堤壩白蟻危害自動監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

易建州，王永安，劉德昌，趙鵬飛

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；2.堤壩安全（北京）科技有限公司，北京 102600；3.大壩衛(wèi)士（北京）網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，北京 100070）

白蟻危害是我國特別是南方地區(qū)水利設(shè)施的重要安全隱患，長期以來，水利工程白蟻防治主要以人工挖巢法、藥殺法、光誘法等方法開展，這些方法雖然能有效控制白蟻，但也存在土方回填質(zhì)量不高、藥殺對土壤和水體的污染、光誘使用的局限性等問題。因此，亟需研發(fā)一套集“誘集監(jiān)測-滅殺控制-再誘集監(jiān)測”為一體的堤壩白蟻監(jiān)測控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、傳輸及處理、預(yù)警、控制和滅殺，避免白蟻治理-復(fù)發(fā)-再治理的不良循環(huán)，達(dá)到白蟻危害控制長效管理[1]。

1 技術(shù)原理

堤壩白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制系統(tǒng)：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過“誘集監(jiān)測-滅殺控制-再誘集監(jiān)測”的循環(huán)監(jiān)測方式，實(shí)現(xiàn)防治堤壩白蟻危害的一整套監(jiān)測控制技術(shù)體系。

1.1 監(jiān)測原理

將白蟻喜食且對白蟻具有極強(qiáng)引誘力的餌料和觸發(fā)器固定在監(jiān)測控制裝置內(nèi)，每一個裝置預(yù)設(shè)具有唯一性的身份識別碼，監(jiān)測控制裝置按一定的要求安裝在需保護(hù)的堤壩內(nèi)、外坡及坡頂周圍土壤中，安裝完成后根據(jù)全球定位系統(tǒng)形成和身份識別碼相對應(yīng)的位置地圖，通過手機(jī)端APP可以上傳裝置安裝圖片、表格等安裝信息，運(yùn)行期間可實(shí)現(xiàn)巡檢、維護(hù)情況的圖表、日志上傳和呈現(xiàn)功能。

監(jiān)測控制裝置安裝完成后，進(jìn)入工作狀態(tài)，在白蟻外出覓食的工蟻到達(dá)監(jiān)測控制裝置周圍一定距離處的土壤中后，由于受裝置內(nèi)餌料釋放在土壤中的引誘物質(zhì)的強(qiáng)烈吸引，迅速將蟻路修筑至監(jiān)測控制裝置，并通過餌料倉預(yù)設(shè)的通道紛紛進(jìn)入裝置內(nèi)取食，根據(jù)白蟻的喜食特性觸發(fā)器青稞紙石墨烯紙片或涂層是白蟻更為喜食的食物，白蟻取食過程中優(yōu)先啃斷報警觸發(fā)器青稞紙石墨烯片或涂層，造成電路系統(tǒng)斷路而觸發(fā)報警。

1.2 數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理原理

電路系統(tǒng)斷路而觸發(fā)報警后，報警信號自行采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，將白蟻入侵啃食的裝置位置、時間等通過管理軟件在電腦端和手機(jī)端呈現(xiàn)給客戶。

數(shù)據(jù)庫采用可擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理中心，基于云平臺搭建運(yùn)營商級別的通信鏈路和可靠的云端數(shù)據(jù)中心，支持前端數(shù)據(jù)高并發(fā)上傳，沉淀白蟻監(jiān)測數(shù)據(jù)庫；基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，采用PCA主成分分析、邏輯回歸、異常監(jiān)測等算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成白蟻入侵分析算法。

1.3 滅殺原理

客戶端接到監(jiān)測裝置報警后，及時安排白蟻防治專業(yè)人員進(jìn)行定點(diǎn)定量精準(zhǔn)滅殺控制。滅殺控制有餌劑滅殺控制和噴粉滅殺控制等方法。其原理分別簡述如下：

（1）餌劑滅殺控制原理。滅殺控制原理是利用白蟻相互舔舐、交哺的生物習(xí)性，把白蟻喜食的餌料與藥物混合制成對白蟻有毒的餌劑，是一種慢性胃毒劑，餌劑對白蟻具有強(qiáng)烈的引誘性，投放到報警的監(jiān)測控制裝置內(nèi)或其附近的泥被泥線、蟻道、分飛孔內(nèi)或投放到誘殺堆、誘殺坑內(nèi)誘使白蟻?zhàn)杂扇∈常紫伻∈巢⒉徊煊X，工蟻取食回巢后將帶毒的消化或半消化的食物通過交哺等行為傳染給蟻王、蟻后、兵蟻和巢內(nèi)其它工蟻及幼蟻，通過多次藥物交互傳遞作用整巢白蟻慢慢中毒死亡，從而達(dá)到滅治整巢白蟻的目的。

