计算机与电子产品在农业中的应用 农机管理信息系统外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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计算机与电子产品在农业中的应用

农机管理信息系统

摘要:

农业设备的管理正在迅速地向着一个系统性的设想转变,这个设想整合了环境的影响、公共设施、质量手册和生长环境。信息和通信技术(ICT)的最新发展以及农业拖拉机之间普遍缺乏交互性,各种设备和搭载的电脑导致了ISO 11783 (ISOBUS)国际标准的发展,从而确保了这些实体之间更加有效的通信。为了更加有效地管理,精准农业需要更多的信息,ISOBUS协议的生效是朝着这个目标前进极为重要的一个步骤,因为它将为改善农作物生产管理提供丰富的自动化数据。然而,目前迫切需要组织和确定大量信息的来源渠道,作为随后将其转化为知识和决策支撑的先决条件。本研究的目的是分析和设计一个未来的农机管理信息系统,用以处理拖拉机和其它农机数据以及它们与周围环境的交互。软系统方法学被用来分析人类活动和识别相关的用户需求,与农业机械的使用和对拖拉机和其它农机的信息的管理联系起来。获取这一信息的经验数据,来自于对希腊和丹麦的30个拖拉机操作员和农场经理的目标访谈,并说明探讨农机数据的最优利用与机具性能的关系。整个系统的丰富图景被开发出来,并且从一个概念模型推导出日常拖拉机的操作,与环境的交互。这个概念模型是为传统农业机械和农业机器人开发的。概念模型功能将作为进一步发展所需传感器、通信技术、以及信息处理能力的蓝图。开发的概念模型已经被初步审查小组中的15个农场经理所测试和验证,以揭示额外的补充和担忧。

介绍

将精准农业技术引入普通的农业活动为农民提供了因地制宜并有效地处理和管理大量的可用信息的机会 (Fountas等,2006;Aubert et al., 2012)。车载拖拉机监控系统的技术创新和拖拉机技术的最新发展,使得拖拉机和其他农具的标准数据可以通过ISOBUS(国际标准化组织(ISO),1997)获得,并提供有用的信息使得整体运作和农田产量得到优化(Scarlett,2001;(Backman et al., 2013)。加上差分全局定位系统(DGPS),该系统可用于农机在田地中运动的空间定位(Taylor等,2002)。这些技术成为现代拖拉机的标准特征,目的是提供更好的农场和运营管理,通过广泛使用数据库作为决策支持和控制行动的基础。此外,安装在农业机械上的动态传感器能提供特定地点土壤和作物情况的分析信息(Adamchuk等人,2004)。此外,农田自动化机械的发展将逐渐改变农机操作员的角色,使其向监控和战略管理转变,因为这一发展将需要一个能够管理交互信息流并提供实时操作的实用指南的管理信息系统。 ISOBUS与精准农业创新的互联互通将通过发掘丰富的信息来满足农场经理的需求,以改善作物生产的管理。ISOBUS协议在在精准农业的发展中扮演了重要的角色,通过帮助信息在同一台拖拉机和/或农用车辆内传感器、处理器、控制器和软件之间更加高效的传输和存储,尽管这些部件来自不同的制造厂商 (斯坦福大学,2000)。其中的挑战在于通过整合这些新技术所获取的数据转变为一个综合的农场管理系统。最主要的问题在于这些数据的异构性,这导致了各种数据格式和接口。不相容的数据格式通常只是一个基本问题,只需要手动将数据从一种格式转换为另一种格式。因此,连续的数据交换正被迫切的需要着,这种数据交换出现在农场的计算机和安装在农机上的计算机之间,或着在农场的计算机与外部农业系统(如承包商,供应商和咨询服务)之间。如今, ISOBUS被认为是农业业内的一种标准,并由十四个部分(如数据链层、网络层、任务控制器和管理信息系统数据交换)组成,向FMIS开发人员提供功能和其他目标选项。Steinberger等人(2009)建立了一个农业过程数据服务的模型,这个模型能够确保灵活的数据网络,其中的数据记录通过ISOBUS端口被传输到服务器,以便通过门户网站和网络服务接口进行进一步处理。Iftikhar和Pedersen (2011)提出了一种方便且灵活的ISOBUS解决方案,基于双向数据交换以及高效的需求变更管理。该系统利用了一个以XML为基础的图形用户界面,它能够生成高级数据交换规范,并且农民/农场经理可以简单地使用。

农场管理信息系统必须要遵守法律法规和农业生产标准以确保食品安全和环保。服从附加的质量要求通常能给产品一个附加的市场价值。这种规则和标准以计算机化管理系统的形式所推出,它将能够执行自动化的合规性检查。正是考虑到这一点,Nash等人(2009)为农业标准提出了一种通用结构模型,而Nash等(2011)提出了基于XML的版本,机器可读的决策规则和标准的正式表达,以使合规性检查自动化。

