大型農機設備安全智慧管理平臺研究與設計

馮 琛

（陜西機電職業技術學院，陜西 寶雞 721001）

目前，智慧農業是現代化農業的發展方向，也是農業現代化的關鍵。黨和國家高度重視農業建設，尤其是智慧農業建設，2021年中央一號文件提出，智慧農業是農業發展的新業態，是進一步解放生產力、激發農業轉型的內生動力。智慧農業的建設已經成為我國推動鄉村振興戰略實施的重要內容。黨的十九屆五中全會通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，明確提出要建設智慧農業，加快推進農業農村現代化[1-3]。我國目前建設的智慧監管平臺主要集中在工業，對大型農業機械設備缺乏科學有效的監管，大型農業機械設備一旦發生故障，一方面影響了農業生產效率，另一方面甚至會造成安全事故[4-5]。為此，對于大型農業機械生產企業而言，設計和裝備安全智慧管理平臺，進而監控大型機械在生產中的運行狀態，顯得尤為重要[6-7]。

1 農機設備安全智慧管理現狀及重要性

1.1 農機設備安全智慧管理發展現狀

農業機械設備安全智慧管理的核心就是農業機械的有效監控，當前使用的農業機械監控產品發展大致經歷四個發展階段[8]：第一代主要以監控類設備為代表，結合機械類型的開關進行故障和相關作業的預警；第二代是以監控發動機運行狀態為主的單個儀表和燈光結合監控指示，其特點是結構簡單，監控項目有限；第三代主要是基于現代電子技術的多個智能報警器聯合，其監測機械的功能較多，監測結果以數字顯示為主，預警方式仍以燈光報警為主；第四代是產品以組合儀表、智能報警器為主，較以往增加了畫面監控的功能，其顯示效果更為直觀。總之，農業機械設備安全智慧管理平臺建設雖取得了一定成效，但是其產品仍存在問題，即農業機械的運行狀態不能夠有效串聯和整合，不能夠及時反饋給用戶、生產商和經銷商。特別到農業生產高峰期，車輛一旦出現問題，直接影響農業生產效率。

1.2 農機設備安全智慧管理重要性

近年來，隨著經濟社會的發展和人民生活水平的提高，從事農業生產的勞動者在提升生產效率和舒適度方面有了更高的要求，這就促使農業生產向著自動化和信息化方向發展。這有助于降低農業生產強度，保證農業機械安全，提高從業者工作的便利性和舒適性以及安全性。目前，我國農業生產環境相比于以往有了較大改善，但是環境依舊很差，勞動強度大，不能夠體現農業生產水平的提升。為此，發展農業機械自動化、運行狀態監測的智能化勢在必行。在發展農業機械運行狀態監測的智能化過程中，首先，要充分體現以人為本的理念，將操作人員的舒適性和安全性放在首位。其次，要考慮設備性能問題。在保證機械正常運行基礎上，做好相關安全智慧監測，保障人員安全。事實上，在欠發達地區，農業機械事故頻發，嚴重的甚至威脅人身安全，例如小麥聯合收割機、棉花打包機等常常發生火災等。

2 農業裝置安全管理存在的問題及應對策略

目前，我國農業裝置安全管理方面主要存在以下幾方面的問題：1）多數農業機械制造企業從設計制造流程到設備運行狀態監測，均缺乏智慧安全管理意識，缺乏一體化的智慧監測平臺。2）農業大型機械生產商建設的監控平臺多是二維管理平臺，缺乏三維立體式的監控，不能真實有效監管農業設備的運行狀態。3）監測大多依靠人工巡檢，對于隱患的監測不夠全面和及時，往往是發生故障后才知曉。在處理故障時對事故現場不熟悉，應急響應延遲，處置效率低下[9-10]。

面對上述農業裝置安全管理存在的問題，筆者認為應采取以下幾方面的措施：1）開發建設基于三維模擬場景的信息平臺建設，即利用現在大數據、云計算、物聯網等信息化手段與通信技術融合，構建起現代化的農業設備智慧管理平臺，實現數據的實時收集和監測，分析可能發生的故障并進行重點領域的防范。2）通過對大型農業機械在運行過程中可能遇到的故障和事故（碰撞、側翻、自燃、失控等）進行模擬并收集相關數據，制定行之有效的安全操作規程，為相關應急救援提供支撐。

