基于前沿面理论的中国农业机械生产配置效率分析

定量分析农业机械生产配置效率,可以为科学制定和正确执行中国农业机械化政策提供重要的理论支撑。该文利用1991-2009年中国大陆31个省(市、区)的农业投入和产出的面板数据,采用随机前沿分析方法对农业机械生产配置效率进行了测算,并分析了其变化趋势和空间分布特征。结果显示:1991-2009年间中国农业机械生产配置效率平均为64.65%,呈现出波动之中上升的趋势;各区域的平均值显示,东北地区最高,华东地区次之,西北地区最低,西南地区、华北地区和中南地区位于中间;农业机械生产配置效率的演进规律在各区域之间呈现多元化。     

谷物联合收割机油耗随机森林预测模型

近年来农业机械保有量不断增加,农业机械对化石燃料的消耗也不断增长。该研究以实现沃得4LB-150AA型号谷物联合收割机田间作业时的油耗预测为目的,基于收割机CAN(Controller Area Network)总线及GNSS(Global Navigation Satellite System)终端采集的发动机工况数据、行驶工况数据,构建了发动机平均扭矩、发动机平均转速、平均速度、加速度均值、减速度均值、加速度方差、减速度方差7个指标,探索了7个指标与油耗之间的相关性,分析了收割机在不同区域的油耗差异,建立了基于随机森林的收割机油耗预测模型。结果表明:7个指标都与油耗存在相关性,其中发动机平均扭矩、发动机平均转速、平均速度与油耗的相关性较高,相关系数在0.6以上,其次是加速度均值、减速度均值、加速度方差、减速度方差,相关系数在0.4以上;并且不同区域的收割机作业油耗存在显著差异,其中单位面积产量高的区域油耗也相对较高;同时基于随机森林的油耗预测模型可以实现收割机作业时油耗的准确预测,均方根误差为0.14 L/h,平均绝对误差为0.24 L/h,决定系数为0.84。该研究提出的方法可为农机的工况优化及精准油耗监管提供参考。     

联合收割机制动系统虚拟样机仿真及试验

在农业机械产品快速设计系统中,农业车辆的制动性能应满足一定的安全技术标准,该文采用了一种基于虚拟样机技术研究联合收割机制动系统性能的方法,可为农机专业底盘制动系统的设计和性能评价提供参考。该文研究对象是前轮液压钳盘式制动系统,首先依据国产某型联合收割机参数,应用Pro/E建立整车及制动器三维模型,然后在此基础上导入ADAMS/View中建立整车和制动系统虚拟样机,并依据实测数据配置仿真模型属性,选定Ⅱ挡10 km/h、Ⅲ挡20 km/h 2种典型工况对虚拟样机进行制动性能仿真。对比硬路面条件下仿真和实车试验性能分析结果,踏板力实测95.6 N时,车辆III挡速度下,制动盘上接触力为4 272 N,制动距离为7.83 m,与踏板力为100 N时仿真结论(接触力为4 827 N和制动距离为7.398 m)较一致,表明该虚拟样机研究方法可行。     

利用OpenGL开发汽车操纵稳定性虚拟试验软件平台

在桌面虚拟现实系统(Desk-top Virtual Reality)下，利用OpenGL(Open Graphics Library)开发了“汽车操纵稳定性虚拟试验软件平台”。介绍了虚拟试验的意义、采用OpenGL作为开发虚拟试验软件平台的原因，提出了虚拟试验平台的功能要求，给出了完成其功能的若干关键技术的实现方法。虚拟试验为车辆运动仿真提供了一种新的研究手段。     

