無人機(jī)在大豆植保作業(yè)中的適用性評(píng)價(jià)體系研究

牛媛媛，徐銘辰

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與航空工程學(xué)院，河南 南陽 473000）

0 引言

大豆作為我國比較重要的經(jīng)濟(jì)作物在生長(zhǎng)過程中容易遭遇蟲害，因此，為了保證大豆的產(chǎn)量需要在大豆不同生長(zhǎng)階段通過對(duì)大豆葉桿部分進(jìn)行植保，目前大豆的植保方式主要是噴灑農(nóng)藥。使用較多的大豆植保噴霧機(jī)械有背負(fù)式、自駕式噴桿、自走式遙控噴桿、多旋翼無人機(jī)等類型的大豆植保噴霧機(jī)[1]。雖然植保機(jī)械形式多樣化，但目前我國大豆植保機(jī)械不能完全適用多區(qū)域植保作業(yè)的問題還相對(duì)比較突出。以黃淮海區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域作為我國夏大豆的主產(chǎn)區(qū)之一，人均耕地較少且耕地分散，該區(qū)域目前約70%以上的農(nóng)民還是采用人工背負(fù)式噴霧或機(jī)動(dòng)噴霧的方式完成該項(xiàng)作業(yè)，這種植保方式在大豆生長(zhǎng)初期尚能勉強(qiáng)滿足植保要求，有一定的植保效果，但當(dāng)大豆生長(zhǎng)到中后期，大豆的株冠層開始逐漸變得濃密起來，如果還采用這種傳統(tǒng)式的植保機(jī)械進(jìn)行噴霧，不但達(dá)不到很好的植保效果，反而還會(huì)在作業(yè)過程中傷及大豆植表，植保效果不理想。而植保無人機(jī)作為農(nóng)業(yè)新裝備，集遙控+施藥于一體，具備全自助規(guī)劃航線飛行作業(yè)、精準(zhǔn)定位、避繞障礙、仿地飛行、夜間飛行等自動(dòng)化智能技術(shù)，相比其他傳統(tǒng)植保機(jī)械在施藥效果、節(jié)水節(jié)藥能力、作業(yè)效率、調(diào)度轉(zhuǎn)場(chǎng)和環(huán)境條件適用性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，小型航空噴霧機(jī)的這些優(yōu)良性能決定了其在地形適應(yīng)性、種植面積局限性和低空噴霧適應(yīng)能力等方面的植保表現(xiàn)會(huì)更突出[1]。因此，無人機(jī)在大豆植保作業(yè)中很快成為了田間地頭的“植保新寵”。短短幾年時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)上便涌現(xiàn)出了大量無人機(jī)的制造和服務(wù)企業(yè)，但由于質(zhì)量參差不齊，植保無人機(jī)的安全性和可靠性無法得到保證。針對(duì)大豆植保無人機(jī)缺乏可依據(jù)的、科學(xué)的、可量化的適用性評(píng)價(jià)體系這一現(xiàn)狀，本文擬針對(duì)大豆植保無人機(jī)構(gòu)建適用性評(píng)價(jià)體系，為該類型農(nóng)機(jī)的適用性評(píng)價(jià)研究提供一定的參考。

1 構(gòu)建大豆植保無人機(jī)評(píng)價(jià)體系的技術(shù)路線

評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)機(jī)械的適用性，實(shí)際上是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)機(jī)械在一定的作業(yè)條件下其性能否滿足農(nóng)藝要求，即在一定的作業(yè)條件下，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)性能相對(duì)的協(xié)調(diào)融合程度[2]。在《農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣法》和《農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱編寫規(guī)則》中也都提出機(jī)具在進(jìn)行推廣鑒定時(shí)需要進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)。農(nóng)業(yè)機(jī)械適用性評(píng)價(jià)體系主要包括分析影響農(nóng)業(yè)機(jī)械適用性的因素、研究受適用性影響比較顯著的性能指標(biāo)及其測(cè)定方法、適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算以及適用性評(píng)價(jià)的指標(biāo)判定值、確定判定規(guī)則等內(nèi)容[2]。本文依據(jù)農(nóng)機(jī)適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的原則，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，并通過專家咨詢等方式，制訂了構(gòu)建大豆植保無人機(jī)適用性評(píng)價(jià)體系研究的技術(shù)路線，具體如圖1 所示。

