰撞、側(cè)翻、自燃、失控等）進(jìn)行模擬并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，制定行之有效的安全操作規(guī)程，為相關(guān)應(yīng)急救援提供支撐。

3 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺建設(shè)原則和解決方案設(shè)計路線

3.1 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺建設(shè)原則

為使大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺能夠滿足農(nóng)牧行業(yè)各級安全監(jiān)管部門開展安全監(jiān)管工作的需要和企業(yè)及農(nóng)戶實(shí)時監(jiān)測的需要，保證系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性、可靠性和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)信息的交換與共享，農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺建設(shè)應(yīng)遵循以下原則：1）遵循國家電子政務(wù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。農(nóng)牧行業(yè)安全生產(chǎn)隱患排查信息化系統(tǒng)作為安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)察領(lǐng)域電子政務(wù)組成部分，基于數(shù)據(jù)共享的考慮，依托已建基礎(chǔ)支撐環(huán)境建設(shè)，遵循國家電子政務(wù)相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。2）科學(xué)合理性?？茖W(xué)性是標(biāo)準(zhǔn)化的最基本原則，是采用所述標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的根本保障。要充分體現(xiàn)安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)信息化的發(fā)展方向，保持與安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)信息化發(fā)展階段的一致性和兼容性。3）靈活性和適應(yīng)性。將安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)信息化發(fā)展中所涉及的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致、相互融通，保證標(biāo)準(zhǔn)的通用性。交換標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)性能應(yīng)該不限定于具體計算機(jī)廠商的產(chǎn)品和平臺。4）發(fā)展預(yù)見性。信息系統(tǒng)建設(shè)會隨著安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)的發(fā)展而發(fā)展。隱患排查信息系統(tǒng)的建設(shè)，一方面，要依據(jù)目前的安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)信息化水平；另一方面，要對安全生產(chǎn)隱患排查業(yè)務(wù)信息化發(fā)展方向有所預(yù)見，預(yù)留恰當(dāng)?shù)墓δ芎徒涌?，以利于未來進(jìn)行及時調(diào)整，滿足隱患排查工作需要。

3.2 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺技術(shù)路線

解決上述農(nóng)機(jī)設(shè)備安全存在的問題，目前采取的技術(shù)路線主要是采用三維的激光掃描技術(shù)獲取大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的三維數(shù)字模型，經(jīng)專業(yè)建模軟件生成數(shù)字化可視模型，再將數(shù)字化模型與傳感器獲取的數(shù)據(jù)加以融合。這樣，可以通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)借助數(shù)字化模型分析和預(yù)警水災(zāi)、火情以及側(cè)翻等情況，并結(jié)合農(nóng)業(yè)大型機(jī)械歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對運(yùn)行狀態(tài)做出判斷，科學(xué)地做出維修預(yù)判。這樣的過程是通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，形成web端的三維可視化平臺，傳送至監(jiān)管方和企業(yè)以及用戶。

4 農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺方案設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)感知及預(yù)警方案設(shè)計

按照農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺的設(shè)計方案，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行的感知數(shù)據(jù)和預(yù)警主要依賴于傳感器監(jiān)測，通過傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理器分析是否達(dá)到安全閾值進(jìn)而做出判斷。數(shù)據(jù)的監(jiān)測和預(yù)警的具體過程，首先是傳感器獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，再通過數(shù)據(jù)可視化分析，將獲取的數(shù)據(jù)與三維場景融合，進(jìn)行健康風(fēng)險的評估。其原理是傳感器獲取數(shù)據(jù)與安全閾值對比，若獲取的數(shù)據(jù)未超過安全閾值，系統(tǒng)則不提醒；若超過安全閾值，系統(tǒng)將實(shí)時定位傳感器的相關(guān)位置，發(fā)出預(yù)警信息，提示管理者采取相關(guān)的安全措施，其警示信息通過聲音或者光電信息傳導(dǎo)至大型農(nóng)業(yè)機(jī)械操作者。

4.2 大型農(nóng)機(jī)安全智慧管理系統(tǒng)的構(gòu)建

大型農(nóng)業(yè)機(jī)械安全智慧管理系統(tǒng)是基于web端的三維可視化系統(tǒng)，其系統(tǒng)分五層構(gòu)架（基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用支持層、應(yīng)用系統(tǒng)層）?；A(chǔ)設(shè)施層主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成，承擔(dān)基礎(chǔ)物理支持作用；數(shù)據(jù)存儲層由數(shù)據(jù)獲取裝置、數(shù)據(jù)傳輸模型以及數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)構(gòu)成，功能是數(shù)據(jù)的傳輸及存儲；數(shù)據(jù)訪問層由空間數(shù)據(jù)訪問算法組成的訪問引擎等構(gòu)成，起到數(shù)據(jù)調(diào)取的作用；應(yīng)用支持層由GIS、三維建模、統(tǒng)計分析模塊組成，起到對可視化系統(tǒng)的支持；應(yīng)用系統(tǒng)層由可視化的模塊構(gòu)成的三維系統(tǒng)組成，起到系統(tǒng)管理、監(jiān)測管理信息等作用。

