我國農業機械可靠性演化分析*

何瓊，李其曉

(1. 綠色發展大數據決策北京市重點實驗室,北京市,100192;2. 北京信息科技大學經濟管理學院,北京市,100192)

0 引言

農業機械是指用于種植業、畜牧業、漁業、農產品初加工、農用運輸和農田基本建設等活動的機械及設備。我國關于農業機械的可靠性研究起步于20世紀80年代,隨著耕種收機械的普及,農業機械可靠性突破傳統概念的限制,向研發、制造、服務一體化發展,共同保證農業機械的高質量運作。不同于制造業機械,農業機械作業環境、作業區域更為復雜多變,季節性負擔也對維修服務的響應速度、效率及維修質量提出更高的要求。因此,對農業機械可靠性進行研究,有助于提升智能化農業機械研發水平、完善性能評價體系、保證糧食生產效率。我國農業機械可靠性研究主要針對拖拉機、聯合收割機、排灌機械、機動漁船等農業機械,相關主題涵蓋機械產品質量、可靠性、售后服務、維修、故障分析和維修決策等,還未從宏觀上對可靠性在農業機械領域的研究現狀以及未來的發展趨勢進行分析。此外,不同于已有文獻以機械類型進行區分,本文更關注可靠性研究的不同側重點,即可靠性試驗、可靠性分析、可靠性設計、可靠性評價。因此,本文基于可視化方法對我國農業機械可靠性研究熱點的變遷和發展趨勢進行分析,并通過文獻研究法梳理該領域國內研究成果,以期為相關研究者追蹤學科發展趨勢提供參考,促進該領域可持續性發展。

1 研究設計

1.1 數據來源

研究所用文獻數據來源于CNKI,考慮到農業機械涉獵廣泛,選取若干具有代表性的高級檢索主題詞如表1所示。

表1 樣本文獻高級檢索關鍵詞表Tab. 1 Advanced key words of sample literature

選擇精確匹配方式及期刊類型文獻,所選文獻時間區間為1980—2021年(檢索日期為2022年4月3日),學科類別不做限制。經過人工篩選剔除通知、重復等無效文獻后,得到有效文獻362篇。樣本文獻涵蓋種植業、畜牧業、漁業等六大類農業領域,包括大中型拖拉機、小型拖拉機、機動脫粒機、漁用機動船、聯合收割機五類我國主要農業機械以及其他常用機械設備,以保證研究科學性。

1.2 研究方法

首先運用可視化分析法,提取樣本文獻的關鍵詞、作者、機構作為知識單元,經過合并同一隸屬機構,以1年為時間切片進行空間格局及研究主題分析,探析農業機械可靠性理論的演進脈絡、研究現狀及熱點;其次結合可視化結果,對樣本文獻的研究對象和研究內容等進行分析和述評,系統地展現了我國農業機械可靠性研究的發展動態。經反復比對,將閾值設置為TopN=50,TopN%=30,C/CC/CCV三個閾值為(2,2,20)(4,3,20)(4,3,20),此時Citespace可視化結果最佳。

2 農業機械可靠性空間演進分析

2.1 機構共現分析

為從整體上把握我國農業機械可靠性領域各研究機構分布及合作情況,對樣本文獻進行Citespace可視化分析,生成研究機構共現圖譜,如圖1所示。圖1中節點代表不同的研究機構;節點間的連線代表兩機構合作共現情況,連線的粗細、顏色、密集程度分別代表兩機構間合作的次數、首次合作的年代及合作機構范圍的廣泛度。

圖1 研究機構共現圖譜

從整體來看,1980—2021年間我國共有253家機構參與農業機械可靠性的相關研究,圖譜連線數為86,密度值為0.002 7,表明我國研究機構間合作較少。分析發現,1980—2010年間該領域形成了以“東北農業大學”為首,與“蘇聯農業機械化研究所”“黑龍江省農業機械工程科學研究院”等機構多邊、頻繁合作的研究團體,并產出了豐碩的研究成果,但國內相關研究機構仍然較少;2011—2021年間國內研究機構數量激增,機構間合作延續了早期校企聯合的形式,并呈現出從直線型向鏈式三角型演進的特點。

