水利工程白蟻誘殺-監(jiān)測一體化裝置研發(fā)及應用*

劉 曉，辜 巍，景 康，羅茂盛，楊中鳳，秦 鑫

(1.四川省都江堰東風渠管理處，成都，610081；2.四川省水利科學研究院，成都，610072)

引言

白蟻是一種常見的生物，對建筑、工程的危害很大，白蟻危害在全國各地都有廣泛的分布，甚至已經(jīng)成了難以根除的頑疾。在水利堤壩的建設及運維過程中，白蟻危害呈現(xiàn)屢禁不止的態(tài)勢，給水利工程安全造成極大的挑戰(zhàn)。白蟻可以導致水利堤壩的加速損耗甚至潰堤，其負面作用決不能忽視。尤其在新時期，水利堤壩建設與安全維護進入到新的攻堅期，針對白蟻的巨大危害進行系統(tǒng)、有效的防治，無疑更具現(xiàn)實價值。東風渠負責為成都大部分地區(qū)供水，責任重大。長期以來，都江堰東風渠的多處渠道堤防受到白蟻危害，耗費巨大的人力物力進行整治，仍無法做到根除蟻患。傳統(tǒng)處理方法發(fā)現(xiàn)遲、處理遲、耗費大，急需要一種能改變傳統(tǒng)處置流程的新型白蟻處置方法，在發(fā)現(xiàn)的同時，第一時間進行處置，不積累問題。同時，傳統(tǒng)物理滅殺措施后仍需要化學方法輔助，對環(huán)境安全影響較大。這對白蟻誘殺-監(jiān)測一體化裝置的研發(fā)提出了更高的要求。

1 白蟻監(jiān)測防治發(fā)展狀況

1.1 監(jiān)測

1.1.1 人工觀測

長久以來，白蟻活動監(jiān)測一直是比較困難的工作，難點不在于發(fā)現(xiàn)白蟻，而在于發(fā)現(xiàn)白蟻的時候，蟻患已經(jīng)比較嚴重，建筑及工程內(nèi)部已產(chǎn)生了大量的蛀蝕，造成巨大的工程隱患，在極端情況下，需要對工程或建筑進行破拆，然后進行滅殺、清理工作。人工觀測方法對蟻患災害級別的判斷主要依靠專業(yè)人員的工作經(jīng)驗，對人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高。且監(jiān)測及治患成本高昂，不利于白蟻防治工作的開展[1]。

1.1.2 誘導監(jiān)測

吸取人工觀測白蟻活動的經(jīng)驗和不足，轉(zhuǎn)變白蟻監(jiān)測的思路，變被動為主動，利用誘導技術(shù)，設計出一種半自動監(jiān)測方式。這種監(jiān)測方式的核心思想即是將白蟻可能活動區(qū)域進行條塊分割，對每個獨立單元內(nèi)進行白蟻監(jiān)測，由于采用了誘導技術(shù)，定點埋設餌料，觀測時輔助以傳感器進行白蟻危害級別判斷，并通過遠傳裝置傳遞數(shù)據(jù)。通過這種方式可提高白蟻監(jiān)測的精確性，極大地提高白蟻監(jiān)測的效率，查看后對監(jiān)測點范圍內(nèi)進行較為精確地滅殺處理[2、3]。

現(xiàn)階段出現(xiàn)了各種輔助監(jiān)測白蟻活動的硬件，包括國外心居康Setrucon、國內(nèi)“安水”牌監(jiān)控誘殺系統(tǒng)，都用不同技術(shù)手段實現(xiàn)了主動誘導滅殺的目的。但無一例外，誘導監(jiān)測由于技術(shù)的限制出現(xiàn)許多問題。其中最突出的問題，對于采用了傳感器的餌食盒，由于餌食不僅會吸引白蟻，還會吸引其他類型的生物，導致誘餌被取食后，傳感器采集、判斷出錯誤的生物危害類別及級別，影響了白蟻危害監(jiān)測的準確率。

1.2 滅殺

1.2.1 傳統(tǒng)滅殺方法

國內(nèi)常見的采用人工挖巢法、砂礫屏障法、不銹鋼網(wǎng)屏障法；國外常采用Physical Barriers、Thermal Pest Eradication、Freezing or Cold、Electricity or Electrocution、Microwaves等?；瘜W法常見的包括擬除蟲菊酯類、吡唑類殺蟲劑、苯甲?；孱惖人巹┑氖褂?。物理方法費工費力，化學方法污染土壤，綜合當前防治中用的方法，多是物理方法處置后，再用化學方法進行防治，在對土壤、水質(zhì)等環(huán)境質(zhì)量要求不高的使用情境下有不錯的效果，但水利工程涉及供水安全，對化學法的采用尤其慎重。

