航空植保自動計量系統(tǒng)的設計與開發(fā)

張瑞瑞，王維佳，張明佳，陳立平

(國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097)

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航空植保自動計量系統(tǒng)的設計與開發(fā)

張瑞瑞，王維佳，張明佳，陳立平

(國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097)

航空植保自動計量系統(tǒng)為監(jiān)督、規(guī)范農業(yè)航空植保市場提供了有力保障。系統(tǒng)包括機載終端、數據管理及服務平臺，通過監(jiān)測多個指標來確保數據獲取的準確性；開發(fā)了數據庫訪問中間件，提高了系統(tǒng)的可擴展性和可靠性；采用多指標約束的架次面積統(tǒng)計方法，提高了統(tǒng)計結果的真實性與可靠性；采用了緩存機制提高了系統(tǒng)的訪問速度與穩(wěn)定性；采用本地存儲、云存儲結合的方式確保數據的可靠性。試驗結果表明：系統(tǒng)計量結果與實際數據誤差在可控范圍內。2015年，系統(tǒng)在全國多個省市進行了示范性應用，監(jiān)管植保作業(yè)面積7.3萬hm2多，作業(yè)里程2萬km多，起落架次2 158次，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，統(tǒng)計結果較為準確，軟件操作簡單、明了，具有較大的推廣價值。

農業(yè)裝備；航空植保；自動計量；精準施藥

0 引言

近年來，隨著我國糧食安全、生態(tài)安全、綠色植保等領域的發(fā)展需求，國家對農業(yè)航空發(fā)展予以大力扶持[1]。由于沒有準入門檻，航空植保市場魚龍混雜，整體設備水平和技術手段較為落后，沒有一套規(guī)范的法則及強有力的監(jiān)管手段，導致作業(yè)時漏噴、重噴問題嚴重，達不到作業(yè)要求，不能起到防蟲防害的效果，也沒有科學的依據進行后期補噴作業(yè)，一旦出現(xiàn)問題，損失將是大面積的、不可估量的。

周志艷、郭永旺等[2-3]在分析了國內外農業(yè)航空植保的現(xiàn)狀及前景中均提到了我國航空植保管理及后續(xù)跟蹤監(jiān)管方面的不足。美國等發(fā)達國家已經建立了完善的農業(yè)航空法律、法規(guī)來規(guī)范作業(yè)技術和管理作業(yè)質量[4-6]；美國的農用飛機都配備精密儀器和設備，用來分析施藥作業(yè)情況[7-8]。吳崇友設計的農機車載智能終端及監(jiān)管服務平臺可監(jiān)控農機設備當前在全國的分布情況及運行軌跡，并可進行異常預警[9-10]。王慧平基于WebGIS設計并實現(xiàn)了農機遠程監(jiān)管服務系統(tǒng)可實現(xiàn)對農機進行實時監(jiān)管、軌跡回放和查看作業(yè)信息[11-12]。

我國在農用機械方面已經有了一定的發(fā)展，但專門針對農業(yè)航空開發(fā)的監(jiān)管計量系統(tǒng)并不多，總體技術也不成熟?；谝陨媳尘埃O計開發(fā)了航空植保自動計量系統(tǒng)，通過分析植保作業(yè)數據，繪制了作業(yè)軌跡，并對架次、作業(yè)面積等參數進行統(tǒng)計計量，實現(xiàn)了對植保作業(yè)效果的初步評估。

1 系統(tǒng)設計

1.1 功能模塊

系統(tǒng)通過監(jiān)控植保飛機作業(yè)過程中的姿態(tài)和狀態(tài)參數，實現(xiàn)對作業(yè)軌跡的查看，以及架次、作業(yè)面積的統(tǒng)計計量。系統(tǒng)從功能上可分為4個模塊，如圖1所示。

圖1 功能模塊Fig.1 Function modules

1.2 系統(tǒng)架構

計量系統(tǒng)有三大部分構成，包括機載終端設備、數據庫管理系統(tǒng)和用戶服務平臺,如圖2所示。

機載終端小巧輕便，集成了多種傳感器，包括GPS模塊、姿態(tài)傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、高度計及通信模塊[13-14]，可監(jiān)測飛機的姿態(tài)、位置、高度，以及作業(yè)過程中的壓力、流量等信息。數據庫管理系統(tǒng)接收、存儲、分析終端設備傳回的數據。用戶服務平臺以界面友好的形式向用戶展示需要查看的數據[15]。

