北斗精准时空下智慧农机系统的研发探析

文竹

【摘 要】本文论述糖业精细种植环节的智慧农机系统研发，对智慧农机系统的架构、功能设计、可持续发展进行探索，提出建设集农机监控、耕整地、高精度导航、自动驾驶、信息实时采集为一体的农机协同作业服务平台，实现基于高精度北斗位置服务技术的农机作业智慧化、精准化。

【关键词】北斗  智慧农机  嵌入式系统  地理信息  高精度定位

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）02C-0184-03

随着我国农业产业范围不断地扩大，农机规模作业和跨区作业也已成为趋势，在农业机械化深入发展的今天，农机现有作业模式正面临着严峻的挑战。现有农机管理不仅信息反馈滞后、作业效率低，同时又缺乏有效的调度策略及有效的先进技术手段，造成农机管理跟不上、资源配置不合理等问题，很大程度影响了农机服务组织经营效率，抑制了农机管理的健康发展。在此背景下，本文围绕糖业精细种植环节的智慧农机系统开展研究，对深耕深松、植保等作业的农机需求，通过设计安装农机远程监测设备以及对传统的动力机械、收获机械进行自动化改造升级，建设集农机监控、耕整地、高精度导航、自动驾驶、信息实时采集为一体的农机协同作业服务平台，实现基于高精度北斗位置服务技术的农机作业智慧化、精准化。

一、智慧农机系统概述

智慧农机系统以北斗/GPS导航定位为主要支撑技术，结合地理信息系统、数据库技术、无线通信技术、移动应用技术等，以及蓝牙、传感器等设备的介入实现甘蔗农机作业调度综合的智能管理需求。为了更好、更理想地实现系统和终端功能的拓展性，其设计遵循规范、标准化的体系原则，并具有安全保障性，为其后的嵌入式系统提供多接口的接入应用。在保证农机正常运行的同时，将现代信息技术与农机定位、调度、管理等过程相结合，充分发挥物联网关键技术、基于北斗集成应用技术等在农机管理中的信息资源整合与知识挖掘的作用，实现在各种感知技术的支撑以及软硬件基础上农业农机管理智能一体化、精细化管理。具体功能描述如下：第一，以北斗高精度定位关键技术、地理信息系统（GIS）、物联网关键技术为主要关键技术对糖业业务流程进行管理，形成硬件终端、软件系统与移动客户端对糖业业务的联动管理。第二，实现农机业务流程精准管理、智能监控、物流调度、任务预警、智能决策分析、信用管理、植保管理等管理过程。第三，配合糖厂“种植—砍运—加工—仓储—结算”业务流程优化进程，提供无缝链接管理和资源共享服务支撑。

二、智慧农机系统的架构

（一）系統架构

系统融合了北斗集成关键技术和物联网技术为主要支撑技术进行开发，将农机综合管理的整个框架图进行详细划分，分为基础设施层、数据层、服务层、应用层、用户接入层5个逻辑层，各层通过硬件、网络、接口和协议形成有机整体，保证系统和终端的安全数据服务，为项目的整个运行提供合理的解决方案。

1.应用程序架构。系统应用程序架构包括农机监控管理服务软件、农机服务调度支撑软件、无人机植保服务软件。

（1）服务层：位于数据层和应用层之间，提供北斗定位服务、空间位置分析服务、数据采集/处理服务、电子地图服务、电子围栏服务、基础信息管理服务、统计与分析服务、终端管理服务、移动扩展服务。

（2）数据层：存储整个系统的数据资源，包括地理信息数据库、农机信息数据库、资源数据库、业务数据库和基础数据库。其中地理信息数据库主要包括电子地图、路网、定位等信息数据;农机信息数据库主要包括农机作业位置、作业图像、作业轨迹、作业面积等数据信息;资源数据库主要包括专家库、农机故障信息库、标准库等;业务数据库主要包括无人机植保控制、路线规划控制、电子围栏预警控制、北斗定位等业务数据;基础数据库主要包括蔗区信息、作业面积、车辆信息、人员信息、交易信息、物流信息等。

建立在基础设施层、数据层提供的资源和服务层提供的环境之上，是甘蔗农机调度和植保综合服务平台各功能模块的集合，主要包括GIS地图服务、甘蔗农机监控与调度管理、无人机植保服务、“滴滴打农机”电子商务平台服务、信息门户。

