基于北斗/GPS的谷物收割机作业综合管理系统

针对在谷物产量测量作业中收割机采用单一的全球定位系统(global positioning system,GPS)进行定位时定位信息不稳定的问题,提出利用具有定位和双向通信功能的北斗/GPS双模用户机,其内部采用北斗(BJ-54)和GPS(WGS-84)2种混合定位方式,将这2种定位方式互补使用,可以解决当使用单一定位情况下定位信息不稳定的问题。利用北斗/GPS双模用户机的定位信息实现谷物收割机行走线路图的测绘;利用北斗卫星的报文通信功能代替全球移动通信系统短信息服务,实现谷物收割机作业数据的远程传输功能。谷物收割机作业综合管理系统包括作业管理中心和车载子系统两部分。车载子系统实现收割机的地理位置、收割面积和谷物质量等数据的采集,然后将采集的数据通过北斗卫星传输给作业管理中心。作业管理中心利用这些数据可以绘制出收割机作业轨迹图和产量分布图,同时作业管理中心也可以向收割机发送作业指令,并通过文本语音转换模块将文本内容转换成语音信号输出,实现作业的综合管理与调度。田间产量测量试验表明,系统测量谷物收割面积相对误差为2.9%,谷物产量相对误差为3.47%,系统运行稳定、可靠。该系统可为南方丘陵山区谷物收割机跨区作业的产量测量、管理提供参考。     

联合收割机生产率计算模型与适宜作业路线分析

提高农业机械生产率可大大节约农业生产成本。本文将田间试验与数值模拟相结合,首先在综合分析收割机作业时间构成的基础上,构建了不同作业路线下收割机生产率计算模型;其次实测了3种型号收割机在不同田块条件下整个收割过程中各个作业环节的时间及其工作特性参数;最后基于计算模型和实测参数,采用MATLAB进行编程,模拟分析了不同型号收割机、作业路线和田块面积下收割机生产率的变化规律。结果表明,收割机生产率随田块长宽比、田块面积和割台幅宽的增大而增大;采用"回"形和"U"形相结合的收割机作业路线,可提高收割机生产率8%以上。该结果可为农机实际作业路线选择和农田系统优化布局提供参考。     

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。     

全国小麦联合收割机跨区作业空间流动规律

农机跨区作业是提升农机利用率、实现小农户和现代农业发展有机衔接的重要途径。该研究基于16 938台雷沃小麦联合收割机2020年5-6月作业数据，从省、市、县尺度揭示了全国小麦联合收割机跨区作业空间流动规律。首先运用大数据分析方法实现小麦联合收割机跨区作业空间流动可视化，考察跨区作业流量、时空及首位联系格局；然后运用社会网络分析法从网络密度、中心性以及群组聚类等维度探究了小麦联合收割机跨区作业网络结构及内部特征。结果表明：1）不同尺度下小麦联合收割机时空分布格局存在异质性。随尺度细化，小麦联合收割机流量依次呈现块状、带状、核心聚集形态，形成"河南-河北-山东"为主的省级三角形空间格局和以南阳、驻马店、咸阳、西安为核心的散射状市级空间格局，中短距离地区间联系强度逐渐增强。2）"三夏（夏收、夏种、夏管）"农忙期间小麦联合收割机作业重心随小麦成熟期大规模自南向北移动，作业规模整体呈现"M"形并在5月中下旬至6月中上旬达到高峰。3）河南既是小麦联合收割机主要输出地，也是主要跨区作业目的地，但作为目的地的空间指向性更强。4）跨区作业网络在省级层面联系程度最紧密，河南、河北及山东居于网络中心，南阳、驻马店、周口、商丘、保定、聊城、菏泽、邯郸等市中心性较强。5）在若干子网络中，河南、河北省内跨区作业为主的分组作业规模最大，平均跨区距离分别为248和238 km，以其为中心形成的县级凝聚子群联系最密切。该文研究结果系统揭示了全国小麦联合收割机跨区作业的时空流动特征及作业网络结构特征，不仅有利于在宏观上把握农机跨区作业空间流动规律，还有利于机手、农机企业和政府优化行为决策，提高跨区作业调度及组织效率。     