1.2.2 生物滅殺方式

白蟻也存在天敵，因此可以利用天敵實現(xiàn)動物防治，比如蜘蛛、青蛙、蟾蜍、穿山甲、食蟻獸等動物具有可行性。但這些方式無法進行長效滅殺且無法與信息化監(jiān)測手段相結(jié)合，適用于白蟻危害較輕的場景，不適宜大規(guī)模推廣。

作為社會性昆蟲，白蟻具有完備的信息素系統(tǒng)，這一系統(tǒng)對白蟻識別、筑巢、覓食、聚集和御敵等是必不可少的，同時也有利于建立白蟻種群的檢測、監(jiān)測技術(shù)以及危害預警系統(tǒng)。利用信息素防治害蟲具有高效、無毒、無污染和不傷益蟲等優(yōu)點，目前已有國外學者將白蟻下唇腺分泌物中起信息素作用的化學成分稱為誘食信息素，并將白蟻誘食信息素應用到白蟻防治中。

生物滅殺劑指真菌、放線菌、病毒等微生物白蟻滅殺措施，這是一種非傳統(tǒng)型的生物法滅殺白蟻方法。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，綠僵菌素、白僵菌可以有效控制黑翅土白蟻；阿維菌素可以對黑翅土白蟻實現(xiàn)防治作用[4]。生物滅殺劑與白蟻誘食信息素混合使用，制成生物誘殺藥劑。在外出覓食的白蟻工蟻收到信息素誘導并進行餌食采集的過程中，將靶向滅殺微生物帶回白蟻巢穴中，通過喂食繁殖蟻、兵蟻、若蟻進行交叉感染，摧毀整個巢穴的白蟻繁殖路徑，達到滅殺的效果。通過大量實驗和許多地區(qū)使用該措施的效果反饋來看，這種方式安全高效，且與信息化白蟻監(jiān)測方式易于結(jié)合。

2 白蟻誘殺裝置研發(fā)思路

綜合之前白蟻監(jiān)測防控工作的技術(shù)與思路，采用誘導監(jiān)測和生物誘導劑結(jié)合的方式，按照信息化系統(tǒng)“可視、可信”的要求，著力解決誘導監(jiān)測中傳感器監(jiān)測不準、判斷失誤的問題，實現(xiàn)“主動防控，邊查邊殺”的思路，完善“監(jiān)測-識別-預警-評估-滅殺”的生物危害循環(huán)防治流程，完成研發(fā)白蟻生物危害監(jiān)測-誘殺一體化硬件。

圖1 生物危害防治流程

根據(jù)生物危害監(jiān)測滅殺循環(huán)流程可以看出，分析、預警及評估階段可通過軟件功能進行解決，本次研究的重點是著力解決白蟻監(jiān)測中監(jiān)測不準、判斷失誤的問題。當前傳感器無法高精準度進行白蟻判斷的問題暫時沒有好的解決方式，仍需要人工輔助判斷。通過分析得出人工輔助判斷的核心就是白蟻圖像信息判斷，在結(jié)合圖像識別的基礎上，將傳感器識別白蟻方式替換為攝像頭采集視頻圖像結(jié)合白蟻圖像識別方式，將采集視頻數(shù)據(jù)單元前置于“監(jiān)測-誘殺”一體化裝置中，識別算法和人工輔助功能后置于軟件平臺中，完成信息化系統(tǒng)提倡的“可視、可信”要求，并顯著提高白蟻識別預警的精度及防治的效率。

3 白蟻誘殺-監(jiān)測一體化裝置研發(fā)

根據(jù)本次研究的內(nèi)容劃分，后端承擔識別、預警、分析、評估等功能，前端承擔采集、傳輸?shù)裙δ堋Ｇ岸擞布O計根據(jù)各模塊在前端發(fā)揮的作用，具體分為供電模塊、誘殺-監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡模塊。

3.1 供電模塊

3.1.1 供電方式

在供電條件允許的條件下，市電為最優(yōu)選擇。而圍繞水利工程開展的白蟻危害監(jiān)測點位多在野外，無法采用市電方式的運行環(huán)境，優(yōu)先選擇太陽能電池板+蓄電池供電的方式，太陽能電池板需要綜合考慮無日照時長，視頻圖像采集頻率、數(shù)據(jù)傳輸頻率，經(jīng)過綜合評定，本次太陽能電池板選擇尺寸為3000mm×2000mm，160W規(guī)格。能充分保證供電效率，同時不造成額外成本開支，保持性價比最優(yōu)。

