農(nóng)機深松整地作業(yè)遠程監(jiān)控技術(shù)示范應用與效果評價

孫夢遙，徐嵐俊，宮少俊，李小龍，劉婞韜，陳 華，張傳帥

(1.北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079； 2.北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，北京 100053)

0 引言

農(nóng)機深松整地作業(yè)是通過拖拉機牽引松土機械，進行全方位深層土壤耕作的機械化整地技術(shù)，實施農(nóng)機深松整地作業(yè)，是改善耕地質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，落實國家“藏糧于地、藏糧于技”的重大舉措之一[1-6]。近年來，從中央到地方高度重視農(nóng)機深松整地工作，2016年2月，農(nóng)業(yè)部制定了《全國農(nóng)機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃(2016—2020)》，對全國的土地深松進行了詳細的規(guī)劃指導[7]。目前，深松整地作業(yè)政策覆蓋了全國范圍，“十三五”期間，北京市積極開展農(nóng)機深松整地技術(shù)推廣，在全市農(nóng)機深松整地作業(yè)補貼政策引導下，農(nóng)機深松整地作業(yè)累計完成面積29 333 hm2，農(nóng)機深松整地作業(yè)在全市取得了較好的推廣應用效果。

隨著深松整地作業(yè)面積的不斷擴大，補貼金額也在逐年增長，如何保證作業(yè)質(zhì)量，精準地統(tǒng)計作業(yè)面積已經(jīng)成為工作中的重要關(guān)注點[8-13]。傳統(tǒng)的深度質(zhì)量檢測主要通過人工抽查，在此過程中常伴隨著耗費時間長，測量數(shù)據(jù)點少，面積統(tǒng)計多報、漏報的現(xiàn)象，以及不能保證補貼安全的發(fā)放等問題[10，14-15]。2020年，在北京市平谷、大興、房山、懷柔、密云、延慶6個區(qū)春季深松整地作業(yè)中推廣使用深松整地作業(yè)遠程監(jiān)測技術(shù)，配套深松監(jiān)測傳感器，實時獲取耕深數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過車載終端傳輸?shù)竭h程管理平臺，并在遠程管理平臺進行數(shù)據(jù)分析。同時通過田間試驗校驗，有效實現(xiàn)了作業(yè)質(zhì)量準確探測、面積精準計算、遠程監(jiān)測等功能，為深松補貼發(fā)放提供了數(shù)據(jù)支撐，并實現(xiàn)全程信息化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

1.1設(shè)計要求

深松監(jiān)測系統(tǒng)有助于農(nóng)機管理部門及合作社掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進度、作業(yè)面積，并且方便機手對作業(yè)面積、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)功耗進行實時把控，終端應安裝在深松機組上，具備衛(wèi)星定位、無線通信、作業(yè)深度監(jiān)測、機具識別、圖像采集和顯示報警等功能。如圖1所示，平臺通過接收終端上傳的詳細作業(yè)信息來進行存儲和管理農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)、精準計量農(nóng)機深松作業(yè)面積、對深松作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總分析，并具有支持重疊作業(yè)和跨區(qū)域作業(yè)檢測與分析，提供數(shù)據(jù)導出和報表打印等功能。用戶可通過電腦、手機查看平臺數(shù)據(jù)。

圖1 深松監(jiān)測系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of sub-soiling monitoring system

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過安裝在拖拉機后部提升臂上傾角傳感器的角度變化(圖2)，判斷是否處于作業(yè)狀態(tài)，并計算機架與地面的距離變化，得到深松機深松鏟的入土深度，即實際的深松深度值；安裝攝像頭采集農(nóng)機作業(yè)圖片信息以確保真實作業(yè)。同時后臺經(jīng)過統(tǒng)計分析可以監(jiān)測每年深松輪作情況(圖3)。

圖2 深松作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of quality monitoring for sub-soiling operation

圖3 深松作業(yè)輪作圖Fig.3 Crop rotation of sub-soiling operation

1.3深度測量原理

通過監(jiān)測大臂上安裝的姿態(tài)傳感器的角度變化，并利用三角函數(shù)來計算耕深，方法如式(1)所示。

H=L×[sin(b)-sin(a)]

(1)

