农机深松整地作业远程监控技术示范应用与效果评价

2021-03-08孙梦遥徐岚俊宫少俊李小龙刘婞韬张传帅

农业工程 2021年12期

孙梦遥，徐岚俊，宫少俊，李小龙，刘婞韬，陈华，张传帅

(1.北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079； 2.北京市农业农村局，北京 100053)

0 引言

农机深松整地作业是通过拖拉机牵引松土机械，进行全方位深层土壤耕作的机械化整地技术，实施农机深松整地作业，是改善耕地质量，提高农业综合生产能力，落实国家“藏粮于地、藏粮于技”的重大举措之一[1-6]。近年来，从中央到地方高度重视农机深松整地工作，2016年2月，农业部制定了《全国农机深松整地作业实施规划(2016—2020)》，对全国的土地深松进行了详细的规划指导[7]。目前，深松整地作业政策覆盖了全国范围，“十三五”期间，北京市积极开展农机深松整地技术推广，在全市农机深松整地作业补贴政策引导下，农机深松整地作业累计完成面积29 333 hm2，农机深松整地作业在全市取得了较好的推广应用效果。

随着深松整地作业面积的不断扩大，补贴金额也在逐年增长，如何保证作业质量，精准地统计作业面积已经成为工作中的重要关注点[8-13]。传统的深度质量检测主要通过人工抽查，在此过程中常伴随着耗费时间长，测量数据点少，面积统计多报、漏报的现象，以及不能保证补贴安全的发放等问题[10，14-15]。2020年，在北京市平谷、大兴、房山、怀柔、密云、延庆6个区春季深松整地作业中推广使用深松整地作业远程监测技术，配套深松监测传感器，实时获取耕深数据，将数据通过车载终端传输到远程管理平台，并在远程管理平台进行数据分析。同时通过田间试验校验，有效实现了作业质量准确探测、面积精准计算、远程监测等功能，为深松补贴发放提供了数据支撑，并实现全程信息化管理。

1 系统设计及原理

1.1设计要求

深松监测系统有助于农机管理部门及合作社掌握农业生产进度、作业面积，并且方便机手对作业面积、作业质量及作业功耗进行实时把控，终端应安装在深松机组上，具备卫星定位、无线通信、作业深度监测、机具识别、图像采集和显示报警等功能。如图1所示，平台通过接收终端上传的详细作业信息来进行存储和管理农机作业数据、精准计量农机深松作业面积、对深松作业质量数据进行统计汇总分析，并具有支持重叠作业和跨区域作业检测与分析，提供数据导出和报表打印等功能。用户可通过电脑、手机查看平台数据。

图1 深松监测系统示意Fig.1 Schematic diagram of sub-soiling monitoring system

1.2系统结构设计

通过安装在拖拉机后部提升臂上倾角传感器的角度变化(图2)，判断是否处于作业状态，并计算机架与地面的距离变化，得到深松机深松铲的入土深度，即实际的深松深度值；安装摄像头采集农机作业图片信息以确保真实作业。同时后台经过统计分析可以监测每年深松轮作情况(图3)。

图2 深松作业质量监测技术原理Fig.2 Technical principle of quality monitoring for sub-soiling operation

图3 深松作业轮作图Fig.3 Crop rotation of sub-soiling operation

1.3深度测量原理

通过监测大臂上安装的姿态传感器的角度变化，并利用三角函数来计算耕深，方法如式(1)所示。

H=L×[sin(b)-sin(a)]

(1)

式中L——臂长

H——深度差

已知臂长L，根据大臂上安装的姿态传感器的角度变化，可计算出深度差H，如图4所示。

图4 深度计算原理Fig.4 Principle of depth calculation

1.4面积计算原理

1.4.1面积算法说明

基于时间序列统计数据分析和单元积分逼近算法。首先通过GIS系统对农机定位点信息进行统计分析，建立数学模型区分田间作业点和行驶点；其次利用时间序列分析方法并结合农具作业幅宽，将每日的作业点连线后，分成若干地块，对于划分好的作业地块采用单元积分逼近算法进行面积计算。最后，将计算的面积与以往时间该定位地块的面积对比，区分该地块不同车辆的重复作业。

1.4.2达标面积参数说明

所有的参数计算，均以地块的参数来计算，如平均深度、作业面积、达标面积、重叠面积等。

平均深度：采集深度点之和/采集深度数量。

作业面积：农机每天耕作的面积(按照地块来计算)。

达标面积：默认算法为作业地块平均耕深超过标准耕深则全部算为合格。

如图5所示，深松深度标准30 cm，超过30 cm的作业地块算合格，未超过30 cm的地块不合格。

图5 面积计算原理Fig.5 Principle of area calculation

2 田间试验与分析

为验证系统作业深度和作业面积的检测精度，在密云区河南寨农机合作社示范基地开展了系列试验。试验中，选用约翰迪尔1204拖拉机、大华宝来1S-230型深松机作为试验机型。

