趙吉祥，呂香歸，倪偉茗，孔 潔

1 項目背景

中國是一個農業大國，農業經濟的發展成為了中國經濟穩定發展的重點問題，如何提高國內農民的收入和綜合研發農業工程技術是當前農業發展的重點.農業設施的推廣與安全生產是發展農業經濟的重要途徑，而且能夠解決廣大農民的收入問題.近年來，在國內已形成了一定規模的農業工程，出現了多種不同的農業結構，但絕大部分的設施結構在惡劣氣候中都會出現垮塌的現象，這對農業生產造成了巨大的影響.

不論哪種農業設施在承受較大的雪荷載或者是風荷載時，其結構都會因超載而遭受損壞，甚至因結構的穩定性不夠而產生大規?？逅F象.經常年對農業設施的關注，絕大部分地區的農業設施都會遭到不定時的氣候影響而受到破壞，為預防惡劣天氣對農業建筑破壞情況的出現，給農業設施增加預警處理系統是十分必要的措施.

2 國內外的研究現狀

2.1 結構分析現狀

目前國內對農業設施模擬受力時的結構變化主要通過Ansys有限元分析進行，其他分析軟件使用相對較少.

2.2 預警現狀

如今國內外在相關預警系統方面都已十分發達，并被廣泛應用于生活與生產中，其智能化水平也達到一個很高的水準，能從最大程度降低危害所造成的損失.例如國內近年來比較注重的消防預警，當房間中的溫度達到臨界值就會自動預警并迅速開啟噴淋等滅火系統，預防大規模的火災發生.再如科技化水平非常高的美國很早就能對龍卷風的產生進行預警，該預警系統在龍卷風產生前12分鐘進行預警，并及時的發送預警信息到受災區群眾手機上，使群眾能及時的逃生.

然而針對農業建筑結構穩定方面的預警系統的研究仍是十分匱乏，做好農業建筑結構預警將是推動農業建筑技術創新的關鍵.

2.3 除雪現狀

農業設施的除雪仍然存在著諸多問題，很多設施沒有增加自動除雪的裝置.這種情況之下，在面對農業建筑積雪現象時只能采取人工除雪的方式，而人工除雪的效率較低.在面對大規模的強降雪時，人工除雪就顯得杯水車薪.人工除雪同時還存在著時間性的問題，當出現深夜降雪時，就很難做到及時除雪.

2.4 聯動現狀

目前農業建筑設施的發展還未成熟，其主要特征在于智能化的程度不高，難以實現自動化，在如今科技智能自動化高速發展的今天，我們有必要將人力解放從而實現農業建筑設備科學智能準確的自動化進程.然而國內外市場始終未出現從預警到除雪一體化的農業設施，因此為填補這一方面的空白，本系統的研究有很大的現實意義與作用.

3 項目內容

本項目以2018年全國多地大范圍大雪或暴雪導致大量農業設施被破壞，造成重大損失為實際背景，創新性的提出一種基于農業種植大棚、雞舍、鴨舍等農業設施的結構預警處理系統.本文介紹的預警系統可檢測不同的荷載，包括雪荷載、風荷載、地震作用等，也可以針對多種不同的農業設施進行荷載分析，并聯動其他裝置進行卸載作用，保護農業設施結構穩定.在此，本文將以雪荷載預警及聯動除雪裝置為例介紹此套預警聯動系統.

本自動預警系統基于Opensees創造性地開發出Pwsos軟件，并以此軟件為核心進行整套預警系統的信息采集與實時處理監測，自動判斷并發出預警信號.PC端的預警處理信號通過特試的串口將信號傳輸給掃雪控制系統，通過單片機編程自動控制掃雪功能的實現，真正做到預警與防護的聯動，形成一整套完善的聯動系統.

Pwsos軟件作為自主研發的農業設施結構預警功能性軟件，其可同時對多個農業設施結構進行預警監測，因此可用于某一地區的農業設施的結構監測，并可實現從數據的采集到預警指令的輸出等一系列工作.

本系統首先要確定農業設施形狀，選取截面，確定節點作為判斷結構位移是否超出閾值的判別依據.然后建立平面直角坐標系，給予每點坐標值，在Opensees軟件內建立設施結構模型.并模擬加載，確定其在不同荷載工況組合下的位移值，并取以設施結構破壞時位移最大的值為依據，取安全系數0.85[1]作為系統的閾值.

前處理步驟如下流程圖所示，以某一特定尺寸類型的大棚結構為例：

1、確定農業設施的形狀：根據選取農業設施的形狀繪制出其圖形.

2、SPSS進行擬合曲線：利用SPSS軟件對農業設施的橫向截面曲線進行擬合，得出擬合曲線方程.

3、選取節點：對于選取的農業設施進行橫向截面進行選取節點，以選取的大棚圖形為例，在大棚圖形中選取53個節點，并建立坐標系，確定53個節點坐標集合.

4、Opensees確定閾值：通過Opensees描繪所選取的節點坐標及模擬雪荷載與風荷載兩種荷載作用工況下的受力形式，確定預警系統的閾值.

前處理工作確定設施破壞閾值之后，進行整體系統的設計與實現.預警處理系統主要應用流程如下：

1、數據采集：對任意地區的農業設施進行預警處理時，首先通過中國氣象網的實時傳輸氣象數據，將采集到的雪荷載，風荷載氣象數據通過相應關系量化后轉化為荷載值，傳輸至Pwsos軟件.

