我国农业机械可靠性演化分析*

何琼，李其晓

(1. 绿色发展大数据决策北京市重点实验室,北京市,100192;2. 北京信息科技大学经济管理学院,北京市,100192)

0 引言

农业机械是指用于种植业、畜牧业、渔业、农产品初加工、农用运输和农田基本建设等活动的机械及设备。我国关于农业机械的可靠性研究起步于20世纪80年代,随着耕种收机械的普及,农业机械可靠性突破传统概念的限制,向研发、制造、服务一体化发展,共同保证农业机械的高质量运作。不同于制造业机械,农业机械作业环境、作业区域更为复杂多变,季节性负担也对维修服务的响应速度、效率及维修质量提出更高的要求。因此,对农业机械可靠性进行研究,有助于提升智能化农业机械研发水平、完善性能评价体系、保证粮食生产效率。我国农业机械可靠性研究主要针对拖拉机、联合收割机、排灌机械、机动渔船等农业机械,相关主题涵盖机械产品质量、可靠性、售后服务、维修、故障分析和维修决策等,还未从宏观上对可靠性在农业机械领域的研究现状以及未来的发展趋势进行分析。此外,不同于已有文献以机械类型进行区分,本文更关注可靠性研究的不同侧重点,即可靠性试验、可靠性分析、可靠性设计、可靠性评价。因此,本文基于可视化方法对我国农业机械可靠性研究热点的变迁和发展趋势进行分析,并通过文献研究法梳理该领域国内研究成果,以期为相关研究者追踪学科发展趋势提供参考,促进该领域可持续性发展。

1 研究设计

1.1 数据来源

研究所用文献数据来源于CNKI,考虑到农业机械涉猎广泛,选取若干具有代表性的高级检索主题词如表1所示。

表1 样本文献高级检索关键词表Tab. 1 Advanced key words of sample literature

选择精确匹配方式及期刊类型文献,所选文献时间区间为1980—2021年(检索日期为2022年4月3日),学科类别不做限制。经过人工筛选剔除通知、重复等无效文献后,得到有效文献362篇。样本文献涵盖种植业、畜牧业、渔业等六大类农业领域,包括大中型拖拉机、小型拖拉机、机动脱粒机、渔用机动船、联合收割机五类我国主要农业机械以及其他常用机械设备,以保证研究科学性。

1.2 研究方法

首先运用可视化分析法,提取样本文献的关键词、作者、机构作为知识单元,经过合并同一隶属机构,以1年为时间切片进行空间格局及研究主题分析,探析农业机械可靠性理论的演进脉络、研究现状及热点;其次结合可视化结果,对样本文献的研究对象和研究内容等进行分析和述评,系统地展现了我国农业机械可靠性研究的发展动态。经反复比对,将阈值设置为TopN=50,TopN%=30,C/CC/CCV三个阈值为(2,2,20)(4,3,20)(4,3,20),此时Citespace可视化结果最佳。

2 农业机械可靠性空间演进分析

2.1 机构共现分析

为从整体上把握我国农业机械可靠性领域各研究机构分布及合作情况,对样本文献进行Citespace可视化分析,生成研究机构共现图谱,如图1所示。图1中节点代表不同的研究机构;节点间的连线代表两机构合作共现情况,连线的粗细、颜色、密集程度分别代表两机构间合作的次数、首次合作的年代及合作机构范围的广泛度。

图1 研究机构共现图谱

从整体来看,1980—2021年间我国共有253家机构参与农业机械可靠性的相关研究,图谱连线数为86,密度值为0.002 7,表明我国研究机构间合作较少。分析发现,1980—2010年间该领域形成了以“东北农业大学”为首,与“苏联农业机械化研究所”“黑龙江省农业机械工程科学研究院”等机构多边、频繁合作的研究团体,并产出了丰硕的研究成果,但国内相关研究机构仍然较少;2011—2021年间国内研究机构数量激增,机构间合作延续了早期校企联合的形式,并呈现出从直线型向链式三角型演进的特点。

