農(nóng)機管理調(diào)度中心系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉婞韜，徐嵐俊，李小龍，陳 華，張傳帥，孫夢遙，王媛媛

（北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

1 農(nóng)機管理調(diào)度中的系統(tǒng)設(shè)計背景

利用大數(shù)據(jù)、云計算等手段解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合應用已成為一個發(fā)展趨勢。目前智慧農(nóng)業(yè)還處于起步階段，但是國家和大部分農(nóng)企已經(jīng)開始意識到利用信息化手段輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性[1]。通過建設(shè)農(nóng)機信息化平臺，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源云平臺，實現(xiàn)對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚融合，再通過該平臺對所有系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口服務，能夠有效解決農(nóng)機監(jiān)管、作業(yè)統(tǒng)計等問題，幫助農(nóng)企在農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中，降成本、增營收[2]。

針對農(nóng)業(yè)作業(yè)機械現(xiàn)有管理模式中，數(shù)據(jù)分散、缺乏實時的農(nóng)機作業(yè)信息獲取、傳輸、反饋，以及缺少全市統(tǒng)一的管理調(diào)度平臺等問題，開發(fā)一套高效、實用、易維護的北京市農(nóng)機管理調(diào)度平臺，實現(xiàn)對農(nóng)機合作社、農(nóng)機手、農(nóng)機及農(nóng)具等基本信息的管理，實現(xiàn)農(nóng)機位置、農(nóng)機作業(yè)軌跡等信息的傳輸，實現(xiàn)農(nóng)機裝備水平、農(nóng)機作業(yè)水平、農(nóng)機社會化水平等方面的多維分析，從而達到輔助農(nóng)機服務組織調(diào)度與監(jiān)管、輔助管理部門進行統(tǒng)計與規(guī)劃的目的，形成一個與農(nóng)業(yè)機械化水平相符的農(nóng)機信息化管理體系。同時也將對現(xiàn)代農(nóng)機合作社的經(jīng)營管理、農(nóng)業(yè)單位的決策監(jiān)督起到重大的參考價值[3]。

2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)水平現(xiàn)狀

目前，以美國、英國為代表的西方國家在精準農(nóng)業(yè)方面應用較為廣泛，很多大型農(nóng)業(yè)機械均已安裝遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，并多以農(nóng)場為單位提供整套農(nóng)機作業(yè)綜合管理方案。美國天寶（Trimble）公司提供的 “網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場” 系統(tǒng)，可更好地對農(nóng)業(yè)機械進行監(jiān)控與管理，包括農(nóng)機遠程管理系統(tǒng)的農(nóng)機機群位置追蹤、農(nóng)機作業(yè)歷史軌跡、地理圍欄和越界報警、駕駛室虛擬儀表盤、農(nóng)機機群生產(chǎn)效率監(jiān)督、故障遠程協(xié)助診斷等功能以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息傳輸系統(tǒng)的作業(yè)、農(nóng)機間數(shù)據(jù)交接、辦公室至田間數(shù)據(jù)交接、農(nóng)田測繪與勘測等功能。該系統(tǒng)能夠通過無線通信模塊連接整個農(nóng)場的軟件和硬件設(shè)備，從而使信息在室內(nèi)電腦、農(nóng)機車輛、各種終端之間進行傳輸和處理。在 “網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場” 系統(tǒng)中使用了農(nóng)場信息編輯瀏覽軟件，這套管理系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）開發(fā)而成，提供了全面的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)解決方案，包括對農(nóng)場地圖的瀏覽與編輯、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品與收益的計算與管理、精準農(nóng)業(yè)技術(shù)設(shè)備數(shù)據(jù)的處理及分析等[4]。

