農(nóng)業(yè)機(jī)械性能試驗鑒定智能化系統(tǒng)框架

高江永，侯永勝，張桐林，史海玲，翟學(xué)迪，李軍葉

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定是通過科學(xué)試驗、檢測和考核，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的先進(jìn)性、適用性、安全性和可靠性做出的技術(shù)評價，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用，以及維護(hù)農(nóng)業(yè)機(jī)械用戶、生產(chǎn)單位、銷售單位等各方合法權(quán)益的有力保障，是國家農(nóng)業(yè)機(jī)械化健康發(fā)展的重要技術(shù)支撐。農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定通常分為推廣鑒定和專項鑒定，這兩項鑒定依據(jù)國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及省級相關(guān)部門公布的鑒定大綱，鑒定大綱技術(shù)部分則依據(jù)相關(guān)國家、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定的評價主要有安全性、可靠性、適用性、產(chǎn)品創(chuàng)新性及性能試驗等內(nèi)容。其中，性能試驗主要依據(jù)鑒定大綱和相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，性能試驗需要在農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)狀態(tài)下完成，試驗鑒定過程需要完成記錄被鑒定農(nóng)業(yè)機(jī)械的相關(guān)標(biāo)稱參數(shù)、田間作物及氣象情況、田間試驗過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能數(shù)據(jù)、作業(yè)完成后的作業(yè)效果數(shù)據(jù)。整個檢驗檢測的試驗過程，有許多環(huán)節(jié)需要實驗員或鑒定人員人力完成記錄。上述試驗和鑒定過程測量不便且測量效率較低。

鑒于上述原因，本文首先介紹農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化發(fā)展現(xiàn)狀，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定智能化系統(tǒng)的功能需求，并以農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品、試驗方法等的共性要求為依據(jù)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械性能試驗的智能化試驗鑒定系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究，為后續(xù)建立農(nóng)業(yè)機(jī)械通用或者專用試驗鑒定智能化系統(tǒng)提供參考。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化概況

隨著近年來各類技術(shù)的爆發(fā)式突破和應(yīng)用，關(guān)于智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用和研究成為報道熱點。如在湖北省，基于北斗的智能終端主要安裝在拖拉機(jī)、收割機(jī)、插秧機(jī)、農(nóng)用無人機(jī)4類機(jī)型上，作業(yè)監(jiān)測覆蓋耕整地、播種、植保、收獲、秸稈還田離田5個主要作業(yè)環(huán)節(jié)，解決了農(nóng)業(yè)補貼資金因數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)帶來的管理風(fēng)險[1]。廣東省農(nóng)機(jī)信息化服務(wù)平臺涵蓋播種、插秧、植保、收割和深松等多種農(nóng)業(yè)作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)具，作業(yè)農(nóng)機(jī)需安裝農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端用于農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)信息獲取和傳輸，適配多種不同傳感器實現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)采集[2]。政府等管理部門可以依托遠(yuǎn)程監(jiān)測終端數(shù)據(jù)的信息化服務(wù)平臺實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、狀態(tài)檢測、作業(yè)統(tǒng)計、信息管理、農(nóng)機(jī)調(diào)度和報表統(tǒng)計等功能，用戶或農(nóng)機(jī)手可以通過手機(jī)APP、微信公眾號和電腦客戶端等多類型客戶端使用，用戶也可以通過上述渠道進(jìn)行有效作業(yè)面積查詢、農(nóng)機(jī)實時定位和軌跡查詢，完全實現(xiàn)了高效率的農(nóng)機(jī)和機(jī)手的調(diào)度管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電子與通信技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化成為農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，如在農(nóng)業(yè)機(jī)械農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航和自動駕駛、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控與監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、故障診斷、聯(lián)合調(diào)度及農(nóng)業(yè)補貼的申請和辦理等方面已經(jīng)有諸多報道[3-10]。上述發(fā)展方向所使用的智能或者智慧監(jiān)控檢測系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定的智能化提供了一定參考，但是由于其發(fā)明和使用的目的與農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定不同，造成目前所使用的智能監(jiān)控系統(tǒng)，往往功能相對單一，所用接口較少，核心處理方法等無法滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定方面的使用要求。

2 試驗鑒定系統(tǒng)功能框架

試驗鑒定系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)檢測機(jī)具的識別，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的自動化采集、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計及試驗報告生成，以及相關(guān)試驗過程的記錄與存儲。此外，還應(yīng)具備對鑒定任務(wù)的一些管理功能，如鑒定任務(wù)下達(dá)、任務(wù)查詢、進(jìn)度查詢，相關(guān)鑒定報告結(jié)果查詢，以及鑒定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)查詢等。

