孫夢(mèng)遙，徐嵐俊，宮少俊，李小龍，劉婞韜，陳 華，張傳帥

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079； 2.北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，北京 100053)

0 引言

農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)是通過拖拉機(jī)牽引松土機(jī)械，進(jìn)行全方位深層土壤耕作的機(jī)械化整地技術(shù)，實(shí)施農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)，是改善耕地質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，落實(shí)國家“藏糧于地、藏糧于技”的重大舉措之一[1-6]。近年來，從中央到地方高度重視農(nóng)機(jī)深松整地工作，2016年2月，農(nóng)業(yè)部制定了《全國農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃(2016—2020)》，對(duì)全國的土地深松進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃指導(dǎo)[7]。目前，深松整地作業(yè)政策覆蓋了全國范圍，“十三五”期間，北京市積極開展農(nóng)機(jī)深松整地技術(shù)推廣，在全市農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)補(bǔ)貼政策引導(dǎo)下，農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)累計(jì)完成面積29 333 hm2，農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)在全市取得了較好的推廣應(yīng)用效果。

隨著深松整地作業(yè)面積的不斷擴(kuò)大，補(bǔ)貼金額也在逐年增長，如何保證作業(yè)質(zhì)量，精準(zhǔn)地統(tǒng)計(jì)作業(yè)面積已經(jīng)成為工作中的重要關(guān)注點(diǎn)[8-13]。傳統(tǒng)的深度質(zhì)量檢測(cè)主要通過人工抽查，在此過程中常伴隨著耗費(fèi)時(shí)間長，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)少，面積統(tǒng)計(jì)多報(bào)、漏報(bào)的現(xiàn)象，以及不能保證補(bǔ)貼安全的發(fā)放等問題[10，14-15]。2020年，在北京市平谷、大興、房山、懷柔、密云、延慶6個(gè)區(qū)春季深松整地作業(yè)中推廣使用深松整地作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，配套深松監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)獲取耕深數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過車載終端傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理平臺(tái)，并在遠(yuǎn)程管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)通過田間試驗(yàn)校驗(yàn)，有效實(shí)現(xiàn)了作業(yè)質(zhì)量準(zhǔn)確探測(cè)、面積精準(zhǔn)計(jì)算、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能，為深松補(bǔ)貼發(fā)放提供了數(shù)據(jù)支撐，并實(shí)現(xiàn)全程信息化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

1.1設(shè)計(jì)要求

深松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有助于農(nóng)機(jī)管理部門及合作社掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度、作業(yè)面積，并且方便機(jī)手對(duì)作業(yè)面積、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)功耗進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，終端應(yīng)安裝在深松機(jī)組上，具備衛(wèi)星定位、無線通信、作業(yè)深度監(jiān)測(cè)、機(jī)具識(shí)別、圖像采集和顯示報(bào)警等功能。如圖1所示，平臺(tái)通過接收終端上傳的詳細(xì)作業(yè)信息來進(jìn)行存儲(chǔ)和管理農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)計(jì)量農(nóng)機(jī)深松作業(yè)面積、對(duì)深松作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總分析，并具有支持重疊作業(yè)和跨區(qū)域作業(yè)檢測(cè)與分析，提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出和報(bào)表打印等功能。用戶可通過電腦、手機(jī)查看平臺(tái)數(shù)據(jù)。

圖1 深松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of sub-soiling monitoring system

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過安裝在拖拉機(jī)后部提升臂上傾角傳感器的角度變化(圖2)，判斷是否處于作業(yè)狀態(tài)，并計(jì)算機(jī)架與地面的距離變化，得到深松機(jī)深松鏟的入土深度，即實(shí)際的深松深度值；安裝攝像頭采集農(nóng)機(jī)作業(yè)圖片信息以確保真實(shí)作業(yè)。同時(shí)后臺(tái)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以監(jiān)測(cè)每年深松輪作情況(圖3)。

圖2 深松作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of quality monitoring for sub-soiling operation

圖3 深松作業(yè)輪作圖Fig.3 Crop rotation of sub-soiling operation

1.3深度測(cè)量原理

通過監(jiān)測(cè)大臂上安裝的姿態(tài)傳感器的角度變化，并利用三角函數(shù)來計(jì)算耕深，方法如式(1)所示。

H=L×[sin(b)-sin(a)]

(1)

式中L——臂長

H——深度差

已知臂長L，根據(jù)大臂上安裝的姿態(tài)傳感器的角度變化，可計(jì)算出深度差H，如圖4所示。

圖4 深度計(jì)算原理Fig.4 Principle of depth calculation

1.4面積計(jì)算原理

1.4.1面積算法說明

基于時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和單元積分逼近算法。首先通過GIS系統(tǒng)對(duì)農(nóng)機(jī)定位點(diǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立數(shù)學(xué)模型區(qū)分田間作業(yè)點(diǎn)和行駛點(diǎn)；其次利用時(shí)間序列分析方法并結(jié)合農(nóng)具作業(yè)幅寬，將每日的作業(yè)點(diǎn)連線后，分成若干地塊，對(duì)于劃分好的作業(yè)地塊采用單元積分逼近算法進(jìn)行面積計(jì)算。最后，將計(jì)算的面積與以往時(shí)間該定位地塊的面積對(duì)比，區(qū)分該地塊不同車輛的重復(fù)作業(yè)。