基于形态模型的小麦器官和单株虚拟生长系统研究

为更加直观的展示小麦的整个生长过程，同时为教学科研提供支持，将系统分析方法和数学建模技术应用于小麦植株的形态建成，通过对小麦形态数据的定量分析，并结合前人的研究成果，构建了小麦形态建成模拟模型，包括叶片形态建成子模型(包括叶长、叶形、叶面积、叶片空中伸展曲线、茎叶夹角、叶色和叶片衰亡)、茎形态建成子模型(包括茎长和茎粗)、叶鞘形态建成子模型(包括叶鞘长和叶鞘粗)和麦穗形态建成子模型(包括穗长和麦芒)等。并以此为基础，结合已有小麦生长模拟模型WheatGrow，在Microsoft Visual C＋＋平台上利用OpenGL构建了基于形态模型的小麦虚拟生长系统(WVGS)，初步实现了小麦生长过程的可视化表达。建立的模型库主要包括形态模型、生长模型、可视化模型以及场景控制模型四部分。所建数据库主要存储气象数据、土壤数据和品种参数。系统运行结果表明该系统能较好地模拟小麦形态特征，能较逼真的实现小麦生长过程的虚拟显示。     

生鲜农产品供应链近场通信智能数据采集终端系统设计与开发

为了解决生鲜农产品供应链信息传递不连续、不完整、不真实等问题,防止农产品给人民生活健康带来威胁,该研究开发了基于近场通信技术的数据采集终端。该文分析了生鲜农产品供应链数据采集设备及工作环境的特点,开发一种基于近场通信技术(near field communication)、北斗系统(bei dou system)及全球移动通信系统(global system for mobile communications)集成技术的生鲜农产品供应链数据采集终端。该终端包含4个模块:NFC模块、系统CPU模块、北斗模块和GSM模块及电路系统。终端在写入数据时,同时将北斗加密数据通过NFC芯片PN532写入NFC标签,并通过GSM模块以短信的方式传递给后台数据库,利用RS232将数据信息传入节点企业平台,实现生鲜农产品数据信息的三重备份。该采集终端借助物联网及无线传感网的技术优势,实现生鲜农产品供应链各环节数据的自动智能采集并进行加密,满足企业在生产过程中不断变化环境下的数据采集及存储需求,该终端在极端环境下读取速度虽然降低了10%~25%,但存储率依然为100%,满足生鲜农产品供应链数据采集的需要,能够实现节点企业间信息连续度,为实现生鲜农产品可追溯提供参考。     

农作物生产管理信息数据仓库维度建模初探

根据维度建模的一般方法，结合农作物生产管理信息数据的特点，提出了农作物生产管理信息数据仓库的维度模型，包括数据仓库的总线矩阵、值链图、星型连接图以及详尽的维度表和相关业务主题的事实表等，并分别对各表进行了适当的属性字段填充，以期为建立基于数据仓库的农作物生产管理信息数据挖掘和知识发现提供可靠的实现方案，并为最终实现数字农业优化决策支持系统打下基础。     

基于太阳能的柑桔园自动灌溉与土壤含水率监测系统研制

为实现柑桔园的节水节能自动灌溉与土壤含水率的监测,以太阳能为主要能源,用土壤水分传感器实时监测土壤含水率,利用CAN(controller area network)总线与GSM(global system for mobile communications)网络实现土壤含水率的远程监测。利用太阳能电池对锂电池充电,采用双锂电池结构,提高了系统供电稳定性,且将充电与放电过程完全分离,延长了锂电池寿命。土壤水分传感器每12h测量一次土壤含水率,当其低于设定的阈值时,自动打开电磁阀进行灌溉,当高于设定值时停止灌溉。在666.7m2内的土壤含水率数据利用CAN总线传输至主节点,各主节点通过短消息将数据发送至终端计算机。将桔园土壤含水率低于10%,高于20%作为系统开始自动灌溉和停止灌溉指标,且传感器距滴管外50mm时,则水分输运到柑桔根系集中区域所需滴灌时间约为6.7h。试验表明,系统运行稳定可靠,能实现柑桔园区的自动灌溉与土壤含水率的自动监测,对实现节水节能灌溉有较大的现实意义。     

