農業(yè)機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，翟學迪，李軍葉

(中國農業(yè)機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083)

0 引言

農業(yè)機械試驗鑒定是通過科學試驗、檢測和考核，對農業(yè)機械的先進性、適用性、安全性和可靠性做出的技術評價，是促進農業(yè)機械的推廣應用，以及維護農業(yè)機械用戶、生產單位、銷售單位等各方合法權益的有力保障，是國家農業(yè)機械化健康發(fā)展的重要技術支撐。農業(yè)機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)國家農業(yè)農村部及省級相關部門公布的鑒定大綱，鑒定大綱技術部分則依據(jù)相關國家、行業(yè)的標準。

農業(yè)機械試驗鑒定的評價主要有安全性、可靠性、適用性、產品創(chuàng)新性及性能試驗等內容。其中，性能試驗主要依據(jù)鑒定大綱和相關的國家標準。在大多數(shù)情況下，性能試驗需要在農業(yè)機械田間作業(yè)狀態(tài)下完成，試驗鑒定過程需要完成記錄被鑒定農業(yè)機械的相關標稱參數(shù)、田間作物及氣象情況、田間試驗過程中農業(yè)機械的性能數(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，本文首先介紹農業(yè)機械的智能化發(fā)展現(xiàn)狀，分析農業(yè)機械試驗鑒定智能化系統(tǒng)的功能需求，并以農業(yè)機械相關產品、試驗方法等的共性要求為依據(jù)，對農業(yè)機械性能試驗的智能化試驗鑒定系統(tǒng)的整體框架結構進行分析與研究，為后續(xù)建立農業(yè)機械通用或者專用試驗鑒定智能化系統(tǒng)提供參考。

1 農業(yè)機械智能化概況

隨著近年來各類技術的爆發(fā)式突破和應用，關于智能化農業(yè)機械的應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、收割機、插秧機、農用無人機4類機型上，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)，解決了農業(yè)補貼資金因數(shù)據(jù)不精準帶來的管理風險[1]。廣東省農機信息化服務平臺涵蓋播種、插秧、植保、收割和深松等多種農業(yè)作業(yè)的農業(yè)機具，作業(yè)農機需安裝農機作業(yè)遠程監(jiān)測終端，農機作業(yè)遠程監(jiān)測終端用于農機作業(yè)參數(shù)信息獲取和傳輸，適配多種不同傳感器實現(xiàn)農機作業(yè)數(shù)據(jù)采集[2]。政府等管理部門可以依托遠程監(jiān)測終端數(shù)據(jù)的信息化服務平臺實現(xiàn)精準定位、狀態(tài)檢測、作業(yè)統(tǒng)計、信息管理、農機調度和報表統(tǒng)計等功能，用戶或農機手可以通過手機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行有效作業(yè)面積查詢、農機實時定位和軌跡查詢，完全實現(xiàn)了高效率的農機和機手的調度管理。隨著物聯(lián)網、互聯(lián)網、電子與通信技術的快速發(fā)展，農業(yè)機械的智能化成為農業(yè)機械產業(yè)發(fā)展的重要方向，如在農業(yè)機械農機自動導航和自動駕駛、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控與監(jiān)測、遠程控制、故障診斷、聯(lián)合調度及農業(yè)補貼的申請和辦理等方面已經有諸多報道[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)，為農業(yè)機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業(yè)機械試驗鑒定不同，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業(yè)機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)檢測機具的識別，相關試驗數(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，以及相關試驗過程的記錄與存儲。此外，還應具備對鑒定任務的一些管理功能，如鑒定任務下達、任務查詢、進度查詢，相關鑒定報告結果查詢，以及鑒定依據(jù)標準查詢等。

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下達、鑒定任務查詢、鑒定結果統(tǒng)計、鑒定任務進度、鑒定過程圖文及視頻資料查閱、鑒定所依據(jù)標準查閱、鑒定報告查閱、鑒定結果申訴與復審等。試驗功能包括待檢機具識別、系統(tǒng)自檢、檢測標準錄入、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)框架結構

農業(yè)機械試驗鑒定工作涉及到各級監(jiān)督檢驗部門或農業(yè)管理部門、被檢企業(yè)或者生產單位、執(zhí)行鑒定工作的檢測單位或機構。農業(yè)機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；農機作業(yè)性能信息，包括農機動力信息、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)主要是解決農業(yè)機械試驗鑒定試驗過程中，缺乏信息化和智能化的問題，提供一種農業(yè)機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，智能化農機機械試驗鑒定系統(tǒng)主框架包括農機試驗鑒定主模塊、田間作業(yè)條件模塊、農機作業(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，進行農業(yè)機械試驗鑒定相關業(yè)務的查詢、咨詢或者實施。主框架結構如圖2所示。