1.4.2達(dá)標(biāo)面積參數(shù)說明

所有的參數(shù)計(jì)算，均以地塊的參數(shù)來計(jì)算，如平均深度、作業(yè)面積、達(dá)標(biāo)面積、重疊面積等。

平均深度：采集深度點(diǎn)之和/采集深度數(shù)量。

作業(yè)面積：農(nóng)機(jī)每天耕作的面積(按照地塊來計(jì)算)。

達(dá)標(biāo)面積：默認(rèn)算法為作業(yè)地塊平均耕深超過標(biāo)準(zhǔn)耕深則全部算為合格。

如圖5所示，深松深度標(biāo)準(zhǔn)30 cm，超過30 cm的作業(yè)地塊算合格，未超過30 cm的地塊不合格。

圖5 面積計(jì)算原理Fig.5 Principle of area calculation

2 田間試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)作業(yè)深度和作業(yè)面積的檢測(cè)精度，在密云區(qū)河南寨農(nóng)機(jī)合作社示范基地開展了系列試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選用約翰迪爾1204拖拉機(jī)、大華寶來1S-230型深松機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型。

2.1作業(yè)深度試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主機(jī)為約翰迪爾1204型拖拉機(jī)，懸掛大華寶來1S-230型深松機(jī)，作業(yè)速度平均7.81 km/h。

2.1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取單塊試驗(yàn)田，調(diào)整耕深分別為20、25和30 cm，每個(gè)深度隨機(jī)選取20個(gè)點(diǎn)，分別利用鋼尺測(cè)量農(nóng)機(jī)實(shí)際作業(yè)深度并記錄，與監(jiān)測(cè)深度進(jìn)行對(duì)比。

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與實(shí)際作業(yè)深度相比，作業(yè)深度監(jiān)測(cè)平均誤差在20、25和30 cm耕深處分別為0.590、0.555和0.595 cm，作業(yè)深度監(jiān)測(cè)誤差≤2 cm，因此農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)在作業(yè)深度監(jiān)測(cè)方面能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)農(nóng)機(jī)質(zhì)量監(jiān)管的需要。

表1 作業(yè)深度

2.2作業(yè)面積試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主機(jī)為約翰迪爾1204型拖拉機(jī)，懸掛大華寶來1S-230型深松機(jī)，作業(yè)速度平均7.81 km/h。

2.2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取單塊試驗(yàn)田，每作業(yè)一個(gè)往返記錄一次作業(yè)面積，并利用測(cè)畝儀測(cè)量農(nóng)機(jī)實(shí)際作業(yè)面積，與監(jiān)測(cè)面積進(jìn)行對(duì)比。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出試驗(yàn)組作業(yè)面積監(jiān)測(cè)誤差為2.19%，因此農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)在作業(yè)面積監(jiān)測(cè)方面的準(zhǔn)確率在97%以內(nèi)。作業(yè)面積監(jiān)測(cè)及計(jì)算準(zhǔn)確度能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)農(nóng)機(jī)質(zhì)量監(jiān)管的需要。

表2 作業(yè)面積

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在北京的應(yīng)用情況

3.1整體情況

為做好北京市農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)，根據(jù)北京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局印發(fā)的《北京市季節(jié)性裸露農(nóng)田揚(yáng)塵抑制關(guān)鍵保護(hù)性耕作技術(shù)推廣應(yīng)用作業(yè)補(bǔ)貼實(shí)施方案》(京政農(nóng)發(fā)〔2020〕22號(hào))，從2020年開始，北京市農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)驗(yàn)收以線上查驗(yàn)為主，人工復(fù)核為輔。鼓勵(lì)使用復(fù)式作業(yè)機(jī)具(同時(shí)完成滅茬、深松、旋耕等多項(xiàng)作業(yè))開展農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)，作業(yè)機(jī)具需裝有深松作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠按要求傳輸?shù)奖本┦修r(nóng)機(jī)調(diào)度中心。

按要求全市共安裝監(jiān)測(cè)終端78臺(tái)。各區(qū)作業(yè)主體基本按照要求安裝了監(jiān)測(cè)終端并上傳作業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)在線監(jiān)測(cè)。經(jīng)線上監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，完成春季農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)面積6 974.18 hm2，其中線上監(jiān)測(cè)合格面積6 754.27 hm2，不合格219.91 hm2。各區(qū)具體作業(yè)監(jiān)測(cè)情況如表3所示。

