一種探管式儲(chǔ)糧害蟲誘捕在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)研究

王威松 周慧玲 秦 戈 成思揚(yáng) 汪中明 崔 淼

(北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1，北京 100876) (國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院2，北京 100037)

在長(zhǎng)時(shí)間、大容量的原糧存儲(chǔ)過程中，及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)早期害蟲的發(fā)生情況，是對(duì)儲(chǔ)糧蟲害進(jìn)行綜合治理、控制其發(fā)生和發(fā)展的主要依據(jù)。在糧倉(cāng)內(nèi)，蛀蝕性害蟲主要有象甲科(米象、玉米象)和長(zhǎng)蠹科(谷蠹)，粉食性害蟲主要有扁谷盜科(長(zhǎng)角扁谷盜、土耳其扁谷盜、銹赤扁谷盜)、擬步甲科(赤擬谷盜、雜擬谷盜)和鋸谷盜科(鋸谷盜)。這兩大類害蟲一般在糧堆中同時(shí)存在，它們數(shù)量的快速增長(zhǎng)對(duì)糧食的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)造成很大的危害。

近年來(lái)，對(duì)糧堆內(nèi)部害蟲發(fā)生的監(jiān)測(cè)已經(jīng)逐漸引入了電子化的手段，例如利用介質(zhì)電導(dǎo)率、氣味、聲音和紅外光信號(hào)等信息作為判別害蟲的測(cè)量手段。其中電子探管，是基于探管式誘捕器[3]和紅外光電傳感器設(shè)計(jì)的一種監(jiān)測(cè)裝置，因其價(jià)格經(jīng)濟(jì)，既能夠監(jiān)測(cè)糧堆內(nèi)部不同深度的害蟲發(fā)生情況，又能夠估計(jì)害蟲密度[1, 2]，具有廣泛的應(yīng)用前景。最先提出且具有代表性意義的電子探管是Litzkow等[4]的電子糧食探管害蟲計(jì)數(shù)器 (Electronic Grain Probe Insect Counter, EGPIC)，它通過一對(duì)紅外光電發(fā)射和接受二極管監(jiān)測(cè)通過其中的害蟲。當(dāng)害蟲穿過時(shí)會(huì)對(duì)光束產(chǎn)生遮擋，電路將遮擋程度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，以遮擋程度是否超過預(yù)設(shè)閾值為特征來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)害蟲的計(jì)數(shù)。Shuman等[5]對(duì)EGPIC進(jìn)行了改進(jìn)，用同一層面相互垂直的兩對(duì)二極管最大遮擋程度的和方根為特征，一定程度上降低了害蟲下落姿態(tài)對(duì)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率的影響，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)米象和銹赤扁谷盜做二分類的功能[6]，加拿大OPI Systems公司于2003年將其注冊(cè)為了商業(yè)化產(chǎn)品Insector[7]，但目前未在我國(guó)看到有銷售和應(yīng)用。Toews等[8]將探管式誘捕器對(duì)銹赤扁谷盜的捕獲進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了探管直徑在26～60 mm范圍內(nèi)不影響害蟲的捕獲效果，15 cm長(zhǎng)的捕蟲段內(nèi)的孔密度在40～120個(gè)范圍內(nèi)對(duì)害蟲的捕獲效果是一樣的。國(guó)內(nèi)熊鶴鳴等[9]將探管式陷阱誘捕法同扦插取樣法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)探管式誘捕器比取樣器更能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)害蟲種群的數(shù)量變化。上述研究為本研究裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)。但是對(duì)Insector相關(guān)的公開文獻(xiàn)[10]進(jìn)行分析，電子探管雖然對(duì)捕獲的害蟲實(shí)現(xiàn)了較高準(zhǔn)確率的計(jì)數(shù)，但對(duì)害蟲的分類識(shí)別僅關(guān)注了對(duì)害蟲體長(zhǎng)信息的粗糙提取[11]，并沒有充分利用害蟲下落時(shí)整個(gè)遮擋過程對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，即整個(gè)紅外光電序列，且對(duì)電子探管獲得的紅外光電序列數(shù)據(jù)的分布穩(wěn)定性沒有公開的論述。我們認(rèn)為只有在確定了數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定性后，后續(xù)的分類算法工作才有意義。