美國凱斯（Case）公司的農(nóng)業(yè)機械上安裝有美國天寶公司研發(fā)的 “網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場” 系統(tǒng)[5]。使用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從手機到辦公室，從農(nóng)機到辦公室，農(nóng)機對農(nóng)機之間的無線通信，形成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理人員在辦公室可以對農(nóng)事操作進行有效管理。美國約翰·迪爾公司推出的 “綠色之星” 系統(tǒng)、美國凱斯公司的 “先進農(nóng)業(yè)” 系統(tǒng)、英國福格森公司的 “田地之星” 系統(tǒng)等都可對收獲、播種、施肥及撒藥進行測量和田間作業(yè)。

在農(nóng)機智能監(jiān)測裝備方面，我國哈爾濱工業(yè)大學、北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心等單位分別研究開發(fā)了基于北斗定位技術(shù)的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控終端和管理平臺，并在東北、華北、華東等地推廣應用[6]。據(jù)初步統(tǒng)計，截至2019年年底，全國已累計推廣智能監(jiān)測終端超14.5×104臺（套），累計監(jiān)測面積0.4×108hm2。在深松作業(yè)面積核算和質(zhì)量檢測等方面，一些省份已經(jīng)實現(xiàn)了從人工方式為主向信息化方式為主的轉(zhuǎn)變，節(jié)約了大量的管理成本，促進了惠農(nóng)政策公開公正實施。除了深松作業(yè)，其他環(huán)節(jié)如秸稈還田作業(yè)，黑龍江、河北等省也早在2018年起開展了相關(guān)作業(yè)補貼的惠農(nóng)政策。

3 系統(tǒng)框架設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

結(jié)合北京市農(nóng)機作業(yè)全方位監(jiān)控及調(diào)度信息平臺建設(shè)的總體需求和系統(tǒng)現(xiàn)狀，整個系統(tǒng)為3個子系統(tǒng)組成：①NXServer，部署在浪潮云上的服務，包括流媒體服務、Web服務、管理服務；②NXClient，包括管理員使用的PC客戶端，用于查看農(nóng)機狀態(tài)、實時視頻、經(jīng)營數(shù)據(jù)分析等；③NXDevice，用于安裝在農(nóng)機上的車載智能終端，包括主機、攝像頭、顯示屏以及一系列的多元傳感器。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心是一個農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)融合平臺，可以不斷整合新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，開發(fā)新的功能模塊，定制新的數(shù)據(jù)展現(xiàn)視圖，因此對總體架構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。因此該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為核心，將大數(shù)據(jù)平臺在邏輯架構(gòu)上分為3層，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應用層。系統(tǒng)組織架構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)組織架構(gòu)圖Fig.1 The system organization chart

3.2.1 數(shù)據(jù)采集層

整個平臺通過數(shù)據(jù)采集層實現(xiàn)不同業(yè)務系統(tǒng)、不同終端數(shù)據(jù)的抓取及匯聚，形成集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源[7]。這些數(shù)據(jù)資源是整個平臺所有功能模塊運行的核心基礎(chǔ)，因此數(shù)據(jù)采集層也是整個平臺架構(gòu)中的基礎(chǔ)。融合平臺通過數(shù)據(jù)采集層和不同系統(tǒng)進行對接，獲取上層數(shù)據(jù)處理應用所需的各種數(shù)據(jù)，包括農(nóng)機設(shè)備終端采集的地理軌跡數(shù)據(jù)，透傳數(shù)據(jù)（油量，機車狀態(tài)等），圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理層

在數(shù)據(jù)匯聚到融合平臺后，通過數(shù)據(jù)處理層實現(xiàn)對平臺數(shù)據(jù)的底層處理工作，為上層功能模塊提供有力的工具保障。可以說，數(shù)據(jù)處理層是整個大數(shù)據(jù)平臺的核心所在，因此其技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計也尤為關(guān)鍵[8]。對于數(shù)據(jù)的底層處理，即需要基礎(chǔ)的存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源、也需要系統(tǒng)環(huán)境和軟件，因此在該層根據(jù)軟硬件環(huán)境和處理維度又可以劃分為基礎(chǔ)架構(gòu)層（各種硬件資源）、系統(tǒng)平臺層、數(shù)據(jù)服務層和應用服務層。通過這種技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在整個生命周期內(nèi)的所有管理功能，并提供了完善的數(shù)據(jù)模型和開發(fā)接口，為上層應用系統(tǒng)的功能模塊封裝了必要的、完善的實現(xiàn)手段。

