楊立國等

摘 要：為了解決北京市大型農(nóng)機(jī)機(jī)組在農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中暴露出來的信息滯后、時效性差以及缺乏有效的農(nóng)機(jī)調(diào)度手段等問題，設(shè)計了面向高層管理者、中層管理者和基層農(nóng)機(jī)手應(yīng)用的農(nóng)機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)信息管理、機(jī)具監(jiān)控、中心導(dǎo)航、移動指揮等主要功能，該系統(tǒng)的實現(xiàn)為遠(yuǎn)距離快速采集農(nóng)機(jī)信息、農(nóng)機(jī)資源的實時監(jiān)控和有效調(diào)度提供了一種切實可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)機(jī)；管理；調(diào)度；系統(tǒng)

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號：2014-0119

Design and Implementation of Beijing Agricultural Machinery Management System

Yang Liguo1， Li Chuanyou1， Jia Sheng2， Li Xiaolong1， Wu Caicong3， Li Zhiguo1， Gao Jiao1

（1Beijing Agricultural Machinery Testing Extension Station， Beijing 100079， China；

2Agricultural Research Institute of Fangshan District， Beijing 102400， China；

3Institute of Remote Sensing and GIS， Peking University， Beijing 100871， China）

Abstract： In order to solve the problems exposed in the farming process large agricultural machinery unit of Beijing city information lag， poor timeliness and the lack of effective means of agricultural machinery operation etc. This paper designed the agricultural management and scheduling system for senior managers， middle-level managers and grass roots agricultural hand application. The system can realize the main functions of information management， equipment monitoring， navigation， mobile command center. The realization of this system provided a feasible solution for real-time monitoring and effective scheduling of agricultural information resources， rapid acquisition of agricultural remote.

Key words： Agricultural Machinery； Management； Dispatch； System

0 引言

隨著土地流轉(zhuǎn)政策的實施，農(nóng)機(jī)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，農(nóng)機(jī)合作組織不斷涌現(xiàn)，并逐漸發(fā)展壯大。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較強(qiáng)的時效性，農(nóng)村路網(wǎng)錯綜復(fù)雜，對于大范圍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，需要對農(nóng)田、加油站、維修點(diǎn)等信息進(jìn)行合理管理，對農(nóng)機(jī)資源進(jìn)行合理配置和有效調(diào)度，以按時完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，提高農(nóng)機(jī)利用率，提高農(nóng)戶和農(nóng)機(jī)組織的收益。近年來，隨著無線通訊技術(shù)、GPS和GIS的不斷發(fā)展，將三者進(jìn)行集成在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中也已有所應(yīng)用。例如楊青等[1-5]采用GPS和GIS技術(shù)實現(xiàn)了對田間農(nóng)業(yè)裝備的實時監(jiān)控和信息管理；張淑娟等[6]采用GPS、SMS和GIS技術(shù)實現(xiàn)了土樣采集過程中的定位和土壤養(yǎng)分水分的快速測定以及土壤養(yǎng)分速測系統(tǒng)與土壤養(yǎng)分管理決策系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和資源共享；農(nóng)機(jī)監(jiān)控可以通過引入3S技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計開發(fā)農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)得以解決[7-10]。但在農(nóng)機(jī)調(diào)度與導(dǎo)航方面，則仍限于傳統(tǒng)通信手段[11-15]。隨著農(nóng)機(jī)組織作業(yè)范圍的擴(kuò)大、農(nóng)機(jī)數(shù)量的增長，通過人工分配、語音通話等傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)調(diào)度方式已不能適應(yīng)新形勢的要求。筆者在對北京市相關(guān)大型農(nóng)機(jī)組織調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計農(nóng)機(jī)監(jiān)控與調(diào)度的技術(shù)體系，并進(jìn)行技術(shù)實現(xiàn)與試驗。

