大型农机设备安全智慧管理平台研究与设计

冯 琛

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 721001）

目前，智慧农业是现代化农业的发展方向，也是农业现代化的关键。党和国家高度重视农业建设，尤其是智慧农业建设，2021年中央一号文件提出，智慧农业是农业发展的新业态，是进一步解放生产力、激发农业转型的内生动力。智慧农业的建设已经成为我国推动乡村振兴战略实施的重要内容。党的十九届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，明确提出要建设智慧农业，加快推进农业农村现代化[1-3]。我国目前建设的智慧监管平台主要集中在工业，对大型农业机械设备缺乏科学有效的监管，大型农业机械设备一旦发生故障，一方面影响了农业生产效率，另一方面甚至会造成安全事故[4-5]。为此，对于大型农业机械生产企业而言，设计和装备安全智慧管理平台，进而监控大型机械在生产中的运行状态，显得尤为重要[6-7]。

1 农机设备安全智慧管理现状及重要性

1.1 农机设备安全智慧管理发展现状

农业机械设备安全智慧管理的核心就是农业机械的有效监控，当前使用的农业机械监控产品发展大致经历四个发展阶段[8]：第一代主要以监控类设备为代表，结合机械类型的开关进行故障和相关作业的预警；第二代是以监控发动机运行状态为主的单个仪表和灯光结合监控指示，其特点是结构简单，监控项目有限；第三代主要是基于现代电子技术的多个智能报警器联合，其监测机械的功能较多，监测结果以数字显示为主，预警方式仍以灯光报警为主；第四代是产品以组合仪表、智能报警器为主，较以往增加了画面监控的功能，其显示效果更为直观。总之，农业机械设备安全智慧管理平台建设虽取得了一定成效，但是其产品仍存在问题，即农业机械的运行状态不能够有效串联和整合，不能够及时反馈给用户、生产商和经销商。特别到农业生产高峰期，车辆一旦出现问题，直接影响农业生产效率。

1.2 农机设备安全智慧管理重要性

近年来，随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，从事农业生产的劳动者在提升生产效率和舒适度方面有了更高的要求，这就促使农业生产向着自动化和信息化方向发展。这有助于降低农业生产强度，保证农业机械安全，提高从业者工作的便利性和舒适性以及安全性。目前，我国农业生产环境相比于以往有了较大改善，但是环境依旧很差，劳动强度大，不能够体现农业生产水平的提升。为此，发展农业机械自动化、运行状态监测的智能化势在必行。在发展农业机械运行状态监测的智能化过程中，首先，要充分体现以人为本的理念，将操作人员的舒适性和安全性放在首位。其次，要考虑设备性能问题。在保证机械正常运行基础上，做好相关安全智慧监测，保障人员安全。事实上，在欠发达地区，农业机械事故频发，严重的甚至威胁人身安全，例如小麦联合收割机、棉花打包机等常常发生火灾等。

2 农业装置安全管理存在的问题及应对策略

目前，我国农业装置安全管理方面主要存在以下几方面的问题：1）多数农业机械制造企业从设计制造流程到设备运行状态监测，均缺乏智慧安全管理意识，缺乏一体化的智慧监测平台。2）农业大型机械生产商建设的监控平台多是二维管理平台，缺乏三维立体式的监控，不能真实有效监管农业设备的运行状态。3）监测大多依靠人工巡检，对于隐患的监测不够全面和及时，往往是发生故障后才知晓。在处理故障时对事故现场不熟悉，应急响应延迟，处置效率低下[9-10]。

面对上述农业装置安全管理存在的问题，笔者认为应采取以下几方面的措施：1）开发建设基于三维模拟场景的信息平台建设，即利用现在大数据、云计算、物联网等信息化手段与通信技术融合，构建起现代化的农业设备智慧管理平台，实现数据的实时收集和监测，分析可能发生的故障并进行重点领域的防范。2）通过对大型农业机械在运行过程中可能遇到的故障和事故（碰撞、侧翻、自燃、失控等）进行模拟并收集相关数据，制定行之有效的安全操作规程，为相关应急救援提供支撑。

