北京市农机管理调度系统设计与实现

杨立国等

摘 要：为了解决北京市大型农机机组在农机作业过程中暴露出来的信息滞后、时效性差以及缺乏有效的农机调度手段等问题，设计了面向高层管理者、中层管理者和基层农机手应用的农机管理调度系统。系统可实现信息管理、机具监控、中心导航、移动指挥等主要功能，该系统的实现为远距离快速采集农机信息、农机资源的实时监控和有效调度提供了一种切实可行的解决方案。

关键词：农机；管理；调度；系统

中图分类号：S126 文献标志码：A 论文编号：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

随着土地流转政策的实施，农机化进程的持续推进，农机合作组织不断涌现，并逐渐发展壮大。由于农业生产具有较强的时效性，农村路网错综复杂，对于大范围的农业生产作业，需要对农田、加油站、维修点等信息进行合理管理，对农机资源进行合理配置和有效调度，以按时完成农业生产任务，提高农机利用率，提高农户和农机组织的收益。近年来，随着无线通讯技术、GPS和GIS的不断发展，将三者进行集成在精准农业领域中也已有所应用。例如杨青等[1-5]采用GPS和GIS技术实现了对田间农业装备的实时监控和信息管理；张淑娟等[6]采用GPS、SMS和GIS技术实现了土样采集过程中的定位和土壤养分水分的快速测定以及土壤养分速测系统与土壤养分管理决策系统的远程数据通讯和资源共享；农机监控可以通过引入3S技术和无线通信技术，设计开发农机监控系统得以解决[7-10]。但在农机调度与导航方面，则仍限于传统通信手段[11-15]。随着农机组织作业范围的扩大、农机数量的增长，通过人工分配、语音通话等传统的农机调度方式已不能适应新形势的要求。笔者在对北京市相关大型农机组织调查研究的基础上，设计农机监控与调度的技术体系，并进行技术实现与试验。

1 农机调度技术体系设计

1.1 體系结构设计

针对农机作业的应用需求，基于卫星定位、网络地理信息系统、卫星遥感和移动通信等技术，设计农机管理调度技术体系，如图1所示。农机管理调度体系面向农机组织的高层管理者、中层管理者、基层农机手应用，主要功能包括：（1）信息管理：管理农田、农机、机手、机组、客户及相关兴趣点（如加油站、维修点等）。（2）机具监控：对拖拉机、农业机械的当前位置和状态进行实时监控。（3）中心导航：根据调度方案，通过向导航通信终端发送指令，指引农机手前往指定的农田进行作业。（4）移动指挥：中层管理者利用移动智能终端，随时随地对农机进行监控和调度。（5）统计分析：统计农机、农田以及作业情况，包括轨迹回放、里程统计、面积统计等。

1.2 系统结构设计

农机调度系统结构如图2所示。

1.2.1 可靠性 整个业务系统，涉及到多个环节的实时数据传输与同步，要求服务器间的通信网络高效可靠。为此，服务器间通过互联网连接，用户的调度指令通过北京大学与中国移动公司建立的短信网关进行收发。

1.2.2 实时性 良好的用户体验，对于系统使用与推广至关重要。为此，专门设立通信服务器进行移动定位终端数据的接入，对于每一种终端，指定一个计算机端口。WebGIS服务器需要提供大量的用户监控所需的位置数据和地图数据，为此，租用商业云主机，以5 M带宽独享的方式，为用户提供数据访问与录入服务。

1.2.3 安全性 数据安全和用户隐私需要得到良好的保障，为此，设立数据库服务器管理、存储所有的数据。数据库服务器保管在内网中，IP地址不对外公布，并通过防火墙进行隔离，通过网关向WebGIS服务器推送实时位置等数据，并定期从后者获取用户数据。

1.2.4 便捷性 农机调度采用语音通话和短信发送2种方式。高层管理人员、中层管理人员可通过电话机、Pad与基层农机手直接进行语音通话，描述作业任务、下达调度指令。此外，可通过发送短信息，将任务描述发到基层农机手的手机终端和GNSS导航通信终端上，并将目的农田的位置信息发送到GNSS导航通信终端上，以便该终端自动生成最优路径，指引农机手前往指定的目的地农田进行作业。

1.3 终端选型与安装

针对农机组织的应用需求、经济承受能力，主要选用定位监控型终端和导航通信型终端2种终端。

定位监控型终端主要选用经济性高的GT02终端（图3a）。该终端通过GPS芯片进行实时定位，通过GPRS进行位置报告，接入通信服务器。为了节约电源消耗和减少GPRS数据流量，该终端内置振动传感器，只有车辆行进时才进行GPS定位，按10 s的频次上报位置数据；车辆停止后，即不再报告位置数据。

导航通信型终端选用GD300终端（图3b），该终端在导航仪的基础上，内置了移动通信模块，可实现语音通话、短信收发和GPRS数据传输。该终端通过GPS芯片进行定位，以1 min的间隔上报位置数据。终端可接收指挥中心通过短信息发来的目的农田的位置（目的地描述、经度、纬度），在终端上生成最优路径，指引农机手前往目的农田，实现基于指挥中心的中心导航。该功能极大地提高了指挥调度的准确性和效率。此外，农机手摁下通话键，即可与指挥中心建立语音联系，获得指挥中心的远程帮助。以上2种终端均经过了至少一个作业环节的拖拉机实际震动试验，以确保适应农业车辆的作业环境。

