70、农业与建筑机械中的网络物理系统技术与算法应用

农业与建筑机械中的网络物理系统技术与算法应用

在农业和建筑领域，随着科技的不断发展，网络物理系统（CPS）相关的技术和算法正发挥着越来越重要的作用。下面将详细介绍相关的关键技术、算法以及具体的应用流程。

关键技术

1. 测量与定位技术
   • 可以将手动测量的点添加到地图中并计算表面坡度。如今，使用搭载电子定位系统的地面车辆是在大面积覆盖和足够精度之间的一种折衷方案。当需要测绘超过100,000平方米的区域时，会应用机载甚至星载系统。近年来，无人机（UAV）进入市场，它能对更大区域进行监测和测量，精度可达约两厘米。
2. 集成信息与通信技术（集成ICT）
   • 这是实现移动机械中网络物理系统的关键技术之一，它能实现CPS内所有实体之间的数据和信息传输。市场上有多种信息传输解决方案，从将数据传输到本地控制站的WLAN和蓝牙连接，到将数据传输到基于云或服务器系统的卫星通信。为了实现不同生产商的传感器、组件、控制器和服务器之间的通信，过去几年一直在研究标准化通信协议。人机界面（HMI）在该技术中也很重要，它是数字信息与操作员之间交互的唯一途径。
3. 变量率技术（VRT）
   • 该技术仅在农业领域重要，它允许根据土壤养分或植物生长的变化进行精确播种和优化喷洒（养分、除草剂和杀虫剂）的施用量，通过评估地理地图和机器在田间的当前位置的算法来确定施用量，可降低成本和环境影响。

关键算法

1. 作业规划
   • 为所有工作步骤奠定基础，提供所有流程步骤、机械和工地属性等数字信息。通过获取最新的进行中流程、机械位置和利用率数据，可以得出当前作业进度，与初始计划对比能检测到延误并启动对策，从而控制进度。一般来说，作业规划工具还具备作业控制功能。
2. 导航
   • 利用定位数据和作业规划信息，导航算法可确定所需的行驶路径，借助自动转向技术实现车辆沿该路径移动。与汽车行业的导航系统相比，农业和建筑机械的精度要求更高。例如，在沥青压实过程中的车道规划，通过同时控制速度和转向来优化压实效果。在农业机械中，该算法表现为受控交通耕作（CTF），它将作物区域和交通车道永久分开，设置均匀间隔的永久交通车道需要精确的引导系统，目前实时动态（RTK）GNSS自动转向系统是重复性最高的引导系统，精度可达±2厘米，具有减少地下压实、提高投入效率和节省燃料等优点，还能实现屏蔽或带状喷洒、行间播种等技术。
3. 车队和作业管理
   • 涉及过程或作业中的不同机器相互交联和通信，以优化过程。算法确保最佳行驶距离、工作时间和燃料消耗，现代的车队和作业管理算法使自动化程度更高，未来更大规模的CPS应用将实现自主、自我优化的过程。车队管理还包括车辆调度以及维护间隔的调度和跟踪，以提高机器利用率，目前正在研究利用网络物理系统改进主动维护调度。
4. 智能机器操作策略
   • 考虑单台机器（包括小型CPS），例如根据当前需求智能调整电机速度或在不需要时机械断开用电设备。未来，这些策略将通过集成ICT技术考虑整个车队和过程，同时也会出现智能评估方法来评估智能机械的效率。

此外，农业机械还有一些特定的算法：
|农业机械特定算法|描述|
| ---- | ---- |
|精确灌溉管理|通过准确监测土壤水分状况，在合适的时间和地点提供适量的水，如地下滴灌、调节亏缺灌溉等。可通过有人驾驶机器或无人机进行遥感获取高分辨率热成像，提供特定地点水分胁迫变化的地图。|
|特定地点土壤耕作|用于初级和次级耕作以及苗床准备，算法结合地理地图数据和信号实时控制耕作深度和碎土大小。|
|特定地点播种|确保在耕地上播种适量的种子以实现最佳产量和高可持续性，算法结合地理地图和定位数据实时控制种子密度，先进的播种附件可通过电动驱动精确调整种子密度。|
|特定地点喷洒|包括施肥、除草和病虫害防治，通过结合地理地图信息和定位系统或喷雾器上的传感器实时信息，确定最佳的肥料、除草剂或杀虫剂施用量，应用分辨率对经济的特定地点喷洒至关重要。|
|特定地点杂草控制|有离线和实时两种方法，离线方法依赖先前生成的杂草分布图，实时方法结合斑块喷洒技术和传感器的实时数据。未来机器人可能用于除草。|
|实时产量监测和绘图|通过收割机上的传感器测量谷物的质量、体积流量或水分含量等数据，并记录特定地点的产量，为农业中的其他关键算法提供基础信息。|