农村社区动态交互式三维虚拟漫游系统的实现

为了提高农村社区规划建设的可视化宣传效果,为用户提供直观的操作工具辅助实现农村社区规划建设信息的管理,提出了一种基于虚拟建模现实语言(VRML)的农村社区动态交互三维虚拟漫游系统的实现方法.在本方法中,农村社区三维虚拟场景是通过社区布局VRML建模、社区纹理数据和层次化数字高程模型(DEM)数据的VRML表达两个过程建立;通过将社区中建筑物、树木等对象实体设置为具有三维坐标和属性集的锚点,并利用Java与虚拟现实建模语言对锚点的操作实现空间定位、距离分析、三维虚拟场景属性和空间位置查询等实时动态交互过程.该方法已经在北京房山八十亩地村网络虚拟漫游系统的实现中得到应用,应用效果表明系统仅需在带宽100 kB网络条件下即可快速响应用户的各种操作请求,适合在大都市周边农村地区大规模推广应用.     

基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统

为了改善现阶段拖拉机自动化驾驶系统主要针对单个特定型号的拖拉机进行开发的局限性,该文设计了一套采用分布式控制方式的拖拉机自动化驾驶系统。该系统的作用在于同SAFAR系统（software architecture for agricultural robot,农业机器人的软件体系结构）整合,成为一个能够进行实际工作的系统。系统采用Raspberry Pi微型计算机作为系统的电子控制单元（electronic control unit,ECU）,在不同的ECU上分别处理不同的任务,利用通讯协议传输控制协议/互联网络协议来进行ECU之间的通讯。为了保障系统的安全,该系统采用激光测距传感器R2100来保障车辆和周围环境的安全,采用Heart Beat（心跳）检测机制来探测系统故障。该系统可以接收来自SAFAR的控制信号,并对拖拉机进行相应的操作来实现拖拉机的自动化驾驶。除此之外,该系统还提供了无线遥控的功能,能够方便操作人员进行简单、直观的操控。经过测试,该系统能够正确、快速地响应来自操作人员或SAFAR的控制,控制系统的响应时间低于0.5 s,电机转向角误差小于0.06;舵机角度偏差4°左右;系统各个ECU之间通讯稳定可靠,可在试验设定的4 h内稳定工作,每0.25 s检测一次工作环境并给予响应。该研究对农业机械自动化的实现提供了参考。     

基于多学科技术融合的智能农机控制平台研究综述

农业机械的自动化和智能化包含内容广泛,有农机定位与导航,动态路径规划,机器视觉和远程监控等,牵涉到大量的工程技术学科,包括导航、图像、模型与策略、执行器以及数据链等。农机定位与导航一般采用基于农机运动学模型结合GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)组合导航信息,在导航路径规划算法指引下实现农机轨迹跟踪的方法。建立的农机运动学模型精度,GPS数据的连续性以及惯导器件误差系数漂移等因素都会影响该方法的有效性。路径跟踪通常采用各种现代控制理论与方法,而面对复杂的田间作业环境变化,农机的自主避障以及动态路径规划能力也会影响轨迹跟踪精度。机器视觉的稳定性和目标特征信息分离度影响着农机环境感知能力,目前目标识别主要采用hough变换,hough变换的全局检测特性决定了该算法运算量较大,需要探究改进特征提取算法。远程监控农机作业是智能农机发展的一个方向,构建无线导航,控制和视频数据传输网络有助于提高农机的智能化水平,可以采用分布式哈希表(distributed hash table)来研究网络覆盖和互联技术。该文融合多个学科,从高精度定位与导航技术、复杂环境及工况下农机运动精确自主控制技术、稳定清晰的机器视觉感知技术和基于4G网络和新一代物联网的高覆盖数据传输技术几个方面,论述了智能农机在光机电液多个学科领域内的研究现状,并指出采用北斗地基增强网络和网络RTK(real-time kinematic)技术、惯导定位误差精确建模与补偿、环境感知与自主避障、立体结构自组网技术以及多机协作是现代农业机械的发展方向。以期为现代化智能农业机械的设计提供参考。     