考察該領域各研究機構的研究力度,結果如表2所示。從文獻量占比來看,文獻累積產出最多的機構是“中國農業機械化科學研究院”(20篇)和“東北農業大學”(20篇),共占文獻總量的11.04%。1980年以來,有11家機構相關文獻累積產出量高于5篇,累積產出量在2～4篇的機構有74家,兩者占研究機構總量的33.6%,其累積文獻產出量占總量的77.07%,有66.4%的機構累計發文量為1篇,占總發文量的22.9%,說明在該領域我國機構研究力量較為分散。

表2 機構文獻量占比及Half-life值表(TOP5)Tab. 2 Proportion of institutional literature and Half-life value table(TOP5)

Half-life值(半衰值)是衡量隨時間推移,該機構在領域整個網絡中老化程度的指標,其值越大說明該機構對農業機械可靠性領域的影響力越大。從Half-life值來看,排在前5的分別是西北農林科技大學(13.5)、中國農業機械化科學研究院(12.5)、中國水產科學研究院(12.5)、大連水產學院(11.5)、東北農業大學(9.5),說明這5個機構理論研究更加深入,研究方向指導性及探析前沿的能力更強。其中,中國農業機械化科學研究院、大連水產學院、東北農業大學還是文獻量占比排名前三的機構,說明它們是我國該領域研究的中堅支撐,也是學科發展的重要推動力量。本文對文獻占比超過5%的研究機構近10年代表性文獻進行梳理,結果如表3所示。

表3 文獻占比超過5%的研究機構近10年代表性文獻綜合信息表(按時間順序)Tab. 3 Comprehensive information table of representative literature of research institutions with literature accounting for more than 5% in recent ten years (in chronological order)

21世紀初中國農業機械化科學研究院以可靠性評價指標體系為農業機械可靠性研究重點,研究方法有維護系數、模糊理論等,近10年研究重心向智能農機系統偏移。周林[1]對比國內外疲勞壽命研究方案,針對局部應變測量、疲勞壽命預測、載荷譜編制、疲勞損傷累積理論等方面選用不同的研究方法,搭建了數據采集系統用于數據分析,在實現大型農業機械結構輕量化設計的同時提高了農業機械疲勞可靠性。樊超等選用PX4開源飛控,并以3 DR電臺和QGround Control地面站搭建數據鏈平臺,通過設計冗余切換系統和測試系統提高數據鏈可靠性,進而保證農用微小型無人機的穩定運行。目前該方法已被引入航空航天、電業、信息與通信等多個工程領域,對各領域無人機的可靠性研究及應用有重大啟發意義。東北農業大學是我國農業機械可靠性研究開始較早、持續性較好的機構之一,早期?；谀：碚?、人工神經網絡系統理論、隨機過程理論等對農業機械進行可靠性評價、優化機械設計。于嵩等設計了一套智能灌溉系統,并通過分析失效模式、建立故障樹、利用Monte Carlo法進行仿真分析系統可靠性,開拓了智能灌溉系統的設計思路。王艷芳等[2]對傳統威布爾分布進行改進,選用兩參數混合威布爾模型,將故障模式按故障應力的相似性進行模糊聚類,并基于最小二乘法得到混合威布爾分布參數估計,避免了信息不完備情況下的故障機制分析。王艷芳[3]在此基礎上采用bootstrap法提高故障強度模型非參數估計的科學性和實際性,運用故障模式影響分析法和系統重要度分析法確定拖拉機主要故障部位、故障原因、故障模式及影響可靠性的關鍵子系統,為在設計、制造、維修等各環節提高可靠性提供方法及建議。

2.2 作者共現分析

為考察研究者演進及合作情況,對樣本文獻進行作者共現分析,如圖2所示。從圖譜密度值(Density=0.005 1)來看,約是機構共現圖譜密度值(Density=0.002 7)的2倍,說明研究者更傾向于機構內部合作,與外部研究者合作較少。從圖譜分布形狀深入分析研究群體發現,研究者間合作呈現出邊界清晰的多邊形分布特點,說明在該領域機構內部也存在明顯的合作常態化問題,在一定程度上限制了科研群體的凝聚力和突破力。從圖譜線條顏色來看,綠色、黃色、橙色和紅色多邊形占據了圖譜的大半,說明近5年研究者多以團隊形式加入該領域,研究熱度持續增強。