低对比度条件下联合收割机导航线提取方法

针对强光照下成熟小麦已收割区域和未收割区域对比度低、收割边界获取难度大的问题,该文提出了一种基于区域生长算法的联合收割机导航线精确提取方法。对摄像头采集的作物收割图像,利用区域生长算法分割出图像中未收割区域。生长阈值通过对图像灰度直方图高斯多峰拟合进行自适应计算。对分割得到的二值图像进行形态学处理,获取作物已收割和未收割区域分界线,然后采用最小二乘法拟合收割机作业导航线。试验结果表明:在小麦已收割和未收割区域对比度很低的情况下,所提方法能够精确地提取出小麦收获边线,并得到收割机作业导航线,与人工标定导航线夹角平均误差小于1.21°,可以为联合收割机的自动导航研究提供参考;处理一张900×1 200像素的图像时长约0.41 s,基本满足联合收割机导航作业的实时性要求。与传统方法对比发现,该文方法不易受作物生长密度和麦茬的干扰,导航线的提取精度更高,单幅图像的处理时间略有增加,但基本满足实时性作业要求。     

农业部发布2011年全国跨区机收作业市场信息

近日,农业部发布2011年小麦、水稻、玉米跨区机收作业市场信息。共包括全国19个小麦生产省、21个水稻生产省和13个玉米生产省的跨区机收作业市场供求、价格等信息。发布跨区作业市场信息是对农机跨区作业市场进行宏观调控的有效手段．     

全国跨区机收工作协调会议在郑州召开

被誉为新千年联合收割机跨区作业“第一枪”的“全国联合收割机收获小麦工作协调会”于 4月7日在河南省郑州市召开 ,会议的主要内容是 :研究联合收割机跨区收获小麦的工作 ,发布有关跨区作业的信息 ,部署今年跨区作业的任务 ,洽谈落实各地引进、派出联合收割机的数量。农业部农机化管理司副司长刘敏主持会议并宣读了《联合收割机跨区作业暂行管理办法》和《关于加强 2 0 0 0年联合收割机跨区作业管理办法的通知》。《暂行办法》要求各地加强联合收割机跨区作业管理 ,规范跨区作业市场秩序。文件共分五章三十二条。——摘自《中国农机安全报…     

无人驾驶农机自主作业路径规划方法

针对无人驾驶农机自主作业的应用需求,该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法,以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径,重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成,农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式,然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数,经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块,最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明,相对于相邻法,该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明,无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027m,满足作业要求。研究结果表明,该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物,可以结合不同的作业参数完成路径规划,能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。     

基于改进多父辈遗传算法的农机调度优化方法

农机装备跨区作业存在作业任务重、转移范围大、作业时效性强等问题,传统的农机调度缺乏科学合理的调配方案。该研究开展了基于改进遗传算法的多机协同作业任务调度方法研究。首先对多块农田需连续进行多种生产任务的问题进行分析,建立在农机数量、转移距离、作业准备时间及作业时间等约束条件下的时间窗农机作业调度模型;然后以最小化作业时间为优化目标,提出改进多父辈遗传算法(Improved Multi-parent Genetic Algorithm, IMPGA)的优化方法求解农机作业规划方案;最后根据新疆塔城地区的农田数据及随机生成的农田任务进行模拟与仿真,并与标准遗传算法(Genetic Algorithm, GA)进行对比。结果表明:IMPGA和GA均能有效解决多任务多农机作业分配问题,IMPGA算法总体上优于GA,调度的最优时间和平均时间分别缩短2.47%和2.70%。该研究可为农机跨区作业提供合理的调度方案,也为规模化无人农场的生产经营提供科学依据。     

信息技术提升农业机械化水平

为适应中国现代农业建设的需要,保持中国农业机械化水平持续增长,实现中国农业可持续发展,该文提出,应将先进的信息技术融入中国农业机械的设计、制造、作业和管理等环节,使农业机械装备实现信息化和智能化,从而整体提升农业机械化水平。文中介绍了参数化设计、基于知识工程的农机产品设计、基于产品数据管理的并行协同设计等农机产品设计的关键技术;柔性制造、计算机集成制造、虚拟与网络制造等农机产品制造的关键技术;农情信息采集、农业机械导航、田间管理等农业机械作业的关键技术;农业机械管理、农业机械调度等关键技术。分析了这些关键技术信息化的不足,总结了世界各国的发展趋势,指出了用信息技术提升中国农业机械化水平应解决的核心问题。为加强农机装备的信息技术创新,该文建议,应突破一批智能农业装备数字化设计技术、自动导航协调控制技术及农业装备现场总线技术等关键技术;研发一批大田和设施农业生产作业系统、果园作业智能装备和畜禽水产精准生产装备等重大技术产品;构建一批水肥药田间精准作业系统、畜禽水产自动饲喂系统和自动化加工生产线等农业机械精准作业系统,从而进一步用信息技术提升农业机械化水平。     

