北斗精準時空下智慧農機系統的研發探析

文竹

【摘 要】本文論述糖業精細種植環節的智慧農機系統研發，對智慧農機系統的架構、功能設計、可持續發展進行探索，提出建設集農機監控、耕整地、高精度導航、自動駕駛、信息實時采集為一體的農機協同作業服務平臺，實現基于高精度北斗位置服務技術的農機作業智慧化、精準化。

【關鍵詞】北斗? 智慧農機? 嵌入式系統? 地理信息? 高精度定位

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）02C-0184-03

隨著我國農業產業范圍不斷地擴大，農機規模作業和跨區作業也已成為趨勢，在農業機械化深入發展的今天，農機現有作業模式正面臨著嚴峻的挑戰。現有農機管理不僅信息反饋滯后、作業效率低，同時又缺乏有效的調度策略及有效的先進技術手段，造成農機管理跟不上、資源配置不合理等問題，很大程度影響了農機服務組織經營效率，抑制了農機管理的健康發展。在此背景下，本文圍繞糖業精細種植環節的智慧農機系統開展研究，對深耕深松、植保等作業的農機需求，通過設計安裝農機遠程監測設備以及對傳統的動力機械、收獲機械進行自動化改造升級，建設集農機監控、耕整地、高精度導航、自動駕駛、信息實時采集為一體的農機協同作業服務平臺，實現基于高精度北斗位置服務技術的農機作業智慧化、精準化。

一、智慧農機系統概述

智慧農機系統以北斗/GPS導航定位為主要支撐技術，結合地理信息系統、數據庫技術、無線通信技術、移動應用技術等，以及藍牙、傳感器等設備的介入實現甘蔗農機作業調度綜合的智能管理需求。為了更好、更理想地實現系統和終端功能的拓展性，其設計遵循規范、標準化的體系原則，并具有安全保障性，為其后的嵌入式系統提供多接口的接入應用。在保證農機正常運行的同時，將現代信息技術與農機定位、調度、管理等過程相結合，充分發揮物聯網關鍵技術、基于北斗集成應用技術等在農機管理中的信息資源整合與知識挖掘的作用，實現在各種感知技術的支撐以及軟硬件基礎上農業農機管理智能一體化、精細化管理。具體功能描述如下：第一，以北斗高精度定位關鍵技術、地理信息系統（GIS）、物聯網關鍵技術為主要關鍵技術對糖業業務流程進行管理，形成硬件終端、軟件系統與移動客戶端對糖業業務的聯動管理。第二，實現農機業務流程精準管理、智能監控、物流調度、任務預警、智能決策分析、信用管理、植保管理等管理過程。第三，配合糖廠“種植—砍運—加工—倉儲—結算”業務流程優化進程，提供無縫鏈接管理和資源共享服務支撐。

二、智慧農機系統的架構

（一）系統架構

系統融合了北斗集成關鍵技術和物聯網技術為主要支撐技術進行開發，將農機綜合管理的整個框架圖進行詳細劃分，分為基礎設施層、數據層、服務層、應用層、用戶接入層5個邏輯層，各層通過硬件、網絡、接口和協議形成有機整體，保證系統和終端的安全數據服務，為項目的整個運行提供合理的解決方案。

1.應用程序架構。系統應用程序架構包括農機監控管理服務軟件、農機服務調度支撐軟件、無人機植保服務軟件。

（1）服務層：位于數據層和應用層之間，提供北斗定位服務、空間位置分析服務、數據采集/處理服務、電子地圖服務、電子圍欄服務、基礎信息管理服務、統計與分析服務、終端管理服務、移動擴展服務。

（2）數據層：存儲整個系統的數據資源，包括地理信息數據庫、農機信息數據庫、資源數據庫、業務數據庫和基礎數據庫。其中地理信息數據庫主要包括電子地圖、路網、定位等信息數據;農機信息數據庫主要包括農機作業位置、作業圖像、作業軌跡、作業面積等數據信息;資源數據庫主要包括專家庫、農機故障信息庫、標準庫等;業務數據庫主要包括無人機植保控制、路線規劃控制、電子圍欄預警控制、北斗定位等業務數據;基礎數據庫主要包括蔗區信息、作業面積、車輛信息、人員信息、交易信息、物流信息等。

建立在基礎設施層、數據層提供的資源和服務層提供的環境之上，是甘蔗農機調度和植保綜合服務平臺各功能模塊的集合，主要包括GIS地圖服務、甘蔗農機監控與調度管理、無人機植保服務、“滴滴打農機”電子商務平臺服務、信息門戶。

2.技術架構。具體如下：

（1）基礎設施層：主要包括主機、服務器、網絡設備、存儲設備、農機北斗導航終端、北斗采集終端、農機調度終端等，通過將虛擬化后的硬件資源和相關管理功能集合起來，提供動態、靈活的資源服務。