1 農(nóng)機(jī)調(diào)度技術(shù)體系設(shè)計

1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對農(nóng)機(jī)作業(yè)的應(yīng)用需求，基于衛(wèi)星定位、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感和移動通信等技術(shù)，設(shè)計農(nóng)機(jī)管理調(diào)度技術(shù)體系，如圖1所示。農(nóng)機(jī)管理調(diào)度體系面向農(nóng)機(jī)組織的高層管理者、中層管理者、基層農(nóng)機(jī)手應(yīng)用，主要功能包括：（1）信息管理：管理農(nóng)田、農(nóng)機(jī)、機(jī)手、機(jī)組、客戶及相關(guān)興趣點(diǎn)（如加油站、維修點(diǎn)等）。（2）機(jī)具監(jiān)控：對拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前位置和狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。（3）中心導(dǎo)航：根據(jù)調(diào)度方案，通過向?qū)Ш酵ㄐ沤K端發(fā)送指令，指引農(nóng)機(jī)手前往指定的農(nóng)田進(jìn)行作業(yè)。（4）移動指揮：中層管理者利用移動智能終端，隨時隨地對農(nóng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度。（5）統(tǒng)計分析：統(tǒng)計農(nóng)機(jī)、農(nóng)田以及作業(yè)情況，包括軌跡回放、里程統(tǒng)計、面積統(tǒng)計等。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 可靠性 整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，涉及到多個環(huán)節(jié)的實時數(shù)據(jù)傳輸與同步，要求服務(wù)器間的通信網(wǎng)絡(luò)高效可靠。為此，服務(wù)器間通過互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶的調(diào)度指令通過北京大學(xué)與中國移動公司建立的短信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行收發(fā)。

1.2.2 實時性 良好的用戶體驗，對于系統(tǒng)使用與推廣至關(guān)重要。為此，專門設(shè)立通信服務(wù)器進(jìn)行移動定位終端數(shù)據(jù)的接入，對于每一種終端，指定一個計算機(jī)端口。WebGIS服務(wù)器需要提供大量的用戶監(jiān)控所需的位置數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，為此，租用商業(yè)云主機(jī)，以5 M帶寬獨(dú)享的方式，為用戶提供數(shù)據(jù)訪問與錄入服務(wù)。

1.2.3 安全性 數(shù)據(jù)安全和用戶隱私需要得到良好的保障，為此，設(shè)立數(shù)據(jù)庫服務(wù)器管理、存儲所有的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保管在內(nèi)網(wǎng)中，IP地址不對外公布，并通過防火墻進(jìn)行隔離，通過網(wǎng)關(guān)向WebGIS服務(wù)器推送實時位置等數(shù)據(jù)，并定期從后者獲取用戶數(shù)據(jù)。

1.2.4 便捷性 農(nóng)機(jī)調(diào)度采用語音通話和短信發(fā)送2種方式。高層管理人員、中層管理人員可通過電話機(jī)、Pad與基層農(nóng)機(jī)手直接進(jìn)行語音通話，描述作業(yè)任務(wù)、下達(dá)調(diào)度指令。此外，可通過發(fā)送短信息，將任務(wù)描述發(fā)到基層農(nóng)機(jī)手的手機(jī)終端和GNSS導(dǎo)航通信終端上，并將目的農(nóng)田的位置信息發(fā)送到GNSS導(dǎo)航通信終端上，以便該終端自動生成最優(yōu)路徑，指引農(nóng)機(jī)手前往指定的目的地農(nóng)田進(jìn)行作業(yè)。

1.3 終端選型與安裝

針對農(nóng)機(jī)組織的應(yīng)用需求、經(jīng)濟(jì)承受能力，主要選用定位監(jiān)控型終端和導(dǎo)航通信型終端2種終端。

定位監(jiān)控型終端主要選用經(jīng)濟(jì)性高的GT02終端（圖3a）。該終端通過GPS芯片進(jìn)行實時定位，通過GPRS進(jìn)行位置報告，接入通信服務(wù)器。為了節(jié)約電源消耗和減少GPRS數(shù)據(jù)流量，該終端內(nèi)置振動傳感器，只有車輛行進(jìn)時才進(jìn)行GPS定位，按10 s的頻次上報位置數(shù)據(jù)；車輛停止后，即不再報告位置數(shù)據(jù)。