3.2.3 數(shù)據(jù)應用層

數(shù)據(jù)應用層是根據(jù)大數(shù)據(jù)平臺的具體項目需求設(shè)計的具體功能模塊和展現(xiàn)效果，利用數(shù)據(jù)處理層提供的資源和接口，對數(shù)據(jù)采集層匯聚的數(shù)據(jù)，按照不同的業(yè)務邏輯進行處理和展示，是整個數(shù)據(jù)融合平臺的核心價值所在。在融合平臺上利用融合匯聚的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)后重新定義的新業(yè)務系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)應用系統(tǒng)各自獨立的設(shè)計方式，在融合平臺中，將業(yè)務系統(tǒng)的上層展現(xiàn)與底層的功能模塊進行分離，通過對不同應用子系統(tǒng)業(yè)務邏輯的深度分析和挖掘，開發(fā)出不同類型的功能子模塊，便于各個業(yè)務系統(tǒng)根據(jù)需要選擇接入點，應用之間通過服務總線進行有效交互，以適應未來業(yè)務發(fā)展的需求，實現(xiàn)信息、資源的共享和重用，提供數(shù)據(jù)共享及服務共享能力，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)在松耦合前提下的數(shù)據(jù)融合[9]。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

硬件系統(tǒng)主要由作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)基于地理空間遙感技術(shù)、多元傳感器融合技術(shù)、斷點續(xù)傳技術(shù)等，對農(nóng)機的播種、植保、收獲、深松整地、秸稈還田作業(yè)等作業(yè)質(zhì)量、面積，以及對農(nóng)機油耗、工況等進行監(jiān)測的技術(shù)。

作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)監(jiān)測的軟硬件集合體，見圖2，由安裝在農(nóng)機上的數(shù)據(jù)采集裝置以及后臺計算平臺構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集裝置作為農(nóng)機作業(yè)探測設(shè)備，由定位天線、顯示屏、機具識別傳感器、攝像頭、多元傳感器等組成，安裝在拖拉機以及農(nóng)機具上，根據(jù)不同環(huán)節(jié)的作業(yè)監(jiān)測需要進行配置，實現(xiàn)農(nóng)機定位、農(nóng)機作業(yè)面積實時統(tǒng)計和作業(yè)質(zhì)量實時掌控。

圖2 農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測流程示意圖Fig.2 The schematic diagram of agricultural machinery operatio quality monitoring process

針對 “一機多具” 復合監(jiān)測的應用需求，通過農(nóng)機智能監(jiān)測終端（GPCS），集成不同類型農(nóng)機具的智能監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了一個終端可配套和自動識別多種農(nóng)機具的即插即用功能。設(shè)備構(gòu)成見圖3，主要由主機終端、定位天線、姿態(tài)傳感器、機具識別傳感器、攝像頭等構(gòu)成。在原理實現(xiàn)上，通過傳感器采集農(nóng)機作業(yè)相關(guān)狀態(tài)信息，ARM主控制器進行計算分析，并將采集的農(nóng)具信息、定位信息通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h程平臺端。其技術(shù)應用場景包含旋耕作業(yè)、深松作業(yè)、深翻作業(yè)、播種作業(yè)、插秧作業(yè)、植保作業(yè)、收獲作業(yè)、秸稈打包作業(yè)，以及油耗管理。針對不同作業(yè)，有不同的監(jiān)測技術(shù)。

