基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法

李 寧

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武威 733000）

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)農(nóng)業(yè)逐漸進(jìn)入機(jī)械化生產(chǎn)階段，在現(xiàn)代技術(shù)的支持下發(fā)展迅速。農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性成為該領(lǐng)域研究人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[1]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行維護(hù)方面，傳統(tǒng)的方法是實(shí)地考察農(nóng)機(jī)作業(yè)，分析設(shè)備運(yùn)行性能。但是，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備類(lèi)型眾多，在我國(guó)分布較廣，傳統(tǒng)方法獲得的信息相對(duì)落后且不全面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)械長(zhǎng)期穩(wěn)定工作才能確保作業(yè)的順利進(jìn)行[2]。在科研工作者和企業(yè)的共同努力下，應(yīng)用車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，可以更加便捷地獲取維護(hù)信息。運(yùn)行管理人員能夠從遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上獲得完整的信息，并根據(jù)實(shí)際情況制定相應(yīng)的操作策略，從而獲得最優(yōu)的運(yùn)行路徑。利用車(chē)輛上的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析機(jī)器的運(yùn)行狀況，預(yù)防故障，降低故障對(duì)工作的影響。在農(nóng)業(yè)機(jī)械故障診斷中，傳統(tǒng)的方法多是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，或是機(jī)器發(fā)生故障無(wú)法正常工作時(shí)再對(duì)其進(jìn)行處理。由于農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境的特殊性和農(nóng)機(jī)作業(yè)周期的特殊性，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際故障診斷和預(yù)報(bào)中效果不佳[3]。因此，開(kāi)展農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的重要趨勢(shì)。基于此，本文在引入大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

為獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)一種包含工控機(jī)、采集板、通用交換路由器（Universal Switching Router，USR） 系 列 通 用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）模塊和霍爾傳感器于一體的采集模塊。工控機(jī)完成對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。采集板和霍爾傳感器構(gòu)成多路數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。GPRS模塊在與通信服務(wù)器建立聯(lián)系后，完成數(shù)據(jù)上傳[4]。此外，利用通信服務(wù)器分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并收集和上傳數(shù)據(jù)。為滿(mǎn)足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需要，結(jié)合瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）結(jié)構(gòu)，將通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及萬(wàn)維網(wǎng)（World Wide Web，Web）服務(wù)器應(yīng)用于該數(shù)據(jù)采集模塊[5]。在一臺(tái)遠(yuǎn)程服務(wù)器上配置通信服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與車(chē)載設(shè)備的通信、數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器用于對(duì)監(jiān)測(cè)要求作出反應(yīng)，根據(jù)收集的信息診斷農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備是否出現(xiàn)故障并在故障時(shí)報(bào)警。還可以利用這一結(jié)構(gòu)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，把通信功能單獨(dú)分離成一個(gè)服務(wù)器，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)大量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集[6]。為確保后續(xù)模型能夠識(shí)別農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照式（1）完成對(duì)數(shù)據(jù)模擬量的轉(zhuǎn)換，即

式中：U為轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)模擬量；Umax為農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)最大值；Umin為農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)最小值；K為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)二進(jìn)制數(shù)值；n為運(yùn)行數(shù)據(jù)維度。

2 建立基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型

得到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)后，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型。圖1為基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型。其中：x1～x6為6個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；y1和y2為模型輸出結(jié)果，y1為正常運(yùn)行狀態(tài)，y2為異常運(yùn)行狀態(tài)，需根據(jù)模型輸出結(jié)果作出相應(yīng)的預(yù)警。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型

假設(shè)在一組采集到的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)V中存在一個(gè)元素Vi，將該數(shù)據(jù)輸入模型，輸出結(jié)果可表示為

式中：Si為基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型輸出結(jié)果；evi為元素Vi的映射函數(shù)；c為常數(shù)。假設(shè)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)閾值為Sc，當(dāng)Si＜Sc時(shí)，被監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)正常，不作出預(yù)警；當(dāng)Si≥Sc時(shí)，被監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常，作出相應(yīng)預(yù)警。