2.技术架构。具体如下：

（1）基础设施层：主要包括主机、服务器、网络设备、存储设备、农机北斗导航终端、北斗采集终端、农机调度终端等，通过将虚拟化后的硬件资源和相关管理功能集合起来，提供动态、灵活的资源服务。

（2）用户接入层：用户可通过移动端（手机、平板电脑等）、Web端（如PC、浏览器等）对应用服务进行访问。

（二）数据库建设

建设一个百万级接入后台，将数据存储和逻辑处理部分分离开来，数据存储部分封装一层分布式高速缓存以优化读取，而逻辑处理部分则采用分布式结构分布到多个不同进程上，同时采用负载均衡技术将处理请求分布到各个逻辑处理部分，以组成一个各部分都高度可伸缩性的服务器组对外进行服务。同时对几个方面进行技术优化：WEB端性能、APP性能、带宽、后台性能、业务方式、最大连接数限制。

数据库具体描述如下：

1.为农机服务作业提供精准的技术数据信息，监控农机终端在线状态。

2.构建电子地图，实现地块数据、道路数据、作业速度、作业里程、实时面积等多种地理信息的可视化展示，实现实时的动态追踪功能。

3.通过系统和北斗终端的联合应用，实现对农机综合管理的智能监控，并能计算和规划农机的最优路径以及农机与农机手位置监控、历史轨迹查询。

4.利用地理信息系统和人工智能仿真技术，在地图上展示指定区域的农机作业面积评估、深耕深松作业质量监控，形成可视化农机智能作业专题图。

5.当农机作业时出现不可预估的突发情况时，系统能根据终端传送回来的信息进行应急指挥处理。

6.对农机的数量、位置、作业面积、农机手状态等数据实时的采集和更新，并根据具体的路线估算作业里程、完成时间。

7.自动定时生成农机调度、作业、路程等流程监控图表，实现智能化统计分析功能。

8.制定深耕深松作业状态设定，并对其过程进行精准管理。

9.采集的数据进行分析处理，生成分析报告存档。

10.根据用户需求及角色分配，进行地图的放大、缩小、选择等查询浏览功能。

三、智慧农机系统的详细功能设计

（一）蔗区地理信息（GIS）采集与电子地图构建

系统主要实现地理信息系统（GIS）技术、无人机遥感技术在GIS电子地图上的应用，联合高精度北斗定位终端进行农机位置、农机作业区域等位置信息的采集。配套使用无人机进行农机分布、土地状况等遥感影像图的采集，获取高重叠度和高分辨率影像并传输回到监控中心，提供遥感影像图在GIS地图上的可视化显示，其高清地图可达到优于1∶500的分辨率。通过GIS与遥感影像图的联合应用，主要实现以下功能。

1.地块管理。实现地图显示区、鹰眼地图、作业地块管理三大功能模块，提供基本的地图操作功能如漫游、放大、缩小、地图测距、测量面积、当前经纬度的显示等，同时提供测绘和管理作业点的信息，将作业地块的信息保存在地图中。

2.路径规划。以GIS地理空间技术为基础，采用地理模型分析方法为农机作业线路提供多空间的动态地理信息，结合北斗高精度定位信息，实现最优路径规划、实时跟踪、动态监控、电子围栏、行为识别等功能在GIS地图上的可视化显示。

3.作业监控。用户通过GIS地图可实时查看到某一区域的农机分布图，当用户把鼠标移动到某一区域，可查看到该区域内农机的分布（例如数量、位置等分布情况）、机型、作业区域是平地或坡地、当前作业面积、历史作业面积、是否空闲等信息。

（二）甘蔗农机监控与调度管理

1.农机监控。农机监控模块主要提供农机状态监控、作业轨迹和作业区域监控、农机驾驶员工作状态监控等监控服务功能，通过在农机设备上安装北斗系列终端设备与摄像头，实时采集与处理农机位置和状态数据，结合高清影像GIS地图进行展现，实现对农机作业的全程实时监控管理。

平台与北斗系列终端的配套应用，使农机管理人员能够全面掌握农机地理分布情况以及当前在线状态，便于及时对农机进行作业引导以及跨区工作调度安排，并可监控和了解农机的作业轨迹情况和作业区域;此外，在农机设备安装另外配套视频监控设备，使农机驾驶员可从驾驶室中的监控屏幕上实时查看到前后方农机作业的状态，实时掌握及调整农机姿态，确保满足农机作业质量要求。