Nikkila等人(2010)对基于web的方法进行了评估,以实施符合精准农业新规定的财务管理信息系统。如上所述,这些新要求必须增加与外部的连接能力,目标是精准农业和GIS数据。同样,在一定范围内,与ISOBUS拖拉机-执行器组合的通信是基本的。农场数据被离线存储,并通过网络服务与备份良好的中央系统联系,比存储在一个不稳定的本地农场的个人电脑更安全。必须特别注意用户界面的设计,因为糟糕的界面通常被认为是对于农业财务管理信息系统和普通的信息系统有较差的适配性的主要原因 (Seneler等人,2009)。此外,Kaloxylos等(2012)指出,当前Web网络配置正面临着困境,尤其在处理大量的联网设备方面。至今仍然没有标准化解决方案,以解决服务与股东之间简单且紧密的相互联系。在整个管理过程中引入自主和认知因素并伴随着网络基础设施,来支持和整合不同的股东和服务,这一做法仍存在争议。

本文的创新之处在于视角从以农民/农场经理作为系统的核心转变,该观点出自Sorensen等人(2010a,b)以前的文章,转变为以农机为核心,从而产生了一个创新的FMIS架构,其中的信息流来自于智能机器,这种机器在决策过程中变为日益重要的一个角色。本文中的术语“农业机械管理信息系统(FMMIS)”,被用来描述上文中依赖于信息到行动的实地操作决策方法。根据《Kitchen》(2008),信息到行动决策过程需要:(1)原位传感器为主;(2)用于实时或接近实时的计算机处理并转化为知识进行决策的自动化;(3)信息的感知和处理是被用于完成必要的管理活动的机器的一部分;(4)对操作员/经理的决策评估和确认。

因此,本研究的总体目标是通过软系统方法(SSM)作为派生方法,确立农业机械的基本轮廓和农业机械管理信息系统(FMMIS)的基本结构。这种方法将通过清晰地信息流规程、数据库的定义、知识编码的指导和提取高级FMMIS的需求,来建立农机与农机之间的相互关系。具体的,它的目标是让拖拉机操作员和农场经理理解软件系统和面向过程的活动,并设计一个独立的FMMIS组件模型,指出哪些地方需要FMMIS来协助/启用信息流。随后,将对该模型进行调整以使其符合未来FMMIS的内容,即使用自动驾驶汽车以取代传统的拖拉机,以及确定整个FMMIS设计所需的潜在改变。

材料和方法

通常,软系统方法是基于参与性问题的定义和组织股东大会处理复杂情况。这种方法出自问题构造方法(PSM) 的标题(Eden和阿克曼,2006)。作为PSM的特殊组成部分,软系统方法论(SSM)用于分析人类活动,尤其是管理活动,并识别用户需求和活动作为后续系统设计的基础(Checkland和Scholes,1990)。以前,SSM被用来描述复杂的农业系统,例如一般农场管理信息系统(Sorensen等人,2010年b)的概念框架,以及用于大学农场的精准农业活动 (Fountas et al.,2009)。作为第一步,一个描述问题情况的“丰富图景”被确立,它描述研究中某一特定的情形和系统的问题,并且描绘了它们之间的关系、联系、影响及因果。丰富的图景描绘了复杂的情况,并确定了策划过程的第一步。为了能够模拟这种对现行体系的目的性改变,该系统需要清晰地勾勒并定义这个所谓的“根方法”,确定系统的目标并对系统提出不同的观点和内在的假设,包括指导方针如何带来转变,加剧改变以及正在考虑的系统提升。根定义采用PQR形式。一个体系要完成P,通过Q的方法实现R或“做什么(P),如何做(Q),为什么做这件事(R)”。我们应该特别注意CATWOE这个词的组成,它是一个代表单词Customers (C)的助记词,Actors(A),Transformation process(T),World-view (W),Owner-ship(O)和Environmental constraints(E)。CATWOE中的核心在于T和W,World-view描述为何世界观这个系统有意义,Transformation对其进行系统地描述功能。Customers会受转换影响,因为他们从中受益或受损; Actors是执行系统活动的人,Owner-ship属于拥有启动或终止系统活动的人,Environmental constraints则代表源于系统之外而对系统有影响的因素。