考察该领域各研究机构的研究力度,结果如表2所示。从文献量占比来看,文献累积产出最多的机构是“中国农业机械化科学研究院”(20篇)和“东北农业大学”(20篇),共占文献总量的11.04%。1980年以来,有11家机构相关文献累积产出量高于5篇,累积产出量在2～4篇的机构有74家,两者占研究机构总量的33.6%,其累积文献产出量占总量的77.07%,有66.4%的机构累计发文量为1篇,占总发文量的22.9%,说明在该领域我国机构研究力量较为分散。

表2 机构文献量占比及Half-life值表(TOP5)Tab. 2 Proportion of institutional literature and Half-life value table(TOP5)

Half-life值(半衰值)是衡量随时间推移,该机构在领域整个网络中老化程度的指标,其值越大说明该机构对农业机械可靠性领域的影响力越大。从Half-life值来看,排在前5的分别是西北农林科技大学(13.5)、中国农业机械化科学研究院(12.5)、中国水产科学研究院(12.5)、大连水产学院(11.5)、东北农业大学(9.5),说明这5个机构理论研究更加深入,研究方向指导性及探析前沿的能力更强。其中,中国农业机械化科学研究院、大连水产学院、东北农业大学还是文献量占比排名前三的机构,说明它们是我国该领域研究的中坚支撑,也是学科发展的重要推动力量。本文对文献占比超过5%的研究机构近10年代表性文献进行梳理,结果如表3所示。

表3 文献占比超过5%的研究机构近10年代表性文献综合信息表(按时间顺序)Tab. 3 Comprehensive information table of representative literature of research institutions with literature accounting for more than 5% in recent ten years (in chronological order)

21世纪初中国农业机械化科学研究院以可靠性评价指标体系为农业机械可靠性研究重点,研究方法有维护系数、模糊理论等,近10年研究重心向智能农机系统偏移。周林[1]对比国内外疲劳寿命研究方案,针对局部应变测量、疲劳寿命预测、载荷谱编制、疲劳损伤累积理论等方面选用不同的研究方法,搭建了数据采集系统用于数据分析,在实现大型农业机械结构轻量化设计的同时提高了农业机械疲劳可靠性。樊超等选用PX4开源飞控,并以3 DR电台和QGround Control地面站搭建数据链平台,通过设计冗余切换系统和测试系统提高数据链可靠性,进而保证农用微小型无人机的稳定运行。目前该方法已被引入航空航天、电业、信息与通信等多个工程领域,对各领域无人机的可靠性研究及应用有重大启发意义。东北农业大学是我国农业机械可靠性研究开始较早、持续性较好的机构之一,早期常基于模糊理论、人工神经网络系统理论、随机过程理论等对农业机械进行可靠性评价、优化机械设计。于嵩等设计了一套智能灌溉系统,并通过分析失效模式、建立故障树、利用Monte Carlo法进行仿真分析系统可靠性,开拓了智能灌溉系统的设计思路。王艳芳等[2]对传统威布尔分布进行改进,选用两参数混合威布尔模型,将故障模式按故障应力的相似性进行模糊聚类,并基于最小二乘法得到混合威布尔分布参数估计,避免了信息不完备情况下的故障机制分析。王艳芳[3]在此基础上采用bootstrap法提高故障强度模型非参数估计的科学性和实际性,运用故障模式影响分析法和系统重要度分析法确定拖拉机主要故障部位、故障原因、故障模式及影响可靠性的关键子系统,为在设计、制造、维修等各环节提高可靠性提供方法及建议。