圖2 文獻作者共現圖譜

進一步考察研究者對農業機械可靠性領域的影響力度,計算樣本文獻作者的Half-life值(半衰值),結果如表4所示。在樣本文獻中,Half-life值最高的作者是閻楚良(Half-life=17.5),說明在理論和方法的迭代過程中,其文獻啟發性更高,對該領域后續的演進發展仍起很大的支撐作用。本文對Half-life值最高的前三位作者代表性文獻進行梳理,結果如表5所示。

表4 文獻作者Half-life值(TOP10)Tab. 4 Author Half-life value (TOP10)

表5 三位作者代表性文獻的綜合信息表(按時間順序)Tab. 5 Comprehensive information table of representative literature of three authors (in chronological order)

閻楚良[4-5]曾從經濟性和維修性出發,提出結構全壽命主動可靠性設計的新研究領域,創新性地使傳統的成品機械可靠性評價發展為未成品預定壽命下的主動可靠性設計。隨后采用異步傳輸和動態數據轉為靜態數據的方法,解決了silverlight組件無法對動態數據進行監測的問題,提高了農機可靠性試驗數據的存儲安全性和處理效率;次年,又基于存儲策略提出對農機監測數據的實時存取方法,將數據存儲為指定格式文件以備數據處理時可以轉為不同類型的文件,解決了特定數據塊讀取靈活性差和數據格式包容性低的問題。同時提出使用XidML文件對動態數據進行解析的方法實現了農業機械可靠性試驗的實時數據監測及其采集數據的后期回放[6],有效提高了現場試驗效率。這一系列研究成果極大地推動了GPS等信息技術在農業機械領域的應用以及汽車、農業機械可靠性評價分析方法的創新。Half-life值排名第二的袁壽其[7]在排灌機械可靠性領域的研究成果頗豐。他對國內外灌溉機械的應用及研究現狀進行詳細分析,并對機械可靠性、智能化灌溉裝備的發展方向、應用領域、具體方法提出見解,該文獻共被引285次且近三年內被引135次,說明其對目前相關研究仍具有極大的啟發性和指導性。同時,他研究了較高軌壓對典型共軌噴油器可靠性的影響,分析發現典型共軌噴油器部分結構設計有待優化以保證不同軌壓下的使用可靠性[8]。為量化分析共軌系統的結構可靠性,提出采用蒙特卡洛法對“泄漏—限流”失效模型進行分析,經對比發現運用蒙特卡洛重要抽樣法進行共軌系統結構可靠性分析更為簡便有效[9]。賈復[10]專注于火焰傳播、爆泄力學和漁船的設計與經濟特性分析的研究,其針對維修性能、環保性能良好的玻璃鋼材料漁船進行經濟影響因素(油耗、經濟壽命、維修費用等)分析,為玻璃鋼最優船型論證、船體材料、船舶設計及壽命等方面的研究提供計算及指導依據。

3 農業機械可靠性主題演進分析

為展現可靠性在我國農業機械領域的主題演進脈絡和研究熱點,提取362篇樣本文獻的931個關鍵詞進行聚類分析及熱點時域分析。設置參數TopN=50,TopN%=30,以規避高頻詞選擇時遺漏學科發展中詞頻較低但主題新穎且有可能成為發展前沿的重要關鍵詞。

3.1 關鍵詞分析

圖3顯示了我國農業機械可靠性的演進脈絡和關鍵節點,圖3中線條顏色由深到淺代表相關主題文獻出現的年份由遠到近。從整個網絡分布來看,密度值較低(Density=0.006 7),聚類結構良好(Modularity Q=0.795>0.3),聚類結果置信度較高(Mean Silhouette=0.906 8),說明該領域研究主題較為分散,且各主題間知識體系差異較大。從整體演進情況分析,國內研究角度從以農業運輸機械為主(拖拉機、柴油)向多樣化農業機械遷移,研究范圍呈現出從機械生產向制造和服務共同發展的趨勢演進。