设备的安装主要考虑一机多用、即插即用、安全可靠、防尘防潮等因素。农机作业季节性很强，有的拖拉机、农业机械反复使用，而有的农业机械则一年使用一次，例如联合收割机，一年收获一次小麦。因此，在拖拉机和农业机械上，采用点烟器作为通用的GNSS定位终端接口（图3c），即将点烟器插孔通过电源线连接拖拉机的常电，并在电源线上串接保险管，以便在过载和短路时对GNSS终端及拖拉机和农业机械的电路进行保护。相應地，在GNSS定位终端上，也将其电源线与点烟器插头进行连接。设备安装前，使用绝缘胶布对终端的接缝进行密封，以防止灰尘侵入。使用时，将终端的点烟器插头插入拖拉机或农业机械上已经安装的点烟器插孔，即可取电使用。作业结束后，将终端的点烟器插头拔出，随身携带、保管。这种即插即用的安装模式，使得GNSS定位终端可以更广泛地被使用，例如，农闲时，可将导航仪安装在私家车、物流车辆上，实现一机多用、节约成本。

1.4 系统开发

调度指挥系统开发包括GNSS终端接入模块、位置数据写入数据库模块、数据库服务器与WebGIS服务器间的数据同步模块、WebGIS网站、中心导航通信模块、系统管理模块等主要软件模块的开发工作，农机管理系统界面如图4所示。

（1）GNSS定位终端接入模块。不同类型的GNSS定位终端，具有不同的数据传输方式与协议。传输方式主要有TCP和UDP 2种。不同类型的终端分配不同的计算机端口号，同一类型的终端分配相同的端口号。在Windows Server 2003环境下，利用Socket实时监听终端分配的端口，根据终端协议，与终端进行实时通讯，获取终端上报的位置数据，并进行数据解析，获得农业车辆的实时位置、速度、时刻及ID等信息。

（2）位置数据写入数据库模块。该模块是GNSS终端接入模块与数据库间的“桥梁”，负责将各终端上报的数据格式化后，统一写入数据库。

（3）数据库服务器与WebGIS服务器间的数据同步模块。该模块部署在内网中的后台服务器，以5 s为间隔，将最新上报的终端数据推送至WebGIS服务器的数据库；反之，获取WebGIS服务器中更新的用户数据，同步至后台数据库。

（4）WebGIS网站。该网站布置在WebGIS服务器中，采用B/S结构，以Google Map为GIS平台，以Sql Server 2005为数据库管理系统，利用Visual Studio 2008进行二次开发。网站主要包括监控管理、信息管理、账户管理3类功能，包括了“功能设计”中的各类具体功能。网站的左侧导航栏，包括车辆信息和地图信息两类，可对车辆和地图信息进行查询、定位和管理。具体选取特定的车辆、农田、兴趣点时，可实现信息查询、轨迹回放、作业统计、中心导航等功能。

（5）中心导航通信模块及系统管理模块等。这类模块集成在WebGIS网站中。中心导航模块将用户在WebGIS前台指定的导航终端信息和编辑的目的地信息顺序推送至后台数据库和移动信息服务器接口，由后者将目的地信息以短消息（SMS）的方式发送至导航终端，并由导航终端解析目的地信息和生存最优路径。

2 系统应用验证

从2011年春耕开始，结合北京市顺义区、平谷区和房山区有关农机合作社的应用需求，采购相应的GNSS定位与导航终端，在近50辆拖拉机、玉米收割机、小麦联合收割机、青饲玉米收获机及移动指挥车上进行了设备安装。主要针对以下内容进行了应用验证：

（1）体系结构的合理性。经试验，所设计的农机管理调度体系，符合大型农机组织的管理模式和应用需求。

（2）设备连接的可靠性。经试验，点烟器连接方式可满足拖拉机及相关农业机械震动环境下的使用要求。

（3）中心导航指令发送的实时性。经试验，90%的指令传递时间小于9 s，可满足中心导航的应用需求。

（4）WebGIS网站功能满足程度。经试验，系统可基本满足农机组织对农机管理与调度的应用需求。

（5）移动监控与指挥的便捷性。试验表明，移动智能终端的应用极大地增强了移动监控与指挥能力。

3 讨论

基于GNSS的农机调度调度系统是一个观念新、技术含量高的集成系统。它由基于GNSS的车载终端和农机调度中心组成。车载终端完成农机位置信息的获取、实时显示及数据的打包发送，中心服务器完成与车载终端以及客户端监控调度单元的连接及数据存储，客户端监控调度单元完成对农机的监控与调度。随着GPRS网络的不断完善，以及GNSS等技术的不断发展，基于GNSS的农机调度系统具有广泛的应用前景。

4 结论

（1）详细设计了农机管理调度技术体系。从系统结构、系统功能等方面进行了系统定义。调度体系面向高层管理者、中层管理者、基层农机手提供技术支撑，并有针对性地为之配备计算机、移动智能终端和GNSS定位导航终端等设备。

（2）开发了农机管理调度系统。綜合考虑可靠性、实时性、安全性、便捷性等因素。基于功能需要，选择GT02和GD300型终端。为提高设备安装与管理的方便性，通过点烟器为定位终端取电。

（3）结合北京市顺义区、平谷区和房山区有关农机合作社的应用实践，进行了系统应用验证，表明系统可显著提高农机管理调度的效率。

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