2.2 作者共现分析

为考察研究者演进及合作情况,对样本文献进行作者共现分析,如图2所示。从图谱密度值(Density=0.005 1)来看,约是机构共现图谱密度值(Density=0.002 7)的2倍,说明研究者更倾向于机构内部合作,与外部研究者合作较少。从图谱分布形状深入分析研究群体发现,研究者间合作呈现出边界清晰的多边形分布特点,说明在该领域机构内部也存在明显的合作常态化问题,在一定程度上限制了科研群体的凝聚力和突破力。从图谱线条颜色来看,绿色、黄色、橙色和红色多边形占据了图谱的大半,说明近5年研究者多以团队形式加入该领域,研究热度持续增强。

图2 文献作者共现图谱

进一步考察研究者对农业机械可靠性领域的影响力度,计算样本文献作者的Half-life值(半衰值),结果如表4所示。在样本文献中,Half-life值最高的作者是阎楚良(Half-life=17.5),说明在理论和方法的迭代过程中,其文献启发性更高,对该领域后续的演进发展仍起很大的支撑作用。本文对Half-life值最高的前三位作者代表性文献进行梳理,结果如表5所示。

表4 文献作者Half-life值(TOP10)Tab. 4 Author Half-life value (TOP10)

表5 三位作者代表性文献的综合信息表(按时间顺序)Tab. 5 Comprehensive information table of representative literature of three authors (in chronological order)

阎楚良[4-5]曾从经济性和维修性出发,提出结构全寿命主动可靠性设计的新研究领域,创新性地使传统的成品机械可靠性评价发展为未成品预定寿命下的主动可靠性设计。随后采用异步传输和动态数据转为静态数据的方法,解决了silverlight组件无法对动态数据进行监测的问题,提高了农机可靠性试验数据的存储安全性和处理效率;次年,又基于存储策略提出对农机监测数据的实时存取方法,将数据存储为指定格式文件以备数据处理时可以转为不同类型的文件,解决了特定数据块读取灵活性差和数据格式包容性低的问题。同时提出使用XidML文件对动态数据进行解析的方法实现了农业机械可靠性试验的实时数据监测及其采集数据的后期回放[6],有效提高了现场试验效率。这一系列研究成果极大地推动了GPS等信息技术在农业机械领域的应用以及汽车、农业机械可靠性评价分析方法的创新。Half-life值排名第二的袁寿其[7]在排灌机械可靠性领域的研究成果颇丰。他对国内外灌溉机械的应用及研究现状进行详细分析,并对机械可靠性、智能化灌溉装备的发展方向、应用领域、具体方法提出见解,该文献共被引285次且近三年内被引135次,说明其对目前相关研究仍具有极大的启发性和指导性。同时,他研究了较高轨压对典型共轨喷油器可靠性的影响,分析发现典型共轨喷油器部分结构设计有待优化以保证不同轨压下的使用可靠性[8]。为量化分析共轨系统的结构可靠性,提出采用蒙特卡洛法对“泄漏—限流”失效模型进行分析,经对比发现运用蒙特卡洛重要抽样法进行共轨系统结构可靠性分析更为简便有效[9]。贾复[10]专注于火焰传播、爆泄力学和渔船的设计与经济特性分析的研究,其针对维修性能、环保性能良好的玻璃钢材料渔船进行经济影响因素(油耗、经济寿命、维修费用等)分析,为玻璃钢最优船型论证、船体材料、船舶设计及寿命等方面的研究提供计算及指导依据。

3 农业机械可靠性主题演进分析

为展现可靠性在我国农业机械领域的主题演进脉络和研究热点,提取362篇样本文献的931个关键词进行聚类分析及热点时域分析。设置参数TopN=50,TopN%=30,以规避高频词选择时遗漏学科发展中词频较低但主题新颖且有可能成为发展前沿的重要关键词。

3.1 关键词分析

图3显示了我国农业机械可靠性的演进脉络和关键节点,图3中线条颜色由深到浅代表相关主题文献出现的年份由远到近。从整个网络分布来看,密度值较低(Density=0.006 7),聚类结构良好(Modularity Q=0.795>0.3),聚类结果置信度较高(Mean Silhouette=0.906 8),说明该领域研究主题较为分散,且各主题间知识体系差异较大。从整体演进情况分析,国内研究角度从以农业运输机械为主(拖拉机、柴油)向多样化农业机械迁移,研究范围呈现出从机械生产向制造和服务共同发展的趋势演进。