圖3 文獻關鍵詞共現圖譜

關鍵詞被引頻次和中心度分別反映了研究者對該主題的關注度和該主題在圖譜中的重要性[11-12]。按被引頻次及中心度分別列出前20個關鍵詞,如表6所示?？梢园l現:第一,兩關鍵詞列中有18位是相同的,說明受關注度較高的研究主題,其重要性也較強。第二,農業機械可靠性研究可以分為可靠性試驗、可靠性分析、可靠性設計、可靠性評價4個方面。第三,在農業機械可靠性研究中,對種植業機械、農用運輸機械的關注度最高,主要包括聯合收割機、拖拉機、排灌機械、聯合收獲機、柴油機,其中前4位的重要性也較強。第四,在機械設備的各種零部件中發動機的可靠性研究最為重要并受到廣泛關注。第五,隨著信息技術、計算機技術、生產工藝的高速發展,農業機械自動化受到廣泛關注。同時,農業機械的普及推廣也使得售后服務的可靠性顯得尤為重要。

表6 樣本文獻關鍵詞按被引頻次、中心度排序(TOP20)Tab. 6 Keywords of the sample literature are ranked by citation frequency and centrality (TOP20)

3.2 研究熱點分析

為探析國內農業機械可靠性領域的研究熱點,對樣本文獻進行熱點時域分析,結果如圖4所示。我國研究基本可以分為兩個階段:第一階段(1980—2000年間)研究熱點有可靠性試驗、聯合收割機、對比試驗、拖拉機、排灌機械、可靠性設計、維修性;第二階段(2001—2021年間)在延續第一階段研究熱點的基礎上,根據農業機械化發展階段將其演進為售后服務、農業機械試驗鑒定、各種農業機械產品、自動化等。另外,圖譜中關于農業機械可靠性研究方法的關鍵詞稀少,說明在該領域還未形成較好的方法體系,各研究機構應加強合作力度,共同構建科學方法體系。

圖4 農業機械可靠性熱點時域圖譜

從圖譜顏色和形狀來看,圖4坡度較緩,綠色是圖譜的主色調,隨橫坐標右移節點密度經歷了由密集到稀疏再逐漸密集的過程,這說明在該領域國內關注度還不穩定,后續研究力量較弱,此時需要整合國內研究成果,結合領域發展趨勢挖掘突破口,為深入研究做準備。

4 農業機械可靠性研究述評

本文基于高頻關鍵詞統計結果,運用文獻研究法,從可靠性試驗、可靠性分析、可靠性設計、可靠性評價四個研究角度,對農業機械可靠性的研究方法、研究主題和研究對象等元素進行深入分析。結合這四個角度選取代表性文獻,對農業機械可靠性研究展開述評,以展現和揭示其研究現狀和發展動態。

4.1 可靠性試驗

可靠性試驗是指在有限的樣本、時間和費用下,為設計、分析、評價可靠性而進行的各種試驗。其被應用于漁業飼料生產、蔬菜種植、拖拉機、各種野外作業等農業機械領域;研究主題涵蓋加速試驗系統、對比試驗、試驗數據處理、智能監測等。