公路建设过程示例

下面以公路路段建设的土方工程为例，展示网络物理系统在建设过程中的应用。该过程分为六个连续步骤和两个并行过程，具体如下：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(3D规划):::process
    B --> C(3D测量):::process
    C --> D(作业规划):::process
    D --> E(材料拾取):::process
    E --> F(材料运输):::process
    F --> G(表面平整及进一步处理):::process
    G --> H([结束]):::startend
    I(作业控制):::process --> D
    I --> E
    I --> F
    I --> G
    J(维护规划):::process --> D
    J --> E
    J --> F
    J --> G

1. 3D规划
   • 此步骤基于3D规划软件，规划表面几何形状、材料层及其厚度，以呈现最终的公路路段。尽管现在仍有许多建设项目采用2D规划，但数字3D规划是后续步骤的基础，公路总体路线的规划需考虑现有表面形状以减少土方量，此时只需现有表面的大致信息。
2. 3D测量
   • 使用的关键算法 ：导航。
   • 使用的关键技术 ：传感器技术、定位系统、自动引导系统、绘图、集成信息和通信技术。
   • 确定要创建的精确几何形状后，需要确定指定区域表面的当前状态。可使用多种系统，如激光或雷达传感器测距、光学图像处理或增强的GNSS信号评估等传感器技术，以及手持设备、地面车辆、无人机和卫星等传感器载体。随着传感器技术的进步，无人机在建筑领域越来越重要，许多公司提供区域测绘服务，建筑设备制造商也与无人机制造商和数据处理系统提供商合作，为建筑行业提供定制测绘解决方案。该步骤可能在其他工作步骤中重复进行，以获取当前3D表面信息。
3. 作业规划
   • 使用的关键算法 ：作业规划、车队和作业管理。
   • 使用的关键技术 ：集成信息和通信技术。
   • 根据前两个步骤确定的当前和计划表面几何形状以及要添加的层的厚度，规划作业。对于基本土方工程，计算当前和计划表面的高度差，得出各点需要移除或添加的土方量。现在可以使用现代软件工具自动计算这些体积，一些工具还能根据这些体积进行机械利用率规划，生成工作计划和调度，以最小化土方工程的总成本。
4. 材料拾取
   • 使用的关键算法 ：作业规划、导航、车队和作业管理、机器操作策略。
   • 使用的关键技术 ：传感器技术、定位系统、自动引导系统、绘图、集成信息和通信技术。
   • 完成理论和数字规划后，需要进行实际的土方作业，拾取材料以便装载到运输车辆上。可使用挖掘机和轮式装载机等机器，挖掘机由于运动学复杂性较高，过去几年一直在研究其自动化控制，有多种2D和3D控制解决方案及集成称重功能。挖掘机在正常工作周期中通常不经常移动，便于实现自动控制。轮式装载机在装载周期中移动较多，制造商提供部分自动化系统，如自动填充铲斗，可提高工作安全性、减少轮胎磨损并提高机器生产率和效率。
5. 材料运输
   • 使用的关键算法 ：作业规划、导航、车队和作业管理、机器操作策略。
   • 使用的关键技术 ：传感器技术、定位系统、自动引导系统、绘图、集成信息和通信技术。
   • 材料需要在建筑工地内运输或完全运出工地。对于工地内的短距离运输，轮式装载机可能适用，但一般需要单独的运输车辆。为了高效运输材料，需要精心规划车辆调度，这依赖于车辆位置、装载状态、进行中的工作、未来容量需求以及交通信息等最新信息。部分信息可由车辆内的传感器提供，交通信息由外部交通信息系统提供。机器之间相互通信，GNSS位置数据不断从每辆车传输到控制系统，对于具有时间相关属性的材料，还需要考虑环境温度或降雨等因素。
6. 表面平整和进一步处理
   • 使用的关键算法 ：作业规划、导航、车队和作业管理、机器操作策略。
   • 使用的关键技术 ：传感器技术、定位系统、自动引导系统、绘图、集成信息和通信技术。
   • 移除多余材料或补充缺失材料后，需要创建指定的表面高度，可能是平面、特定坡度或其他形状。平面通常使用平地机或推土机创建，其他几何形状使用挖掘机。现在有多个生产商提供适用于推土机和平地机的定制解决方案，这些系统需要知道要创建的几何形状和机器执行器的精确位置。在公路建设中，添加砾石和沥青等材料层时，需要进行压实处理，压实过程需要精确控制，以确保沥青在合适的温度下压实，机器控制系统可提供精确的横向转向和速度控制，一些系统还提供精确的车道规划。
7. 作业控制
   • 使用的关键算法 ：作业规划、车队和作业管理。
   • 使用的关键技术 ：集成信息和通信技术。
   • 作业控制是对正在进行的工作进行持续、理想情况下自动的监测。通过将当前状态（如平整区域的大小或挖掘体积）与计划值进行比较，可以监测进度、早期发现延误并启动必要的对策。作业控制功能通常集成在提供初始作业规划的工具中，未来作业控制工具还将初始化对策或至少提出可能的对策建议，以缩短对意外事件的反应时间。
8. 维护规划
   • 使用的关键算法 ：车队和作业管理。
   • 使用的关键技术 ：传感器技术、集成信息和通信技术。
   • 维护规划对大小工地都有益，在小工地，单台机器的故障可能导致整个建设过程停滞，因为其他工作步骤可能依赖该机器的输出。通过合理的维护规划可以提高机器利用率。

