吳東林,張玉華

(漯河食品職業(yè)學(xué)院 信息工程系,河南 漯河 462300)

0 引言

無人駕駛收割機(jī)已經(jīng)被初步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,但由于受到遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制技術(shù)的限制,其作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)安全性都影響了其大批量的使用和推廣。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的提高,遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,云平臺(tái)和并行計(jì)算計(jì)算也被引入到遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,從而可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理,做到實(shí)時(shí)監(jiān)測。這不僅可以提高監(jiān)測系統(tǒng)的效率,還能夠得到較高的存儲(chǔ)空間和計(jì)算處理速度,從而提高收割機(jī)遠(yuǎn)程控制的精度,實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的無人化自動(dòng)作業(yè)。

1 數(shù)據(jù)挖掘和收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)被引入到農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)上,并開發(fā)了無人駕駛農(nóng)機(jī)設(shè)備,從而有效提高了農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化程度。農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中,通過遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的定位及作業(yè)情況監(jiān)測等功能。當(dāng)農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中發(fā)生故障時(shí),還可以通過報(bào)警方式通知遠(yuǎn)程端,遠(yuǎn)程端確認(rèn)故障后做出響應(yīng)。另外,采用遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的合理調(diào)度。其流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)功能流程

在作業(yè)環(huán)境、收割機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和收割機(jī)定位過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以采用云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ),并通過并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行處理,最后對(duì)信息進(jìn)行顯示,農(nóng)機(jī)管理人員可以根據(jù)信息對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行合理調(diào)度。

2 基于數(shù)據(jù)挖掘和并行計(jì)算的遠(yuǎn)程云監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控過程中,由于需要對(duì)其進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控,因此會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù),需要引入基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫;在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算過程中,由于數(shù)據(jù)量較大可以采用分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算方法;為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端監(jiān)控,需要引入WEB應(yīng)用服務(wù)和通信網(wǎng)絡(luò);另外,各模塊之間還需要設(shè)計(jì)接口服務(wù)和后臺(tái)分析等服務(wù),以保證各模塊之間順利運(yùn)行。收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

在收割機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警電路和控制電路都可以通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并利用對(duì)采集數(shù)據(jù)結(jié)果的并行計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘分析診斷收割機(jī)是否存在故障,如果存在故障可以通過顯示屏進(jìn)行顯示。播種機(jī)的信息數(shù)據(jù)還可以通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控云端,實(shí)現(xiàn)收割機(jī)作業(yè)情況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 軟件功能框架圖

收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的軟件應(yīng)用功能框架主要由3部分組成,包括作業(yè)信息采集平臺(tái)、前臺(tái)應(yīng)用和后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)。其中,前臺(tái)應(yīng)用服務(wù)包括在線告警、信道監(jiān)測、故障診斷、歷史查詢、GIS定位及終端異常等監(jiān)測;后臺(tái)服務(wù)包括收割機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)的綜合分析和智能診斷、異常數(shù)據(jù)專家?guī)?、在線監(jiān)測和異常判斷、并行計(jì)算等。

為了滿足系統(tǒng)軟件應(yīng)用服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析,采用了分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算架構(gòu),通過將采集得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分布式地存儲(chǔ)在多臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)上,可以減少大量數(shù)據(jù)I/O操作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)的智能診斷和離線分析。

分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算框架利用Hadoop集群、分布式數(shù)據(jù)倉庫、分布式計(jì)算架構(gòu)、分布式文件系統(tǒng)及其組件,構(gòu)建了高可靠、高可擴(kuò)展、高效、高容錯(cuò)的服務(wù)層,可以實(shí)現(xiàn)收割機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測過程總產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算作為兩個(gè)層次,通過相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算架構(gòu)圖

為了提高收割機(jī)故障診斷的智能化程度,可以采用一些智能分類算法(如聚類分析、貝葉斯分類、多維關(guān)聯(lián)規(guī)則等),通過對(duì)生成分類結(jié)果的專家打分分析得到故障診斷結(jié)果。診斷流程如圖5所示。

圖5 分類和聚類智能診斷流程

聚類K-means算法是一種智能化程度較高的算法,可利用關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析。在進(jìn)行分類時(shí),首先統(tǒng)計(jì)含有一個(gè)元素項(xiàng)集出現(xiàn)的頻率決定一維項(xiàng)目集,然后統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目集的支持度。表1為一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)記錄表。

表1 數(shù)據(jù)記錄表

在關(guān)聯(lián)算法中,需要?jiǎng)?chuàng)建每個(gè)數(shù)據(jù)記錄候選集的支持度,然后通過數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。其步驟如下:

(1)

其中,Nj為第j個(gè)聚類域Sj中所包含的樣本個(gè)數(shù),求出均值向量后,將其作為聚類中心,計(jì)算均值。其函數(shù)規(guī)則為

(2)

對(duì)每個(gè)聚類的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值核算。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證云平臺(tái)和并行計(jì)算技術(shù)在收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中使用的可行性,以無人駕駛收割機(jī)為例,對(duì)其遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)其監(jiān)測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。無人駕駛收割機(jī)作業(yè)過程如圖6所示。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展,無人駕駛收割機(jī)逐漸被使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。為了保證無人駕駛機(jī)械作業(yè)的正常性,需要對(duì)無人駕駛機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測,遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用云平臺(tái)和并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)。首先對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)通信的正常性進(jìn)行測試,丟包率是反應(yīng)通信是否正常的一項(xiàng)指標(biāo),通過測試得到了如圖7所示的測試結(jié)果。

圖6 無人駕駛收割機(jī)作業(yè)示意圖

圖7 丟包率測試曲線

由圖7可知:基于云平臺(tái)和并行計(jì)算技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的通信精度較高,可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測需求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測后收割機(jī)的性能進(jìn)行了測試,結(jié)果如表2、表3所示。

表2 收割機(jī)性能測試結(jié)果

在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測后,對(duì)收割機(jī)的收割機(jī)性能進(jìn)行了測試。測試的項(xiàng)目主要包括漏收的概率和破損的概率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,采用遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)后,收割機(jī)的漏收率和破損率都較低,可以有效地提高收割機(jī)的性能。

表3 收割時(shí)間測試結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的性能,對(duì)有無監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)播種機(jī)的作業(yè)效率進(jìn)行了對(duì)比。通過對(duì)比相同收割面積所用的時(shí)間發(fā)現(xiàn),有遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)收割機(jī)的作業(yè)效率會(huì)有所提高。這是由于采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后,農(nóng)機(jī)管理人員可以根據(jù)收割機(jī)的實(shí)際作業(yè)進(jìn)度和待收割地塊的情況合理地對(duì)收割機(jī)進(jìn)行調(diào)度,從而提高收割機(jī)的作業(yè)效率。

4 結(jié)論

為了提高無人駕駛收割機(jī)自動(dòng)化作業(yè)水平和收割質(zhì)量,將云平臺(tái)和并行計(jì)算技術(shù)引入到了收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中,有效地提高了監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率,為無人駕駛控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支持。為了驗(yàn)證方案的可行性,以無人駕駛收割機(jī)的實(shí)際作業(yè)為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的通信性能和收割機(jī)性能進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:采用基于云平臺(tái)和并行計(jì)算技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于提高遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效率和監(jiān)測精度具有重要的作用。