導(dǎo)航通信型終端選用GD300終端（圖3b），該終端在導(dǎo)航儀的基礎(chǔ)上，內(nèi)置了移動通信模塊，可實現(xiàn)語音通話、短信收發(fā)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。該終端通過GPS芯片進(jìn)行定位，以1 min的間隔上報位置數(shù)據(jù)。終端可接收指揮中心通過短信息發(fā)來的目的農(nóng)田的位置（目的地描述、經(jīng)度、緯度），在終端上生成最優(yōu)路徑，指引農(nóng)機(jī)手前往目的農(nóng)田，實現(xiàn)基于指揮中心的中心導(dǎo)航。該功能極大地提高了指揮調(diào)度的準(zhǔn)確性和效率。此外，農(nóng)機(jī)手摁下通話鍵，即可與指揮中心建立語音聯(lián)系，獲得指揮中心的遠(yuǎn)程幫助。以上2種終端均經(jīng)過了至少一個作業(yè)環(huán)節(jié)的拖拉機(jī)實際震動試驗，以確保適應(yīng)農(nóng)業(yè)車輛的作業(yè)環(huán)境。

設(shè)備的安裝主要考慮一機(jī)多用、即插即用、安全可靠、防塵防潮等因素。農(nóng)機(jī)作業(yè)季節(jié)性很強(qiáng)，有的拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械反復(fù)使用，而有的農(nóng)業(yè)機(jī)械則一年使用一次，例如聯(lián)合收割機(jī)，一年收獲一次小麥。因此，在拖拉機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械上，采用點(diǎn)煙器作為通用的GNSS定位終端接口（圖3c），即將點(diǎn)煙器插孔通過電源線連接拖拉機(jī)的常電，并在電源線上串接保險管，以便在過載和短路時對GNSS終端及拖拉機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械的電路進(jìn)行保護(hù)。相應(yīng)地，在GNSS定位終端上，也將其電源線與點(diǎn)煙器插頭進(jìn)行連接。設(shè)備安裝前，使用絕緣膠布對終端的接縫進(jìn)行密封，以防止灰塵侵入。使用時，將終端的點(diǎn)煙器插頭插入拖拉機(jī)或農(nóng)業(yè)機(jī)械上已經(jīng)安裝的點(diǎn)煙器插孔，即可取電使用。作業(yè)結(jié)束后，將終端的點(diǎn)煙器插頭拔出，隨身攜帶、保管。這種即插即用的安裝模式，使得GNSS定位終端可以更廣泛地被使用，例如，農(nóng)閑時，可將導(dǎo)航儀安裝在私家車、物流車輛上，實現(xiàn)一機(jī)多用、節(jié)約成本。

1.4 系統(tǒng)開發(fā)

調(diào)度指揮系統(tǒng)開發(fā)包括GNSS終端接入模塊、位置數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與WebGIS服務(wù)器間的數(shù)據(jù)同步模塊、WebGIS網(wǎng)站、中心導(dǎo)航通信模塊、系統(tǒng)管理模塊等主要軟件模塊的開發(fā)工作，農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)界面如圖4所示。

（1）GNSS定位終端接入模塊。不同類型的GNSS定位終端，具有不同的數(shù)據(jù)傳輸方式與協(xié)議。傳輸方式主要有TCP和UDP 2種。不同類型的終端分配不同的計算機(jī)端口號，同一類型的終端分配相同的端口號。在Windows Server 2003環(huán)境下，利用Socket實時監(jiān)聽終端分配的端口，根據(jù)終端協(xié)議，與終端進(jìn)行實時通訊，獲取終端上報的位置數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，獲得農(nóng)業(yè)車輛的實時位置、速度、時刻及ID等信息。

（2）位置數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫模塊。該模塊是GNSS終端接入模塊與數(shù)據(jù)庫間的“橋梁”，負(fù)責(zé)將各終端上報的數(shù)據(jù)格式化后，統(tǒng)一寫入數(shù)據(jù)庫。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與WebGIS服務(wù)器間的數(shù)據(jù)同步模塊。該模塊部署在內(nèi)網(wǎng)中的后臺服務(wù)器，以5 s為間隔，將最新上報的終端數(shù)據(jù)推送至WebGIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫；反之，獲取WebGIS服務(wù)器中更新的用戶數(shù)據(jù)，同步至后臺數(shù)據(jù)庫。

（4）WebGIS網(wǎng)站。該網(wǎng)站布置在WebGIS服務(wù)器中，采用B/S結(jié)構(gòu)，以Google Map為GIS平臺，以Sql Server 2005為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用Visual Studio 2008進(jìn)行二次開發(fā)。網(wǎng)站主要包括監(jiān)控管理、信息管理、賬戶管理3類功能，包括了“功能設(shè)計”中的各類具體功能。網(wǎng)站的左側(cè)導(dǎo)航欄，包括車輛信息和地圖信息兩類，可對車輛和地圖信息進(jìn)行查詢、定位和管理。具體選取特定的車輛、農(nóng)田、興趣點(diǎn)時，可實現(xiàn)信息查詢、軌跡回放、作業(yè)統(tǒng)計、中心導(dǎo)航等功能。

