农业装备工业互联网平台建设与应用前景

常亚洲， 边 恺， 潘海涛， 李玄浩， 伊瑞涯， 孙战胜， 赵洪满

（1. 中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471033； 2. 中机建工有限公司，北京 100083）

0 引言

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网等新一代信息技术与各行业的深度融合，带来制造模式、服务模式、生产方式、产业形态和产业分工格局不断变革，全球创新体系也随之转变，创新载体从单个企业向跨领域多主体协同创新网络转变，创新流程从线性链式向协同并行转变，创新模式由单一技术创新向技术创新与商业模式创新相结合转变[1]。而具有跨界、融合、协同特征的新型创新载体−工业互联网平台创新生态系统正在形成。农业装备工业互联网平台，是基于农机全产业链传感矩阵的人工智能大数据决策体系，围绕智能农业机械全生命周期管理相关需求开发，通过物联网平台、大数据技术、智能制造技术、共享经济与农业装备相结合，研发智能数据采集系统和智能感知系统，通过各类传感器、探测器、北斗终端等实现农机、农业数据的对接，为农业全产业链提供大数据支撑。平台围绕智能农业机械完成基础系统搭建，农机电控信号和总线信号收集、传输、存储、展示，以及基本的作业统计、报表分析等，将内外平台对接，实现物联网平台与各系统对接，将产品外部数据与企业的业务系统打通，使产品数据直接服务于研发、生产、供应链、市场营销等环节，整合需求与服务，推动商业模式变革。

1 必要性

1.1 新技术发展演进结果

工业互联网（Industry Internet）的概念最早由GE于2012 年提出。随后，GE 联合IBM、思科、英特尔和AT&T 组建了工业互联网联盟（ Industry Internet Consortium，IIC），将这个概念大力推广开来。IIC 指出，工业互联网就是物联网、机器、计算机和人员的互联网络，它通过使用高级数据分析驱动业务转型，实现智能工业运营，体现了全球工业生态体系。工业互联网概念一经提出后，立即在全球引起了极大的关注[2]。为了占据新一轮工业革命的制高点，美国、德国、日本等工业强国先后将工业互联网提升到了国家战略层面，纷纷布局工业互联网平台，加快推动制造业数字化转型。2017 年11 月，国务院印发了《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，正式推出了工业互联网创新发展战略。“网络是基础、平台是核心、安全是保障”被视为工业互联网体系架构中的3 大要素[3]。工业互联网平台成为促进我国制造业转型升级、实现高质量发展的重要驱动，是企业数字化转型的基石[4]。

1.2 数字化转型升级需要

服务型制造能力成为决定制造企业竞争力的关键及利润主要来源，传统制造企业必须将业务重心从生产型制造向服务型制造转移，适应全球制造业发展是制造业服务化，即以生产过程为主向服务型制造转型的趋势。物联网应用功能越来越深入的拓展到农业机械、工程机械、动力系统、物流、家居、军工等行业。各大企业或科研院所也在借助物联网信息技术实现向服务型企业的转型升级。以农机装备检修为例，传统的农机检修服务模式是农机故障−机主报修−人工调度配件−专业人员维修−农机恢复正常，其流程长、效率低，在农忙时节更是成本代价高。广大农机用户也不再满足简单的“三包”服务、换件、故障维修培训等，转而向智能化、信息化的故障自动诊断、自动报警、预测性维护等更高层次的平台化远程运维服务转变。

1.3 支撑农机装备跨越提升

近年来，国外农机装备广泛采用数字化设计与柔性化制造等组合技术，通过精准化和智能化控制、大型化联合复式作业等，引领农机装备向智能化、环保化、多功能方向发展。目前，我国农机制造水平稳步提升，农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力，进入了机械化为主导的新阶段。但与发达国家相比，我国的农机装备还有很大差距，并面临在信息化、智能化应用方面差距拉大的严峻挑战。一是从现代农机技术体系构建方面来看，国际竞争及我国复杂的农情决定了不能再靠简单引进来推动我国农机产业发展，必须因地制宜构建自主可控的农机产业创新体系，充分利用国家战略契机，实现农机制造技术和装备水平提升。二是从农机装备有效供给方面来说，我国现有农机装备在品种种类、全程全面机械化、适合地域条件和特色作物农机装备供给等方面亟待提升，与美国7 000 多种农机相比，我国目前仅有4 000 多种，且主要集中在大宗粮食作物，特殊地域、特色作物等领域几乎空白。三是从现代农机装备产品性能方面来讲，我国农机产品性能方面处于中低端，在技术性能、制造水平、应用效能等方面与国外存在较大的差距，国外拖拉机产品广泛采用电子控制系统、自动导航技术、线控技术、虚拟现实技术和液压技术等高新技术。四是从现代农机产品可靠性方面来对比，国内产品可靠性难以满足用户需要。农机属于季节性、高强度作业机械，可靠性直接关系到农时抢收、抢种的结果，影响用户的切身利益。我国拖拉机、联合收割机等标志性产品的平均故障间隔时间（MTBF）不到国际先进企业同类产品的2/3，达到国际领先水平的产品不到5%，难以满足广大农机用户对农机的使用需求。