图3 文献关键词共现图谱

关键词被引频次和中心度分别反映了研究者对该主题的关注度和该主题在图谱中的重要性[11-12]。按被引频次及中心度分别列出前20个关键词,如表6所示。可以发现:第一,两关键词列中有18位是相同的,说明受关注度较高的研究主题,其重要性也较强。第二,农业机械可靠性研究可以分为可靠性试验、可靠性分析、可靠性设计、可靠性评价4个方面。第三,在农业机械可靠性研究中,对种植业机械、农用运输机械的关注度最高,主要包括联合收割机、拖拉机、排灌机械、联合收获机、柴油机,其中前4位的重要性也较强。第四,在机械设备的各种零部件中发动机的可靠性研究最为重要并受到广泛关注。第五,随着信息技术、计算机技术、生产工艺的高速发展,农业机械自动化受到广泛关注。同时,农业机械的普及推广也使得售后服务的可靠性显得尤为重要。

表6 样本文献关键词按被引频次、中心度排序(TOP20)Tab. 6 Keywords of the sample literature are ranked by citation frequency and centrality (TOP20)

3.2 研究热点分析

为探析国内农业机械可靠性领域的研究热点,对样本文献进行热点时域分析,结果如图4所示。我国研究基本可以分为两个阶段:第一阶段(1980—2000年间)研究热点有可靠性试验、联合收割机、对比试验、拖拉机、排灌机械、可靠性设计、维修性;第二阶段(2001—2021年间)在延续第一阶段研究热点的基础上,根据农业机械化发展阶段将其演进为售后服务、农业机械试验鉴定、各种农业机械产品、自动化等。另外,图谱中关于农业机械可靠性研究方法的关键词稀少,说明在该领域还未形成较好的方法体系,各研究机构应加强合作力度,共同构建科学方法体系。

图4 农业机械可靠性热点时域图谱

从图谱颜色和形状来看,图4坡度较缓,绿色是图谱的主色调,随横坐标右移节点密度经历了由密集到稀疏再逐渐密集的过程,这说明在该领域国内关注度还不稳定,后续研究力量较弱,此时需要整合国内研究成果,结合领域发展趋势挖掘突破口,为深入研究做准备。

4 农业机械可靠性研究述评

本文基于高频关键词统计结果,运用文献研究法,从可靠性试验、可靠性分析、可靠性设计、可靠性评价四个研究角度,对农业机械可靠性的研究方法、研究主题和研究对象等元素进行深入分析。结合这四个角度选取代表性文献,对农业机械可靠性研究展开述评,以展现和揭示其研究现状和发展动态。

4.1 可靠性试验

可靠性试验是指在有限的样本、时间和费用下,为设计、分析、评价可靠性而进行的各种试验。其被应用于渔业饲料生产、蔬菜种植、拖拉机、各种野外作业等农业机械领域;研究主题涵盖加速试验系统、对比试验、试验数据处理、智能监测等。

