賈思秀

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和自動化進(jìn)程，也促使機(jī)械電子工程向智能化和自動化方向發(fā)展，從而提高了對控制技術(shù)的需求和要求?？刂乒こ膛c機(jī)械電子工程之間存在著互補(bǔ)性的關(guān)系。二者的發(fā)展不僅可以加速機(jī)械電子工程的進(jìn)步，也可以為其提供更多的可能性和發(fā)展方向。因此，本文對智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)探討了3S 集成框架、WebGIS 等相關(guān)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用方法，以3S 技術(shù)為核心，以構(gòu)建基于WebGIS架構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)管理集成平臺為目標(biāo)。同時，針對計算機(jī)領(lǐng)域新提出的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、B2C 電子商務(wù)模式等概念，分析了如何將其應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)機(jī)械并融入到3S 技術(shù)框架中，以便更好地發(fā)揮其自身優(yōu)勢，建立一系列技術(shù)框架模型，并快速開發(fā)出穩(wěn)定高效的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)。

機(jī)械工程在農(nóng)業(yè)機(jī)械集成中的創(chuàng)新應(yīng)用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，而未來計算機(jī)視覺技術(shù)將與深度學(xué)習(xí)技術(shù)等智能技術(shù)相結(jié)合，基于大規(guī)模數(shù)據(jù)集在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，更廣泛地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的各種問題[1-2]。這樣可以解決當(dāng)前的農(nóng)業(yè)難題，更好地提升農(nóng)業(yè)自動化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、普適性和魯棒性，從而促使農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備和系統(tǒng)向更智能的方向發(fā)展[3]。然而，由于數(shù)據(jù)來源不足，上述研究僅停留在理論層面，缺乏實(shí)踐意義。本文在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對物聯(lián)網(wǎng)、云計算、B2C 模式和3S（GPS、RS、GIS 技術(shù)）集成技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并將這些技術(shù)整合在一起，從而找到了一個適合智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)的基本框架模型?；?S 技術(shù)和系統(tǒng)的軟件需求，完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系、功能模塊、性能指標(biāo)、工作流程和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計[4]。同時，選定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系、功能模塊、性能指標(biāo)、工作流程和數(shù)據(jù)庫，并運(yùn)用相關(guān)的軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)工作。

1 農(nóng)機(jī)一體化智能機(jī)電系統(tǒng)

1.1 總體系統(tǒng)設(shè)計

本文從智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，將系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)分為兩類，分別在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和服務(wù)[5-7]。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)組織、內(nèi)部數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)三個方面，涵蓋了基本地理數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械的遙感影像、訂單以及不同用戶的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，可為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持；資源數(shù)據(jù)包括與數(shù)據(jù)備份、資源管理和維護(hù)、用戶角色權(quán)限等有關(guān)的信息，可為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。智能農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，因此采用了瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)（Browser/Server, B/S）的開發(fā)方式；J2EE 采用了三層結(jié)構(gòu)，分別是表現(xiàn)層、中間層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。為了保證系統(tǒng)的通用性、高效率、可移植性和安全性，本文選擇了Java 平臺作為系統(tǒng)開發(fā)和部署的平臺；軟件系統(tǒng)開發(fā)使用了Java 語言和WebGIS 相關(guān)技術(shù)，并在研發(fā)過程中引入了物聯(lián)網(wǎng)、云計算和B2C 電子商務(wù)模式等技術(shù)。將3S 技術(shù)用于數(shù)據(jù)采集、管理、計算、分析和展示，形成了智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)?；贐/S 設(shè)計模式和J2EE 三層架構(gòu)的原則，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，將系統(tǒng)劃分為用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層三個層次，集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1 可以看出，用戶層是系統(tǒng)與用戶交互的界面，系統(tǒng)的各種功能頁面可以在不同的瀏覽器中展示。本文采用了JQuery 框架和Ajax 技術(shù)來開發(fā)網(wǎng)頁交互功能。借助OpenLayers 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了WebGIS 的各種地圖功能。用戶可以通過瀏覽器中的HTTP（超文本傳輸協(xié)議）請求，使用互聯(lián)網(wǎng)的傳輸協(xié)議，向應(yīng)用層發(fā)送請求指令。系統(tǒng)處理這些請求后，返回所需的數(shù)據(jù)結(jié)果，完成用戶的操作功能。