2 技术思路

农业装备工业互联网平台建设要结合现代农业装备特点，以物联产品物联网为手段，逐步扩展到数控加工中心等装备数据应用，获取海量数据，建设基于现代农机装备监控及运维管理系统平台（包括APP 体系），逐步增加机理模型和人工智能算法，实现定位查找、状态监控、作业统计、数据分析、快速服务、预警报警、报障报修等功能，实现智能装备的数字化、网络化和可视化，建立智能装备运行管理及全方位服务的大平台创新生态，为提升产品品质、实施产品全寿命周期管理、提高服务品质和服务效率、发展现代化农业发挥重要作用。基于云平台，开发一套智能北斗终端数据采集系统；构建大数据分析模型库及边缘计算模块；推广使用智能装备大数据管理工业互联网平台工业APP；建设一个智能装备大数据管理工业互联网平台。

2.1 建立1 套平台体系

平台标准体系包括数据标准、业务应用接入标准、业务管理流程规范、安全运维标准等，如图1 所示。从建设（数据标准、业务应用接入标准）与使用（业务管理流程规范、安全运维标准）两个方面提供标准化的指导，为业务应用的全生命周期提供标准支撑。

图1 平台标准体系Fig. 1 Platform standard system

2.2 建立2 个门户

2 个门户包括PC 门户和移动门户，如图2 所示。PC门户为用户提供服务，可能由1 到多个具体的门户组成，分别服务于个人、机构、专用主题的应用使用需要。移动门户则为移动端提供服务，包括使用者的注册、能力申请与使用、应用上架与运营，PC 端的所有功能在移动端都能实现。

图2 平台2 个门户框架Fig. 2 Frame of two portals of platform

2.3 建立3 个中台

3 个中台包括技术中台、数据中台和业务中台，从应用服务管理、数据资源管理、业务应用管理3 个方面为应用提供服务层、数据层及展示层的接入与共享支撑，如图3 所示。每个中台都需要体现体系建设中的工作内容，体现与整体框架之间的关系。

图3 平台3 个中台框架Fig. 3 Frame of three middle platforms of platform

2.4 建立N 个应用

业务基于数据资源池与服务资源池，构建基于微服务应用的业务应用池。这类应用主要服务于公司日常工作的需要，先从集团自身开始、再逐步辐射到集团其他子单位、以及类似行业的其他企业需要。

2.5 物联网接入平台

可连接的工业设备种类11 类3 000 个，可连接开关量的设备数10 万个，可管理的工业设备11 类3 000 个，可提供的操作控制功能种类26 类。

平台是以农业机械智能化为基础，通过前装和后装M2M 智能终端，使农业机械智能化。M2M 智能终端获取农业机械运行工况、位置等海量数据，开展大数据分析，优化管理和业务模式。

2.6 数据传输、控制平台

本平台设计运营商使用的现代农机装备大数据管理平台、用户使用的APP、服务车/站使用的信息终端等多个远程监控终端，设定不同的权限获取现代农机装备的工作状态信息及对装备的远程操作。其中远程监控平台、服务车/站信息终端可批量对装备进行管理控制，用户APP 可获取绑定的装备信息。

2.7 与用户和模块进行绑定

通过现代农机装备大数据管理平台或用户APP 将用户的手机号与装备模块进行绑定，确保绑定的唯一性，可实时将绑定模块所在的装备状态信息上传到智能装备大数据管理平台、用户APP、服务车显示终端等，也可以进行远程控制，平台可向模块绑定的手机发送催款、保养等信息。

2.8 定位与围栏设定

通过装备定位与状态采集控制模块中的北斗定位系统，对现代农机装备进行实时定位，并可以通过现代农机装备大数据管理平台设定工作范围，当现代农机装备超出工作范围时进行报警，另外用户也可设定现代农机装备的非法移动距离，保证装备的停置安全。