3 農機設備安全智慧管理平臺建設原則和解決方案設計路線

3.1 農機設備安全智慧管理平臺建設原則

為使大型農機設備安全智慧管理平臺能夠滿足農牧行業各級安全監管部門開展安全監管工作的需要和企業及農戶實時監測的需要，保證系統的靈活性、適應性、可靠性和可擴展性，實現信息的交換與共享，農機設備安全智慧管理平臺建設應遵循以下原則：1）遵循國家電子政務技術標準要求。農牧行業安全生產隱患排查信息化系統作為安全生產監管監察領域電子政務組成部分，基于數據共享的考慮，依托已建基礎支撐環境建設，遵循國家電子政務相關建設標準要求。2）科學合理性。科學性是標準化的最基本原則，是采用所述標準的系統安全、可靠、穩定運行的根本保障。要充分體現安全生產隱患排查業務信息化的發展方向，保持與安全生產隱患排查業務信息化發展階段的一致性和兼容性。3）靈活性和適應性。將安全生產隱患排查業務信息化發展中所涉及的標準協調一致、相互融通，保證標準的通用性。交換標準中技術指標和技術性能應該不限定于具體計算機廠商的產品和平臺。4）發展預見性。信息系統建設會隨著安全生產隱患排查業務的發展而發展。隱患排查信息系統的建設，一方面，要依據目前的安全生產隱患排查業務信息化水平；另一方面，要對安全生產隱患排查業務信息化發展方向有所預見，預留恰當的功能和接口，以利于未來進行及時調整，滿足隱患排查工作需要。

3.2 農機設備安全智慧管理平臺技術路線

解決上述農機設備安全存在的問題，目前采取的技術路線主要是采用三維的激光掃描技術獲取大型農業機械的三維數字模型，經專業建模軟件生成數字化可視模型，再將數字化模型與傳感器獲取的數據加以融合。這樣，可以通過傳感器獲得的數據借助數字化模型分析和預警水災、火情以及側翻等情況，并結合農業大型機械歷史運行數據對運行狀態做出判斷，科學地做出維修預判。這樣的過程是通過互聯網傳輸，形成web端的三維可視化平臺，傳送至監管方和企業以及用戶。

4 農機設備安全智慧管理平臺方案設計

4.1 數據感知及預警方案設計

按照農機設備安全智慧管理平臺的設計方案，大型農業機械運行的感知數據和預警主要依賴于傳感器監測，通過傳感器監測的數據經處理器分析是否達到安全閾值進而做出判斷。數據的監測和預警的具體過程，首先是傳感器獲取數據后進行解析，再通過數據可視化分析，將獲取的數據與三維場景融合，進行健康風險的評估。其原理是傳感器獲取數據與安全閾值對比，若獲取的數據未超過安全閾值，系統則不提醒；若超過安全閾值，系統將實時定位傳感器的相關位置，發出預警信息，提示管理者采取相關的安全措施，其警示信息通過聲音或者光電信息傳導至大型農業機械操作者。

4.2 大型農機安全智慧管理系統的構建

大型農業機械安全智慧管理系統是基于web端的三維可視化系統，其系統分五層構架（基礎設施層、數據存儲層、數據訪問層、應用支持層、應用系統層）。基礎設施層主要由網絡設備、操作系統、數據庫等構成，承擔基礎物理支持作用；數據存儲層由數據獲取裝置、數據傳輸模型以及數據存儲介質構成，功能是數據的傳輸及存儲；數據訪問層由空間數據訪問算法組成的訪問引擎等構成，起到數據調取的作用；應用支持層由GIS、三維建模、統計分析模塊組成，起到對可視化系統的支持；應用系統層由可視化的模塊構成的三維系統組成，起到系統管理、監測管理信息等作用。