OpenLayers 是一個用于開發(fā)WebGIS 客戶端的JavaScript 庫，其部署在Web 服務(wù)器上的應(yīng)用層主要由控制層和業(yè)務(wù)邏輯層組成。其中，控制層由Struts框架管理，確保了用戶界面與業(yè)務(wù)邏輯層之間的有效交互。Spring 框架的引入則進(jìn)一步拓展了其在應(yīng)用層的作用，使得它不僅僅局限于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，還能夠通過與Struts 的整合，利用Java 代碼訪問位于數(shù)據(jù)層的服務(wù)。這樣的結(jié)合優(yōu)化了數(shù)據(jù)的訪問和處理流程，提高了系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度。最終，應(yīng)用層能夠根據(jù)用戶的請求指令，有效地查找和處理數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果返回給用戶界面，使用戶能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行操作和交互[8-10]。

數(shù)據(jù)層包括了GeoServer 服務(wù)器、PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫以及一些分布式的Web 服務(wù)和地圖服務(wù)。應(yīng)用層利用對GeoServer 服務(wù)器和PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫的訪問，獲取基本的地理信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層中的Java 功能代碼可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)中心發(fā)布的農(nóng)業(yè)機(jī)械終端監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)，或者使用互聯(lián)網(wǎng)調(diào)用已發(fā)布的遙感影像和矢量地圖的切片服務(wù)，并將數(shù)據(jù)反饋到應(yīng)用層中的用戶手中。數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)的運(yùn)行提供了充分的數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)主要面向農(nóng)民、農(nóng)機(jī)服務(wù)組織和政府等用戶。不同用戶有不同的功能需求，且不同用戶之間存在一定的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系。因此，在設(shè)計系統(tǒng)模塊時，應(yīng)根據(jù)用戶的功能需求和相互關(guān)系，設(shè)計系統(tǒng)的各個功能模塊。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)主要包括農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度和監(jiān)督管理系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)輔助決策系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)由不同的功能模塊構(gòu)成。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)的總體模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 智能農(nóng)機(jī)集成系統(tǒng)

農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)系統(tǒng)主要包括主頁、供應(yīng)信息、訂單管理、作業(yè)分配四個模塊，為農(nóng)民提供了農(nóng)機(jī)服務(wù)組織檢索、地圖顯示操作、訂單管理（增刪改查）、將訂單分配給農(nóng)機(jī)服務(wù)組織等功能。農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度和監(jiān)督管理系統(tǒng)由主頁、訂單管理、作業(yè)調(diào)度、作業(yè)監(jiān)督、作業(yè)分析、信息管理、軌跡點(diǎn)管理等模塊組成，使農(nóng)機(jī)服務(wù)組織能夠管理訂單、調(diào)度作業(yè)、監(jiān)控農(nóng)機(jī)和操作員以及管理組織內(nèi)的相關(guān)信息。農(nóng)機(jī)作業(yè)輔助決策系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括主頁上的農(nóng)機(jī)動態(tài)和專題動態(tài)、作業(yè)分析、應(yīng)急管理（包括臨時訂單和緊急事件）、作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、服務(wù)組織管理、用戶管理等。政府用戶可以利用這些功能來監(jiān)測和管理農(nóng)機(jī)服務(wù)組織、作業(yè)質(zhì)量和緊急事件，幫助農(nóng)民拓展訂單，并對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)機(jī)服務(wù)組織的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策制定提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 過程設(shè)計