圖1 大豆植保無人機(jī)適用性研究的技術(shù)路線

2 分析構(gòu)建大豆植保無人機(jī)評(píng)價(jià)體系

2.1 確定性能指標(biāo)

通常農(nóng)業(yè)機(jī)械在評(píng)價(jià)其適用性時(shí)不考慮內(nèi)部因素，只考慮外部因素[3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)鑒定總站實(shí)驗(yàn)選型的大量數(shù)據(jù)和專家調(diào)研結(jié)果，影響大豆植保無人機(jī)適用性的外在因素主要包含地域氣候氣流、地貌特征、種植模式、種植密度等。遵循應(yīng)減少各個(gè)外部因素之間的相關(guān)性的原則。本研究最終確定將地域氣候、種植模式、種植密度作為大豆植保無人機(jī)適用性的影響因素。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定總站制定的農(nóng)機(jī)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)，依據(jù)適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)定原則以及本行業(yè)專家的意見，結(jié)合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T3213-2018《植保無人機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T1031-2018《農(nóng)用飛機(jī)噴灑設(shè)備性能檢測(cè)規(guī)范》和河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/T 1521-2018《農(nóng)用旋翼植保無人機(jī)技術(shù)條件》等的技術(shù)要求，確定了本研究中大豆植保無人機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性[4]。

2.1.1 勻速飛行速度波動(dòng)情況

一般在空載條件下啟動(dòng)植保無人機(jī)后保持離地高度3～5 m，飛行狀態(tài)穩(wěn)定后將速度保持在3～10 m/s勻速通過100 m 的水平直線距離。通過無人機(jī)配備的定位系統(tǒng)記錄勻速飛行速度波動(dòng)情況，無人機(jī)可以將記錄數(shù)據(jù)繪制成速度曲線，從而通過分析計(jì)算得到無人機(jī)勻速飛行速度波動(dòng)的最大值。參考標(biāo)準(zhǔn)值范圍為V風(fēng)速≤3 m/s 時(shí)，水平勻速運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)最大值≤5%設(shè)定值。

2.1.2 噴霧沉降率

該指主要標(biāo)用來表征藥物在植物冠層噴灑效果。應(yīng)在每個(gè)采集區(qū)的末端，于作物冠層的上面放置總收集面積至少為0.1 m2的水平片兒狀收集器，以測(cè)量噴霧機(jī)的噴霧量和進(jìn)入冠層的總噴霧流量。測(cè)得的噴霧沉積量可表示為占收集器面積噴出液體體積的百分比。根據(jù)熒光劑的讀數(shù)、校準(zhǔn)曲線、收集器的收集面面積、噴霧液體中的失蹤劑濃度、背景熒光以及稀釋液的體積，計(jì)算每單位面積的噴霧沉積量βdep，具體計(jì)算方法見公式（1）。通過將噴霧漂移沉積量與在相同單位面積上的使用量相關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)公式（2）計(jì)算收集器上噴霧沉降率。用噴霧沉降率來表征噴霧沉降量。

式中：

βdep——噴霧沉降量，μL/m2；

ρsmpl——樣品的熒光劑讀數(shù)；

ρblk——空白的（收集器+稀釋水）熒光劑讀數(shù)；

Fcal——熒光計(jì)讀數(shù)與示蹤劑濃度之間的關(guān)系；

Vdil——用于溶解收集器上示蹤劑的稀釋液體的體積，L；

ρspray——噴頭處采樣的噴霧液體中示蹤劑濃度，g/L；

Acol——收集器捕捉霧流的投影面積，m2；

βdep%——噴霧沉降率，%；

βv——噴液量，L/hm2。

2.1.3 噴霧均勻性

噴灑現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、濕度和溫度會(huì)導(dǎo)致不同程度的藥物漂移，從而影響植物冠層表面的噴霧均勻性，用變異系數(shù)V來表示。根據(jù)無人機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定V≤50%。無人機(jī)噴霧分布的均勻性變異系數(shù)計(jì)算公式為