2.轨迹查询。平台提供轨迹查询功能模块，主要是通过在农机上安装北斗终端设备，实时采集农机的作业起点和终点的定位数据并传递回到监控中心的平台上。当监控中心接收到农机的作业定位信息后，进行后台数据处理，以曲线的形式形成作业轨迹可视化显示在GIS地图上。管理人员可依托平台的轨迹查询功能实时监控和查看农机作业轨迹和农机的历史行驶轨迹，并可对农机作业轨迹进行分析，以此统计农机的作业时间、作业面积等数据，为农机作业效率、农机驾驶员的工作考评、农机作业是否规范和达标提供数据依据。

3.路径规划。智慧农机系统基于北斗卫星定位系统、地理信息系统构建智能路网，完成路网优化调度，其路网实时反映区域内交通路况。在此基础上联合基于精准时空的农机作业多源节点路径规划模型和最短路径算法完成各类农机（无人机）设备的分布式作业路径计算，形成最优路径。

由于运输路网分析最基本最关键的问题是最短路径问题，根据道路的拓扑结构，利用GIS地理信息技术将作业农机、运输公路及其附属设施等覆盖在通过收集和处理的数据信息，结合最短路径算法，在已知起点和终点的情况下寻求最优作业行驶路线，并显示在GIS电子地图上，地图上的路线包含多个可实现路线，其中最优路线以红色标记，以地图的形式直观地显示给用户。

地图显示：针对蔗区GIS地图，设置地图显示范围，提供概览图、空间书签、比例尺控制、专题图等。

线路查询：查询蔗区内任何一条路线的简明信息和明细信息，并将查询结果在GIS地图上可视化显示。

轨迹跟踪：结合终端设备，实时接收作业农机位置信息，实时监控和管理多个移动目标，实现对作业农机的轨迹跟踪。

农机定位：对作业农机进行实时定位，并在地图上实时显示农机的地理位置信息及相关信息。

4.农机调度作业管理。系统提供农机调度服务功能，配套安装在农机设备上的农机调度终端共同实现农机定位和调度功能，其流程主要是农机调度管理人员根据任务计划在系统平台Web端或移动端上填写并提交调度任务信息，由监控中心向农机发送调度指令，根据农机调度终端获取的农机位置信息确认当前拟调度的农机是否可以执行调度工作任务，如果确认可以进行调度，农机管理人员将为该任务农机安排相应的农机手，此时，调度信息通过系统平台发送至农机手手机上，并为农机手提供最短的路线前往农机所在位置执行调度任务。

5.系统提供在GIS地图上设置电子围栏的功能，管理人员可通过对电子围栏的自定义设置，规定农机设备的作业区域和运行轨迹。

当管理人员设置好电子围栏后，如果农机作业过程中发生作业区域超过设定的区域或存在违规操作、不按运行轨迹行驶等行为时，平台会发出警告提示，安装在农机设备上的农机北斗终端同步做出响应。

6.报表统计和分析。平台提供报表统计与分析功能，能够统计农机的基本信息、作业时间、作业面积、作业工作量等数据信息，形成数据报表，可视化显示在GIS电子地图上。

（1）对北斗终端设备采集的农机作业轨迹数据进行分析和处理，自动生成作业面積报表，结合地理信息系统高清影像地图，以地块方式统计作业面积，对已完成作业的地块进行涂色显示。

（2）提供多维度多角度的统计分析方式，通过对报表统计的数据进行分析和处理，运用图形（例如曲线图、饼图、柱状图）和表格进行直观展示，以农机个体、农机合作组织、行政区域等为统计维度，从微观到宏观，多维度多角度，进行全面准确的统计，形成农机分布曲线图、作业曲线图。

（3）提供Excel表格导出、图形导出等功能，为农机管理等方面的决策管理提供科学依据。

上述在农机自动化作业中应用北斗卫星定位技术，设计出一整套智慧农机管理系统，可以促使蔗区开展现代化改造，加快推进糖料蔗经营规模化、种植良种化、生产机械化、水利现代化，改善项目区的社会及生态环境，降低糖料蔗生产成本，不断提高广西糖料蔗单产、糖分和生产效益，增强广西蔗糖业的国际竞争力，促进广西蔗糖业可持续发展。

【参考文献】

[1]王壮，等.农机监控调度系统的设计与实现[J].计算机工程，2010（11）

[2]谢小清.良圻农场开展甘蔗“双高”示范基地建设浅谈[J].企业科技与发展，2014（13）

【作者简介】文 竹（1982— ），女，苗族，贵州思南人，计算机技术专业硕士，广西国际商务职业技术学院软件技术专业负责人，讲师。

（责编 卢 雯）