圖3 設(shè)備構(gòu)成圖Fig.3 The equipment composition

4.2 軟件系統(tǒng)功能構(gòu)成

北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心是在大農(nóng)機、大農(nóng)業(yè)、 “互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機” 的時代背景下，以數(shù)字化農(nóng)機管理、數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理為目標的大數(shù)據(jù)農(nóng)機展示平臺，服務于市、區(qū)、農(nóng)機合作社及農(nóng)戶等各級農(nóng)機管理相關(guān)主體。通過安裝在農(nóng)機上的智能無線終端（GPCS）及作業(yè)監(jiān)測設(shè)備終端實現(xiàn)與農(nóng)機管理調(diào)度中心數(shù)字化平臺的對接。將定點定位、作業(yè)軌跡、圖像獲取、作業(yè)量計算、作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、農(nóng)機管理等功能緊密結(jié)合，構(gòu)建農(nóng)機社會化服務、農(nóng)機裝備綜合信息管理、合作社綜合信息管理、農(nóng)機精準作業(yè)監(jiān)測、農(nóng)機綜合調(diào)度指揮等多元一體化大數(shù)據(jù)云平臺，實現(xiàn)農(nóng)機分級指揮及遠程調(diào)度、農(nóng)機各類型作業(yè)信息監(jiān)測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、農(nóng)機合作社綜合信息管理等功能，對全市農(nóng)機的宏觀管理、指揮調(diào)度、作業(yè)統(tǒng)計、發(fā)展決策及農(nóng)機合作社的社會化服務管理起到支撐作用。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖Fig.4 system organization chart of Beijing City Agricultural Machinery Management and Dispatching Center

5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

5.1 農(nóng)機作業(yè)概況

農(nóng)機作業(yè)概況顯示登錄地區(qū)所轄的各地區(qū)三種作業(yè)類型的作業(yè)面積對比、三種作業(yè)類型作業(yè)面積占比、各地區(qū)三種作業(yè)類型已作業(yè)和設(shè)定面積對比，以及當前月3種作業(yè)類型每天的作業(yè)面積走勢信息。

5.2 北京農(nóng)機風采展示

從農(nóng)機總動力、單位面積動力、玉米耕種收機械化水平、秸稈綜合利用率4個方面展示近兩年北京市與全國對比數(shù)據(jù)；從拖拉機、拖拉機配套機具、大田種植業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品初加工、畜牧養(yǎng)殖、漁業(yè)等方面展示北京市各區(qū)農(nóng)機裝備保有量及近幾年保有量走勢；從主要農(nóng)作物耕種收、設(shè)施農(nóng)業(yè)、畜牧、水產(chǎn)、林果、農(nóng)產(chǎn)品初加工方面展示北京市各產(chǎn)業(yè)農(nóng)機化水平。

5.3 精準作業(yè)質(zhì)量分析

通過質(zhì)量分析可進入地圖頁面查看車輛信息、作業(yè)詳情及作業(yè)軌跡。支持關(guān)鍵字、作業(yè)類型、設(shè)備號、日期、地區(qū)查詢，右側(cè)以列表展示查詢結(jié)果，包括單位、設(shè)備、作業(yè)類型、作業(yè)面積、達標面積、重復面積、合格面積及日期。

地圖上支持顯示測量點、圖像點、軌跡、地塊、速度、軌跡回放、測量軌跡（面積測量、距離測量、全部清除）、時段分析等功能。

6 系統(tǒng)推廣應用

系統(tǒng)建設(shè)并應用以來，已采集全市146家農(nóng)機服務組織相關(guān)信息，在全市共安裝各類監(jiān)測終端320臺（套）。目前已開通包括市級、區(qū)級、合作社級三級賬號48個，包含市級管理賬號2個，區(qū)級賬號7個，合作社級賬號39個。達到輔助農(nóng)機服務組織調(diào)度與監(jiān)管、輔助管理部門進行統(tǒng)計與規(guī)劃的目的，形成一個與農(nóng)業(yè)機械化水平相符的農(nóng)機信息化管理體系。

