駕駛員熟練程度判定對鮮食玉米聯合收獲作業影響試驗研究

邢璐露,葉 彤,聶美玲,李志博,劉興博,蘭海濤,孫士明,常建國,林君堂,楊金磚,趙 偉,張 鑫,靳曉燕

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

鮮食玉米聯合收獲機為對行作業收獲形式,需要駕駛員不斷調節前進方向促使摘穗間隙與玉米植株對齊。由于收獲作業時的鮮食玉米處于乳熟后期和蠟熟初期[2],此時莖稈含水率達60%以上,清脆易折斷,駕駛員大幅度調節收獲機割臺高度、拉莖輥轉速、前進速度及撥禾帶轉速等參數會造成莖稈折斷與果穗損失,因此提高駕駛員的駕駛熟練程度對降低鮮食玉米收獲時的損失具有重要意義。

當前對駕駛員駕駛熟練程度的研究主要集中于小型汽車領域[3],對農業機械領域駕駛員的關注度較少。而農業領域主要側重于通過研發新型機械、對現有結構部件進行優化及改進[4],從而降低作業時的損耗。隨著鮮食玉米收獲機的結構參數與收獲參數不斷優化,收獲機作業性能不斷提高,但在實際作業過程中,收獲機的作業效果還受到駕駛員駕駛熟練程度的制約。為探析駕駛員駕駛熟練度對鮮食玉米聯合收獲機作業性能的影響,對駕駛熟練程度進行劃分,提出一種基于模糊數學的綜合評判方法,期望通過不同熟練程度的駕駛員,完成駕駛收獲作業后各項指標的差異,映射出駕駛熟練程度與收獲性能的影響。

1 駕駛熟練程度等級劃分

黑龍江省農業機械工程科學研究院,于2022年研發出第二代鉸接式鮮食玉米聯合收獲機,結合其完成近266.67 hm2收獲面積時各駕駛員收獲作業后的差異,初步將駕駛熟練程度劃分為4個階段(表1),即非熟悉階段、初步熟悉階段、較為熟悉階段與熟悉階段。

表1 特征模式

第一階段(非熟悉階段)是指駕駛員初次接觸鮮食玉米聯合收獲機,對收獲機的作業方式、整機結構、作業性能均不熟悉,需要專業人員進行培訓,經專業人員的輔助指導方可進行收獲作業,作業速度慢且作業效果表現差,卸載果穗時需要地面人員參與,花費較長時間用來與運糧車配合,卸糧過程果穗損耗較大,無法進行夜間收獲作業。非熟悉階段的駕駛員大部分注意力用于分禾間隙與玉米植株對行,通常忽視顯示屏的各項報警提示,出現故障需要維修人員進行現場指導。

第二階段(初步熟悉階段)是指駕駛員有一定的收獲機駕駛經驗,參與或簡單駕駛過鮮食玉米收獲機,了解鮮食玉米聯合收獲機的作業形式,對收獲機結構有一定認知,簡單培訓后即可單獨進行收獲作業,作業速度有所提高但收獲作業效果一般,夜間收獲作業能級較差,卸載果穗時同樣存在需要他人配合、花費時間長及果穗損耗大等問題,對中控顯示屏的關注度仍然較低,出現輕型故障后維修人員遠程協助才可解決。

第三階段(較為熟悉階段)是指駕駛員能夠單獨進行收獲作業,作業速度較快且收獲作業效果良好,夜間收獲作業果穗損失較少。對中控顯示屏的各項參數關注度較高,出現報警提示時能夠及時發現并處理。能自行完成果穗的卸載,花費時間與果穗損耗都相對較少,能自行解決收獲機的輕型故障,能準確向維修人員描述故障特征及故障位置。

第四階段(熟悉階段)是指駕駛員對整機結構十分了解,能夠自行完成收獲機的日常維護保養,收獲作業過程中能結合中控顯示屏上各項參數對收獲機各裝置進行調節,能通過風機異響、果穗輸出量小等作業特征發現車輛問題,作業速度快且作業效果較好,夜間收獲作業果穗損失少。能夠自行完成卸料作業,卸料效率高且果穗損耗低,能夠結合收獲機作業時的異常表現準確發現故障來源,具備收獲機自主維修能力,能對新手駕駛員進行初步培訓。