为缩短农业机械可靠性试验时间及经济投入,已有学者基于结构不变性原理和疲劳试验原理,设计了室内模拟加载加速可靠性试验系统。随后,岳崇勤等[13]设计了便携式割灌机试验台,并通过怠速试验、高速试验及可靠性试验等测试,证明该试验台在割灌机可靠性及性能测试等方面符合试验要求。李鉴方等[14]运用对比试验,将传统生产方式与蔬菜种植机械的生产效率作对比,验证了机械生产的适用性、合理性。针对不同机械栽植方式的可靠性试验,李泽华等[15]运用主效可加互作可乘(AMMI)模型对影响水稻产量的栽植方式、环境等因素进行对比分析,发现三种机械化栽植方式对杂交水稻的栽植可靠性较低,不可代替人工插稻,但对于常规稻栽植具有良好适应性,稳定性远优于人工插稻。该研究对科学选择种植模式及合理化推进种植机械化发展具有重要参考意义。刘成侣[16]提出不同试验场地应采取不同的可靠性试验监控方式,特别在田间或野外试验时监测员要通过现场拍照、现场记录等多种方式提高可靠性试验的可信度。近年来,大数据技术被广泛应用于可靠性数据监测中。吴英满[17]、李晓等[18]分别利用GPS和GMS技术、无线技术,研制了农业机械在线监测系统,规避了传统方法耗资巨大、无法实时监测、主观因素等对试验结果的可信度的影响。不难发现,随着信息化、计算机技术的进步,农业机械的可靠性试验方法也发生了较大改变,智能化的数据实时监测、存取、分析及可靠性预测系统将成为农业机械领域下一步发展方向。

4.2 可靠性分析

传统的可靠性分析仅包括对机械失效内因、外因和故障规律的研究,随着农业机械的普及推广,维修服务可靠性也被纳入其中。

我国农业机械可靠性分析方法较为多样。早期研究者常用数理统计法基于试验数据推断故障规律,同时通过威布尔分布及定周期维修适应性系数,研究农机定周期维修的适用性、维修周期和可靠性边界条件。也有学者尝试运用自适应神经网络对不同类型的可靠性模型进行参数估计,提高方法的适用性。张立香[19]运用Miner疲劳累积损伤法则和名义应力法确定农业机械关键部件及系统失效的故障树模型和数学模型,通过重要度对系统可靠性进行分析,并提出基于区间抽样和可拓理论神经网络的多指标可靠性综合评价方法。在此基础上,李福强[20]考虑应力载荷的频率和幅值对疲劳寿命的影响,将应力—强度干涉模型作为基础,结合功率密度理论提出功率密度干涉模型,提高了农业机械疲劳寿命预测的准确性。当评定指标点离散度较高时,传统灰关联法无法全面反映序列特性。胡东方等[21]将广义灰色关联模型引入农业机械可靠性分析中,从曲线间相似性、相对变化率及接近性的角度比较各采样序列与特征行为序列的关联度,该方法所得最优解更符合实际过程。敖长林等[22]提出基于非齐次泊松过程的机械故障函数,用Bootstrap法进行参数及非参数估计,并给出平均故障间隔时间的估计值,为机械维修策略提供了参考依据。Zhang等[23]通过定性分析确定了农机系统的薄弱环节,并通过故障树法和傅立叶变换法建立了故障率模型,研究了各基层部件相对概率重要性。Xiao等[24]和Liu等[25]将工业维修服务研究成果和IPS2数据库知识引入农机维修领域,前者对IPS2数据库知识进行重挖掘并赋予贝叶斯网络,为农机维修问题提供推理和相关决策方案;后者基于改进的灰色模型和IPS2的历史故障时间数据为农机提供了主动维修时间预测方案,既解决了传统农机维修中对监测设备的依赖,又提高了维修的主动性,极大地保障了农机运行时的可靠性和效率,两项研究成果已在我国农机维修实践中得到推广和应用。Ren等[26]基于新的多目标整数规划方法,研究了维修服务能力规划问题。除此之外,中心点法[27]、危害性分析等方法也较为常用。

4.3 可靠性设计

可靠性设计是一种以消除潜在缺陷为目的,保证机械及其零部件满足可靠性指标的设计方法。王新刚等[28]将零部件的参数渐变性融入纯数学理论模型当中,更加准确、合理地为机械设计和寿命预测提供了依据。叶秉良[29]、李光辉等[30]则分别对拖拉机最终传动和后桥半轴壳建立多目标模糊可靠性设计模型,并用遗传算法进行求解,使其可靠性和稳健性优于传统可靠性设计方法。张立香等[31]利用可靠性干涉原理建立农机驱动桥壳强度和刚度可靠性模型,并运用ANSYS对其进行仿真,分析结果为关键零件的设计提供了理论指导。李岩磊等[32]提出将物联网技术引入农业机械可靠性监测设计中,打破各子系统间的物理隔离,解决实际监测利用率不高、机械设计时无预留监测接口的问题。目前农业机械设计正向着全数字化方面发展。