（2）用戶接入層：用戶可通過移動端（手機、平板電腦等）、Web端（如PC、瀏覽器等）對應用服務進行訪問。

（二）數據庫建設

建設一個百萬級接入后臺，將數據存儲和邏輯處理部分分離開來，數據存儲部分封裝一層分布式高速緩存以優化讀取，而邏輯處理部分則采用分布式結構分布到多個不同進程上，同時采用負載均衡技術將處理請求分布到各個邏輯處理部分，以組成一個各部分都高度可伸縮性的服務器組對外進行服務。同時對幾個方面進行技術優化：WEB端性能、APP性能、帶寬、后臺性能、業務方式、最大連接數限制。

數據庫具體描述如下：

1.為農機服務作業提供精準的技術數據信息，監控農機終端在線狀態。

2.構建電子地圖，實現地塊數據、道路數據、作業速度、作業里程、實時面積等多種地理信息的可視化展示，實現實時的動態追蹤功能。

3.通過系統和北斗終端的聯合應用，實現對農機綜合管理的智能監控，并能計算和規劃農機的最優路徑以及農機與農機手位置監控、歷史軌跡查詢。

4.利用地理信息系統和人工智能仿真技術，在地圖上展示指定區域的農機作業面積評估、深耕深松作業質量監控，形成可視化農機智能作業專題圖。

5.當農機作業時出現不可預估的突發情況時，系統能根據終端傳送回來的信息進行應急指揮處理。

6.對農機的數量、位置、作業面積、農機手狀態等數據實時的采集和更新，并根據具體的路線估算作業里程、完成時間。

7.自動定時生成農機調度、作業、路程等流程監控圖表，實現智能化統計分析功能。

8.制定深耕深松作業狀態設定，并對其過程進行精準管理。

9.采集的數據進行分析處理，生成分析報告存檔。

10.根據用戶需求及角色分配，進行地圖的放大、縮小、選擇等查詢瀏覽功能。

三、智慧農機系統的詳細功能設計

（一）蔗區地理信息（GIS）采集與電子地圖構建

系統主要實現地理信息系統（GIS）技術、無人機遙感技術在GIS電子地圖上的應用，聯合高精度北斗定位終端進行農機位置、農機作業區域等位置信息的采集。配套使用無人機進行農機分布、土地狀況等遙感影像圖的采集，獲取高重疊度和高分辨率影像并傳輸回到監控中心，提供遙感影像圖在GIS地圖上的可視化顯示，其高清地圖可達到優于1∶500的分辨率。通過GIS與遙感影像圖的聯合應用，主要實現以下功能。

1.地塊管理。實現地圖顯示區、鷹眼地圖、作業地塊管理三大功能模塊，提供基本的地圖操作功能如漫游、放大、縮小、地圖測距、測量面積、當前經緯度的顯示等，同時提供測繪和管理作業點的信息，將作業地塊的信息保存在地圖中。

2.路徑規劃。以GIS地理空間技術為基礎，采用地理模型分析方法為農機作業線路提供多空間的動態地理信息，結合北斗高精度定位信息，實現最優路徑規劃、實時跟蹤、動態監控、電子圍欄、行為識別等功能在GIS地圖上的可視化顯示。

3.作業監控。用戶通過GIS地圖可實時查看到某一區域的農機分布圖，當用戶把鼠標移動到某一區域，可查看到該區域內農機的分布（例如數量、位置等分布情況）、機型、作業區域是平地或坡地、當前作業面積、歷史作業面積、是否空閑等信息。

（二）甘蔗農機監控與調度管理

1.農機監控。農機監控模塊主要提供農機狀態監控、作業軌跡和作業區域監控、農機駕駛員工作狀態監控等監控服務功能，通過在農機設備上安裝北斗系列終端設備與攝像頭，實時采集與處理農機位置和狀態數據，結合高清影像GIS地圖進行展現，實現對農機作業的全程實時監控管理。

平臺與北斗系列終端的配套應用，使農機管理人員能夠全面掌握農機地理分布情況以及當前在線狀態，便于及時對農機進行作業引導以及跨區工作調度安排，并可監控和了解農機的作業軌跡情況和作業區域;此外，在農機設備安裝另外配套視頻監控設備，使農機駕駛員可從駕駛室中的監控屏幕上實時查看到前后方農機作業的狀態，實時掌握及調整農機姿態，確保滿足農機作業質量要求。

