基于MBSE的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 "要：全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的一個重大任務(wù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，而智慧農(nóng)業(yè)是發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要方式，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能有效幫助農(nóng)業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)管理分析。傳統(tǒng)的基于文本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在需求管理混亂、追溯性差等問題，基于MBSE的建模方法可有效解決此類問題。該文提出基于MBSE的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用基于模型的需求管理，并進(jìn)行模塊化建模設(shè)計(jì)，對需求進(jìn)行條目化管理，有效解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的管理混亂與追溯性差的問題，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一致性與完整性。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；管理系統(tǒng)；需求管理；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP399 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）19-0010-04

Abstract： A major task in the comprehensive construction of a modern socialist country is to realize the modernization of agriculture and rural areas. Smart agriculture is an important method to improve agricultural modernization. Smart agricultural systems can effectively help agricultural practitioners conduct the analysis of smart agriculture management. Traditional text-based system design has problems such as confusing requirements management and poor traceability. The MBSE-based modeling approach can effectively solve such problems. This paper proposed a MBSE-based smart agricultural management system design. With model-based requirements management and modular modeling design， the proposed method effectively solves the problems of confusing management and poor traceability of system design and ensures the consistency and completeness of system design.

Keywords： smart agriculture; management system; requirements management; agricultural modernization; system design

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化已成為了必然的趨勢。習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中提出“全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興”“加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國”[1]。全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的一個重大任務(wù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。智慧農(nóng)業(yè)將無線通信、信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)進(jìn)行結(jié)合，將農(nóng)業(yè)從粗放型、經(jīng)驗(yàn)型轉(zhuǎn)向?yàn)榫珳?zhǔn)型、技術(shù)型，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的一種重要方式。智慧農(nóng)業(yè)通過智能化控制提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率[2]、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可能面臨的風(fēng)險[3]。我國目前智能農(nóng)業(yè)主要體現(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動灌溉[4]、大棚種植的溫濕度控制[5]和農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)警等。大型農(nóng)村、大棚通過配備各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器、電子監(jiān)控設(shè)備，通過對農(nóng)產(chǎn)品種植過程中的溫濕度進(jìn)行檢測并反饋，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，精確化進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備反饋信息平臺與操作人員的控制工具，成為了智慧農(nóng)業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與農(nóng)業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行溝通，通過文本的形式進(jìn)行功能需求描述與分析，在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而由于農(nóng)業(yè)從業(yè)人員大多對信息技術(shù)等不甚了解，并且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要根據(jù)專家先驗(yàn)知識進(jìn)行處理，而沒有明確的數(shù)值控制，在農(nóng)業(yè)從業(yè)人員與軟件開發(fā)人員進(jìn)行溝通的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)歧義的現(xiàn)象，從而需要大量的溝通成本。并且由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的多樣化與獨(dú)特性，針對不同的產(chǎn)品需要有不同的監(jiān)測方向與標(biāo)準(zhǔn)。不同的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)往往需要重新進(jìn)行管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，從而造成人力物力成本的增加。因此，如何高效地設(shè)計(jì)一個針對不同的農(nóng)業(yè)從業(yè)者可進(jìn)行簡單溝通修改、可更新的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)變得極為重要。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于文本的設(shè)計(jì)[4-7]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過與系統(tǒng)相關(guān)人員交流，從用戶需求、需求滿足要求、需求變更影響等方面進(jìn)行文本描述研討，之后基于文本描述進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏對于需求的條目化管理、缺乏需求的分配管理，可能出現(xiàn)重復(fù)需求或需求缺失的情況，不能保證其完整性；并且缺乏需求追溯能力，無法在需求變更時確保需求與設(shè)計(jì)的一致性；缺少需求與模塊設(shè)計(jì)的對應(yīng)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)迭代困難。

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）采用形式化建模方法[8]，用于支持系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)與確認(rèn)等一系列活動。相較于基于文本的系統(tǒng)工程，MBSE具有一致性強(qiáng)、模塊化等優(yōu)勢[9]。本文提出了一種基于MBSE的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

1 "智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需求管理

基于 MBSE 的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是使用規(guī)范化的建模方式對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行總體建模規(guī)劃。在設(shè)計(jì)的過程中， 首先需要對用戶進(jìn)行需求分析與管理。需求分析與管理工作貫穿整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，首先需對其進(jìn)行需求分析。需求分析的目的是從獲取原始需求開始，分析細(xì)化系統(tǒng)需求，從而支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)。需求管理流程如圖1所示，首先需要確認(rèn)利益相關(guān)者，然后通過利益相關(guān)者分析，獲取其期望和要求，也就是所謂的原始需求；然后通過對原始需求進(jìn)行需求分析，將其轉(zhuǎn)化為利益相關(guān)者需求，即將各需求劃分至各利益相關(guān)者；在確認(rèn)需求后，進(jìn)行需求分配，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求，再生成各子系統(tǒng)需求，并將其與各開發(fā)階段進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)需求變更的可追溯性，避免因需求變更引發(fā)的管理混亂、浪費(fèi)成本的情況發(fā)生。

圖1 "需求管理流程

構(gòu)建一個智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，首先需要確認(rèn)其利益相關(guān)者。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的利益相關(guān)者通常指系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響到的相關(guān)個人、組織甚至是設(shè)備等。在智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利益相關(guān)者通常包括農(nóng)業(yè)從業(yè)人員、專家、種子供貨商、農(nóng)產(chǎn)品收貨商、軟件和硬件。其中農(nóng)業(yè)從業(yè)人員由種植員工和管理人員構(gòu)成；專家由實(shí)際種植專家和機(jī)器智能專家構(gòu)成；硬件由溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和電子監(jiān)控設(shè)備等構(gòu)成。