圖2 系統(tǒng)架構Fig.2 System architecture

1.3 系統(tǒng)特性

1.3.1 多指標監(jiān)控

通過監(jiān)測多個指標來確保數據獲取的準確性。流量、壓力監(jiān)測確保作業(yè)-飛行狀態(tài)的可靠性。高度、位置、速度等基本數據的監(jiān)測可以確保飛行軌跡的完整及統(tǒng)計信息的可靠。

1.3.2 數據庫訪問中間件

終端設備、用戶服務平臺并不直接訪問數據庫，而是通過中間件來使用數據庫，不僅方便了對數據的存儲分析，更提高了系統(tǒng)的可擴展性，方便終端設備的更新升級及用戶服務平臺的多樣性，如Web端訪問、移動端訪問等。

1.3.3 緩存機制

終端設備存儲在數據庫中的信息需要經過分析計算才能得到用戶想要查看的數據。如果每次用戶查看數據時都要經過計算的過程，必然會影響用戶訪問速度，降低用戶體驗。因此，系統(tǒng)采用緩存機制，用戶首次訪問目標數據時，系統(tǒng)會將計算結果存儲在視圖；當用戶進行后續(xù)查看時，直接將計算結果展示給用戶，省去了數據統(tǒng)計分析的過程，提高了用戶瀏覽速度。

1.3.4 多源存儲

系統(tǒng)采用本地存儲、云存儲結合的方式確保數據的可靠性。飛機進行飛防作業(yè)時，終端設備一方面將監(jiān)測數據傳回到服務器中，以便用戶可實時查看作業(yè)狀態(tài)；另一方面數據將被存儲在終端設備集成的本地存儲卡中，作業(yè)結束后將存儲卡中數據與數據庫中數據進行整理，以確保因通信質量問題引起的數據丟失現(xiàn)象，來保證系統(tǒng)數據的可靠性。

1.3.5 用戶權限

多用戶管理的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的可定制性。系統(tǒng)根據用戶權限默認將用戶分為3個等級，分別對應不同的數據訪問權限，系統(tǒng)也可以根據用戶的需求定制服務。

1.4 關鍵算法

對數據的統(tǒng)計分析主要包括兩個方面：一是對架次的統(tǒng)計，二是對作業(yè)面積的計量。

1.4.1 架次統(tǒng)計

對于架次的統(tǒng)計結果，需要考慮多個參數的影響，包括飛行高度、速度、位置及飛行時間。其采用的基本算法流程圖如圖3所示。

圖3 架次統(tǒng)計算法流程圖Fig.3 Flow chart for statistical algorithm of sorties

開始架次和結束架次時對應的時間即為架次起始時間。當作業(yè)過程規(guī)范，數據正常時，此算法可保證準確的統(tǒng)計結果；當作業(yè)過程并不規(guī)范時，需要增加一些約束條件，使得統(tǒng)計結果更為準確，則

T2-T1>Tlimit

(1)

Hmax>Hlimit

(2)

其中，Tlimit表示一個架次中最短作業(yè)時長；Hmax表示一個架次中的最高飛行高度；Hlimit表示一個架次中限定的最低作業(yè)高度。公式(1)表示一個架次中作業(yè)時長必須滿足最短作業(yè)時長；公式(2)表示一個架次飛行的最高高度必須超過限定的最低高度。經過兩個約束條件的限制，會剔除掉統(tǒng)計結果中大部分異常值。

1.4.2 面積計量

對面積的計量采用離散積分的形式，則

(3)

其中，S表示作業(yè)面積；t表示時間；t1表示積分開始時間；t2表示結束時間；v表示瞬時速度；m表示作業(yè)幅寬。

終端設備通過一定頻率對飛機狀態(tài)數據進行采樣，獲取的數據對于時間都是離散的，因此系統(tǒng)采用離散形式的積分來計量面積，則

(4)