（2）噴粉滅殺控制原理。噴粉滅殺控制原理是利用白蟻相互舔舐、交哺的生物習(xí)性，配制好滅殺白蟻粉劑，是一種慢性胃毒劑，采用專用工具把配置好的滅殺白蟻粉劑強(qiáng)制噴灑在報警的監(jiān)測控制裝置內(nèi)或其附近泥被泥線下、蟻道內(nèi)活動的白蟻身體表面，白蟻帶藥回巢后通過相互舔舐、交哺等行為將毒性傳遞給蟻王、蟻后、兵蟻和巢內(nèi)其它工蟻及幼蟻，通過多次藥物交互傳遞作用整巢白蟻慢慢中毒死亡，從而達(dá)到滅治整巢白蟻的目的[2]。

2 工作流程

堤壩白蟻監(jiān)測控制系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 堤壩白蟻監(jiān)測控制系統(tǒng)工作流程

2.1 誘集監(jiān)測

一般根據(jù)堤壩蟻害調(diào)查情況，在堤壩上安裝白蟻監(jiān)測控制裝置，對庫區(qū)內(nèi)白蟻進(jìn)行誘集，以便全面掌握白蟻種類與分布。布置間距應(yīng)為5～10m范圍，多排布置時呈梅花狀排列，迎水坡（上游坡）監(jiān)測點(diǎn)的布置應(yīng)高于正常蓄水位。

2.2 滅殺控制

客戶端發(fā)現(xiàn)白蟻報警后，白蟻防治人員及時進(jìn)行檢查，確認(rèn)白蟻危害品種，定點(diǎn)定量精準(zhǔn)滅殺控制。可在報警的裝置附近投放極少量的餌劑讓工蟻?zhàn)杂扇∈?，工蟻回巢后會將帶毒食物喂給蟻王、蟻后、兵蟻和巢內(nèi)工蟻及幼蟻，從而導(dǎo)致整巢白蟻死亡；或用專門的噴粉器具將滅治白蟻粉劑噴在白蟻監(jiān)測控制裝置內(nèi)取食的白蟻身上，白蟻回巢后通過擁抱、清潔等行為將藥粉傳遞給同巢個體，最終導(dǎo)致整巢白蟻中毒死亡，從而達(dá)到滅治整巢白蟻的目的。

2.3 再誘集監(jiān)測

整巢白蟻滅亡后，白蟻監(jiān)測控制裝置重新更換餌料和觸發(fā)器，繼續(xù)發(fā)揮實(shí)時監(jiān)控白蟻危害活動，實(shí)現(xiàn)對白蟻危害長期監(jiān)測控制的效果 ，達(dá)到水利工程持續(xù)免受白蟻危害的目的。

3 測試數(shù)據(jù)及分析

堤壩白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制裝置、青稞紙石墨烯報警觸發(fā)器、嵌入式無線網(wǎng)關(guān)、使用壽命等，通過一系列環(huán)境試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)滿足了實(shí)際應(yīng)用效果，技術(shù)成熟、可靠，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.1 環(huán)境試驗(yàn)

白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制裝置主要進(jìn)行以下4種環(huán)境試驗(yàn)[4]，結(jié)果見表1，證明了裝置的安全環(huán)保，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 堤壩白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制裝置環(huán)境試驗(yàn)

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

報警觸發(fā)器一般采用光學(xué)原理、機(jī)械原理、電學(xué)原理，最終選定青稞紙石墨烯導(dǎo)電觸發(fā)器。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，光學(xué)觸發(fā)器誤報率高，因其它昆蟲入站，潮濕天氣形成水霧等原因；機(jī)械觸發(fā)器漏報率高，主要問題是內(nèi)置餌料棒較大，白蟻啃食信息棒時間較長。有時白蟻未將觸發(fā)器啃斷，就已離開的情況；青稞紙具有良好喜食性和適口性，同時在潮濕環(huán)境中導(dǎo)電性能穩(wěn)定，大大提高了青稞紙石墨烯導(dǎo)電觸發(fā)器的靈敏性、及時性和準(zhǔn)確性。

嵌入式無線網(wǎng)關(guān)核心技術(shù)可實(shí)現(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換及通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)主板可以兼容支持GPRS、NBIOT、4G等多種通信方式的模塊化結(jié)構(gòu)，支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、SOAP及工業(yè)等多種通信協(xié)議。網(wǎng)關(guān)主板基于STM架構(gòu)工業(yè)級核心板，由于主板的工作環(huán)境限制，無法得到持續(xù)的外部環(huán)境供電，因此其關(guān)鍵技術(shù)是內(nèi)置的低功耗算法，經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)具備了低功耗、低速率特點(diǎn)，確保了白蟻監(jiān)測控制裝置這個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長時間穩(wěn)定工作。