圖1 儲(chǔ)糧害蟲誘捕在線監(jiān)測(cè)裝置

本研究基于探管式誘捕器，結(jié)合紅外光電傳感技術(shù)，主要做了以下工作：

a)研發(fā)了儲(chǔ)糧害蟲誘捕在線監(jiān)測(cè)裝置(下文簡(jiǎn)稱裝置)，可采集完整的紅外光電序列，并基于該裝置建立了蛀蝕性害蟲(米象、玉米象、谷蠹)和粉食性害蟲(長(zhǎng)角扁谷盜、土耳其扁谷盜、銹赤扁谷盜、赤擬谷盜、雜擬谷盜、鋸谷盜)的紅外光電序列數(shù)據(jù)集；

b)基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)可視化的方法驗(yàn)證了害蟲進(jìn)入誘捕段的位置(下文簡(jiǎn)稱初始高度)不影響紅外光電序列數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定性，不同害蟲樣本之間的多樣性也不會(huì)破壞紅外光電序列數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定性；

c)利用整個(gè)紅外光電序列，基于高斯核支持向量機(jī)模型，給出了蛀蝕性害蟲和粉食性害蟲的二分類結(jié)果，以及這兩大類害蟲中不同種害蟲的細(xì)分結(jié)果。

1 裝置設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的裝置原型及其示意圖如圖1a和圖1b所示。它主要由5部分組成：誘捕模塊、收集漏斗、監(jiān)測(cè)及釋放模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和數(shù)據(jù)傳輸電路板。監(jiān)測(cè)電路的關(guān)鍵部件參數(shù)如表1所示。

1)誘捕模塊：基于探管式誘捕器設(shè)計(jì)，用于對(duì)儲(chǔ)糧害蟲的誘捕。探管的高度可以通過增減該模塊的個(gè)數(shù)而改變。本研究用可改變高度的紙盒替代誘捕模塊，以模擬儲(chǔ)糧害蟲從不同初始高度進(jìn)入裝置的情況。

2)收集漏斗：儲(chǔ)糧害蟲從誘捕模塊進(jìn)入后往下掉落，收集漏斗約束掉落過程中害蟲的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得害蟲能夠進(jìn)入紅外光電傳感器的監(jiān)測(cè)范圍。

3)監(jiān)測(cè)及釋放模塊：由紅外光電傳感器和害蟲釋放出口組成。紅外光電傳感器采用對(duì)射型紅外光電二極管。釋放孔用于將采集完數(shù)據(jù)的害蟲釋放，在一定程度上保證了糧堆內(nèi)部害蟲的分布不被破壞。

4)數(shù)據(jù)采集板：用于對(duì)紅外光電傳感器數(shù)據(jù)的采集控制，主要由運(yùn)算放大器、微控制器片上定時(shí)器和片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成。

5)數(shù)據(jù)傳輸板：用于將數(shù)據(jù)采集板采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至PC端并保存，以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和建模。

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集過程描述如下：儲(chǔ)糧害蟲從誘捕模塊進(jìn)入裝置，跌落至收集漏斗后沿收集漏斗往下滑落，在下落至監(jiān)測(cè)及釋放模塊處開始遮擋傳感器的光束，傳感器在不同面積的遮擋下將產(chǎn)生不同的光電流信號(hào)，數(shù)據(jù)采集板將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的電壓信號(hào)并放大，最后數(shù)據(jù)傳輸板將數(shù)據(jù)采集期間的所有電壓信號(hào)上傳至PC端，儲(chǔ)糧害蟲從釋放孔逃走。

表1 監(jiān)測(cè)電路的關(guān)鍵部件參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 紅外光電序列