农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发

为解决农机产品开发周期长、工作量大和成本高等问题,研制了集设计和性能分析评价为一体的农机部件数字化设计软件平台AgriDEM(agricultural discrete element method)。该平台通过将CAD软件与自主研发的基于DEM-CFD-MBK(discrete element method,computational fluid dynamics,multi-body kinematics)耦合的分析软件集成,可在设计阶段由农机部件的CAD模型(CAD软件设计图),进行农机部件工作过程的动态仿真和工作性能的分析评价,由此实现农机部件结构方案和尺寸参数的优化。该文详细介绍了该平台的架构和关键技术实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒的建模方法、基于OpenMP的并行计算方法、基于DLL的模块封装及原型系统开发等,最后通过一个实例验证了该平台的可行性和有效性,可为农机部件的优化设计和数字化设计提供参考。     

基于北斗的农机作业大数据系统构建

针对全国范围农机作业动态监测和量化统计的应用需求,该研究通过在农业机械上安装北斗终端,制订数据传输规范,完成了基于北斗的农机作业大数据系统建设。该系统由农业机械及北斗终端、农机制造企业物联网平台和农机作业大数据管理服务平台3部分组成。系统共接入农机290 153辆。经数据清洗、轨迹分割和参数提取3个数据处理步骤,可获得农机的工作时长、行驶里程和作业面积等基本统计量。以2021年夏小麦机械化收割为例,利用该系统进行数据获取、处理和统计分析,输出收割机分布热力图和作业重心转移图,进行了收割时长、收割效率与收割面积等统计,分析了小麦主产区对跨区作业的依赖程度。麦收期间在线收割机累计35 243辆,日均18 568辆,收割时长中位数均值为8.3 h/d,收割面积中位数均值为5.5 hm2/d,约75%的小麦收割机进行了跨区作业,跨区距离中位数约为597 km。应用结果表明,农机作业大数据系统可准确开展数据处理和作业统计,可以向农业农村部门、农机制造企业、农机合作社和农机手提供作业动态监测和数据分析服务。     

基于经验模态分解与BP神经网络的农机总动力增长预测

为提高农机总动力增长变化预测结果的准确性和可靠性,根据农机总动力增长变化与其影响因素之间具有在各时间尺度明显的非线性波动特征,提出以1986—2013年农机总动力增长为研究对象,分别对农机总动力增长及其影响因素时间序列数据进行经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD),对得到的各时间尺度下的波动分量分别建立BP神经网络预测模型。将EMD-BP网络预测结果与多元线性回归、支持向量机、BP神经网络进行对比分析,结果表明:基于EMD-BP网络建立的农机总动力增长预测模型,拟合和预测平均相对误差分别为0.99%和1.29%,相关决定系数约为0.999,均方根误差为316.35 MW,模型评价等级为"好",各项精度评价指标都优于其他方法,因此该预测模型精度高、可靠性强。研究成果为农业机械化发展规划的制定和出台相关政策提供有效参考。     

基于农机空间运行轨迹的作业状态自动识别试验

以物联网为代表的现代信息技术在农机作业管理领域的发展应用,实现了农机作业过程的定位监控,但现有农机远程监管系统对海量农机空间位置数据仅实现了远程存储、显示和简单分析,难以满足农机精准管理和数据智能处理的要求。该文采用数据挖掘中的聚类和空间数据分析方法,结合农机空间运行轨迹的特点,研究了基于空间运行轨迹点的农机作业状态自动识别算法;设计实现了典型农机运行状态自动识别方法,定量分析了农机作业班次内田间作业时间、空行转移时间、停歇时间的量化构成。农机试验表明:发展的基于空间索引和网格密度的聚类算法精度达89%以上。农机作业状态自动识别为农机作业生产率、农机利用率和作业成本核算提供了定量依据。     