3 农机设备安全智慧管理平台建设原则和解决方案设计路线

3.1 农机设备安全智慧管理平台建设原则

为使大型农机设备安全智慧管理平台能够满足农牧行业各级安全监管部门开展安全监管工作的需要和企业及农户实时监测的需要，保证系统的灵活性、适应性、可靠性和可扩展性，实现信息的交换与共享，农机设备安全智慧管理平台建设应遵循以下原则：1）遵循国家电子政务技术标准要求。农牧行业安全生产隐患排查信息化系统作为安全生产监管监察领域电子政务组成部分，基于数据共享的考虑，依托已建基础支撑环境建设，遵循国家电子政务相关建设标准要求。2）科学合理性。科学性是标准化的最基本原则，是采用所述标准的系统安全、可靠、稳定运行的根本保障。要充分体现安全生产隐患排查业务信息化的发展方向，保持与安全生产隐患排查业务信息化发展阶段的一致性和兼容性。3）灵活性和适应性。将安全生产隐患排查业务信息化发展中所涉及的标准协调一致、相互融通，保证标准的通用性。交换标准中技术指标和技术性能应该不限定于具体计算机厂商的产品和平台。4）发展预见性。信息系统建设会随着安全生产隐患排查业务的发展而发展。隐患排查信息系统的建设，一方面，要依据目前的安全生产隐患排查业务信息化水平；另一方面，要对安全生产隐患排查业务信息化发展方向有所预见，预留恰当的功能和接口，以利于未来进行及时调整，满足隐患排查工作需要。

3.2 农机设备安全智慧管理平台技术路线

解决上述农机设备安全存在的问题，目前采取的技术路线主要是采用三维的激光扫描技术获取大型农业机械的三维数字模型，经专业建模软件生成数字化可视模型，再将数字化模型与传感器获取的数据加以融合。这样，可以通过传感器获得的数据借助数字化模型分析和预警水灾、火情以及侧翻等情况，并结合农业大型机械历史运行数据对运行状态做出判断，科学地做出维修预判。这样的过程是通过互联网传输，形成web端的三维可视化平台，传送至监管方和企业以及用户。

4 农机设备安全智慧管理平台方案设计

4.1 数据感知及预警方案设计

按照农机设备安全智慧管理平台的设计方案，大型农业机械运行的感知数据和预警主要依赖于传感器监测，通过传感器监测的数据经处理器分析是否达到安全阈值进而做出判断。数据的监测和预警的具体过程，首先是传感器获取数据后进行解析，再通过数据可视化分析，将获取的数据与三维场景融合，进行健康风险的评估。其原理是传感器获取数据与安全阈值对比，若获取的数据未超过安全阈值，系统则不提醒；若超过安全阈值，系统将实时定位传感器的相关位置，发出预警信息，提示管理者采取相关的安全措施，其警示信息通过声音或者光电信息传导至大型农业机械操作者。

4.2 大型农机安全智慧管理系统的构建

大型农业机械安全智慧管理系统是基于web端的三维可视化系统，其系统分五层构架（基础设施层、数据存储层、数据访问层、应用支持层、应用系统层）。基础设施层主要由网络设备、操作系统、数据库等构成，承担基础物理支持作用；数据存储层由数据获取装置、数据传输模型以及数据存储介质构成，功能是数据的传输及存储；数据访问层由空间数据访问算法组成的访问引擎等构成，起到数据调取的作用；应用支持层由GIS、三维建模、统计分析模块组成，起到对可视化系统的支持；应用系统层由可视化的模块构成的三维系统组成，起到系统管理、监测管理信息等作用。