為模擬害蟲進(jìn)入誘捕段的自然掉落，將儲(chǔ)糧害蟲無(wú)初始速度地釋放進(jìn)裝置中。將裝置做遮光處理，以模擬糧堆內(nèi)部的黑暗環(huán)境，完成數(shù)據(jù)采集過程，數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2所示。當(dāng)沒有害蟲掉落時(shí)，電路采集到的電壓值在基準(zhǔn)電壓0.94 V上下波動(dòng)，且不超過閾值1.03 V。原型裝置采用了互相垂直的兩組傳感器，如圖2a中的傳感器1和傳感器2，當(dāng)有害蟲掉落時(shí)，電壓值將發(fā)生突變，產(chǎn)生一個(gè)凸起的波形，所以一個(gè)害蟲樣本對(duì)應(yīng)兩個(gè)波形，分別對(duì)應(yīng)圖2b中的藍(lán)色波形和紅色波形。將一個(gè)害蟲樣本對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波形記為一個(gè)紅外光電序列，將任意一組傳感器的波形記為該紅外光電序列的一個(gè)通道，即裝置采集到的紅外光電序列有兩個(gè)通道。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

為深入理解紅外光電序列，將一個(gè)害蟲樣本的數(shù)據(jù)采集過程分為兩步進(jìn)行描述：第一步從害蟲剛進(jìn)入紅外光電傳感器的光束范圍開始到害蟲在光束內(nèi)的遮擋程度最大為止，對(duì)應(yīng)波形的上升部分，即t0到t1時(shí)刻，如圖2c所示；第二步從害蟲在光束內(nèi)的遮擋程度最大開始到害蟲完全離開光束范圍為止，對(duì)應(yīng)波形的下降部分，即t1到t2時(shí)刻。記t2-t0為該害蟲樣本的采樣時(shí)長(zhǎng)，若裝置的采樣頻率為fsample，則該害蟲樣本的紅外光電序列數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(采樣點(diǎn)數(shù))為(t2-t0)×fsample。其中t0時(shí)刻為紅外光電序列任一通道最先超過閾值1.03 V的時(shí)刻，t2時(shí)刻為紅外光電序列任一通道最晚低于該閾值的時(shí)刻。

2.1.2 數(shù)據(jù)集的建立

本研究的試蟲來(lái)源于國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院儲(chǔ)藏所，均為成蟲活蟲，在實(shí)驗(yàn)期間養(yǎng)于實(shí)驗(yàn)室室溫條件(溫度22～25 ℃、相對(duì)濕度40%～50%)，培養(yǎng)飼料均為小麥。設(shè)置10 kHz的采樣頻率，對(duì)9種害蟲在不同初始高度下進(jìn)行紅外光電序列數(shù)據(jù)的采集。建立的儲(chǔ)糧害蟲的訓(xùn)練集和測(cè)試集的紅外光電序列數(shù)量如表2所示。為避免分類器過擬合，均分不同種別的數(shù)據(jù)數(shù)量以保證不同小類的數(shù)據(jù)數(shù)量相同。其中：*3是指在三種不同的初始高度(50、100、150 mm)下進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，被乘因子108為在各初始高度下采集的樣本數(shù)量，訓(xùn)練集與測(cè)試集為三種初始高度下數(shù)據(jù)的均勻混合。

表2 訓(xùn)練集和測(cè)試集的紅外光電序列數(shù)量

注：圖a檢測(cè)到兩條數(shù)據(jù)90次(未發(fā)生抱團(tuán))；圖b檢測(cè)到一條數(shù)據(jù)10次(發(fā)生抱團(tuán))。圖3 兩頭長(zhǎng)角扁谷盜害蟲在同一高度同時(shí)進(jìn)入裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖

本研究提出的方法是用于對(duì)害蟲的早期發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)，蟲口密度較低。但我們對(duì)兩頭害蟲同時(shí)進(jìn)入裝置的低概率情況也做了模擬測(cè)試。將兩頭長(zhǎng)角扁谷盜在同一高度無(wú)初始速度地同時(shí)釋放進(jìn)裝置，在100次實(shí)驗(yàn)中，兩頭害蟲抱團(tuán)進(jìn)入傳感器監(jiān)測(cè)范圍而得到一條數(shù)據(jù)的情況只出現(xiàn)了10次，圖3展示了模擬測(cè)試結(jié)果。所以本研究只對(duì)單頭害蟲逐一進(jìn)入裝置的情況進(jìn)行了研究。