其中，vi表示i在時刻的速率；f表示終端設備的采樣頻率，即每f秒采集1次數據。這樣，通過公式(4)即可得到作業(yè)面積的近似值。

2 系統(tǒng)應用及示范

2.1 試驗

選取2016年6月20號在山東黃島地區(qū)的作業(yè)數據進行試驗，作業(yè)時飛機及噴霧器技術參數、氣象參數如表1、表2所示。

表1 飛機及噴霧器技術參數

表2 氣象參數

系統(tǒng)描繪出的速度高度曲線如圖4、圖5所示。

圖4 速度曲線Fig.4 Speed curve

圖5 高度曲線Fig.5 Height curve

只通過約束速度條件得到的架次統(tǒng)計結果如表3所示。

表3 速度約束的架次統(tǒng)計結果

從圖4、圖5中可以看出：在12:20和13:50左右有兩個速度突變的極值點，對應架次5和架次12；然而在高度曲線中這兩個時間點，對應的飛機高度并沒有降低，因此該架次在統(tǒng)計中可視為無效架次。增加高度約束后得到的架次統(tǒng)計結果與作業(yè)時手工記錄的架次統(tǒng)計結果對比如表4所示。

表4 架次統(tǒng)計結果對比

續(xù)表4

從表4中可以看出:統(tǒng)計結果與人工記錄結果基本相符。試驗表明，通過速度高度約束統(tǒng)計出的架次可以達到實用目的。

2.2 應用示范

2015年，系統(tǒng)在全國進行示范性應用，包括山東省青島市、黑龍江省五常市、遼寧省沈陽市、吉林省德惠市及安徽省銅陵市等，植保作業(yè)里程21 980km，統(tǒng)計作業(yè)面積7.3萬hm2多，起落架次2 158次，得到了廣泛肯定。應用示范現(xiàn)場如圖6所示。

通過系統(tǒng)看到的飛行作業(yè)軌跡如圖7所示。

3 結論

系統(tǒng)在總體設計上采用多種方式來確保數據的安全性和穩(wěn)定性，在統(tǒng)計架次和面積時考慮到了多種影響因素，且經過了實踐的檢驗，可為評估植保作業(yè)效果、規(guī)范航空植保市場提供有力依據。然而，系統(tǒng)也存在一些不足之處：統(tǒng)計架次面積算法雖與記錄結果基本相符，但不可避免地會產生誤差；尤其是當作業(yè)出現(xiàn)異常數據時，統(tǒng)計的正確性有待提高。另外，由于植保作業(yè)環(huán)境惡劣，通信質量波動性大，如何確保數據的可靠性獲取也是有待考慮的重要問題。

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Design and Development of Automatic Metering System for Aviation Plant Protection

Zhang Ruirui, Wang Weijia, Zhang Mingjia, Chen Liping

(National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China)

The automatic metering system for aviation plant protection provides a powerful guarantee for standardizing the market of agricultural aviation plant protection. System includes the airborne terminal, data management and service platform. By monitoring the multiple indicators to ensure the accuracy of the data acquisition; The middleware for data management, improves the scalability and reliability; Using multi-index constraint statistical methods of sorties and area, to improve the authenticity and reliability of the results; Using the caching mechanism to improve the access speed and stability of the system; System uses the local storage and the cloud storage to ensure the reliability of data. The experiment shows that the system measurement results is similar to the actual data. In 2015, system has been applied in several provinces, and has supervised more than 11 million mu of working area, 2158 times of sorties. Result shows that the system has high stability, accurate statistical results, simple mode of operation, and has a greater value for promotion.

agricultural equipment; aviation plant protection; automatic measuring; precision chemical application

2016-07-14

北京市自然科學基金項目(6164032)；國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2012AA101901)；北京科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展專項(Z151100001615016)

張瑞瑞(1983-)，男，山東濱州人，助理研究員，博士，(E-mail)zhangrr@nercita.org.cn。

陳立平(1973-)，女，福建惠州人，研究員，(E-mail)chenlp@nercita.org.cn。

S251

A

1003-188X(2017)06-0101-05