4.3 技術(shù)模塊的構(gòu)建和銜接

各個模塊的信息處理后都可以從所述終端進(jìn)行顯示，設(shè)置為觸摸顯示屏，可進(jìn)行觸摸操作，用于調(diào)出用戶所需的畫面，也可以進(jìn)行設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。通過接口裝置連接便攜式PC機(jī)后，可以在便攜式PC服務(wù)器上查看車輛的實(shí)時工作運(yùn)行狀態(tài)。車輛如果出現(xiàn)故障，觸摸屏上會顯示故障代碼，售后服務(wù)人員就能夠遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場人員對有故障的車輛進(jìn)行維修，保持整機(jī)廠、經(jīng)銷商、用戶的無縫銜接。能夠確保車輛從出廠到實(shí)際的工作地點(diǎn)全程監(jiān)控和出現(xiàn)故障第一時間進(jìn)行修復(fù)，大大減少了整機(jī)廠和經(jīng)銷商的售后支出，同時也極大地方便了用戶，保證了農(nóng)忙時節(jié)的正常收割，真正實(shí)現(xiàn)了多方共贏。

采用CAN總線技術(shù)，整合了智能報警器、組合儀表、視頻監(jiān)控畫面、液壓控制系統(tǒng)等多種功能，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。并且所有的數(shù)據(jù)能夠存儲，相關(guān)機(jī)械的信息數(shù)據(jù)至少能夠保存一個三包服務(wù)周期，各種通信協(xié)議統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時、有效、準(zhǔn)確地傳輸。使用現(xiàn)場、中間銷售以及遠(yuǎn)程生產(chǎn)商共同建立了一個將信息數(shù)據(jù)共享共管的智能管理系統(tǒng)。在充分檢測機(jī)械自身狀況的情況下，通過綜合分析，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)廠—經(jīng)銷商—用戶—田間地頭—生產(chǎn)過程—收獲產(chǎn)品的全程信息化管理。將車輛信息、故障代碼、生產(chǎn)檔案、使用情況、工作狀況等納入信息平臺，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品收割過程可控制、故障可追溯、問題可落實(shí)。以嵌入式系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)機(jī)械智能產(chǎn)品為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)信息自動獲取、傳輸與處理，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)及工作環(huán)境實(shí)時監(jiān)控，以無線傳輸與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為承載，實(shí)現(xiàn)作業(yè)地點(diǎn)車輛狀態(tài)信息的無線傳輸，保證作業(yè)機(jī)械的正常生產(chǎn)。

5 大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺實(shí)現(xiàn)途徑

大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理對于農(nóng)業(yè)行業(yè)安全和健康運(yùn)行有著積極作用，如何將技術(shù)方案落地并推動其發(fā)展是當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

5.1 制定大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧平臺應(yīng)用規(guī)劃

為建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧平臺，推廣大范圍使用，促進(jìn)現(xiàn)代化的智能農(nóng)業(yè)發(fā)展，需要以智慧管理平臺為專項(xiàng)的規(guī)劃設(shè)計，實(shí)現(xiàn)線上與線下融合采集和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化處理。同時，相關(guān)部門配套相關(guān)政策，給予政策支持，實(shí)現(xiàn)信息整合，進(jìn)而加強(qiáng)大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧平臺的規(guī)范化管理。

5.2 健全農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)和人才培養(yǎng)體系

發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，確保大型農(nóng)業(yè)設(shè)備安全智慧平臺的建設(shè)，就需要建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理隊伍，相關(guān)的部門更要為此建立高效的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理系統(tǒng)，便于直觀地監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，將虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理的各系統(tǒng)之間的智能網(wǎng)絡(luò)化。在人才培養(yǎng)方面，注重政策的引導(dǎo)，激勵更多人才加入到農(nóng)業(yè)信息化的研究中。再者，加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)機(jī)械從業(yè)人員的定期培訓(xùn)和考核，做到理論聯(lián)系實(shí)際，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

5.3 加大技術(shù)研發(fā)和政策支持力度

目前，在完善大型農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面，可以從機(jī)械購置的補(bǔ)貼政策和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面入手，加大對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械購置的補(bǔ)貼力度，同時匹配智能化的安全管理平臺，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的供給能力和安全保證能力。此外，政府還可進(jìn)一步對涉及大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安全智慧管理平臺方面的前沿技術(shù)研究在項(xiàng)目立項(xiàng)上予以支持，例如傳感器技術(shù)、智能決策系統(tǒng)等。

6 結(jié)語

綜上所述，智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，同時也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安全智慧管理平臺的建設(shè)，符合我國智慧農(nóng)業(yè)安全建設(shè)的內(nèi)涵，針對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安全中出現(xiàn)的問題，通過建設(shè)智慧管理平臺，打通生產(chǎn)企業(yè)—經(jīng)銷商—用戶—田間地頭—生產(chǎn)過程—收獲產(chǎn)品的全程信息化數(shù)據(jù)流通。綜合決策，防止安全事故發(fā)生，制定完善大型農(nóng)業(yè)設(shè)備安全智慧平臺的應(yīng)用規(guī)劃，建立健全專業(yè)化的農(nóng)業(yè)機(jī)械管理系統(tǒng)和人才培養(yǎng)體系，同時加大大型農(nóng)機(jī)設(shè)備安全智慧管理平臺技術(shù)研發(fā)和政策支持，推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。