2.1作业深度试验

2.1.1试验条件

试验主机为约翰迪尔1204型拖拉机，悬挂大华宝来1S-230型深松机，作业速度平均7.81 km/h。

2.1.2试验方法

试验选取单块试验田，调整耕深分别为20、25和30 cm，每个深度随机选取20个点，分别利用钢尺测量农机实际作业深度并记录，与监测深度进行对比。

2.1.3试验结果与分析

试验结果如表1所示。从试验结果可以看出，与实际作业深度相比，作业深度监测平均误差在20、25和30 cm耕深处分别为0.590、0.555和0.595 cm，作业深度监测误差≤2 cm，因此农机作业质量监测技术在作业深度监测方面能够满足实际应用中对农机质量监管的需要。

表1 作业深度

2.2作业面积试验

2.2.1试验条件

试验主机为约翰迪尔1204型拖拉机，悬挂大华宝来1S-230型深松机，作业速度平均7.81 km/h。

2.2.2试验方法

试验选取单块试验田，每作业一个往返记录一次作业面积，并利用测亩仪测量农机实际作业面积，与监测面积进行对比。

2.2.3试验结果与分析

试验结果如表2所示。从试验结果可以看出试验组作业面积监测误差为2.19%，因此农机作业质量监测技术在作业面积监测方面的准确率在97%以内。作业面积监测及计算准确度能够满足实际应用中对农机质量监管的需要。

表2 作业面积

3 监测系统在北京的应用情况

3.1整体情况

为做好北京市农机深松整地作业，根据北京市农业农村局印发的《北京市季节性裸露农田扬尘抑制关键保护性耕作技术推广应用作业补贴实施方案》(京政农发〔2020〕22号)，从2020年开始，北京市农机深松整地作业验收以线上查验为主，人工复核为辅。鼓励使用复式作业机具(同时完成灭茬、深松、旋耕等多项作业)开展农机深松整地作业，作业机具需装有深松作业质量监测终端，并且监测数据能够按要求传输到北京市农机调度中心。

按要求全市共安装监测终端78台。各区作业主体基本按照要求安装了监测终端并上传作业数据，实现了农机深松整地作业在线监测。经线上监测统计，完成春季农机深松整地作业面积6 974.18 hm2，其中线上监测合格面积6 754.27 hm2，不合格219.91 hm2。各区具体作业监测情况如表3所示。

表3 2020年农机深松整地作业汇总

3.2存在的问题

3.2.1有线连接问题

农机深松整地作业监测终端姿态传感器、数据连接线等设备均安装在作业机具主架上，并裸露于空气中。深松整地工作地点为田间，环境比较复杂，主机和深松机具之间的有线连接容易造成拉扯、损坏，导致机具无法正常作业或监测不准确，数据缺失[16]。

3.2.2定位问题

受民用北斗、GPS、电子地图精度和农村地界划分等限制，以及信号获取等地理条件制约，有些小地块无法精确分辨作业边界，精准的乡镇边界存在无法获得的现象。因此在深松整地作业远程监测过程中，临界区域地理位置的准确度无法全部保证，需要人工辅助提高面积准确度。

3.2.3宣传力度不足

熟悉补贴政策、正确使用农机深松整地作业监测终端、熟练掌握设备性能特点和基本原理是开展作业监测的前提，现存在某些区级管理部门宣传力度不到位，而这往往导致个别乡镇、合作社、机手等对农机深松整地作业政策、作业监测终端、北京市农机管理调度中心及手机端作业补贴监管平台操作流程不熟悉，从而导致作业过程中不能及时发现问题进行汇报，造成监测盲点。

3.3对策及建议

3.3.1技术升级

基于“5G+蓝牙”的无线机具识别技术研究，使用蓝牙连接取代数据线连接，借助蓝牙功能的防拆卸识别标签和对应的蓝牙识别模块，可以实时监测农机拖斗车种类，来判断和确认不同的农业生产耕作，实现“一机多具”。蓝牙无线机具具有防拆功能，采用了柔性电路板，当用户将机具拆掉时，柔性电路板会断裂并向主机发送拆除信号。因蓝牙设备不需要线束连接，所以避免了在作业时机具连接线束受到外力损坏的风险，降低了故障率。

3.3.2确保补贴数据科学准确

为充分保障作业主体的正当权益，针对无法分辨精确的作业边界、乡镇边界，以及无法获得临界区域地理位置且准确度无法全部保证的现象，应提高实际应用中北斗、GPS、电子地图精度，确保使用最新的国土资源普查数据与地图，利用最新的行政区划边界。对由于人为或监测终端机器本身等引起监测数据与实际作业面积不符的问题，需要人工辅助提高面积准确度，确保监测数据与实际作业面积的相对一致，确保作业数据科学准确。

3.3.3加大政策宣传和培训力度

各级主管部门应当着力加强向乡镇、合作社、机手宣传购置监测终端和农机深松整地作业补贴政策，针对智能监测装备使用、北京市农机管理调度中心、手机端作业补贴监管平台操作流程开展培训，印发“北京市农机调度中心使用说明”，指导合作社和机手能正确、熟练使用监测终端、系统，保证各环节落实到位。