农业机械性能试验鉴定智能化系统框架

高江永，侯永胜，张桐林，史海玲，翟学迪，李军叶

(中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083)

0 引言

农业机械试验鉴定是通过科学试验、检测和考核，对农业机械的先进性、适用性、安全性和可靠性做出的技术评价，是促进农业机械的推广应用，以及维护农业机械用户、生产单位、销售单位等各方合法权益的有力保障，是国家农业机械化健康发展的重要技术支撑。农业机械试验鉴定通常分为推广鉴定和专项鉴定，这两项鉴定依据国家农业农村部及省级相关部门公布的鉴定大纲，鉴定大纲技术部分则依据相关国家、行业的标准。

农业机械试验鉴定的评价主要有安全性、可靠性、适用性、产品创新性及性能试验等内容。其中，性能试验主要依据鉴定大纲和相关的国家标准。在大多数情况下，性能试验需要在农业机械田间作业状态下完成，试验鉴定过程需要完成记录被鉴定农业机械的相关标称参数、田间作物及气象情况、田间试验过程中农业机械的性能数据、作业完成后的作业效果数据。整个检验检测的试验过程，有许多环节需要实验员或鉴定人员人力完成记录。上述试验和鉴定过程测量不便且测量效率较低。

鉴于上述原因，本文首先介绍农业机械的智能化发展现状，分析农业机械试验鉴定智能化系统的功能需求，并以农业机械相关产品、试验方法等的共性要求为依据，对农业机械性能试验的智能化试验鉴定系统的整体框架结构进行分析与研究，为后续建立农业机械通用或者专用试验鉴定智能化系统提供参考。

1 农业机械智能化概况

随着近年来各类技术的爆发式突破和应用，关于智能化农业机械的应用和研究成为报道热点。如在湖北省，基于北斗的智能终端主要安装在拖拉机、收割机、插秧机、农用无人机4类机型上，作业监测覆盖耕整地、播种、植保、收获、秸秆还田离田5个主要作业环节，解决了农业补贴资金因数据不精准带来的管理风险[1]。广东省农机信息化服务平台涵盖播种、插秧、植保、收割和深松等多种农业作业的农业机具，作业农机需安装农机作业远程监测终端，农机作业远程监测终端用于农机作业参数信息获取和传输，适配多种不同传感器实现农机作业数据采集[2]。政府等管理部门可以依托远程监测终端数据的信息化服务平台实现精准定位、状态检测、作业统计、信息管理、农机调度和报表统计等功能，用户或农机手可以通过手机APP、微信公众号和电脑客户端等多类型客户端使用，用户也可以通过上述渠道进行有效作业面积查询、农机实时定位和轨迹查询，完全实现了高效率的农机和机手的调度管理。随着物联网、互联网、电子与通信技术的快速发展，农业机械的智能化成为农业机械产业发展的重要方向，如在农业机械农机自动导航和自动驾驶、作业状态监控与监测、远程控制、故障诊断、联合调度及农业补贴的申请和办理等方面已经有诸多报道[3-10]。上述发展方向所使用的智能或者智慧监控检测系统，为农业机械试验鉴定的智能化提供了一定参考，但是由于其发明和使用的目的与农业机械试验鉴定不同，造成目前所使用的智能监控系统，往往功能相对单一，所用接口较少，核心处理方法等无法满足农业机械试验鉴定方面的使用要求。

2 试验鉴定系统功能框架

试验鉴定系统主要功能是实现检测机具的识别，相关试验数据的自动化采集、数据分析、统计及试验报告生成，以及相关试验过程的记录与存储。此外，还应具备对鉴定任务的一些管理功能，如鉴定任务下达、任务查询、进度查询，相关鉴定报告结果查询，以及鉴定依据标准查询等。