4.3 技术模块的构建和衔接

各个模块的信息处理后都可以从所述终端进行显示，设置为触摸显示屏，可进行触摸操作，用于调出用户所需的画面，也可以进行设置相关的参数。通过接口装置连接便携式PC机后，可以在便携式PC服务器上查看车辆的实时工作运行状态。车辆如果出现故障，触摸屏上会显示故障代码，售后服务人员就能够远程指挥现场人员对有故障的车辆进行维修，保持整机厂、经销商、用户的无缝衔接。能够确保车辆从出厂到实际的工作地点全程监控和出现故障第一时间进行修复，大大减少了整机厂和经销商的售后支出，同时也极大地方便了用户，保证了农忙时节的正常收割，真正实现了多方共赢。

采用CAN总线技术，整合了智能报警器、组合仪表、视频监控画面、液压控制系统等多种功能，可以通过无线网络进行远程数据传输。并且所有的数据能够存储，相关机械的信息数据至少能够保存一个三包服务周期，各种通信协议统一，从而实现数据及时、有效、准确地传输。使用现场、中间销售以及远程生产商共同建立了一个将信息数据共享共管的智能管理系统。在充分检测机械自身状况的情况下，通过综合分析，可以实现整机厂—经销商—用户—田间地头—生产过程—收获产品的全程信息化管理。将车辆信息、故障代码、生产档案、使用情况、工作状况等纳入信息平台，实现农产品收割过程可控制、故障可追溯、问题可落实。以嵌入式系统与农业机械智能产品为基础实现信息自动获取、传输与处理，对现代农业机械的生产及工作环境实时监控，以无线传输与互联网技术为承载，实现作业地点车辆状态信息的无线传输，保证作业机械的正常生产。

5 大型农机设备安全智慧管理平台实现途径

大型农机设备安全智慧管理对于农业行业安全和健康运行有着积极作用，如何将技术方案落地并推动其发展是当前应重点考虑的问题。

5.1 制定大型农机设备安全智慧平台应用规划

为建设现代农业生产中大型农机设备安全智慧平台，推广大范围使用，促进现代化的智能农业发展，需要以智慧管理平台为专项的规划设计，实现线上与线下融合采集和分析数据，实现数据的统一化处理。同时，相关部门配套相关政策，给予政策支持，实现信息整合，进而加强大型农机设备安全智慧平台的规范化管理。

5.2 健全农机管理系统和人才培养体系

发展现代农业，确保大型农业设备安全智慧平台的建设，就需要建立农业生产管理队伍，相关的部门更要为此建立高效的农业机械设备管理系统，便于直观地监测数据。同时，将虚拟网络技术应用到农业机械设备管理中，实现农业机械设备管理的各系统之间的智能网络化。在人才培养方面，注重政策的引导，激励更多人才加入到农业信息化的研究中。再者，加强对农业机械从业人员的定期培训和考核，做到理论联系实际，提高人才培养质量。

5.3 加大技术研发和政策支持力度

目前，在完善大型农业机械产业结构方面，可以从机械购置的补贴政策和产业结构优化方面入手，加大对大型农业机械购置的补贴力度，同时匹配智能化的安全管理平台，提升农业机械产品生产企业的供给能力和安全保证能力。此外，政府还可进一步对涉及大型农业机械设备安全智慧管理平台方面的前沿技术研究在项目立项上予以支持，例如传感器技术、智能决策系统等。

6 结语

综上所述，智慧农业是现代化农业的发展方向，同时也是农业现代化的关键。大型农业机械设备安全智慧管理平台的建设，符合我国智慧农业安全建设的内涵，针对农业机械设备安全中出现的问题，通过建设智慧管理平台，打通生产企业—经销商—用户—田间地头—生产过程—收获产品的全程信息化数据流通。综合决策，防止安全事故发生，制定完善大型农业设备安全智慧平台的应用规划，建立健全专业化的农业机械管理系统和人才培养体系，同时加大大型农机设备安全智慧管理平台技术研发和政策支持，推动智慧农业发展。