智能农机多机协同收获作业控制方法与试验

为提高多台无人化智能收获机和运粮车协同作业效率，该研究以2台不同型号水稻收获机和1台运粮车为研究对象，开展了智能农机多机协同收获作业控制方法研究。根据协同作业控制决策约束条件，建立协同收获作业中有限个状态过程的改进型连续时间马尔科夫链模型。以减少非作业时间为优化目标，通过模型预测未来一段时间内每台收获机的卸粮时间，动态更新每台收获机的卸粮顺序和时间。仿真试验结果表明：本文控制方法相对于仓满后再召唤运粮车的卸粮方式有效减少了作业时间，协同收获任务的农机平均作业时间减少了13.58%。田间试验结果表明：智能农机多机协同作业控制方法实现了2台水稻收获机和1台运粮车协同自主作业，在场景1中，相对于仓满召唤卸粮模式，收获机1和收获机2非作业时间分别减少了71.25%和42%，收获效率提高了6.65%和5.22%；在场景2中，相对于仓满召唤卸粮模式，收获机1和收获机2非作业时间分别减少了77.64%和37.09%，收获效率提高了12.07%和5.78%。本文提出的控制方法可以实现收获-卸粮转运自主作业，减少了收获机的非作业时间，提高了作业效率，可为无人农场智能收获协同作业提供支撑。     

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。     

基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发

针对中国当前农业无线监测中农业信息化标准尚未建立,监测终端各不相同,监测系统数据结构兼容性差的问题,该文围绕异构数据规范化设计和管理,开发了面向差异化农业信息监测终端的一体化网络平台。根据异构网络数据特点,将不同监测终端上传的数据格式标准化;基于XML(extensible markup language)和Visual Basic 6.0开发了标准化网管数据接口,将不同终端数据按照通讯协议的标准格式解析、存储数据;基于PHP、My SQL数据库和服务器及网站网页技术设计并搭建了远程监测平台。利用开沟机监测终端进行田间试验,监测耕深和跟踪机具,试验表明:网管数据接口能实时接收并正确解析终端数据;监测平台可实现远程数据的曲线显示、数据导出和控制终端的远程控制、轨迹绘制的功能;通过导出数据的轨迹和平台显示轨迹对比,轨迹精确。该研究解决了监测系统异构数据及终端硬件差异问题,把单机测控应用扩展至广域网,可应用于农机信息的远程实时监测和远程控制,对现代化农业信息化共享有着重要作用。     

基于CP-ABSE的农机社会化服务联盟链隐私匹配方案

针对多个农机社会化服务平台联合,实现跨平台任务匹配中存在的敏感数据泄露和集中式服务器不可信问题,该研究提出了基于密文策略属性基可搜索加密（ciphertext-policy attribute-based searchable encryption,CP-ABSE）的农机社会化服务联盟链隐私匹配方案。该方案基于联盟链构建农机社会化服务联合平台,为多平台数据共享提供去中心化的可信环境;基于CP-ABSE技术实现跨平台的任务匹配,支持对任务密文数据的检索以及细粒度的访问控制,保护作业任务发布方和农机手的敏感数据;使用智能合约实现农田作业任务与农机手之间的匹配服务,避免集中式服务器存在的单点故障和恶意违规操作等问题。安全性分析表明,该方案能够保证数据的完整性、机密性以及匹配结果的可信性。基于Hyperledger Fabric构建了一个原型系统,测试结果表明,当全局属性数量为200时,系统构建和私钥生成的运行时间分别约8和2.5 s,搜索令牌生成与数据加密的计算开销分别为60和80 ms,匹配智能合约平均时延约为250 ms。该方案破解了农机社会化服务平台间的“数据孤岛”问题,对于促进农机社...     