通过30次访谈收集实证数据(正式干预)针对拖拉机操作员和农场管理者,回答了有关农业机械最佳使用数据的问题作为拖拉机和其它农机性能的指标。具体的问题涉及一些规范问题,包括了当前机器、当前机器上的信息获取、外部行动者与机器的交互、经验的问题和机器信息管理的问题,以及潜在的改进。这项分析超越了目前FMMIS的技术还包括未来使用的自动驾驶汽车,体现在目前的大型机器以及潜在的小尺寸车辆。这些访谈于2012年秋天在丹麦和希腊举行。被调查者选自丹麦和希腊以最先进的机械农业实践为代表的典型农业区。丹麦在农业技术创新方面处于领先地位 (Pedersen等,2003;Jensen等人,2012),而希腊是滞后,因此更全面的看法已被得知(Lawson等,2011)。在丹麦、德国、芬兰和希腊之间的四国调查中,这作为欧盟项目的一部分(FutureFarm-Lawson et al.,2011),希腊的农场大多都是0到50公顷,而丹麦的大多数农场面积在50到50公顷之间。在劳工使用方面,两个国家每个农场使用两名现场工作人员。异同之处是花在办公室及办公室外的行政事务的时间。在丹麦,据记录,农民每周花7小时在行政事务上;相比之下,希腊每周只有1小时。丹麦农民把大部分时间花在会计和税收上,而希腊农民则是花在申请和规定上。另一方面,丹麦和希腊的农民每周会花费相同的时间在办公室之外的工作,大约每周一小时,主要处理有关咨询和银行的活动。

在丹麦,在日德兰半岛中部密集的农业地区进行了13次访谈,涉及传统经济作物比如小麦、大麦和油菜籽。在希腊,有17次采访在希腊中部的色萨利进行,这是希腊的主要的农业地区,有着更大的的土地和更大的农业机械,还有许多农场经理/农机操作员在耕种着作物(棉花、硬粒小麦和玉米)。对于所提出的概念发展模型的后续评估,初步审查专家组的一个小组实施的15个访谈将在2014年夏天进行。

结果与讨论

3.1 实验数据的搜集

根据调查问卷的结果,可以看出答案受农民的年龄、他们的经济地位、他们的拖拉机/其它农机的技术以及他们对技术采用以及在日常生活中对ICT的熟悉程度的影响。具体来说,年轻的农民愿意使用他们的拖拉机上有新技术,而年长的则不愿意。然而,直接接触新技术,例如年轻的家庭成员似乎也影响了年长的农民对使用新技术的看法。此外,所有的受访者都有兴趣了解最新技术的拖拉机/其它农机系统,但是拥有旧机器的农民不愿使用它们。出现后面这种情况的一个重要原因是经济形势和小型农场避免获得新设备。为了改变这种心态,将需要详细的成本效益分析。特定的地方例如在希腊的某些不存在可靠的维护网络的地方,人们可能特别不愿收购新的先进机械。此外,农场目前的经济状况决定了农民购买新设备的意愿,而坚实的经济基础则会鼓励农民使用更加先进的机械设备。尽管事实是,所有的农民,不管当前拖拉机型号的年龄,只有在充分了解了现有的拖拉机的情况下,才会有学习的意愿去了解更多与信息处理相关的最新机器。但是,必须指出,只有真正操作过最新拖拉机的农民才会提出更多的创新思路,能够得到更加有效的信息处理和操作控制,这意味着亲身体验先进技术的效果。表1列举出了对先进农机管理的精选关注和提升建议。自动农机的使用与自动农机系统产生的数据之间的关系并没有包括在对农民的访谈中,作为软系统方法论只描述当前的情况。

3.2 近况

通过使用被采访者表达的关注和被采访的农民的叙述在该研究中构造一个系统,丰富的图片展示了农业机械管理信息系统(FMMIS)现状的初级心理模型,见图1。特别是,这一丰富的图片提供了对于这个系统更加长远的考虑,这用相互关联的外部实体和内部实体以及股东证明了它的复杂性。机器实体(以拖拉机为例)是系统的中心。

作为整个系统的一部分,附加的设备和传感器都是连接(全球定位系统(GPS),作物传感器(即NDVI)、土壤传感器(即电导率)获得关于现场状态和整个系统功能和性能的充足数据以及来自拖拉机的信息ISOBUS。通过FMMIS采集到的数据将被用于特定的FMMIS模块和其他组件分析和处理,并被应用到控制行动或决策支持指南。此外,许多处理后的输出都是实时显示和可视化的。农场经理和拖拉机操作员将能够实时监测牵引-执行系统的运作,计算各种输入,如能源消耗,还能监测比如实地情况。

同时,所提出的FMMIS使计算农业项目的成本成为可能,即农业项目的最优规划和调度,库存管理和环境影响分析各种各样的任务,例如,能源输入。从FMMIS得到的数据可以转移到外部的参与者,比如大学,政府机构,制造商和农产品经销商,使之符合标准,提供对燃料、种子等的补贴的便利。此外,它将有可能将于有关农场、特定田地和农作物管理的数据和信息向大学或专门研究机构发送并取得建议。总的来说,拟议的FMMIS将使实现成为可能作为一种重要的工具以满足广泛的测试和学习的目的。

表1 被调查者提出的具体问题/改进建议。

参考指标

问题/要求

操作数据/

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