4.3 技術模塊的構建和銜接

各個模塊的信息處理后都可以從所述終端進行顯示，設置為觸摸顯示屏，可進行觸摸操作，用于調出用戶所需的畫面，也可以進行設置相關的參數。通過接口裝置連接便攜式PC機后，可以在便攜式PC服務器上查看車輛的實時工作運行狀態。車輛如果出現故障，觸摸屏上會顯示故障代碼，售后服務人員就能夠遠程指揮現場人員對有故障的車輛進行維修，保持整機廠、經銷商、用戶的無縫銜接。能夠確保車輛從出廠到實際的工作地點全程監控和出現故障第一時間進行修復，大大減少了整機廠和經銷商的售后支出，同時也極大地方便了用戶，保證了農忙時節的正常收割，真正實現了多方共贏。

采用CAN總線技術，整合了智能報警器、組合儀表、視頻監控畫面、液壓控制系統等多種功能，可以通過無線網絡進行遠程數據傳輸。并且所有的數據能夠存儲，相關機械的信息數據至少能夠保存一個三包服務周期，各種通信協議統一，從而實現數據及時、有效、準確地傳輸。使用現場、中間銷售以及遠程生產商共同建立了一個將信息數據共享共管的智能管理系統。在充分檢測機械自身狀況的情況下，通過綜合分析，可以實現整機廠—經銷商—用戶—田間地頭—生產過程—收獲產品的全程信息化管理。將車輛信息、故障代碼、生產檔案、使用情況、工作狀況等納入信息平臺，實現農產品收割過程可控制、故障可追溯、問題可落實。以嵌入式系統與農業機械智能產品為基礎實現信息自動獲取、傳輸與處理，對現代農業機械的生產及工作環境實時監控，以無線傳輸與互聯網技術為承載，實現作業地點車輛狀態信息的無線傳輸，保證作業機械的正常生產。

5 大型農機設備安全智慧管理平臺實現途徑

大型農機設備安全智慧管理對于農業行業安全和健康運行有著積極作用，如何將技術方案落地并推動其發展是當前應重點考慮的問題。

5.1 制定大型農機設備安全智慧平臺應用規劃

為建設現代農業生產中大型農機設備安全智慧平臺，推廣大范圍使用，促進現代化的智能農業發展，需要以智慧管理平臺為專項的規劃設計，實現線上與線下融合采集和分析數據，實現數據的統一化處理。同時，相關部門配套相關政策，給予政策支持，實現信息整合，進而加強大型農機設備安全智慧平臺的規范化管理。

5.2 健全農機管理系統和人才培養體系

發展現代農業，確保大型農業設備安全智慧平臺的建設，就需要建立農業生產管理隊伍，相關的部門更要為此建立高效的農業機械設備管理系統，便于直觀地監測數據。同時，將虛擬網絡技術應用到農業機械設備管理中，實現農業機械設備管理的各系統之間的智能網絡化。在人才培養方面，注重政策的引導，激勵更多人才加入到農業信息化的研究中。再者，加強對農業機械從業人員的定期培訓和考核，做到理論聯系實際，提高人才培養質量。

5.3 加大技術研發和政策支持力度

目前，在完善大型農業機械產業結構方面，可以從機械購置的補貼政策和產業結構優化方面入手，加大對大型農業機械購置的補貼力度，同時匹配智能化的安全管理平臺，提升農業機械產品生產企業的供給能力和安全保證能力。此外，政府還可進一步對涉及大型農業機械設備安全智慧管理平臺方面的前沿技術研究在項目立項上予以支持，例如傳感器技術、智能決策系統等。

6 結語

綜上所述，智慧農業是現代化農業的發展方向，同時也是農業現代化的關鍵。大型農業機械設備安全智慧管理平臺的建設，符合我國智慧農業安全建設的內涵，針對農業機械設備安全中出現的問題，通過建設智慧管理平臺，打通生產企業—經銷商—用戶—田間地頭—生產過程—收獲產品的全程信息化數據流通。綜合決策，防止安全事故發生，制定完善大型農業設備安全智慧平臺的應用規劃，建立健全專業化的農業機械管理系統和人才培養體系，同時加大大型農機設備安全智慧管理平臺技術研發和政策支持，推動智慧農業發展。