式中L——臂長

H——深度差

已知臂長L，根據(jù)大臂上安裝的姿態(tài)傳感器的角度變化，可計算出深度差H，如圖4所示。

圖4 深度計算原理Fig.4 Principle of depth calculation

1.4面積計算原理

1.4.1面積算法說明

基于時間序列統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和單元積分逼近算法。首先通過GIS系統(tǒng)對農(nóng)機定位點信息進行統(tǒng)計分析，建立數(shù)學模型區(qū)分田間作業(yè)點和行駛點；其次利用時間序列分析方法并結(jié)合農(nóng)具作業(yè)幅寬，將每日的作業(yè)點連線后，分成若干地塊，對于劃分好的作業(yè)地塊采用單元積分逼近算法進行面積計算。最后，將計算的面積與以往時間該定位地塊的面積對比，區(qū)分該地塊不同車輛的重復作業(yè)。

1.4.2達標面積參數(shù)說明

所有的參數(shù)計算，均以地塊的參數(shù)來計算，如平均深度、作業(yè)面積、達標面積、重疊面積等。

平均深度：采集深度點之和/采集深度數(shù)量。

作業(yè)面積：農(nóng)機每天耕作的面積(按照地塊來計算)。

達標面積：默認算法為作業(yè)地塊平均耕深超過標準耕深則全部算為合格。

如圖5所示，深松深度標準30 cm，超過30 cm的作業(yè)地塊算合格，未超過30 cm的地塊不合格。

圖5 面積計算原理Fig.5 Principle of area calculation

2 田間試驗與分析

為驗證系統(tǒng)作業(yè)深度和作業(yè)面積的檢測精度，在密云區(qū)河南寨農(nóng)機合作社示范基地開展了系列試驗。試驗中，選用約翰迪爾1204拖拉機、大華寶來1S-230型深松機作為試驗機型。

2.1作業(yè)深度試驗

2.1.1試驗條件

試驗主機為約翰迪爾1204型拖拉機，懸掛大華寶來1S-230型深松機，作業(yè)速度平均7.81 km/h。

2.1.2試驗方法

試驗選取單塊試驗田，調(diào)整耕深分別為20、25和30 cm，每個深度隨機選取20個點，分別利用鋼尺測量農(nóng)機實際作業(yè)深度并記錄，與監(jiān)測深度進行對比。

2.1.3試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表1所示。從試驗結(jié)果可以看出，與實際作業(yè)深度相比，作業(yè)深度監(jiān)測平均誤差在20、25和30 cm耕深處分別為0.590、0.555和0.595 cm，作業(yè)深度監(jiān)測誤差≤2 cm，因此農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)在作業(yè)深度監(jiān)測方面能夠滿足實際應用中對農(nóng)機質(zhì)量監(jiān)管的需要。

表1 作業(yè)深度

2.2作業(yè)面積試驗

2.2.1試驗條件

試驗主機為約翰迪爾1204型拖拉機，懸掛大華寶來1S-230型深松機，作業(yè)速度平均7.81 km/h。

2.2.2試驗方法

試驗選取單塊試驗田，每作業(yè)一個往返記錄一次作業(yè)面積，并利用測畝儀測量農(nóng)機實際作業(yè)面積，與監(jiān)測面積進行對比。

2.2.3試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示。從試驗結(jié)果可以看出試驗組作業(yè)面積監(jiān)測誤差為2.19%，因此農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)在作業(yè)面積監(jiān)測方面的準確率在97%以內(nèi)。作業(yè)面積監(jiān)測及計算準確度能夠滿足實際應用中對農(nóng)機質(zhì)量監(jiān)管的需要。

表2 作業(yè)面積

3 監(jiān)測系統(tǒng)在北京的應用情況

3.1整體情況

為做好北京市農(nóng)機深松整地作業(yè)，根據(jù)北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局印發(fā)的《北京市季節(jié)性裸露農(nóng)田揚塵抑制關(guān)鍵保護性耕作技術(shù)推廣應用作業(yè)補貼實施方案》(京政農(nóng)發(fā)〔2020〕22號)，從2020年開始，北京市農(nóng)機深松整地作業(yè)驗收以線上查驗為主，人工復核為輔。鼓勵使用復式作業(yè)機具(同時完成滅茬、深松、旋耕等多項作業(yè))開展農(nóng)機深松整地作業(yè)，作業(yè)機具需裝有深松作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測終端，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠按要求傳輸?shù)奖本┦修r(nóng)機調(diào)度中心。

按要求全市共安裝監(jiān)測終端78臺。各區(qū)作業(yè)主體基本按照要求安裝了監(jiān)測終端并上傳作業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了農(nóng)機深松整地作業(yè)在線監(jiān)測。經(jīng)線上監(jiān)測統(tǒng)計，完成春季農(nóng)機深松整地作業(yè)面積6 974.18 hm2，其中線上監(jiān)測合格面積6 754.27 hm2，不合格219.91 hm2。各區(qū)具體作業(yè)監(jiān)測情況如表3所示。