2.2 數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定性分析

只有在確定了紅外光電序列數(shù)據(jù)對(duì)初始高度的魯棒性，以及對(duì)樣本多樣性的魯棒性，才能進(jìn)行后續(xù)的分類工作。

害蟲種別是害蟲采樣時(shí)長(zhǎng)的影響因子，體積越小采樣時(shí)長(zhǎng)越短。若不同的初始高度能導(dǎo)致害蟲樣本的采樣時(shí)長(zhǎng)具有很大的差異，即害蟲樣本的采樣時(shí)長(zhǎng)是初始高度的函數(shù)(如初始高度越高采樣時(shí)長(zhǎng)越短)，那么低初始高度的小體積害蟲和高初始高度的大體積害蟲將可能具有相同的采樣時(shí)長(zhǎng)，而在不同初始高度的同體積害蟲卻可能具有不同的采樣時(shí)長(zhǎng)，這將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布的不穩(wěn)定。另外，若紅外光電序列的分布不受初始高度影響，但受同種害蟲不同樣本多樣性(下落姿態(tài)、個(gè)體差異等)的影響，那么數(shù)據(jù)分布依然會(huì)是不穩(wěn)定的。

2.2.1 對(duì)初始高度的魯棒性分析

害蟲的下落過程大致包括自由落體、與收集漏斗的碰撞、在收集漏斗上的滑落和在監(jiān)測(cè)及釋放模塊中的自由落體，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜，所以本研究通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行了分析，而不對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行建模。考慮到任意一種害蟲在紅外光電序列數(shù)據(jù)對(duì)初始高度的魯棒性的問題上均具有代表性，本研究以谷蠹為例進(jìn)行了分析。基于谷蠹的紅外光電序列數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法得到谷蠹在不同初始高度下的采樣時(shí)長(zhǎng)的箱線圖，如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，谷蠹在50、100、150、200 mm的初始高度下，箱線圖的中心和散布均沒有明顯差異。將不同初始高度谷蠹的紅外光電序列數(shù)據(jù)數(shù)量、采樣時(shí)長(zhǎng)與初始高度的方差分析結(jié)果列于表3，計(jì)算方法如式(1)～式(5)所示。不同初始高度下各樣本采樣時(shí)長(zhǎng)的均值為

(1)

式中：i代表不同初始高度，j代表不同樣本，xij為不同初始高度下不同樣本的采樣時(shí)長(zhǎng)，Mi為各初始高度下的樣本數(shù)量，式(2)、式(3)中符號(hào)含義均同式(1)。所有初始高度下各樣本采樣時(shí)長(zhǎng)的均值為

(2)

式中：n為全部樣本數(shù)量，k為初始高度種類，式(3)、式(4)中符號(hào)含義均同式(2)。處理均方為

(3)

誤差均方為

(4)

F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

(5)

查F檢驗(yàn)臨界值表，N1=k-1=3，N2=n-k=428時(shí)，F(xiàn)0.05=2.626，F(xiàn)0.01=3.828，而谷蠹在4種不同初始高度之間F值為1.204 9，F(xiàn)

圖4 谷蠹在不同初始高度下的采樣時(shí)長(zhǎng)的箱線圖

表3 谷蠹的紅外光電序列數(shù)據(jù)數(shù)量、及采樣時(shí)長(zhǎng)與初始高度的方差分析結(jié)果

2.2.2 對(duì)樣本多樣性的魯棒性分析

基于紅外光電序列訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集，對(duì)每一種別害蟲均隨機(jī)采樣108個(gè)樣本，將紅外光電序列不同通道的離散數(shù)據(jù)的和方根連接成線條，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，如圖5所示。線條重疊次數(shù)越多的地方顏色越深，而只有一根線條的地方顏色最淺，我們通過顏色的深淺分布來(lái)判斷紅外光電序列數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定性。每種害蟲都有且只有一個(gè)顏色最深的區(qū)域帶，即同一種害蟲的樣本數(shù)據(jù)均集中在同一個(gè)分布內(nèi)，說(shuō)明紅外光電序列數(shù)據(jù)的分布對(duì)樣本多樣性具有魯棒性。