2.軌跡查詢。平臺提供軌跡查詢功能模塊，主要是通過在農機上安裝北斗終端設備，實時采集農機的作業起點和終點的定位數據并傳遞回到監控中心的平臺上。當監控中心接收到農機的作業定位信息后，進行后臺數據處理，以曲線的形式形成作業軌跡可視化顯示在GIS地圖上。管理人員可依托平臺的軌跡查詢功能實時監控和查看農機作業軌跡和農機的歷史行駛軌跡，并可對農機作業軌跡進行分析，以此統計農機的作業時間、作業面積等數據，為農機作業效率、農機駕駛員的工作考評、農機作業是否規范和達標提供數據依據。

3.路徑規劃。智慧農機系統基于北斗衛星定位系統、地理信息系統構建智能路網，完成路網優化調度，其路網實時反映區域內交通路況。在此基礎上聯合基于精準時空的農機作業多源節點路徑規劃模型和最短路徑算法完成各類農機（無人機）設備的分布式作業路徑計算，形成最優路徑。

由于運輸路網分析最基本最關鍵的問題是最短路徑問題，根據道路的拓撲結構，利用GIS地理信息技術將作業農機、運輸公路及其附屬設施等覆蓋在通過收集和處理的數據信息，結合最短路徑算法，在已知起點和終點的情況下尋求最優作業行駛路線，并顯示在GIS電子地圖上，地圖上的路線包含多個可實現路線，其中最優路線以紅色標記，以地圖的形式直觀地顯示給用戶。

地圖顯示：針對蔗區GIS地圖，設置地圖顯示范圍，提供概覽圖、空間書簽、比例尺控制、專題圖等。

線路查詢：查詢蔗區內任何一條路線的簡明信息和明細信息，并將查詢結果在GIS地圖上可視化顯示。

軌跡跟蹤：結合終端設備，實時接收作業農機位置信息，實時監控和管理多個移動目標，實現對作業農機的軌跡跟蹤。

農機定位：對作業農機進行實時定位，并在地圖上實時顯示農機的地理位置信息及相關信息。

4.農機調度作業管理。系統提供農機調度服務功能，配套安裝在農機設備上的農機調度終端共同實現農機定位和調度功能，其流程主要是農機調度管理人員根據任務計劃在系統平臺Web端或移動端上填寫并提交調度任務信息，由監控中心向農機發送調度指令，根據農機調度終端獲取的農機位置信息確認當前擬調度的農機是否可以執行調度工作任務，如果確認可以進行調度，農機管理人員將為該任務農機安排相應的農機手，此時，調度信息通過系統平臺發送至農機手手機上，并為農機手提供最短的路線前往農機所在位置執行調度任務。

5.系統提供在GIS地圖上設置電子圍欄的功能，管理人員可通過對電子圍欄的自定義設置，規定農機設備的作業區域和運行軌跡。

當管理人員設置好電子圍欄后，如果農機作業過程中發生作業區域超過設定的區域或存在違規操作、不按運行軌跡行駛等行為時，平臺會發出警告提示，安裝在農機設備上的農機北斗終端同步做出響應。

6.報表統計和分析。平臺提供報表統計與分析功能，能夠統計農機的基本信息、作業時間、作業面積、作業工作量等數據信息，形成數據報表，可視化顯示在GIS電子地圖上。

（1）對北斗終端設備采集的農機作業軌跡數據進行分析和處理，自動生成作業面積報表，結合地理信息系統高清影像地圖，以地塊方式統計作業面積，對已完成作業的地塊進行涂色顯示。

（2）提供多維度多角度的統計分析方式，通過對報表統計的數據進行分析和處理，運用圖形（例如曲線圖、餅圖、柱狀圖）和表格進行直觀展示，以農機個體、農機合作組織、行政區域等為統計維度，從微觀到宏觀，多維度多角度，進行全面準確的統計，形成農機分布曲線圖、作業曲線圖。

（3）提供Excel表格導出、圖形導出等功能，為農機管理等方面的決策管理提供科學依據。

上述在農機自動化作業中應用北斗衛星定位技術，設計出一整套智慧農機管理系統，可以促使蔗區開展現代化改造，加快推進糖料蔗經營規模化、種植良種化、生產機械化、水利現代化，改善項目區的社會及生態環境，降低糖料蔗生產成本，不斷提高廣西糖料蔗單產、糖分和生產效益，增強廣西蔗糖業的國際競爭力，促進廣西蔗糖業可持續發展。

【參考文獻】

[1]王壯，等.農機監控調度系統的設計與實現[J].計算機工程，2010（11）

[2]謝小清.良圻農場開展甘蔗“雙高”示范基地建設淺談[J].企業科技與發展，2014（13）

【作者簡介】文 竹（1982— ），女，苗族，貴州思南人，計算機技術專業碩士，廣西國際商務職業技術學院軟件技術專業負責人，講師。

（責編 盧 雯）