根据以上分析，将试验鉴定系统功能分为两个部分：第1个部分为管理功能；第2个部分为试验记录与计算功能。其中，主要的管理功能包括鉴定任务下达、鉴定任务查询、鉴定结果统计、鉴定任务进度、鉴定过程图文及视频资料查阅、鉴定所依据标准查阅、鉴定报告查阅、鉴定结果申诉与复审等。试验功能包括待检机具识别、系统自检、检测标准录入、检测数据统计、检测数据分析、检测数据存储、鉴定报告生成、试验与作业数据采集和录入、鉴定过程视频、图文资料存储与备案。试验鉴定系统功能框架如图1所示。

图1 试验鉴定系统功能框架Fig.1 Framework of test and evaluation system function

3 试验鉴定智能化系统框架结构

农业机械试验鉴定工作涉及到各级监督检验部门或农业管理部门、被检企业或者生产单位、执行鉴定工作的检测单位或机构。农业机械性能试验鉴定的试验过程通常需要收集3部分信息：田间试验条件信息，主要包括气象信息、作物信息、土壤信息及作业物资的使用情况等；农机作业性能信息，包括农机动力信息、作业参数等性能参数信息；作业效果后评价信息。

3.1 主框架

智能化系统主要是解决农业机械试验鉴定试验过程中，缺乏信息化和智能化的问题，提供一种农业机械试验鉴定的智能化系统解决方案。为了实现上述目的，智能化农机机械试验鉴定系统主框架包括农机试验鉴定主模块、田间作业条件模块、农机作业性能模块、田间作业后评价模块和云平台模块。云平台模块通过PC端或者移动端的APP或者微信小程序来实现信息的查询、录入、管理等环节。被检企业/单位、检测企业/单位及各级监督检验部门或其他管理部门，通过PC端或者移动终端，登录云平台模块，进行农业机械试验鉴定相关业务的查询、咨询或者实施。主框架结构如图2所示。

图2 主框架结构Fig.2 Main framework

农机试验鉴定主模块包括数据库模块、数据处理与分析模块、数据报告模块、视频与图文资料模块和鉴定结论模块。数据库模块的数据源来自田间作业条件模块、农机作业性能模块和田间作业后评价模块。数据报告模块、视频与图文资料等部分，以及鉴定结论等数据传输至云平台模块。鉴定主模块框架如图3所示。

图3 农机试验鉴定主模块框架Fig.3 Main module of test and evaluation system

3.2 田间作业条件信息框架

田间作业条件模块用于采集、记录和传输气象信息、农田信息、作物信息及物资利用与消耗等信息。采集部分包括气象站、低空遥感、物资计量仪器与传感器等模块。气象信息包含测试场地温度、湿度、风速和风向等信息，该部分信息通过气象站获得。农田信息包含土壤类型、土壤坚实度、地形地貌和土壤水分等信息，农田信息通过低空遥感和专用手持仪器获取。作物信息包含作物种类、植株情况、倒伏情况及其他信息，作物信息亦是采用低空遥感和专用手持仪器获取。物资利用与消耗信息包括种子情况、化肥情况及其他物资等信息，通过物资计量仪器与传感器等获取。

通过各种气象站、低空遥感、物资计量传感器及人工现场测定信息的采集和获取，通过PC端或者移动端(手机或PAD)上传至农机试验鉴定主模块，而后将相关信息和分析计算结果上传至云平台。上述田间作业条件信息采集和收集模块框架如图4所示。

图4 田间作业条件模块框架Fig.4 Framework of field operation condition module

3.3 农机作业性能框架

农机作业性能模块用于采集、记录、传输农机作业过程中农业机械相关性能指标数据。农机作业性能模块包括智能终端、移动终端、若干专用传感器、通用传感器及手持仪器仪表等硬件设施。智能终端和移动终端收集传感器信息并将该信息传输至农机鉴定主模块的功能。专用传感器和通用传感器对作业过程中的力、扭矩、压力、功率、流量、位移和速度等信息进行测量；发动机的ECU具有农机具的动力等发动机ECU所能输出的相关信息。农机作业性能模块框架如图5所示。

图5 农机作业性能模块框架Fig.5 Agricultural machinery operational performance module framework