农机跨区作业紧急调配算法适宜性选择

目前农机跨区紧急作业中供需信息不对称,农机部门缺乏科学合理的紧急调配方案,无法在紧急状况下指导农机进行及时有效的调配。针对上述问题,该文研究了农机跨区作业紧急调配模型和算法。首先分析了多机多任务紧急调配过程,建立了以最小化调配成本和损失为目标的紧急调配模型,提出了基于距离最近优先的多机多任务紧急调配算法(shortest-distance first algorithm,SDFA)和基于贡献度最大优先的多机多任务紧急调配算法(max-ability first algorithm,MAFA),前者是搜索当前距离最近的农田和农机,进行优先分配,后者是搜索当前贡献度最大的农田和农机并进行优先分配。采用该文算法对河北省邯郸市2017年的真实数据以及随机生成的农田和农机实例库进行计算与分析可知,当农机数量充足时,算法MAFA的平均调配成本要比SDFA的平均调配成本降低4.34%。当农机不足时,SDFA的平均损失和平均调配成本要比MAFA的平均损失和平均调配成本分别下降了12.79%和4.11%。进一步验证可知,当农田数量为6时,上述2种算法比笔者之前提出的基于非合作博弈紧急调配算法(non-cooperative game algorithm,NCGA)的平均运算性能均提升25%以上,当农田数量为30时,性能均提升41%。该研究可为农机管理部门紧急调配与决策分析提供科学依据。     

苏南地区机械化农业的经济规模——一个确定机械化农业经济规模的模拟模型

我们综合考虑作物组合和熟制、生产工艺、机群的生产效率和费用、作业适期、气候条件的随机性及其对实际田间作业天数的影响、以及相应的适时性损失,应用蒙特卡罗模拟技术,建立了一个确定各种机群结构最佳负担面积的模拟模型。并根据目前苏南地区适用的稻麦生产工艺和目前可供选用或已经过引进试验的机组性能参数,按照配套、协调和不可分割的原则,组成了七种基本机群结构。在模拟运算和灵敏度试验的基础上,对各种机群的经济规模、单位面积投资、生产费用、土地生产率和亩均纯收入等各项经济效益指标进行了详尽的分析和比较。最后,就农业机械化的发展战略、有关的政策措施以及农业的经营体制提出了我们的见解和结论。     

履带式收割机全田块路径跟踪算法设计与试验

针对中小型传统收割机无人化作业需求，该研究设计了一套后装式全田块自动驾驶系统。以沃得锐龙单边制动转向型履带式收割机为平台，搭建手自兼容自动驾驶系统，并进行系统特性辨识试验，明确其测控性能限制。针对测控性能限制设计一种PD-Fuzzy-BangBang组合路径跟踪算法，并进行样机集成与试验。水泥地面直线行驶试验表明，组合算法相较单一PD算法的上线距离缩短57.3%，稳态标准差缩小81.3%。全田块模拟试验证明，组合算法在理想条件下的路径跟踪最大偏差为6.00 cm，标准差为2.42 cm，样机具备全田块自动驾驶功能。实际水田收割作业试验证明，样机在车速0.7 m/s条件下，上线过程的路径跟踪最大偏差为12.00 cm，标准差为 6.18 cm，全田块不漏割，割幅利用率大于80%，满足田间作业需求。     

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。     

基于区块链的农机跨区域调度模型构建与应用

由于各区域之间的调度策略与农产品种类存在差异使得相互之间难以管理,因此农机跨区域调度呈现无中心的管理模式。且由于区域之间距离较远导致个体农户与调度方之间难以建立信任关系,从而无法充分利用已有的农机资源,难以有效降低各区域农机的购买成本。针对上述问题,该研究构建了基于区块链的农机跨区域调度系统。首先,对农机的调度成本进行分析,建立以农机数量、农机需求量与机手数量为约束条件的农机跨区域调度模型;然后以调度成本最小化为目标,采用基于最短距离的农机跨区域调度匹配方法求解农机调度方案,并通过区块链智能合约自动执行调度匹配算法;最后根据江苏省宜兴市与安徽省广德市的农田与农机数据以及随机生成的调度任务进行仿真试验,并与区域内的调度成本与农机利用率进行对比。结果表明：区块链的去中心化特点可以满足无中心的跨区域调度需求,其身份认证机制与高透明度、不可篡改的技术特性可为用户提供技术上的信任保障。在各区域农机总量充足的情况下,跨区域调度可以减少农机购买成本,并将农机利用率提升至90%,相较于域内调度,跨区域调度的投入成本随着任务数的增加而下降,当任务数为10时,成本下降大约21.3%。研究结果可为农机跨区域调度模式的建立提供科学依据。