表3 2020年農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)匯總

3.2存在的問題

3.2.1有線連接問題

農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)監(jiān)測(cè)終端姿態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)連接線等設(shè)備均安裝在作業(yè)機(jī)具主架上，并裸露于空氣中。深松整地工作地點(diǎn)為田間，環(huán)境比較復(fù)雜，主機(jī)和深松機(jī)具之間的有線連接容易造成拉扯、損壞，導(dǎo)致機(jī)具無法正常作業(yè)或監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)缺失[16]。

3.2.2定位問題

受民用北斗、GPS、電子地圖精度和農(nóng)村地界劃分等限制，以及信號(hào)獲取等地理?xiàng)l件制約，有些小地塊無法精確分辨作業(yè)邊界，精準(zhǔn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界存在無法獲得的現(xiàn)象。因此在深松整地作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過程中，臨界區(qū)域地理位置的準(zhǔn)確度無法全部保證，需要人工輔助提高面積準(zhǔn)確度。

3.2.3宣傳力度不足

熟悉補(bǔ)貼政策、正確使用農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)監(jiān)測(cè)終端、熟練掌握設(shè)備性能特點(diǎn)和基本原理是開展作業(yè)監(jiān)測(cè)的前提，現(xiàn)存在某些區(qū)級(jí)管理部門宣傳力度不到位，而這往往導(dǎo)致個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)、合作社、機(jī)手等對(duì)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)政策、作業(yè)監(jiān)測(cè)終端、北京市農(nóng)機(jī)管理調(diào)度中心及手機(jī)端作業(yè)補(bǔ)貼監(jiān)管平臺(tái)操作流程不熟悉，從而導(dǎo)致作業(yè)過程中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行匯報(bào)，造成監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)。

3.3對(duì)策及建議

3.3.1技術(shù)升級(jí)

基于“5G+藍(lán)牙”的無線機(jī)具識(shí)別技術(shù)研究，使用藍(lán)牙連接取代數(shù)據(jù)線連接，借助藍(lán)牙功能的防拆卸識(shí)別標(biāo)簽和對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙識(shí)別模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)拖斗車種類，來判斷和確認(rèn)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多具”。藍(lán)牙無線機(jī)具具有防拆功能，采用了柔性電路板，當(dāng)用戶將機(jī)具拆掉時(shí)，柔性電路板會(huì)斷裂并向主機(jī)發(fā)送拆除信號(hào)。因藍(lán)牙設(shè)備不需要線束連接，所以避免了在作業(yè)時(shí)機(jī)具連接線束受到外力損壞的風(fēng)險(xiǎn)，降低了故障率。

3.3.2確保補(bǔ)貼數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確

為充分保障作業(yè)主體的正當(dāng)權(quán)益，針對(duì)無法分辨精確的作業(yè)邊界、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，以及無法獲得臨界區(qū)域地理位置且準(zhǔn)確度無法全部保證的現(xiàn)象，應(yīng)提高實(shí)際應(yīng)用中北斗、GPS、電子地圖精度，確保使用最新的國土資源普查數(shù)據(jù)與地圖，利用最新的行政區(qū)劃邊界。對(duì)由于人為或監(jiān)測(cè)終端機(jī)器本身等引起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際作業(yè)面積不符的問題，需要人工輔助提高面積準(zhǔn)確度，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際作業(yè)面積的相對(duì)一致，確保作業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確。

3.3.3加大政策宣傳和培訓(xùn)力度

各級(jí)主管部門應(yīng)當(dāng)著力加強(qiáng)向鄉(xiāng)鎮(zhèn)、合作社、機(jī)手宣傳購置監(jiān)測(cè)終端和農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)補(bǔ)貼政策，針對(duì)智能監(jiān)測(cè)裝備使用、北京市農(nóng)機(jī)管理調(diào)度中心、手機(jī)端作業(yè)補(bǔ)貼監(jiān)管平臺(tái)操作流程開展培訓(xùn)，印發(fā)“北京市農(nóng)機(jī)調(diào)度中心使用說明”，指導(dǎo)合作社和機(jī)手能正確、熟練使用監(jiān)測(cè)終端、系統(tǒng)，保證各環(huán)節(jié)落實(shí)到位。

4 結(jié)論

北京市應(yīng)用農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了作業(yè)深度、作業(yè)面積精確度試驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)用情況和效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，主要研究結(jié)論如下。

(1)田間試驗(yàn)校驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)深度監(jiān)測(cè)誤差≤2 cm；作業(yè)面積監(jiān)測(cè)精確度達(dá)到97%以上，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)農(nóng)機(jī)質(zhì)量監(jiān)管的需要。

(2)農(nóng)機(jī)深松整地遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在北京6個(gè)郊區(qū)的推廣應(yīng)用效果顯著，有效解決了人工查驗(yàn)工作量大、工作效率低、抽查范圍小及監(jiān)管難度大等問題，也為深松整地作業(yè)補(bǔ)貼提供了科學(xué)量化依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)全程信息化管理和全面監(jiān)管。