式中：

S——試驗(yàn)采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

X——采樣點(diǎn)沉積濃度平均值，μg/m2；

Xi——樣點(diǎn)沉積濃度，μg/m2；

n——試驗(yàn)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2.2 計(jì)算權(quán)重

在確定完評(píng)價(jià)指標(biāo)后還需要確定各指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度，即計(jì)算權(quán)重[5],。目前在農(nóng)機(jī)適用性研究方面常用的權(quán)重確定方法主要有專家咨詢法、特征向量法、層次分析（AHP）法等。利用專家咨詢法，專家們會(huì)運(yùn)用1-9 標(biāo)度法（詳見表1）對(duì)勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性3 個(gè)性能指標(biāo)相互之間的影響程度打分，并以此來構(gòu)建判斷矩陣A。然后利用yaAHP 層次分析法軟件構(gòu)建無人機(jī)的適用性評(píng)價(jià)模型，輸入矩陣進(jìn)行權(quán)重值計(jì)算。

表1 重要性表示規(guī)則約定表

根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度構(gòu)建判斷矩陣A，用Matlab軟件求解。輸入：A ＝[1，0.33，2；3，1，5；0.5，0.2，1]。先計(jì)算構(gòu)建的判斷矩陣的一致性CR 來判斷各個(gè)性能指標(biāo)的權(quán)重值分配是否合理。由yaAHP 軟件法計(jì)算結(jié)果可知，權(quán)重分配合理。最終通過計(jì)算分析得到無人機(jī)在大豆植保作業(yè)中的適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性的權(quán)重分別為：0.12、0.64、0.24。

2.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法

功效系數(shù)法是定量評(píng)價(jià)的常用方法，根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃原理，對(duì)要進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，表示這項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家或者行業(yè)要求的優(yōu)劣程度。本研究采用功效系數(shù)法計(jì)算適用性單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分值，以此來作為該項(xiàng)性能指標(biāo)的適用度。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，由于在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中指標(biāo)有正反之分[6]，將勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別用勻速飛行速度波動(dòng)率、噴霧沉降率、噴霧均勻變異系數(shù)來表征3 個(gè)指標(biāo)。通過研究，大豆植保無人機(jī)的適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)中的勻速飛行速度波動(dòng)率、噴霧均勻變異系數(shù)均為反向指標(biāo)，噴霧沉降率為正向指標(biāo)。單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)分值Di的計(jì)算公式可以利用第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值Xi、不允許值Xis、滿意值Xih以及極限值Xij得到[9-10]。

1）正向指標(biāo)評(píng)價(jià)分值Di的計(jì)算公式

a.若Xi＞Xis，則Di的推導(dǎo)公式為

b.若Xij＜Xi＜Xis，則Di的推導(dǎo)公式為

2）反向指標(biāo)評(píng)價(jià)分值Di的計(jì)算公式

a.若Xi＜Xis，則Di的推導(dǎo)公式為

b.若Xi＞Xis，則Di的推導(dǎo)公式為

式中Xi、Xis、Xih、Xij表示含義同上。

根據(jù)目前的通行做法，某種農(nóng)業(yè)機(jī)械的某一性能指標(biāo)，其性能優(yōu)于合格判定指標(biāo)時(shí)，判定該項(xiàng)性能指標(biāo)合格，劣于合格判定指標(biāo)時(shí)，判定該項(xiàng)性能指標(biāo)不合格。大豆植保無人機(jī)的適用性評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)分值，用P表示，運(yùn)用加權(quán)算術(shù)求和法計(jì)算總功效系數(shù)，其公式為