2.9 远程限速、停机控制

现代农机装备定位与状态采集控制模块接入设备CAN 总线系统，可根据智能装备大数据管理平台发出的控制指令，对装备进行限速、停机操作，实现装备的高效管理控制。

2.10 定位与状态采集控制模块异常处理

现代农机装备定位与状态采集控制模块无通信信号24 h 后，对现代农机装备执行停机操作；模块被恶意拆除时，无法与装备电动机通信，立即对装备执行停机操作；模块供电电量过低时，通过远程监控平台进行报警。

2.11 工作状态信息获取分析

装备定位与状态采集控制模块可以将CAN 总线中各种设备状态进行获取上传到远程监控中心进行分析处理，实时观测装备状态，及时进行保养和维修，提高装备的使用寿命及安全性。可以在装备上安装土壤检测、陀螺仪等传感器，全方位地获得作业环境信息，对装备的作业进行智能化管理[5]。

2.12 故障、销售、维修等信息分析

在收集大量数据的基础上，通过与销售、服务、质量等部门的结合，将装备相关的故障、销售、维修等信息接入智能装备大数据管理平台，对这些数据进行处理和分析，直观地展示智能装备的工作状态及运营数据，为运营商的生产管理提供依据。

3 预期解决的问题

3.1 解决智能农业装备加密通信问题

针对平台对通信实时性、网络吞吐量、覆盖范围等需求，提出协同通信网络系统，规范基于不同开发系统、中间件技术研发的软硬件设施接口标准、数据交互协议，最大化效率地进行数据分析、优化、调度、决策等[6]。

3.2 提高工业互联网平台数据资源量和覆盖范围

数据资源量及覆盖范围是互联网平台能力、影响力最直观的体现[7]。以国内农业平台为例，目前普遍存在着缺乏数据量支撑的问题，对于环境、气候、土壤等的监测也往往是定点式监测手段，数据的覆盖范围也会受到很大限制[8]。而通过本项目的实施，逐步将各种数据采集设备集成到农业装备上，在农机作业过程中实时采集动态数据并实时回传，对于数据的全范围覆盖及时效性都有着积极的作用，将使得数据产生更大的价值。

3.3 填补国内智能农业装备工业互联网平台空白

目前越来越多的企业、投行、创业公司将目光聚焦到工业互联网平台的建设。以农业领域为例，涉农创业公司集中分布在生鲜B2B、电商、服务、科技、金融、供应链及土地等几大行业，其中电商又分流为生鲜电商、农资电商、食品电商等细分赛道。通过项目实施，打造涵盖技术、人才、平台、政策及国际合作等要素互动融合的创新生态系统，营造创新文化氛围，发挥已有各类创新载体的作用，打破单元、组织、区域和行业的界限，形成高水平有特色的农机协同创新互联网平台，塑造我国制造业国际竞争新优势[9]。

3.4 打造大数据驱动服务型制造新模式

通过智能装备主动获取装备作业工况、状态信息等，通过协同通信网络系统传输数据并进行大数据的挖掘分析，使用数学模型进行智能诊断、故障预测及监控。通过数据计算、数据挖掘（成员关系服务、地理信息服务、感知数据服务等）推送至不同角色的终端手机，为公司生态圈内提供一整套“闭环感知智能信息感知系统”，实现对装备信息的实时监控，让用户实时了解相关数据内容信息。如智能装备发生故障征兆或触发预警信息等，将主动向用户发布告警信息和操作指导，提前防止故障发生；同时向服务人员主动发布派工信息，指导服务人员对设备进行预防性维护，实现“报修-派工”的被动服务方式向“实时监测-在线故障诊断-主动维护”的主动服务模式转变。通过积累的智能装备运行数据与环境感知数据，针对不同配件构建相应特征的仿真模型库，为厂商优化整机的设计提供可靠的依据[10-11]。

4 结束语

农业装备工业互联网平台建设完成后，将形成面向农业机械行业上下游全流程应用场景的平台及解决方案，平台具有30 种以上类型设备规模接入能力，具备10 万台以上工业设备同时在线能力，通过一系列工业数据分析模型、机理模型、计算模块、可视化仿真分析模型的建立实现海量大数据的分析和应用；通过工业APP 的推广和应用，实现设计、生产、服务过程的工业知识经验固化，形成知识共享库，打造工业APP。基于平台所覆盖的大量用户，向行业内农机行业制造商、供应商、服务商、农机用户、管理部门开放，围绕装备购买、使用、维修、配件供应、设备远程运维和供应链协同等业务，以及农业机械化生产所需生产资料、科技服务、融资保险等需求，以农机装备为核心的、为现代农业提供核心价值服务，打造成为现代农业装备行业生态圈。探索新的业态，实现产业链上下游企业的数字化转型及经济高质量发展，助力中小企业上云上平台实现数字化改造，促进现代农业装备行业数字化转型升级。