4.4 可靠性评价

可靠性评价是指根据评价指标对农业机械的可靠性水平进行评估。它主要有两部分研究内容:评价指标和评价方法。

目前我国还没有形成较固定的农业机械可靠性评价体系,许多学者对此提出自己的见解。王金武等[33]将平均首次故障时间、平均故障间隔时间、修后可用度和可靠性评定值作为可靠性评价指标,用于衡量农业机械维修质量。王秀叶等[34]认为除上述指标外,还应再增加平均故障前工作时间、平均工作时间维修费和平均故障修复时间。戴花林将首次出现故障的时间、无故障作业时间、平均维修周期、维修率和故障频次作为指标评价了基于PLC的农业机械控制系统的可靠性。我国农业机械的可靠性评价方法较少,包括神经网络[35]、层次分析法[36]、集队分析技术等。王志等[37]从部件与系统的角度,对联合收割机的可靠性评价及寿命预测问题进行研究,提出了寿命估算流程和关键零部件的确定方法,对联合收割机的使用安全性和可靠性的评估提供了新思路。目前,模糊理论得到广泛应用,其主要原因是机械种类众多、可靠性影响因素复杂、考核指标难以量化,而模糊理论可以客观地对可靠性进行综合评价,解决综合指标技术难题。

5 结论

农业机械可靠性是实现粮食安全战略目标的基础,对其发展态势进行研究至关重要。本文以分析我国农业机械可靠性研究现状及方法为目的,在使用Citespace可视化演进脉络的基础上,通过文献评述,以可靠性试验、可靠性分析、可靠性设计、可靠性评价为切入视角,展现可靠性在农业机械领域研究发展动态。

1) 通过对样本文献所属机构的统计及可视化分析发现,该领域机构间合作相对固定。机构合作网络呈现出向链式三角型演进的特点,其中中国农业机械化科学研究院、大连水产学院、东北农业大学三家研究机构在国内农业机械可靠性领域处于领先地位。因此,建议国内研究机构进一步扩大多边合作,结合国内发展实情跟进智能农业机械的可靠性研究。

2) 通过对样本文献作者的统计及可视化分析发现,机构内部存在合作常态化问题,作者共现网络呈现出边界清晰的多边形分布特点。其中,阎楚良、袁寿其、贾复等针对不同农业机械的可靠性进行了深入研究,对该领域发展影响力较大。

3) 通过对样本文献关键词可视化及统计分析发现,我国农业机械可靠性研究发展不均衡。针对种植业机械和农用运输机械的可靠性研究相对较多,主要有联合收割机和拖拉机;其次是渔业机械和农田基本建设机械,主要是机动渔船和排灌机械;对于畜牧业机械和农产品初加工机械的可靠性研究极少。随着我国对建设新型养殖设施和高标准农田水资源配置的政策支持,畜牧业机械和排灌机械将得到快速发展。

4) 通过对样本文献的深入研究发现,可靠性试验方式逐渐转向时间成本更低、数据更准确全面的信息化监测试验;可靠性分析从被动状态分析转为主动故障预测;可靠性设计方法从主观定性分析演进转为更加稳健可靠的定性、定量分析相结合;可靠性评价中对模糊理论应用较多,关于评价指标体系的研究仍在继续,这也是学科创建以来相关研究者亟待解决的问题。另外,美国、法国等发达国家农业机械化发展较早,探究与跟踪其学科发展规律可有效推动我国农业机械可靠性领域的发展,国际相关主题研究及关键节点文献有待进一步整理。