2、軟件進行實時監測：Pwsos軟件對采集到的數據信息進行處理，通過軟件中嵌入的Opensees程序對結構進行受力模擬，確定每個節點在荷載作用過程中的位移變化，判斷農業設施結構是否安全.若某個節點的位移變化超過設定閾值，則自動報警，PC端便傳出預警信號給掃雪裝置，單片機接收信號后指令掃雪機進行掃雪工作.

本系統是主要針對農業設施，如大棚、雞舍、鴨舍等設計，將雪荷載預警和自動除雪功能融為一體，真正實現其聯動處理，使其同時具備預警，除雪的功能.

4 創新特色

4.1 數據采集

本文直接通過從中國氣象網站獲取天氣信息，經過相應轉化，將其直接轉化為結構所受荷載值傳輸至Pwsos軟件.

4.2 結構受力模擬分析

目前國內對于例如大棚，雞舍等農業設施在不同工況組合下的受力模擬分析主要以Ansys有限元分析為主，而本文利用Opensees軟件建模模擬大棚結構受力作用下的位移變化，更加便捷，準確.

4.3 結構預警

4.3.1 閾值確定

本系統基于Opensees技術確定結構破壞閾值，通過對已知結構的基本坐標數據輸入，在系統中構建出建筑結構模型，并對建筑結構進行受荷載模擬分析，并取0.85的荷載具有很廣泛的適用性，可靠度高.

4.3.2 Pwsos軟件

基于Opensees軟件開發的Pwsos軟件，是本預警處理系統的核心，其具有豐富的獨創性與實用性.

4.3.3 自動預警

本系統通過從中國氣象網站實時收集某地區天氣情況，其中主要采集雨雪大風天氣的數據.通過相應的轉換，將雪、風荷載進行量化，轉化為具體荷載值.導入PC端Pwsos軟件，實現對農業設施結構受力的實時監控.當結構任一部位位移值超過閾值時，啟動防護裝置，及時對農業設施結構進行保護.本系統集預警處理、分析處理為一體，最大程度上解決不良環境下的監控難度，同時減少人工的實地檢查與處理，并在很大程度上可智能化避免農業建筑結構的破壞，以減少經濟損失.

4.4 預警與掃雪相結合

本系統基于物聯網思維，將PC端預警命令傳輸給掃雪裝置，通過單片機編程，實現自動掃雪裝置的啟動.從而串聯整個系統，達到聯動效果，真正實現智能化，現代化.

5 實驗分析

為驗證本套系統的實際預警能力及其準確性，我們采用制作簡易大棚模型進行試驗.并以在大棚桿件上放置位移計來實時監測大棚結構在受到不同工況荷載組合作用下的位移變化，并將其與實際系統的位移變化進行對比.結果表明，本農業設施結構預警處理系統能夠準確的實時監測桿件位移變化.并經多次實驗證明，當農業設施結構所受荷載超過其閾值時，可立即發出指令到防護處理裝置，及時做到對荷載的清除，保護大棚等農業設施結構的安全，避免其被破壞.

6 應用

6.1 目前市場在農業設施雪預警及除雪方面還未采取有效的措施，市場對此類系統有很大的需求性.系統可以針對各種不同類型的設施進行使用，有廣泛的應用性.同時系統集預警除雪功能于一體，能時時監控設施雪荷載情況，并做到自動除雪，可以從容的應對各種惡劣的大雪天氣.能夠解決目前多種農業設施所面對的監控困難，除雪困難的現實情況，解決農民對雪天束手無策的狀況.同時系統操作簡便，可以節省人力和物力，并對農作物的生長起到很好的保護作用，具有很高的經濟效率.

6.2 基于該系統所開發的Pwsos軟件，具有獨創性與實用性.其不僅僅局限于對一個農業設施結構進行監控，可對一定地區，一定數量的農業設施進行實時監測與除雪防護.因此，對于任意地區，均可建立一套此預警處理及防護系統，從而達到方便性，實用性，經濟性.更好的實行對農業設施結構安全的監測防護工作，為實現現代化、智能化農業設施建設貢獻力量.

6.3 本套系統雖然以農業設施為例進行結構預警及防護處理工作，但是其理論和實現方法可推廣至很多方面.對于類似結構的建筑設施，均可進行引用推廣，真正體現其實用性與價值.綜合考慮，該系統有很強的實用性，值得被廣泛推廣應用.

7 缺點與改進

本文介紹的以自主研發的Pwsos軟件作為整套系統的核心，雖目前已經能夠滿足基本功能使用要求，但其內容還顯得較為單薄.為了更好的推廣應用，軟件的進一步完善顯得尤為重要.我們會具體調研現在農業設施發展針對結構方面的相關需求，以此作為我們完善核心軟件的標準.不斷完善系統功能，更好服務于農村、農業、農民.

8 結語

（1）該農業設施結構預警處理系統的提出符合國家大力發展農業的指導方針，同時當今時代生態環境遭到破壞，惡劣天氣時有發生，對農業設施方面造成的損失巨大，因此，該預警系統具有很廣闊的前景與很強的實用性.

（2）該預警系統基于的Opensees軟件功能強大，對模擬結構受力形式具有較高的準確性與可靠度.

（3）基于該系統自主研發的Pwsos（pre-warning system of structure）軟件，能夠穩定準確的對結構實時受力情況進行監測，運行穩定.

（4）將預警系統與掃雪裝置聯系起來，真正實現其聯動作用.在保護結構安全的同時，減少了大量的人力、物力、財力等，真正實現現代化、智能化農業.