圖2為一體化裝置的供電方向圖。

圖2 設備供電方向

3.1.2 蓄電池設計

本次蓄電池設計按照連續(xù)30d無日照支持設計，最后確定選用膠體蓄電池，規(guī)格為12V，100Ah。

四川為全國平均光照時長較低地區(qū)，以成都地區(qū)為例，由表1可知，全年日照最少的月份在九月，要滿足最低供電要求，即太陽能充電轉(zhuǎn)化率16%，損耗率10%，太陽能電池板功率160W，綜合可得充電功率23W。蓄電池規(guī)格為12V，100Ah，可在無太陽能供應的情況下，持續(xù)工作50d以上，滿足長期穩(wěn)定工作的要求。

表1 成都地區(qū)年內(nèi)日照時長統(tǒng)計 單位：h(小時)

3.1.3 攝像頭供電

對于太陽能供電場景較多的野外環(huán)境，考慮到功耗和續(xù)航，攝像頭只能采用低壓供電，本次采用PoE方式進行攝像頭供電。PoE(Power over Ethernet)指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端(如IP電話機、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng)絡攝像機等)傳輸數(shù)據(jù)的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術(shù)。PoE技術(shù)能在確保結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡的正常運作，最大限度地降低成本。在監(jiān)測站中，為了掛載多個IPC(IP Camera網(wǎng)絡攝像機)，需要PoE交換機完成對設備的供網(wǎng)供電。以單個攝像頭12V，5.5W的規(guī)格，綜合考慮到一個監(jiān)測站的負載，可支撐4路以上攝像頭的供電。在監(jiān)測站中，設置PoE交換機進行供電和數(shù)據(jù)傳輸，可在電力負載基本平衡的狀態(tài)下維持硬件正常平穩(wěn)工作。

3.2 誘殺-監(jiān)測模塊

誘殺-監(jiān)測模塊是實現(xiàn)主動滅殺思路的載體，也是本次研究的核心和重點。誘殺模塊和監(jiān)測模塊采用完全一致的設計，誘殺模塊結(jié)構(gòu)采用餌食盒填充誘導滅殺材料，誘導滅殺材料做成層疊狀，模擬蟻路，便于攝像頭采集可視域內(nèi)白蟻的圖像。監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)采用保護殼固定IP攝像頭的方式，具備30m紅外功能，可全天不間斷地進行視頻采集。誘殺模塊和監(jiān)測模塊通過連接孔進行連接，同時需要保證焦距的確定，將誘殺模塊和檢測模塊固定在絕緣防水擋板上。保證整體運行正常。

圖3為該模塊的結(jié)構(gòu)簡圖及數(shù)據(jù)流向。

圖3 數(shù)據(jù)流向示意

綜合考慮四川地區(qū)多雨的情況，誘殺-監(jiān)測模塊需要進行額外的防護，包括防水、防雷。本次設計在使用海康威視攝像頭的基礎上，在外層加裝定制的防水外殼，為了使后端識別圖像的清晰度最高，設計時，采用多組試驗確定焦距，并在安裝時采用卡扣的形式，固定焦距，達到圖像采集清晰的目的。

圖4為餌食盒的三維結(jié)構(gòu)設計效果圖。

圖4 餌食盒設計效果

圖5為該模塊的實物。

圖5 誘殺-監(jiān)測模塊實物

3.3 網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)傳輸模塊

東風渠白蟻危害點多位于郊外，網(wǎng)絡較為不便，本次選擇4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，綜合考慮攝像頭采集視頻的分辨率及一個采集點下掛接的攝像頭數(shù)量、傳輸帶寬壓力，本次視頻監(jiān)測采用規(guī)格為1280×720，25幀，在一個監(jiān)測站掛接4個200W像素攝像頭的情況下，采用4G卡傳輸可保證穩(wěn)定視頻流，并滿足后臺白蟻識別的算法要求。

3.4 設備集成

圖6、圖7為設備集成示意圖及安裝完成的實際圖。

圖6 設備集成示意圖

圖7 設備安裝實際圖

4 結(jié)論

東風渠生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)前端采用誘殺監(jiān)測一體化裝置，通過應用前后對比，發(fā)現(xiàn)裝置部署后，白蟻危害處置的及時程度得到大幅度提升，并能在發(fā)現(xiàn)蟻患的同時，開展誘殺控制工作，保證了防治工作的時效性。但同時在研發(fā)及應用的過程中發(fā)現(xiàn)新的問題，如汛期長時間的降雨，不僅對設備造成一定的影響和破壞，還會使餌料發(fā)霉變質(zhì)，影響白蟻滅殺的效果。后期在使用的過程中，針對影響一體化裝置的各項因素，進行進一步優(yōu)化及改進。