2 駕駛熟練程度評判體系

2.1 矩陣模型構建

由于駕駛員各駕駛熟練程度具有較強模糊性,因此引用模糊數學的最大貼近度法,通過評判目標對象與集合中各子集的貼近度從而判析其隸屬[5]。特征因素的集合為M=(M1,M2,…,M5),N=(N1,N2,N3,N4)的標準庫為評判集合,判析特征因素Mj∈M歸屬于論域Ni上哪一個子集。采用專家打分制按照各特征表現的差異性,依次分為極低、一般、較強、強,進而構建綜合矩陣:

另外引入子集Z,其中第i個分量數值為1,其余則為0,并將其與綜合矩陣運算得出貼近度,從而識別目標所處程度。其中貼近度為海明貼近度,計算公式如式(1)。其中,S為參考模型,P為待識別對象。

由此可知，開孔圓柱殼屈曲臨界載荷最小，含補強件的圓柱殼次之，未開孔的圓柱殼臨界載荷最大。說明開孔降低了殼體屈曲臨界載荷，補強提高了殼體屈曲臨界載荷。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 綜合評價分析

鮮食玉米聯合收獲機駕駛員駕駛熟練程度的評價集合N=(N1,N2,N3,N4),特征因素的目標集合M=(M1,M2,…,M5)。當前鮮食玉米聯合收獲機駕駛員由科研人員13人、專業駕駛人員4人及當地農戶7人組成,共計24人。從中隨機抽選一位駕駛員,請20位專家對駕駛員的駕駛經歷及駕駛員對整機結構的了解程度進行調研,并結合該駕駛員收獲作業時的表現,分別對駕駛熟練程度的特征要素進行打分[7],得到表2、表3所示的信息矩陣與綜合評價矩陣。

表2 信息矩陣

表3 綜合評價矩陣

由綜合評價矩陣求得該駕駛員的決策矩陣為

求得各貼近度為

2.3 試驗結果

結合鮮食玉米聯合收獲機械標準,選取果穗損傷率、含雜率及損失率作為評價指標,各指標由表4中公式求得。為控制變量,選擇同一地塊、同一臺鮮食玉米收獲機、鮮食玉米品種相同且長勢差異較小的作物,最大程度上降低其他因素對試驗的干擾,依據各駕駛員收獲后的果穗損傷率、含雜率及損失率作為該駕駛員收獲作業后的評價指標。

表4 評價指標計算公式

在各程度階段隨機抽取3人,各自進行3次作業面積為0.67 hm2的收獲作業,各項收獲指標取平均值并記錄。試驗結果如1所示。圖中1至3號駕駛員駕駛熟練程度隸屬于第一階段,4至6號駕駛員駕駛熟練程度隸屬于第二階段,7至9號駕駛員駕駛熟練程度隸屬于第三階段,10至12號駕駛員駕駛熟練程度隸屬于第四階段。指標1為果穗損失率、指標2為果穗損傷率、指標3為收獲果穗的含雜率。

由圖1可知,3個評價指標中4個駕駛熟練程度中的3名駕駛員收獲作業效果存在差異。按4種熟練程度整體上看,作業指標呈階梯式下降,指標數值越小,作業效果越好熟練程度與駕駛員收獲作業后的果穗的損傷率、含雜率及損失率成反比。即駕駛員熟練程度越高,收獲作業后果穗損傷率、含雜率及損失率越低。其中果穗含雜率差異最大,原因是隨著駕駛員駕駛熟練程度的不斷提高,收獲機出現堵塞的情況少,結合收獲割臺內的收獲情況對清選風機進行調節,降低進入果穗收集箱內的莖稈雜余,進而降低收獲果穗的含雜率。

圖1 作業效果統計圖

3 結論

為降低鮮食玉米產業收獲環節的損失,對駕駛員4種熟練程度進行劃分,并完成了基于模糊綜合評判的駕駛熟練程度評判體系的構建,對現有駕駛員的駕駛熟練程度進行了評判。結合不同駕駛熟練程度駕駛員的田間收獲試驗發現,駕駛熟練程度的提高可有效降低收獲作業后果穗的損傷率、含雜率及損失率,為鮮食玉米低損收獲的優化路徑提供了參考。