為縮短農業機械可靠性試驗時間及經濟投入,已有學者基于結構不變性原理和疲勞試驗原理,設計了室內模擬加載加速可靠性試驗系統。隨后,岳崇勤等[13]設計了便攜式割灌機試驗臺,并通過怠速試驗、高速試驗及可靠性試驗等測試,證明該試驗臺在割灌機可靠性及性能測試等方面符合試驗要求。李鑒方等[14]運用對比試驗,將傳統生產方式與蔬菜種植機械的生產效率作對比,驗證了機械生產的適用性、合理性。針對不同機械栽植方式的可靠性試驗,李澤華等[15]運用主效可加互作可乘(AMMI)模型對影響水稻產量的栽植方式、環境等因素進行對比分析,發現三種機械化栽植方式對雜交水稻的栽植可靠性較低,不可代替人工插稻,但對于常規稻栽植具有良好適應性,穩定性遠優于人工插稻。該研究對科學選擇種植模式及合理化推進種植機械化發展具有重要參考意義。劉成侶[16]提出不同試驗場地應采取不同的可靠性試驗監控方式,特別在田間或野外試驗時監測員要通過現場拍照、現場記錄等多種方式提高可靠性試驗的可信度。近年來,大數據技術被廣泛應用于可靠性數據監測中。吳英滿[17]、李曉等[18]分別利用GPS和GMS技術、無線技術,研制了農業機械在線監測系統,規避了傳統方法耗資巨大、無法實時監測、主觀因素等對試驗結果的可信度的影響。不難發現,隨著信息化、計算機技術的進步,農業機械的可靠性試驗方法也發生了較大改變,智能化的數據實時監測、存取、分析及可靠性預測系統將成為農業機械領域下一步發展方向。

4.2 可靠性分析

傳統的可靠性分析僅包括對機械失效內因、外因和故障規律的研究,隨著農業機械的普及推廣,維修服務可靠性也被納入其中。

我國農業機械可靠性分析方法較為多樣。早期研究者常用數理統計法基于試驗數據推斷故障規律,同時通過威布爾分布及定周期維修適應性系數,研究農機定周期維修的適用性、維修周期和可靠性邊界條件。也有學者嘗試運用自適應神經網絡對不同類型的可靠性模型進行參數估計,提高方法的適用性。張立香[19]運用Miner疲勞累積損傷法則和名義應力法確定農業機械關鍵部件及系統失效的故障樹模型和數學模型,通過重要度對系統可靠性進行分析,并提出基于區間抽樣和可拓理論神經網絡的多指標可靠性綜合評價方法。在此基礎上,李福強[20]考慮應力載荷的頻率和幅值對疲勞壽命的影響,將應力—強度干涉模型作為基礎,結合功率密度理論提出功率密度干涉模型,提高了農業機械疲勞壽命預測的準確性。當評定指標點離散度較高時,傳統灰關聯法無法全面反映序列特性。胡東方等[21]將廣義灰色關聯模型引入農業機械可靠性分析中,從曲線間相似性、相對變化率及接近性的角度比較各采樣序列與特征行為序列的關聯度,該方法所得最優解更符合實際過程。敖長林等[22]提出基于非齊次泊松過程的機械故障函數,用Bootstrap法進行參數及非參數估計,并給出平均故障間隔時間的估計值,為機械維修策略提供了參考依據。Zhang等[23]通過定性分析確定了農機系統的薄弱環節,并通過故障樹法和傅立葉變換法建立了故障率模型,研究了各基層部件相對概率重要性。Xiao等[24]和Liu等[25]將工業維修服務研究成果和IPS2數據庫知識引入農機維修領域,前者對IPS2數據庫知識進行重挖掘并賦予貝葉斯網絡,為農機維修問題提供推理和相關決策方案;后者基于改進的灰色模型和IPS2的歷史故障時間數據為農機提供了主動維修時間預測方案,既解決了傳統農機維修中對監測設備的依賴,又提高了維修的主動性,極大地保障了農機運行時的可靠性和效率,兩項研究成果已在我國農機維修實踐中得到推廣和應用。Ren等[26]基于新的多目標整數規劃方法,研究了維修服務能力規劃問題。除此之外,中心點法[27]、危害性分析等方法也較為常用。

4.3 可靠性設計

可靠性設計是一種以消除潛在缺陷為目的,保證機械及其零部件滿足可靠性指標的設計方法。王新剛等[28]將零部件的參數漸變性融入純數學理論模型當中,更加準確、合理地為機械設計和壽命預測提供了依據。葉秉良[29]、李光輝等[30]則分別對拖拉機最終傳動和后橋半軸殼建立多目標模糊可靠性設計模型,并用遺傳算法進行求解,使其可靠性和穩健性優于傳統可靠性設計方法。張立香等[31]利用可靠性干涉原理建立農機驅動橋殼強度和剛度可靠性模型,并運用ANSYS對其進行仿真,分析結果為關鍵零件的設計提供了理論指導。李巖磊等[32]提出將物聯網技術引入農業機械可靠性監測設計中,打破各子系統間的物理隔離,解決實際監測利用率不高、機械設計時無預留監測接口的問題。目前農業機械設計正向著全數字化方面發展。