农业与建筑机械中的网络物理系统技术与算法应用（续）

农业与建筑领域技术与算法的协同效应

在农业和建筑领域，上述关键技术和算法并非孤立存在，而是相互协同，共同推动行业的发展。例如，集成信息和通信技术（集成 ICT）为所有算法的运行提供了数据传输和共享的基础。在公路建设过程中，通过集成 ICT，3D 测量获取的数据能够实时传输到作业规划系统，作业规划系统根据这些数据制定合理的工作计划，并将计划信息传递给材料拾取、运输和表面平整等环节的机器。同时，机器之间也能通过集成 ICT 进行通信，实现车队和作业管理的优化。

在农业领域，特定地点的算法（如精确灌溉管理、特定地点播种等）依赖于传感器技术和定位系统获取的土壤水分、种子密度等数据。这些数据通过集成 ICT 传输到控制中心，经过算法处理后，指导农业机械进行精确作业。而变量率技术（VRT）则与特定地点的算法相结合，根据土壤养分和植物生长的变化，精确调整施肥、播种和喷洒的量，实现资源的高效利用。

技术与算法的发展趋势

随着科技的不断进步，农业和建筑领域的网络物理系统相关技术和算法也在不断发展。以下是一些可能的发展趋势：
1. 更高的精度和自动化程度 ：传感器技术和定位系统的精度将不断提高，使得农业和建筑机械能够实现更精确的作业。例如，无人机的测量精度可能会进一步提高，为 3D 测量提供更准确的数据。同时，机器的自动化程度也将不断提升，从目前的部分自动化向全自动化发展，减少人工干预，提高工作效率和质量。
2. 大数据和人工智能的应用 ：随着数据量的不断增加，大数据和人工智能技术将在农业和建筑领域发挥更大的作用。通过对大量数据的分析和挖掘，算法能够更好地预测土壤状况、作物生长情况和建筑工程的进度，为决策提供更科学的依据。例如，利用人工智能算法对杂草图像进行识别，实现更精准的杂草控制。
3. 多领域融合 ：农业和建筑领域的技术与算法将与其他领域（如能源、环境等）进行融合。在农业中，精确灌溉管理可以与水资源管理相结合，实现水资源的可持续利用。在建筑领域，公路建设过程中的能源消耗可以通过智能机器操作策略进行优化，减少对环境的影响。

面临的挑战与解决方案

尽管网络物理系统在农业和建筑领域具有巨大的潜力，但也面临着一些挑战：
|挑战|解决方案|
| ---- | ---- |
|数据安全和隐私问题|随着集成 ICT 的广泛应用，大量的数据在机器和系统之间传输，数据安全和隐私成为了重要问题。可以采用加密技术、访问控制和安全审计等措施来保障数据的安全和隐私。|
|技术标准不统一|不同生产商的传感器、组件和机器之间可能存在技术标准不统一的问题，导致数据共享和通信困难。需要加强行业标准的制定和推广，促进不同设备之间的兼容性和互操作性。|
|人员培训和技能要求|新技术和算法的应用需要操作人员具备相应的知识和技能。应加强对操作人员的培训，提高他们对新技术和算法的理解和应用能力。|

总结

网络物理系统相关的技术和算法在农业和建筑领域的应用，为行业带来了巨大的变革。通过关键技术（如测量与定位技术、集成信息与通信技术、变量率技术等）和关键算法（如作业规划、导航、车队和作业管理等）的协同作用，实现了农业和建筑作业的精确化、自动化和高效化。在公路建设和农业生产等具体应用场景中，这些技术和算法的优势得到了充分体现。

然而，为了更好地推动行业的发展，还需要应对数据安全、技术标准不统一和人员培训等挑战。未来，随着技术的不断进步和发展趋势的演变，农业和建筑领域的网络物理系统将更加完善，为实现可持续发展和提高生产效率做出更大的贡献。

graph LR
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    A([现状]):::startend --> B(更高精度和自动化):::process
    A --> C(大数据和人工智能应用):::process
    A --> D(多领域融合):::process
    B --> E(更精确作业):::process
    C --> F(科学决策):::process
    D --> G(可持续发展):::process
    E --> H([未来发展]):::startend
    F --> H
    G --> H

通过不断地探索和创新，我们有理由相信，农业和建筑领域将迎来更加智能化、绿色化和高效化的未来。