圖5 紅外光電序列數(shù)據(jù)集可視化

害蟲進(jìn)入裝置的初始高度和樣本多樣性均不影響裝置采集到的數(shù)據(jù)的分布，即紅外光電序列數(shù)據(jù)的分布具有一定的穩(wěn)定性，可以利用整個(gè)紅外光電序列做分類研究。

3 實(shí)驗(yàn)

本研究采用將各通道同一時(shí)刻的電壓值做和方根的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用高斯核的支持向量機(jī)[12]對(duì)經(jīng)過預(yù)處理后的紅外光電序列訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行建模，通過基于10折交叉驗(yàn)證的網(wǎng)格搜索的方式進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，待求解到最優(yōu)參數(shù)后，用該參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集全體重新求解得到最優(yōu)分類器，最后用該分類器在測(cè)試數(shù)據(jù)集上進(jìn)行性能評(píng)估，其中準(zhǔn)確率、召回率、F1值及其加權(quán)平均分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：wi為類別i的樣本數(shù)在測(cè)試集中占的比例。蛀蝕性害蟲與粉食性害蟲的分類結(jié)果如表4所示，兩類的平均準(zhǔn)確率達(dá)87.7%。召回率、F1值與準(zhǔn)確率相近，說(shuō)明該分類結(jié)果沒有受到樣本均衡問題的影響。

表4 蛀蝕性害蟲與粉食性害蟲分類結(jié)果

本研究還進(jìn)一步對(duì)蛀蝕性害蟲和粉食性害蟲內(nèi)的小類進(jìn)行了細(xì)分識(shí)別，其結(jié)果如表5和表6所示。對(duì)于蛀蝕性害蟲，因?yàn)殚L(zhǎng)蠹科(谷蠹)和象甲科(米象、玉米象)的體長(zhǎng)、體積相近，同時(shí)紅外光電序列數(shù)據(jù)攜帶的形狀信息太過粗糙，無(wú)法精準(zhǔn)區(qū)分兩者的形狀差異。在粉食性害蟲中，扁谷盜科(長(zhǎng)角扁谷盜、土耳其扁谷盜、銹赤扁谷盜)、擬步甲科(赤擬谷盜、雜擬谷盜)和鋸谷盜科(鋸谷盜)這三類的紅外光電序列的形狀差異比較明顯，三類的平均準(zhǔn)確率為87.7%，對(duì)于數(shù)據(jù)差異最為明顯的擬步甲科(赤擬谷盜、雜擬谷盜)的分類準(zhǔn)確率可達(dá)95.3%，這與擬步甲科同另兩類害蟲的體長(zhǎng)、體積差異最大這一事實(shí)相符。

表5 蛀蝕性害蟲細(xì)分結(jié)果

表6 粉食性害蟲細(xì)分結(jié)果

4 結(jié)論

本研究提出了一種用于糧堆內(nèi)部的儲(chǔ)糧害蟲誘捕在線監(jiān)測(cè)裝置，通過建立紅外光電序列數(shù)據(jù)集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該裝置具有在線監(jiān)測(cè)害蟲的可靠性。同時(shí)提出了充分利用害蟲在下落時(shí)對(duì)紅外光電傳感器遮擋的整個(gè)過程的光電信號(hào)的方法，并基于高斯核支持向量機(jī)模型在測(cè)試集上達(dá)到了87.7%的加權(quán)平均分類準(zhǔn)確率。此外，本研究還探索了更精細(xì)化分類的可能性，對(duì)于開發(fā)實(shí)際可應(yīng)用的探管式儲(chǔ)糧害蟲發(fā)生監(jiān)測(cè)設(shè)備具有指導(dǎo)意義。