根據(jù)以上分析，將試驗鑒定系統(tǒng)功能分為兩個部分：第1個部分為管理功能；第2個部分為試驗記錄與計算功能。其中，主要的管理功能包括鑒定任務(wù)下達(dá)、鑒定任務(wù)查詢、鑒定結(jié)果統(tǒng)計、鑒定任務(wù)進(jìn)度、鑒定過程圖文及視頻資料查閱、鑒定所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)查閱、鑒定報告查閱、鑒定結(jié)果申訴與復(fù)審等。試驗功能包括待檢機(jī)具識別、系統(tǒng)自檢、檢測標(biāo)準(zhǔn)錄入、檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計、檢測數(shù)據(jù)分析、檢測數(shù)據(jù)存儲、鑒定報告生成、試驗與作業(yè)數(shù)據(jù)采集和錄入、鑒定過程視頻、圖文資料存儲與備案。試驗鑒定系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

圖1 試驗鑒定系統(tǒng)功能框架Fig.1 Framework of test and evaluation system function

3 試驗鑒定智能化系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定工作涉及到各級監(jiān)督檢驗部門或農(nóng)業(yè)管理部門、被檢企業(yè)或者生產(chǎn)單位、執(zhí)行鑒定工作的檢測單位或機(jī)構(gòu)。農(nóng)業(yè)機(jī)械性能試驗鑒定的試驗過程通常需要收集3部分信息：田間試驗條件信息，主要包括氣象信息、作物信息、土壤信息及作業(yè)物資的使用情況等；農(nóng)機(jī)作業(yè)性能信息，包括農(nóng)機(jī)動力信息、作業(yè)參數(shù)等性能參數(shù)信息；作業(yè)效果后評價信息。

3.1 主框架

智能化系統(tǒng)主要是解決農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定試驗過程中，缺乏信息化和智能化的問題，提供一種農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定的智能化系統(tǒng)解決方案。為了實現(xiàn)上述目的，智能化農(nóng)機(jī)機(jī)械試驗鑒定系統(tǒng)主框架包括農(nóng)機(jī)試驗鑒定主模塊、田間作業(yè)條件模塊、農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊、田間作業(yè)后評價模塊和云平臺模塊。云平臺模塊通過PC端或者移動端的APP或者微信小程序來實現(xiàn)信息的查詢、錄入、管理等環(huán)節(jié)。被檢企業(yè)/單位、檢測企業(yè)/單位及各級監(jiān)督檢驗部門或其他管理部門，通過PC端或者移動終端，登錄云平臺模塊，進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定相關(guān)業(yè)務(wù)的查詢、咨詢或者實施。主框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Main framework

農(nóng)機(jī)試驗鑒定主模塊包括數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、數(shù)據(jù)報告模塊、視頻與圖文資料模塊和鑒定結(jié)論模塊。數(shù)據(jù)庫模塊的數(shù)據(jù)源來自田間作業(yè)條件模塊、農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊和田間作業(yè)后評價模塊。數(shù)據(jù)報告模塊、視頻與圖文資料等部分，以及鑒定結(jié)論等數(shù)據(jù)傳輸至云平臺模塊。鑒定主模塊框架如圖3所示。

圖3 農(nóng)機(jī)試驗鑒定主模塊框架Fig.3 Main module of test and evaluation system

3.2 田間作業(yè)條件信息框架

田間作業(yè)條件模塊用于采集、記錄和傳輸氣象信息、農(nóng)田信息、作物信息及物資利用與消耗等信息。采集部分包括氣象站、低空遙感、物資計量儀器與傳感器等模塊。氣象信息包含測試場地溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等信息，該部分信息通過氣象站獲得。農(nóng)田信息包含土壤類型、土壤堅實度、地形地貌和土壤水分等信息，農(nóng)田信息通過低空遙感和專用手持儀器獲取。作物信息包含作物種類、植株情況、倒伏情況及其他信息，作物信息亦是采用低空遙感和專用手持儀器獲取。物資利用與消耗信息包括種子情況、化肥情況及其他物資等信息，通過物資計量儀器與傳感器等獲取。

通過各種氣象站、低空遙感、物資計量傳感器及人工現(xiàn)場測定信息的采集和獲取，通過PC端或者移動端(手機(jī)或PAD)上傳至農(nóng)機(jī)試驗鑒定主模塊，而后將相關(guān)信息和分析計算結(jié)果上傳至云平臺。上述田間作業(yè)條件信息采集和收集模塊框架如圖4所示。

圖4 田間作業(yè)條件模塊框架Fig.4 Framework of field operation condition module

3.3 農(nóng)機(jī)作業(yè)性能框架

農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊用于采集、記錄、傳輸農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊包括智能終端、移動終端、若干專用傳感器、通用傳感器及手持儀器儀表等硬件設(shè)施。智能終端和移動終端收集傳感器信息并將該信息傳輸至農(nóng)機(jī)鑒定主模塊的功能。專用傳感器和通用傳感器對作業(yè)過程中的力、扭矩、壓力、功率、流量、位移和速度等信息進(jìn)行測量；發(fā)動機(jī)的ECU具有農(nóng)機(jī)具的動力等發(fā)動機(jī)ECU所能輸出的相關(guān)信息。農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊框架如圖5所示。

圖5 農(nóng)機(jī)作業(yè)性能模塊框架Fig.5 Agricultural machinery operational performance module framework