根據(jù)用戶的主要功能需求，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程主要包括以下幾方面：需求服務(wù)、訂單調(diào)度、農(nóng)機(jī)作業(yè)、動態(tài)監(jiān)管、統(tǒng)計分析、輔助決策。

1）需求服務(wù)。農(nóng)民可以在這個服務(wù)網(wǎng)站上找到農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)，并提交他們的服務(wù)需求；也可以通過電話向農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)和相關(guān)政府部門提出需求，然后由農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)和政府部門工作人員完成訂單的填寫，最后通知農(nóng)民訂單的處理結(jié)果。

2）訂單調(diào)度。農(nóng)技推廣機(jī)構(gòu)根據(jù)訂單的要求，將所需的機(jī)械和機(jī)械人員送達(dá)指定地點(diǎn)，并為農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)技推廣。

3）農(nóng)機(jī)作業(yè)。農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)通過手機(jī)短信通知操作員。操作員根據(jù)訂單的要求駕駛農(nóng)機(jī)到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場，進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)，并及時將作業(yè)任務(wù)和狀態(tài)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)。

4）動態(tài)監(jiān)管。通過農(nóng)機(jī)移動終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，控制農(nóng)機(jī)的運(yùn)行軌跡和狀態(tài)，實(shí)時定位農(nóng)機(jī)和操作員。同時，可以回放農(nóng)機(jī)的運(yùn)行軌跡點(diǎn)，估算作業(yè)面積。

5）統(tǒng)計分析。根據(jù)農(nóng)機(jī)、操作員和作業(yè)時間的情況，農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)對作業(yè)面積、作物類型和作業(yè)類型進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

6）輔助決策。政府對農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)、農(nóng)機(jī)數(shù)量、農(nóng)機(jī)作業(yè)面積、作物類型、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)時間等信息進(jìn)行實(shí)時了解，為制定各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃和扶持補(bǔ)貼政策提供科學(xué)、全面、直接的數(shù)據(jù)支持。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械集成系統(tǒng)中使用的Web 地圖主要調(diào)用了天地圖發(fā)布的WMTS 地圖切片服務(wù)和遙感影像切片服務(wù)。遙感影像主要用于農(nóng)機(jī)作業(yè)輔助決策系統(tǒng)下的作業(yè)質(zhì)量分析模塊。系統(tǒng)調(diào)用了GeoServer發(fā)布的WMTS 遙感影像切片服務(wù)，該服務(wù)提供了田間區(qū)域、作物類型、作物產(chǎn)量、作物成熟度、收獲范圍等方面的實(shí)時可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證了政府部門統(tǒng)計分析和科學(xué)決策工作的順利開展。其他空間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)都存儲在本地PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)通過服務(wù)請求實(shí)時從數(shù)據(jù)中心獲取農(nóng)機(jī)移動終端上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫中，供智能農(nóng)機(jī)集成系統(tǒng)快速使用。智能農(nóng)機(jī)集成系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)既獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，由數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組合而成，彼此隔離，互不干擾，但有些數(shù)據(jù)（如空間數(shù)據(jù)）是共享的。通過數(shù)據(jù)表中的ID 標(biāo)識和分組來確定數(shù)據(jù)的歸屬。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，所有數(shù)據(jù)表和字段都要根據(jù)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、邏輯關(guān)系和特定規(guī)則設(shè)計，確保不同類型和權(quán)限的用戶能夠正確使用。數(shù)據(jù)之間沒有沖突，以避免系統(tǒng)錯誤。用戶信息和空間信息如表1所示。

表1 用戶信息和空間信息

其中，用戶信息包括用戶的個人標(biāo)識ID 和組ID以及用戶名、密碼、姓名、聯(lián)系電話、身份證號碼等基本注冊信息。空間信息包括國家的基本地理信息，并存儲了省、市、縣、鄉(xiāng)、村等各級行政區(qū)劃的地名、中心點(diǎn)坐標(biāo)、層級、空間維度等空間信息數(shù)據(jù)，為電子地圖的顯示提供了充分的地理信息。