4.4 可靠性評價

可靠性評價是指根據評價指標對農業機械的可靠性水平進行評估。它主要有兩部分研究內容:評價指標和評價方法。

目前我國還沒有形成較固定的農業機械可靠性評價體系,許多學者對此提出自己的見解。王金武等[33]將平均首次故障時間、平均故障間隔時間、修后可用度和可靠性評定值作為可靠性評價指標,用于衡量農業機械維修質量。王秀葉等[34]認為除上述指標外,還應再增加平均故障前工作時間、平均工作時間維修費和平均故障修復時間。戴花林將首次出現故障的時間、無故障作業時間、平均維修周期、維修率和故障頻次作為指標評價了基于PLC的農業機械控制系統的可靠性。我國農業機械的可靠性評價方法較少,包括神經網絡[35]、層次分析法[36]、集隊分析技術等。王志等[37]從部件與系統的角度,對聯合收割機的可靠性評價及壽命預測問題進行研究,提出了壽命估算流程和關鍵零部件的確定方法,對聯合收割機的使用安全性和可靠性的評估提供了新思路。目前,模糊理論得到廣泛應用,其主要原因是機械種類眾多、可靠性影響因素復雜、考核指標難以量化,而模糊理論可以客觀地對可靠性進行綜合評價,解決綜合指標技術難題。

5 結論

農業機械可靠性是實現糧食安全戰略目標的基礎,對其發展態勢進行研究至關重要。本文以分析我國農業機械可靠性研究現狀及方法為目的,在使用Citespace可視化演進脈絡的基礎上,通過文獻評述,以可靠性試驗、可靠性分析、可靠性設計、可靠性評價為切入視角,展現可靠性在農業機械領域研究發展動態。

1) 通過對樣本文獻所屬機構的統計及可視化分析發現,該領域機構間合作相對固定。機構合作網絡呈現出向鏈式三角型演進的特點,其中中國農業機械化科學研究院、大連水產學院、東北農業大學三家研究機構在國內農業機械可靠性領域處于領先地位。因此,建議國內研究機構進一步擴大多邊合作,結合國內發展實情跟進智能農業機械的可靠性研究。

2) 通過對樣本文獻作者的統計及可視化分析發現,機構內部存在合作常態化問題,作者共現網絡呈現出邊界清晰的多邊形分布特點。其中,閻楚良、袁壽其、賈復等針對不同農業機械的可靠性進行了深入研究,對該領域發展影響力較大。

3) 通過對樣本文獻關鍵詞可視化及統計分析發現,我國農業機械可靠性研究發展不均衡。針對種植業機械和農用運輸機械的可靠性研究相對較多,主要有聯合收割機和拖拉機;其次是漁業機械和農田基本建設機械,主要是機動漁船和排灌機械;對于畜牧業機械和農產品初加工機械的可靠性研究極少。隨著我國對建設新型養殖設施和高標準農田水資源配置的政策支持,畜牧業機械和排灌機械將得到快速發展。

4) 通過對樣本文獻的深入研究發現,可靠性試驗方式逐漸轉向時間成本更低、數據更準確全面的信息化監測試驗;可靠性分析從被動狀態分析轉為主動故障預測;可靠性設計方法從主觀定性分析演進轉為更加穩健可靠的定性、定量分析相結合;可靠性評價中對模糊理論應用較多,關于評價指標體系的研究仍在繼續,這也是學科創建以來相關研究者亟待解決的問題。另外,美國、法國等發達國家農業機械化發展較早,探究與跟蹤其學科發展規律可有效推動我國農業機械可靠性領域的發展,國際相關主題研究及關鍵節點文獻有待進一步整理。