需求管理首先需要對這6種利益相關(guān)者進(jìn)行分析，獲取需求。獲取需求即是獲取在概念定義階段所需考慮的所有利益相關(guān)方的需要與約束；然后用同樣的方式記錄利益相關(guān)者所表達(dá)的需求，保持其一致性，確保需求被理解，且不發(fā)生歧義。比如，若需要對智慧大棚管理進(jìn)行智能種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其需求大致分為5個功能需求，具體如下。

1.1 "傳感器管理

農(nóng)業(yè)從業(yè)管理人員對田間配置相應(yīng)的溫度、濕度、風(fēng)速及光感傳感器等。主要負(fù)責(zé)整個農(nóng)業(yè)種植區(qū)傳感器的維護(hù)及管理。其需求為傳感器設(shè)備管理和種植環(huán)境分析。

1.2 "人員管理

人員包括農(nóng)業(yè)從業(yè)管理人員、農(nóng)業(yè)種植人員、專家、種子供貨商和農(nóng)產(chǎn)品收貨商。其中農(nóng)業(yè)從業(yè)管理人員主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的人員管理，其需求為人員管理、權(quán)限管理、種植人員安排、農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)域安排、種子購買與產(chǎn)品銷售等；農(nóng)業(yè)種植人員主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品種植，其需求為種植區(qū)域分析與管理、農(nóng)產(chǎn)品灌溉收獲等；專家主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)種植中遇到問題的解答與解決；種子供貨商和農(nóng)產(chǎn)品收貨商負(fù)責(zé)提供產(chǎn)品種子與收購。

1.3 "場地管理

場地管理主要由農(nóng)業(yè)從業(yè)管理人員進(jìn)行種植區(qū)域劃分與種植人員分配。

1.4 "活動管理

活動管理是本系統(tǒng)的重點(diǎn)模塊，主要由農(nóng)產(chǎn)品種植人員查看其負(fù)責(zé)區(qū)域的傳感器消息，通過先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜蚁到y(tǒng)進(jìn)行智慧灌溉系統(tǒng)的操作。其需求為管理種植區(qū)域、傳感器信息查看、智能灌溉操作等。

1.5 "農(nóng)產(chǎn)品管理

當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品收貨后，通過對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的記錄，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲分析管理。

當(dāng)完成原始需求獲取后，再對其進(jìn)行需求分析，將獲取的需求進(jìn)行重新定制，將每項(xiàng)需求進(jìn)行細(xì)分，將原始需求進(jìn)行拆解，避免重復(fù)需求，完善需求條目。產(chǎn)品種植人員的需求屬性見表1。

在將原始需求進(jìn)行細(xì)分、合并后，需要再與利益相關(guān)人員進(jìn)行溝通，確認(rèn)其需求。通過需求確認(rèn)保證待開發(fā)的系統(tǒng)需求已被完整記錄，并且正確獲取分析，保證了需求的正確性和一致性，避免了出現(xiàn)信息的誤傳。若確認(rèn)需求時，發(fā)現(xiàn)需求條目中存在錯誤或缺失，則進(jìn)行需求變更，根據(jù)錯誤情況返回利益相關(guān)者分析或需求分析，直到需求條目的正確性和完整性得到確認(rèn)。

最后，在確認(rèn)需求的基礎(chǔ)上，對需求進(jìn)行分配，制定實(shí)施方案，研究其可行性，并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

2 "智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

完成需求分析后，根據(jù)需求分配進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并建立設(shè)計(jì)模型。仍然以智慧大棚管理系統(tǒng)為例，如圖2所示，在設(shè)計(jì)時相同類別利益相關(guān)者，如農(nóng)業(yè)從業(yè)人員、種子供貨商和農(nóng)產(chǎn)品收貨商，繼承相同的基礎(chǔ)信息，通過這樣統(tǒng)一的格式來減少重復(fù)的工作，以便后續(xù)系統(tǒng)的更改和擴(kuò)展。

完成各種概念定義后，創(chuàng)建各數(shù)據(jù)傳輸模型，并對智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各活動場景進(jìn)行定義，比如種植區(qū)域劃分、種植區(qū)域傳感器分析、種植區(qū)域灌溉、光照、溫度和通風(fēng)控制等。針對每個需求，創(chuàng)建相應(yīng)的管理用例與活動圖。以種植區(qū)域控制為例，其活動用例圖如圖3所示。主要流程：①傳感器采集種植區(qū)域溫度、濕度、光照和風(fēng)速數(shù)據(jù)；②種植區(qū)域采集數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)；③軟件分析當(dāng)前種植區(qū)域需求；④種植人員基于軟件分析與先驗(yàn)知識判斷；⑤種植人員控制軟件進(jìn)行種植區(qū)域溫度、濕度、光照和風(fēng)速控制；⑥控制信號傳輸；⑦種植區(qū)域控制器根據(jù)傳輸信號進(jìn)行相應(yīng)控制。通過對系統(tǒng)行為的全面描述，可以全面地對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行展示。

3 "結(jié)束語

與傳統(tǒng)基于文本的設(shè)計(jì)不同，基于MBSE的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，從需求分析階段，利用MBSE技術(shù)避免了溝通的錯誤與冗余，實(shí)現(xiàn)了需求的條目化，確保了需求的準(zhǔn)確性和一致性，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的溝通成本，解決需求與設(shè)計(jì)缺乏追溯的問題，方便在需求分析或模型設(shè)計(jì)中進(jìn)行需求變更，確保其整體性。利用MBSE進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠更有效地進(jìn)行系統(tǒng)需求管理，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的一致性，降低系統(tǒng)的迭代成本。

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