1.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺服務(wù)

在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，基于對農(nóng)機(jī)分布數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)和農(nóng)機(jī)購買數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)的分析，對各地區(qū)的農(nóng)機(jī)發(fā)展情況進(jìn)行了研究。農(nóng)機(jī)發(fā)展情況的分析包括六個方面，即農(nóng)機(jī)擁有量分析、農(nóng)機(jī)新增量分析、農(nóng)機(jī)進(jìn)口比例分析、農(nóng)機(jī)品牌排名、農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼數(shù)據(jù)分析和農(nóng)機(jī)維修數(shù)據(jù)分析。將年均增長率引入到農(nóng)機(jī)擁有量的研究中，可以更好地反映農(nóng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。同比增長率是指本期與上期相比所實(shí)現(xiàn)的相對增長率，其公式為：

其中，v表示同比增長率，l表示本期水平，u表示上期水平。

本文對農(nóng)機(jī)擁有量的分析采用了這一指標(biāo)，例如通過將某一年與前一年同期進(jìn)行比較計算的增長率。環(huán)比增長率是以當(dāng)前數(shù)據(jù)為報告期，以前一數(shù)據(jù)為基期。報告期與基期之間的比較就是環(huán)比增長率。農(nóng)機(jī)數(shù)量的變化用同比增長率和環(huán)比增長率來表示，公式為：

2 智能農(nóng)機(jī)集成系統(tǒng)測試

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對系統(tǒng)的響應(yīng)速度有重要影響。本文的響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)旨在檢測系統(tǒng)中并發(fā)請求越來越多時，系統(tǒng)相應(yīng)的響應(yīng)時間的變化情況。響應(yīng)時間的計算是指客戶端發(fā)出請求后，到達(dá)服務(wù)器并經(jīng)過一系列交互（如讀取請求文件、查詢相關(guān)數(shù)據(jù)庫信息等），再從服務(wù)器返回客戶端并完成響應(yīng)所花費(fèi)的時間。在一些測試工具中，響應(yīng)時間也稱為TTLB，響應(yīng)時間統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 響應(yīng)時間統(tǒng)計

由圖3 可知，隨著并發(fā)量的增加，響應(yīng)時間也增加。當(dāng)并發(fā)量為100 時，平均響應(yīng)時間為228 ms，最大響應(yīng)時間為713 ms，最小響應(yīng)時間為181 ms。當(dāng)并發(fā)量為1 000 時，平均響應(yīng)時間為803 ms，最大響應(yīng)時間為1 284 ms，最小響應(yīng)時間為521 ms。

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是衡量農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要指標(biāo)。在這一過程中，應(yīng)該充分利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建一套適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的農(nóng)機(jī)服務(wù)管理集成系統(tǒng)。這有助于提升中國農(nóng)機(jī)信息化水平，加強(qiáng)政府部門對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的宏觀調(diào)控，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化的協(xié)同發(fā)展。近年來，信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，農(nóng)機(jī)服務(wù)管理的數(shù)字化是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的一個代表性案例。建立新型的農(nóng)機(jī)服務(wù)管理模式可以幫助農(nóng)機(jī)服務(wù)組織在農(nóng)忙季節(jié)及時調(diào)度訂單，管理旗下的所有農(nóng)機(jī)和操作員，并迅速為農(nóng)民提供農(nóng)機(jī)服務(wù)。這完全改變了傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)服務(wù)管理方式，使得農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)實(shí)現(xiàn)了智能化和信息化。此外，可以建立一套與經(jīng)濟(jì)制度相適應(yīng)的農(nóng)機(jī)信息化服務(wù)管理系統(tǒng)，這也是一種將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息技術(shù)相結(jié)合的重要途徑。