基于AUTOSAR的汽车FlexRay网络通信故障检测与管理

针对汽车网络安全性、可靠性等通信要求,参照AUTOSAR网络管理规范,提出一种基于故障检测的FlexRay网络通信管理方法,建立了节点内部网络通信管理状态转换模型,设计了Errorcheck状态下的分布式故障检测机制,给出了该机制下FlexRay网络参数及网络管理参数的计算方法,实现了网络节点状态实时监控和协同休眠功能。VectorCANoe中的仿真试验结果表明:该方法不仅能够实时在线管理FlexRay网络通信,实现高效的节点故障检测,而且可以有效降低网络通信管理带宽消耗约为5%。该方法为建立高可靠的车载网络通信管理系统提供了参考。     

农业机械导航路径跟踪控制方法研究进展

路径跟踪控制技术作为农业机械导航的核心,是提高控制系统控制精度和对环境适应性的关键,可提高农机具作业精度和效率,同时可避免重复作业和遗漏现象,减少农业生产资料浪费。该文根据农业机械导航路径跟踪控制方法中是否涉及农机模型,将路径跟踪控制技术分为与农机运动学模型相关、与农机动力学模型相关以及与模型无关的路径跟踪控制方法。通过对原理的解析明确了各类控制方法的优缺点,及对现有解决方案进行了总结分析,指出了现有方案存在共性或个性问题,由此完成了对现阶段国内外针对农业机械导航路径跟踪控制方法的研究进展的阐述。通过对各类控制方法适用性及农机导航产品发展现状的分析,提出了农机导航路径跟踪控制方法的发展展望,以期为后续路径跟踪控制方法的研究提供指导性方向和有针对性的参考,具体如下：1）明确了现有模型对农机运动过程描述的局限性,指出高精度农机模型研究的必要性;2）为提升控制方法自适应性和鲁棒性,研究需从常规工况向极限工况和复杂工况拓展;3）明确单一控制方法的局限性,明确多方法融合控制的发展趋势。     

基于改进Huffman编码的农机作业数据传输压缩方法

为解决通讯环境较差的农业机械作业状态数据的传输难题,该文提出了基于改进Huffman编码技术的数据压缩方法实现数据的压缩、传输、解析与解压。数据压缩与解压测试的结果表明,数据采集周期为5 s、数据长度为918.38 kb时,基于改进Huffman算法压缩的数据长度为412.56 kb,同样条件下对比传统Huffman算法压缩的数据长度498.56 kb小86 kb,压缩率从传统Huffman算法的45.71%提升至改进Huffman算法的55.08%;传统Huffman算法中数据传输出错率和数据传输丢包率为2.47%和4.18%,而在同样传输要求下的筛选压缩传输中数据传输出错率和数据传输丢包率降至2.06%和0.78%。该方法能满足农业机械作业状态数据压缩传输要求,在单个数据包数据较少、传输时间短的压缩传输方式下能够获得较低的传输出错率和丢包率,且该方法具有计算量少、压缩效率较高特点,适合在农业机械作业区域进行数据传输。     

基于半监督BP_Adaboost的农机作业效益评估

为提升农机管理水平和用户收益，该研究利用影响作业效益的因素，以每台农机一天的作业信息作为一条数据评估农机当天作业效益。作业信息包括农机作业效率、油耗、作业质量、重复作业率、遗漏作业率、有效作业时间占比等。使用半监督BP_Adaboost方法对农机作业效益进行评估，对部分数据进行人工评分，根据评分结果标记农机每天作业效益的好坏，其中一部分作为训练样本，另一部分作为测试样本，再利用BP_Adaboost方法训练模型后对剩余未评分数据预测，以减少训练样本的人工标记工作量和提高模型准确性。从32 000条深松作业数据中选取1 000条样本进行标记，其中500条作为训练样本，500条作为测试样本，使用BP_Adaboost方法得到的模型预测准确率为93.36%，使用半监督BP_Adaboost方法增加训练样本得到的模型预测准确率为97.03%。根据作业效益推荐最优农机机具组合，增强作业能力，提高效益。