3.4 田间作业效果评价框架

田间作业效果评价主要是对农业机械作业效果进行评价，评价内容依据农机具类型和种类不同而不同。如苜蓿收获机械的作业后评价可能包括割茬高度测量、牧草含水率、收获的漏搂率、花叶损失率等。田间作业后评价模块包括移动终端、智能终端、作业效果专用或通用传感器与仪表，智能终端和移动终端将传感器或者人工测定的信息收集并传输至PC端，再由PC端传输至农机试验鉴定主模块，并传递至云平台。该部分框架如图6所示。

图6 田间作业效果评价框架Fig.6 Field operation effect evaluation framework

4 试验鉴定流程框架

智能化农业机械试验鉴定系统工作流程如图7所示。

图7 试验鉴定流程Fig.7 Test qualification flow chart

管理部门通过在鉴定系统中下达鉴定任务，根据所下达的鉴定任务对被检单位或企业的相应农业机械进行抽检样机，根据抽检样机和下达任务，确定待检农机具的类型及相关标称参数。根据检测单位和所鉴定样机，确定试验地点和时间，根据试验现场的气象条件确认具体试验时间。检测单位的检测人员到试验现场后，通过气象站及相关仪器仪表，对试验现场的气象、土壤及作物等信息进行测定，并将相关信息和数据进行记录，并传输至智能鉴定系统的数据库模块。

根据检测任务和鉴定样机，确定现场鉴定工作所需完成的试验项目；根据样机的试验项目，确定试验项目中所使用的仪器仪表传感器种类与数量。根据待检农业机械的外形，在待检农业机械相应位置安装智能终端、专用/通用传感器与相关仪器仪表。在智能化农业机械鉴定系统中，识别所安装硬件设备，并对所安装且已经完成识别的智能终端、专用/通用传感器与相关仪器仪表设定参数和量程。

启动智能化农业机械鉴定系统，对完成识别和参数设定的智能终端、专用/通用传感器与相关仪器仪表等进行系统自检。对待检农机样机启动前检查。根据鉴定大纲和相关标准及智能化农业机械鉴定系统相关要求，启动农机具，开始进行试验。根据鉴定大纲和相关标准及智能化系统相关要求逐个完成单项试验项目中作业量和试验项目。在试验过程中，通过智能终端自动采集并传输专用/通用传感器与相关仪器仪表试验数据，并将该试验数据经过无线传输至智能化农业机械鉴定系统的数据库模块。

根据鉴定大纲和相关标准及智能化农机鉴定系统相关要求逐个完成单项试验项目中作业效果评价项目。在作业效果评价试验过程中，通过智能终端，自动采集并传输专用/通用传感器与相关仪器仪表试验数据，并将该试验数据保存至数据库模块。

试验结束后，数据库模块对所采集的数据进行初步统计、分析和处理。智能化农业机械鉴定系统根据专家系统和鉴定判定依据，对数据库模块中鉴定试验数据进行分析和计算，并最终获得试验结果。根据鉴定试验的试验结果，生成鉴定报告和鉴定结论。相关管理人员登录智能化农业机械鉴定系统对试验结果和鉴定结果进行审核与批准。完成以上步骤以后，最终进行鉴定任务、鉴定结果等的公开和发布。

5 结束语

本文首先分析了农业机械智能化概况，而后给出了智能化系统所具备的功能框架，基于功能框架提出了智能化系统的框架结构及试验鉴定的流程框架，为后续试验鉴定智能化系统的构建提供技术与理论依据。农业机械性能试验鉴定的智能化系统，可以实现农业机械试验鉴定过程中多种传感器信息的统一采集和传输，解决农机试验鉴定过程中依靠人工采集、人力数据处理，效率低、周期长等问题，有利于农业机械试验鉴定的自动化和智能化，提高检测效率，降低现场检验检测工作人员劳动强度，有利于提高农业机械鉴定的信息化和智能化，也有利于促进农业机械化的健康发展。