式中：

P——農(nóng)業(yè)機(jī)械的適用度；

n——指標(biāo)數(shù)；

Di——第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)評(píng)價(jià)分值；

Wi——第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

即總功效系數(shù)為

為了保證設(shè)計(jì)的適用性評(píng)價(jià)體系的可量化性，還需要確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，包括滿意值、極限值、合格值。滿意值一般是性能指標(biāo)的理論最好值，不允許值一般指指標(biāo)的合格值，極限值指理論最差值。根據(jù)河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/T 1521-2018《農(nóng)用旋翼植保無人機(jī)技術(shù)條件》中機(jī)械噴霧裝置機(jī)噴霧性能要求的規(guī)定，勻速飛行速度波動(dòng)率、噴霧沉降率、噴霧均勻變異系數(shù)3 個(gè)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值詳見表2。

表2 各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在大豆試驗(yàn)基地進(jìn)行，選取植物葉層最濃密的大豆開花期進(jìn)行試驗(yàn)（如圖4 所示），大豆使用的免耕播種機(jī)為2BMFJ-6 型麥茬地大豆免耕覆秸施肥播種機(jī)，該機(jī)型在試驗(yàn)所在區(qū)域的適用性較好[3]，試驗(yàn)時(shí)大豆長(zhǎng)勢(shì)良好。試驗(yàn)區(qū)域面積50 m×60 m，為減小風(fēng)速等引起的霧滴漂移導(dǎo)致試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)區(qū)周邊均留約15 m 的緩沖隔離帶。試驗(yàn)機(jī)型采用連續(xù)作業(yè)時(shí)間≤15 min 的八旋翼無人飛行噴霧機(jī)（如圖5 所示），噴幅可達(dá)3 m，藥箱容量為5 L，可實(shí)現(xiàn)定速、定高等不同試驗(yàn)作業(yè)要求。根據(jù)實(shí)際爆噴灑要求，無人機(jī)作業(yè)高度控制在10 m 以內(nèi)時(shí)，噴霧效率較高。同時(shí)還要準(zhǔn)備羅米特紙卡、霧滴收集器、Rhodamine-B 一次性手套、自封袋、數(shù)字溫濕度表、熒光分光光度計(jì)等試驗(yàn)材料。

圖2 試驗(yàn)田大豆生長(zhǎng)情況

圖3 小型八旋翼無人飛行噴霧機(jī)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降量、噴霧均勻性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集[7-9]。獲得的該試驗(yàn)飛行噴霧機(jī)的勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為3.6、91.5、31.2，利用所構(gòu)建的大豆植保無人機(jī)適用性評(píng)價(jià)體系進(jìn)行適用度評(píng)分計(jì)算，具體結(jié)果如下。

根據(jù)公式（5）、（6）和用yaAHP 軟件法計(jì)算求得的大豆植保無人機(jī)適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉降率、噴霧均勻性的權(quán)重分別為：0.12、0.64、0.24，對(duì)所得的數(shù)據(jù)結(jié)果代入公式（10）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，免耕播種機(jī)適用性得分的標(biāo)準(zhǔn)值為

4 結(jié)語

1）通過調(diào)查研究和分析，依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的原則，確定了將勻速飛行速度波動(dòng)、噴霧沉積量、噴霧均勻性3 個(gè)指標(biāo)作為無人機(jī)在大豆植保作業(yè)中適用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）綜合運(yùn)用層次分析法、專家調(diào)查法及yaAHP層次分析法計(jì)算軟件，對(duì)大豆植保無人機(jī)適用性評(píng)價(jià)的3 個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重分析，然后利用功效系數(shù)函數(shù)對(duì)3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定和不同指標(biāo)評(píng)分計(jì)算公式的確定。

3）利用八旋翼試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終計(jì)算得到適用性得分為79.74，與其在實(shí)際中的適用性表現(xiàn)基本一致。這說明了本文構(gòu)建的無人機(jī)在大豆植保作業(yè)時(shí)的適用性評(píng)價(jià)體系具有一定的科學(xué)性和可靠性，對(duì)進(jìn)一步提高無人機(jī)在大豆植保作業(yè)時(shí)適用性有一定的理論指導(dǎo)意義，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)戶選用高性價(jià)比大豆植保無人機(jī)也有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。