（5）中心導(dǎo)航通信模塊及系統(tǒng)管理模塊等。這類模塊集成在WebGIS網(wǎng)站中。中心導(dǎo)航模塊將用戶在WebGIS前臺指定的導(dǎo)航終端信息和編輯的目的地信息順序推送至后臺數(shù)據(jù)庫和移動信息服務(wù)器接口，由后者將目的地信息以短消息（SMS）的方式發(fā)送至導(dǎo)航終端，并由導(dǎo)航終端解析目的地信息和生存最優(yōu)路徑。

2 系統(tǒng)應(yīng)用驗證

從2011年春耕開始，結(jié)合北京市順義區(qū)、平谷區(qū)和房山區(qū)有關(guān)農(nóng)機(jī)合作社的應(yīng)用需求，采購相應(yīng)的GNSS定位與導(dǎo)航終端，在近50輛拖拉機(jī)、玉米收割機(jī)、小麥聯(lián)合收割機(jī)、青飼玉米收獲機(jī)及移動指揮車上進(jìn)行了設(shè)備安裝。主要針對以下內(nèi)容進(jìn)行了應(yīng)用驗證：

（1）體系結(jié)構(gòu)的合理性。經(jīng)試驗，所設(shè)計的農(nóng)機(jī)管理調(diào)度體系，符合大型農(nóng)機(jī)組織的管理模式和應(yīng)用需求。

（2）設(shè)備連接的可靠性。經(jīng)試驗，點(diǎn)煙器連接方式可滿足拖拉機(jī)及相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械震動環(huán)境下的使用要求。

（3）中心導(dǎo)航指令發(fā)送的實時性。經(jīng)試驗，90%的指令傳遞時間小于9 s，可滿足中心導(dǎo)航的應(yīng)用需求。

（4）WebGIS網(wǎng)站功能滿足程度。經(jīng)試驗，系統(tǒng)可基本滿足農(nóng)機(jī)組織對農(nóng)機(jī)管理與調(diào)度的應(yīng)用需求。

（5）移動監(jiān)控與指揮的便捷性。試驗表明，移動智能終端的應(yīng)用極大地增強(qiáng)了移動監(jiān)控與指揮能力。

3 討論

基于GNSS的農(nóng)機(jī)調(diào)度調(diào)度系統(tǒng)是一個觀念新、技術(shù)含量高的集成系統(tǒng)。它由基于GNSS的車載終端和農(nóng)機(jī)調(diào)度中心組成。車載終端完成農(nóng)機(jī)位置信息的獲取、實時顯示及數(shù)據(jù)的打包發(fā)送，中心服務(wù)器完成與車載終端以及客戶端監(jiān)控調(diào)度單元的連接及數(shù)據(jù)存儲，客戶端監(jiān)控調(diào)度單元完成對農(nóng)機(jī)的監(jiān)控與調(diào)度。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，以及GNSS等技術(shù)的不斷發(fā)展，基于GNSS的農(nóng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）詳細(xì)設(shè)計了農(nóng)機(jī)管理調(diào)度技術(shù)體系。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等方面進(jìn)行了系統(tǒng)定義。調(diào)度體系面向高層管理者、中層管理者、基層農(nóng)機(jī)手提供技術(shù)支撐，并有針對性地為之配備計算機(jī)、移動智能終端和GNSS定位導(dǎo)航終端等設(shè)備。

（2）開發(fā)了農(nóng)機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)。綜合考慮可靠性、實時性、安全性、便捷性等因素。基于功能需要，選擇GT02和GD300型終端。為提高設(shè)備安裝與管理的方便性，通過點(diǎn)煙器為定位終端取電。

（3）結(jié)合北京市順義區(qū)、平谷區(qū)和房山區(qū)有關(guān)農(nóng)機(jī)合作社的應(yīng)用實踐，進(jìn)行了系統(tǒng)應(yīng)用驗證，表明系統(tǒng)可顯著提高農(nóng)機(jī)管理調(diào)度的效率。

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