2019年，為了測試裝置性能，在南寧地區(qū)共安裝監(jiān)測裝置5000個，經(jīng)過半年多時間的測試、試點(diǎn)、并完成了實(shí)地安裝任務(wù)。在運(yùn)行期內(nèi)共有46套產(chǎn)品無法正常使用，約占1%。其中10套是由于生產(chǎn)過程中有個線路觸點(diǎn)的位置設(shè)計不合理，在偶發(fā)情況下受力過大，導(dǎo)致線圈觸碰端點(diǎn)而發(fā)生異常。40套是由于信號問題導(dǎo)致異常，為解決信號差，無法及時更新的問題，目前系統(tǒng)提供多規(guī)格多品類的通訊技術(shù)，通過更多的可選擇性來規(guī)避信號的盲點(diǎn)。由硬件模塊技術(shù)和軟件程序控制共同協(xié)作，保證監(jiān)測裝置的通用性。

監(jiān)測控制裝置的使用壽命主要是由電源的功耗決定的。電子器件都有專業(yè)的保護(hù)措施，自2011年開始開發(fā)該系列產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)受了時間的檢驗(yàn)。電池的放電功耗完全符合產(chǎn)品的設(shè)計要求，在半年多的實(shí)地使用過程中，已經(jīng)得到驗(yàn)證，所有裝置能夠保證2年時間以上更換一次電池。電池是可充電的鋰電池，為了充分考驗(yàn)裝置的功能性，試驗(yàn)設(shè)計將裝置處于高功耗工作狀態(tài)下的。與實(shí)際業(yè)務(wù)結(jié)合，能耗還有很大的下降空間，電池的單次使用壽命可以大大提高。

附電源功耗的相關(guān)性能說明：

（1）工作電壓：3.7VDC；

（2）最大工作電流：1000mA；

（3）待機(jī)電流：<30μa；

（4）電池容量：2600mAh，可充電鋰電池；

（5）最大工作時間：5年（檢測周期和上傳周期會影響最大工作時間）；

（6）RFID通訊距離：3CM（網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測裝置的安裝距離）；

（7）響應(yīng)時間：<2min（網(wǎng)關(guān)檢測到傳感器觸發(fā)后，到完成檢測記錄上傳時間）。

4 應(yīng)用實(shí)例

南水北調(diào)中線郟縣段在白蟻防治試驗(yàn)項(xiàng)目中采用了白蟻監(jiān)測控制管理系統(tǒng)，共安裝400套，監(jiān)測距離1km，自安裝之日1年內(nèi)累計收到報警信息5處，準(zhǔn)確率達(dá)100%。經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn)，技術(shù)人員及時對報警裝置周邊進(jìn)行白蟻誘殺處理，消除白蟻危害。誘殺結(jié)束3個月后對渠堤背水坡、綠化帶進(jìn)行人工普查，未發(fā)現(xiàn)泥被、泥線等白蟻危害情況，說明已達(dá)到治理效果。

危害水利工程的白蟻一般為黑翅土白蟻和黃翅大白蟻，其群體龐大、活動范圍廣、隱蔽性強(qiáng)，在白蟻治理結(jié)束后，仍然存在繼續(xù)危害的可能性，白蟻監(jiān)測控制管理系統(tǒng)的應(yīng)用做到了及時發(fā)現(xiàn)、及時治理，取得了良好的效果，在一定程度上減少了化學(xué)藥劑的使用，獲得了建設(shè)單位和管理單位的一致好評。

5 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計，截止2018年全國大型水庫736座、中型水庫3 954座、小型水庫94 132座，白蟻危害率達(dá)到了50%以上，各級堤防30余萬km，危害率在20%以上，按照水利工程白蟻危害率計算，堤壩白蟻?zhàn)詣颖O(jiān)測控制系統(tǒng)需求量多達(dá)2 200多萬套，產(chǎn)值達(dá)100億元。

通過統(tǒng)計分析及實(shí)際應(yīng)用情況的認(rèn)證，這套裝置系統(tǒng)能反映出現(xiàn)場白蟻的危害情況，為白蟻防治工作提供了信息支持，能夠減少無效出勤次數(shù)；并且白蟻智能監(jiān)測控制裝置的投入應(yīng)用，極大的減少了化學(xué)用藥的投放，為環(huán)境保護(hù)工作做出了積極的貢獻(xiàn)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著；同時有效提升堤壩白蟻防治的專業(yè)化、信息化、智能化水平，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。