各農(nóng)機服務組織的基本信息、農(nóng)機具信息、機手及相關(guān)照片均已導入系統(tǒng)中，農(nóng)機服務主體可實現(xiàn)線上管理。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)，涵蓋農(nóng)機耕整地、播種、植保、收獲、秸稈處理等多環(huán)節(jié)，監(jiān)測功能涵蓋深度監(jiān)測、播種堵塞、植保流量監(jiān)測、留茬高度監(jiān)測、油耗監(jiān)測、面積測算等。經(jīng)線上監(jiān)測統(tǒng)計，2019年完成線上監(jiān)測合格面積1 930×104m2，2020年完成線上監(jiān)測合格面積7 800×104m2。通過應用農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)作業(yè)監(jiān)測精準可靠，提升了作業(yè)監(jiān)管水平，為績效管理提供支撐。

7 系統(tǒng)試驗分析

為了驗證關(guān)鍵環(huán)節(jié)農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測應用效果，分別針對植保、收獲環(huán)節(jié)作業(yè)面積準確率進行了試驗。

7.1 植保作業(yè)

作業(yè)面積測量精度的測試采用普通測量的方法進行測試，獲得實際作業(yè)面積，植保環(huán)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)計面積，實際測量面積與系統(tǒng)監(jiān)測面積對比。試驗結(jié)果見表1。

表1 測量試驗結(jié)果Tab.1 The measurement test results

試驗結(jié)果表明：植保環(huán)節(jié)作業(yè)面積監(jiān)測精度約1.75%，誤差范圍在5%以內(nèi)，精度較高，可以作為實際面積參考數(shù)值。

7.2 收獲作業(yè)

試驗方法同上，試驗結(jié)果見表2。

表2 收獲試驗結(jié)果Tab.2 The harvest test results

試驗結(jié)果表明，收獲環(huán)節(jié)作業(yè)面積精度平均為4.78%，面積監(jiān)測精度可以達到實際應用需求。

8 結(jié)語

（1）建設(shè)北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心。結(jié)合北京市農(nóng)機管理的全面工作，建成了北京市農(nóng)機作業(yè)管理平臺。該平臺是以數(shù)字化農(nóng)機管理、數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理為目標的農(nóng)機大數(shù)據(jù)展示平臺，服務于市、區(qū)、農(nóng)機合作社及農(nóng)戶等各級農(nóng)機管理相關(guān)主體。實現(xiàn)農(nóng)機分級指揮及遠程調(diào)度、農(nóng)機各類型作業(yè)信息監(jiān)測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、農(nóng)機合作社綜合信息管理等功能，對全市農(nóng)機的宏觀管理、指揮調(diào)度、作業(yè)統(tǒng)計、發(fā)展決策及農(nóng)機合作社的社會化服務管理起到支撐作用。

（2）依托北京市農(nóng)機管理調(diào)度中心可實現(xiàn)合作社全面信息化管理，依據(jù)該系統(tǒng)，解決合作社管理中農(nóng)機具管理、人員管理、調(diào)度管理、農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量管理等問題。通過海量數(shù)據(jù)的持續(xù)積累和人工智能技術(shù)應用，使線下生產(chǎn)與合作社作業(yè)管理相互融合、相互促進，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從標準化到精準化再到數(shù)字化的智能發(fā)展[10]。

（3）有效建設(shè)數(shù)據(jù)資源云平臺。通過在全市范圍內(nèi)收集農(nóng)機合作社、農(nóng)機基本信息，并安裝統(tǒng)一的農(nóng)機監(jiān)測終端收集農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)，使各類農(nóng)機數(shù)據(jù)資源整合，構(gòu)建農(nóng)機數(shù)據(jù)資源云平臺，為大數(shù)據(jù)分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。