3 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果通信傳輸

以基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警模型運(yùn)行后輸出的結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備將其傳輸?shù)椒?wù)器中，使得用戶(hù)通過(guò)瀏覽器可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全，用戶(hù)需要在瀏覽器上完成遠(yuǎn)程登錄驗(yàn)證、基礎(chǔ)信息填寫(xiě)等操作。待驗(yàn)證用戶(hù)身份正確后，才能向用戶(hù)顯示模型輸出結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的通信傳輸，利用通信服務(wù)器接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)采集模塊的連接請(qǐng)求，并在完成與服務(wù)器的連接后向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器端將接收到的數(shù)據(jù)按照自定義的協(xié)議進(jìn)行分解，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)不同的信息類(lèi)型和內(nèi)容，通信服務(wù)端額外設(shè)置一個(gè)消息處理線(xiàn)程，調(diào)用信息處理模塊。該處理模塊包括公用模塊和自定義模塊。通用模塊負(fù)責(zé)對(duì)消息進(jìn)行編碼、解碼。

這一過(guò)程可表示為：

式中：X為某一通信數(shù)據(jù)的編碼結(jié)果；λ為二進(jìn)制編碼符號(hào)串長(zhǎng)度；b為通信數(shù)據(jù)字段。

解碼時(shí)的依據(jù)為

式中：x為解碼結(jié)果；Umin為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最小取值；Umax為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最大取值。在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼處理后，利用自定義模塊，根據(jù)不同的設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行特定處理，如對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和存儲(chǔ)。在完成報(bào)文處理后，將處理結(jié)果傳送至報(bào)文傳送隊(duì)列，由接收線(xiàn)程組經(jīng)存取信道傳送至有關(guān)存取目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信傳輸。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

獲取某農(nóng)業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目中的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要包括某機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的部件轉(zhuǎn)速信息、位置信息和轉(zhuǎn)速信息等，統(tǒng)一存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡（Secure Digital Memory Card，SD卡）中。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在正常作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的故障概率較低。為了能夠獲取故障的樣本數(shù)據(jù)，人為設(shè)置機(jī)械設(shè)備故障，通過(guò)模擬故障實(shí)現(xiàn)對(duì)故障參數(shù)的獲取。利用提出的基于大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，對(duì)該機(jī)械設(shè)備在收割作業(yè)和卸糧作業(yè)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。為使最終得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比較性，選擇基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)方法和基于時(shí)序數(shù)據(jù)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法作為對(duì)照條件，利用2種監(jiān)測(cè)方法在本文監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用條件下進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。將本文監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，上述其他2種監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照組Ⅰ和對(duì)照組Ⅱ。對(duì)比3種監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)用性能的檢驗(yàn)。在人為設(shè)置的設(shè)備故障中，每一個(gè)故障發(fā)生都有明顯現(xiàn)象。產(chǎn)生故障的原因眾多，人為方式模擬的故障發(fā)生主要為了獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時(shí)各個(gè)部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)與正常數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證3種監(jiān)測(cè)方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的故障是否有預(yù)警功能。表1為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中各運(yùn)行數(shù)據(jù)的正常范圍。

表1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中各運(yùn)行數(shù)據(jù)正常范圍

在明確農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備正常狀態(tài)時(shí)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)后，利用三種監(jiān)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄如表2所示。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將農(nóng)業(yè)設(shè)備運(yùn)行故障模式設(shè)置為中速運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶輪額定轉(zhuǎn)速過(guò)快。從表2記錄的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，只有實(shí)驗(yàn)組方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果符合這一模式各項(xiàng)參數(shù)的變化。其中：對(duì)照組Ⅰ方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤，且未監(jiān)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶輪額定轉(zhuǎn)速過(guò)快的異常現(xiàn)象；對(duì)照組Ⅱ方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確，也監(jiān)測(cè)出了設(shè)備存在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶輪額定轉(zhuǎn)速過(guò)快的問(wèn)題，但對(duì)風(fēng)機(jī)傳入軸帶輪額定轉(zhuǎn)速和輸送器軸帶輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際存在較大誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的基于大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)精度更高，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)更符合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。

表2 三種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄表

5 結(jié)語(yǔ)

將農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備作為研究對(duì)象，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，提出了一種新的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式證明，該監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中可以準(zhǔn)確得到設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)參數(shù)，為設(shè)備故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)?；诒O(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的運(yùn)行參數(shù)能夠?yàn)楹罄m(xù)設(shè)備運(yùn)維提供有利依據(jù)，確保在第一時(shí)間找出解決故障問(wèn)題的有效方法，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。