3.4 田間作業(yè)效果評價框架

田間作業(yè)效果評價主要是對農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效果進(jìn)行評價，評價內(nèi)容依據(jù)農(nóng)機(jī)具類型和種類不同而不同。如苜蓿收獲機(jī)械的作業(yè)后評價可能包括割茬高度測量、牧草含水率、收獲的漏摟率、花葉損失率等。田間作業(yè)后評價模塊包括移動終端、智能終端、作業(yè)效果專用或通用傳感器與儀表，智能終端和移動終端將傳感器或者人工測定的信息收集并傳輸至PC端，再由PC端傳輸至農(nóng)機(jī)試驗鑒定主模塊，并傳遞至云平臺。該部分框架如圖6所示。

圖6 田間作業(yè)效果評價框架Fig.6 Field operation effect evaluation framework

4 試驗鑒定流程框架

智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 試驗鑒定流程Fig.7 Test qualification flow chart

管理部門通過在鑒定系統(tǒng)中下達(dá)鑒定任務(wù)，根據(jù)所下達(dá)的鑒定任務(wù)對被檢單位或企業(yè)的相應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行抽檢樣機(jī)，根據(jù)抽檢樣機(jī)和下達(dá)任務(wù)，確定待檢農(nóng)機(jī)具的類型及相關(guān)標(biāo)稱參數(shù)。根據(jù)檢測單位和所鑒定樣機(jī)，確定試驗地點和時間，根據(jù)試驗現(xiàn)場的氣象條件確認(rèn)具體試驗時間。檢測單位的檢測人員到試驗現(xiàn)場后，通過氣象站及相關(guān)儀器儀表，對試驗現(xiàn)場的氣象、土壤及作物等信息進(jìn)行測定，并將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并傳輸至智能鑒定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊。

根據(jù)檢測任務(wù)和鑒定樣機(jī)，確定現(xiàn)場鑒定工作所需完成的試驗項目；根據(jù)樣機(jī)的試驗項目，確定試驗項目中所使用的儀器儀表傳感器種類與數(shù)量。根據(jù)待檢農(nóng)業(yè)機(jī)械的外形，在待檢農(nóng)業(yè)機(jī)械相應(yīng)位置安裝智能終端、專用/通用傳感器與相關(guān)儀器儀表。在智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)中，識別所安裝硬件設(shè)備，并對所安裝且已經(jīng)完成識別的智能終端、專用/通用傳感器與相關(guān)儀器儀表設(shè)定參數(shù)和量程。

啟動智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)，對完成識別和參數(shù)設(shè)定的智能終端、專用/通用傳感器與相關(guān)儀器儀表等進(jìn)行系統(tǒng)自檢。對待檢農(nóng)機(jī)樣機(jī)啟動前檢查。根據(jù)鑒定大綱和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)相關(guān)要求，啟動農(nóng)機(jī)具，開始進(jìn)行試驗。根據(jù)鑒定大綱和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及智能化系統(tǒng)相關(guān)要求逐個完成單項試驗項目中作業(yè)量和試驗項目。在試驗過程中，通過智能終端自動采集并傳輸專用/通用傳感器與相關(guān)儀器儀表試驗數(shù)據(jù)，并將該試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸至智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊。

根據(jù)鑒定大綱和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及智能化農(nóng)機(jī)鑒定系統(tǒng)相關(guān)要求逐個完成單項試驗項目中作業(yè)效果評價項目。在作業(yè)效果評價試驗過程中，通過智能終端，自動采集并傳輸專用/通用傳感器與相關(guān)儀器儀表試驗數(shù)據(jù)，并將該試驗數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫模塊。

試驗結(jié)束后，數(shù)據(jù)庫模塊對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計、分析和處理。智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)根據(jù)專家系統(tǒng)和鑒定判定依據(jù)，對數(shù)據(jù)庫模塊中鑒定試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，并最終獲得試驗結(jié)果。根據(jù)鑒定試驗的試驗結(jié)果，生成鑒定報告和鑒定結(jié)論。相關(guān)管理人員登錄智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定系統(tǒng)對試驗結(jié)果和鑒定結(jié)果進(jìn)行審核與批準(zhǔn)。完成以上步驟以后，最終進(jìn)行鑒定任務(wù)、鑒定結(jié)果等的公開和發(fā)布。

5 結(jié)束語

本文首先分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化概況，而后給出了智能化系統(tǒng)所具備的功能框架，基于功能框架提出了智能化系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)及試驗鑒定的流程框架，為后續(xù)試驗鑒定智能化系統(tǒng)的構(gòu)建提供技術(shù)與理論依據(jù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械性能試驗鑒定的智能化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定過程中多種傳感器信息的統(tǒng)一采集和傳輸，解決農(nóng)機(jī)試驗鑒定過程中依靠人工采集、人力數(shù)據(jù)處理，效率低、周期長等問題，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定的自動化和智能化，提高檢測效率，降低現(xiàn)場檢驗檢測工作人員勞動強(qiáng)度，有利于提高農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定的信息化和智能化，也有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的健康發(fā)展。