圖2 主框架結構Fig.2 Main framework

農機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、農機作業(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 農機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、風速和風向等信息，該部分信息通過氣象站獲得。農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(手機或PAD)上傳至農機試驗鑒定主模塊，而后將相關信息和分析計算結果上傳至云平臺。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 農機作業(yè)性能框架

農機作業(yè)性能模塊用于采集、記錄、傳輸農機作業(yè)過程中農業(yè)機械相關性能指標數(shù)據(jù)。農機作業(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機鑒定主模塊的功能。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行測量；發(fā)動機的ECU具有農機具的動力等發(fā)動機ECU所能輸出的相關信息。農機作業(yè)性能模塊框架如圖5所示。

圖5 農機作業(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業(yè)機械作業(yè)效果進行評價，評價內容依據(jù)農機具類型和種類不同而不同。如苜蓿收獲機械的作業(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端傳輸至農機試驗鑒定主模塊，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

智能化農業(yè)機械試驗鑒定系統(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)中下達鑒定任務，根據(jù)所下達的鑒定任務對被檢單位或企業(yè)的相應農業(yè)機械進行抽檢樣機，根據(jù)抽檢樣機和下達任務，確定待檢農機具的類型及相關標稱參數(shù)。根據(jù)檢測單位和所鑒定樣機，確定試驗地點和時間，根據(jù)試驗現(xiàn)場的氣象條件確認具體試驗時間。檢測單位的檢測人員到試驗現(xiàn)場后，通過氣象站及相關儀器儀表，對試驗現(xiàn)場的氣象、土壤及作物等信息進行測定，并將相關信息和數(shù)據(jù)進行記錄，并傳輸至智能鑒定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊。

根據(jù)檢測任務和鑒定樣機，確定現(xiàn)場鑒定工作所需完成的試驗項目；根據(jù)樣機的試驗項目，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)待檢農業(yè)機械的外形，在待檢農業(yè)機械相應位置安裝智能終端、專用/通用傳感器與相關儀器儀表。在智能化農業(yè)機械鑒定系統(tǒng)中，識別所安裝硬件設備，并對所安裝且已經完成識別的智能終端、專用/通用傳感器與相關儀器儀表設定參數(shù)和量程。

啟動智能化農業(yè)機械鑒定系統(tǒng)，對完成識別和參數(shù)設定的智能終端、專用/通用傳感器與相關儀器儀表等進行系統(tǒng)自檢。對待檢農機樣機啟動前檢查。根據(jù)鑒定大綱和相關標準及智能化農業(yè)機械鑒定系統(tǒng)相關要求，啟動農機具，開始進行試驗。根據(jù)鑒定大綱和相關標準及智能化系統(tǒng)相關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/通用傳感器與相關儀器儀表試驗數(shù)據(jù)，并將該試驗數(shù)據(jù)經過無線傳輸至智能化農業(yè)機械鑒定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊。

根據(jù)鑒定大綱和相關標準及智能化農機鑒定系統(tǒng)相關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。

試驗結束后，數(shù)據(jù)庫模塊對所采集的數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計、分析和處理。智能化農業(yè)機械鑒定系統(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)進行分析和計算，并最終獲得試驗結果。根據(jù)鑒定試驗的試驗結果，生成鑒定報告和鑒定結論。相關管理人員登錄智能化農業(yè)機械鑒定系統(tǒng)對試驗結果和鑒定結果進行審核與批準。完成以上步驟以后，最終進行鑒定任務、鑒定結果等的公開和發(fā)布。

5 結束語

本文首先分析了農業(yè)機械智能化概況，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)的框架結構及試驗鑒定的流程框架，為后續(xù)試驗鑒定智能化系統(tǒng)的構建提供技術與理論依據(jù)。農業(yè)機械性能試驗鑒定的智能化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農業(yè)機械試驗鑒定過程中多種傳感器信息的統(tǒng)一采集和傳輸，解決農機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，有利于農業(yè)機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度，有利于提高農業(yè)機械鑒定的信息化和智能化，也有利于促進農業(yè)機械化的健康發(fā)展。