表3 2020年農(nóng)機深松整地作業(yè)匯總

3.2存在的問題

3.2.1有線連接問題

農(nóng)機深松整地作業(yè)監(jiān)測終端姿態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)連接線等設(shè)備均安裝在作業(yè)機具主架上，并裸露于空氣中。深松整地工作地點為田間，環(huán)境比較復雜，主機和深松機具之間的有線連接容易造成拉扯、損壞，導致機具無法正常作業(yè)或監(jiān)測不準確，數(shù)據(jù)缺失[16]。

3.2.2定位問題

受民用北斗、GPS、電子地圖精度和農(nóng)村地界劃分等限制，以及信號獲取等地理條件制約，有些小地塊無法精確分辨作業(yè)邊界，精準的鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界存在無法獲得的現(xiàn)象。因此在深松整地作業(yè)遠程監(jiān)測過程中，臨界區(qū)域地理位置的準確度無法全部保證，需要人工輔助提高面積準確度。

3.2.3宣傳力度不足

熟悉補貼政策、正確使用農(nóng)機深松整地作業(yè)監(jiān)測終端、熟練掌握設(shè)備性能特點和基本原理是開展作業(yè)監(jiān)測的前提，現(xiàn)存在某些區(qū)級管理部門宣傳力度不到位，而這往往導致個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)、合作社、機手等對農(nóng)機深松整地作業(yè)政策、作業(yè)監(jiān)測終端、北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心及手機端作業(yè)補貼監(jiān)管平臺操作流程不熟悉，從而導致作業(yè)過程中不能及時發(fā)現(xiàn)問題進行匯報，造成監(jiān)測盲點。

3.3對策及建議

3.3.1技術(shù)升級

基于“5G+藍牙”的無線機具識別技術(shù)研究，使用藍牙連接取代數(shù)據(jù)線連接，借助藍牙功能的防拆卸識別標簽和對應的藍牙識別模塊，可以實時監(jiān)測農(nóng)機拖斗車種類，來判斷和確認不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作，實現(xiàn)“一機多具”。藍牙無線機具具有防拆功能，采用了柔性電路板，當用戶將機具拆掉時，柔性電路板會斷裂并向主機發(fā)送拆除信號。因藍牙設(shè)備不需要線束連接，所以避免了在作業(yè)時機具連接線束受到外力損壞的風險，降低了故障率。

3.3.2確保補貼數(shù)據(jù)科學準確

為充分保障作業(yè)主體的正當權(quán)益，針對無法分辨精確的作業(yè)邊界、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，以及無法獲得臨界區(qū)域地理位置且準確度無法全部保證的現(xiàn)象，應提高實際應用中北斗、GPS、電子地圖精度，確保使用最新的國土資源普查數(shù)據(jù)與地圖，利用最新的行政區(qū)劃邊界。對由于人為或監(jiān)測終端機器本身等引起監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際作業(yè)面積不符的問題，需要人工輔助提高面積準確度，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際作業(yè)面積的相對一致，確保作業(yè)數(shù)據(jù)科學準確。

3.3.3加大政策宣傳和培訓力度

各級主管部門應當著力加強向鄉(xiāng)鎮(zhèn)、合作社、機手宣傳購置監(jiān)測終端和農(nóng)機深松整地作業(yè)補貼政策，針對智能監(jiān)測裝備使用、北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心、手機端作業(yè)補貼監(jiān)管平臺操作流程開展培訓，印發(fā)“北京市農(nóng)機調(diào)度中心使用說明”，指導合作社和機手能正確、熟練使用監(jiān)測終端、系統(tǒng)，保證各環(huán)節(jié)落實到位。

4 結(jié)論

北京市應用農(nóng)機深松整地作業(yè)遠程監(jiān)控技術(shù)進行了作業(yè)深度、作業(yè)面積精確度試驗，并對應用情況和效果進行了評價，主要研究結(jié)論如下。

(1)田間試驗校驗結(jié)果表明，作業(yè)深度監(jiān)測誤差≤2 cm；作業(yè)面積監(jiān)測精確度達到97%以上，能夠滿足實際應用中對農(nóng)機質(zhì)量監(jiān)管的需要。

(2)農(nóng)機深松整地遠程監(jiān)控技術(shù)在北京6個郊區(qū)的推廣應用效果顯著，有效解決了人工查驗工作量大、工作效率低、抽查范圍小及監(jiān)管難度大等問題，也為深松整地作業(yè)補貼提供了科學量化依據(jù)，實現(xiàn)了農(nóng)機深松整地作業(yè)全程信息化管理和全面監(jiān)管。