航空植保自動計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張瑞瑞，王維佳，張明佳，陳立平

(國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

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航空植保自動計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張瑞瑞，王維佳，張明佳，陳立平

(國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

航空植保自動計(jì)量系統(tǒng)為監(jiān)督、規(guī)范農(nóng)業(yè)航空植保市場提供了有力保障。系統(tǒng)包括機(jī)載終端、數(shù)據(jù)管理及服務(wù)平臺，通過監(jiān)測多個指標(biāo)來確保數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性；開發(fā)了數(shù)據(jù)庫訪問中間件，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性；采用多指標(biāo)約束的架次面積統(tǒng)計(jì)方法，提高了統(tǒng)計(jì)結(jié)果的真實(shí)性與可靠性；采用了緩存機(jī)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(jié)合的方式確保數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)計(jì)量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差在可控范圍內(nèi)。2015年，系統(tǒng)在全國多個省市進(jìn)行了示范性應(yīng)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(jì)結(jié)果較為準(zhǔn)確，軟件操作簡單、明了，具有較大的推廣價值。

農(nóng)業(yè)裝備；航空植保；自動計(jì)量；精準(zhǔn)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(lǐng)域的發(fā)展需求，國家對農(nóng)業(yè)航空發(fā)展予以大力扶持[1]。由于沒有準(zhǔn)入門檻，航空植保市場魚龍混雜，整體設(shè)備水平和技術(shù)手段較為落后，沒有一套規(guī)范的法則及強(qiáng)有力的監(jiān)管手段，導(dǎo)致作業(yè)時漏噴、重噴問題嚴(yán)重，達(dá)不到作業(yè)要求，不能起到防蟲防害的效果，也沒有科學(xué)的依據(jù)進(jìn)行后期補(bǔ)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(nèi)外農(nóng)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(dá)國家已經(jīng)建立了完善的農(nóng)業(yè)航空法律、法規(guī)來規(guī)范作業(yè)技術(shù)和管理作業(yè)質(zhì)量[4-6]；美國的農(nóng)用飛機(jī)都配備精密儀器和設(shè)備，用來分析施藥作業(yè)情況[7-8]。吳崇友設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)車載智能終端及監(jiān)管服務(wù)平臺可監(jiān)控農(nóng)機(jī)設(shè)備當(dāng)前在全國的分布情況及運(yùn)行軌跡，并可進(jìn)行異常預(yù)警[9-10]。王慧平基于WebGIS設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管、軌跡回放和查看作業(yè)信息[11-12]。

我國在農(nóng)用機(jī)械方面已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但專門針對農(nóng)業(yè)航空開發(fā)的監(jiān)管計(jì)量系統(tǒng)并不多，總體技術(shù)也不成熟。基于以上背景，設(shè)計(jì)開發(fā)了航空植保自動計(jì)量系統(tǒng)，通過分析植保作業(yè)數(shù)據(jù)，繪制了作業(yè)軌跡，并對架次、作業(yè)面積等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)了對植保作業(yè)效果的初步評估。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能模塊

系統(tǒng)通過監(jiān)控植保飛機(jī)作業(yè)過程中的姿態(tài)和狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)軌跡的查看，以及架次、作業(yè)面積的統(tǒng)計(jì)計(jì)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(gòu)

計(jì)量系統(tǒng)有三大部分構(gòu)成，包括機(jī)載終端設(shè)備、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和用戶服務(wù)平臺,如圖2所示。

機(jī)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(jì)及通信模塊[13-14]，可監(jiān)測飛機(jī)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(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接收、存儲、分析終端設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。用戶服務(wù)平臺以界面友好的形式向用戶展示需要查看的數(shù)據(jù)[15]。

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

1.3 系統(tǒng)特性

1.3.1 多指標(biāo)監(jiān)控

通過監(jiān)測多個指標(biāo)來確保數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)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(shù)據(jù)的監(jiān)測可以確保飛行軌跡的完整及統(tǒng)計(jì)信息的可靠。

1.3.2 數(shù)據(jù)庫訪問中間件

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

1.3.3 緩存機(jī)制

終端設(shè)備存儲在數(shù)據(jù)庫中的信息需要經(jīng)過分析計(jì)算才能得到用戶想要查看的數(shù)據(jù)。如果每次用戶查看數(shù)據(jù)時都要經(jīng)過計(jì)算的過程，必然會影響用戶訪問速度，降低用戶體驗(yàn)。因此，系統(tǒng)采用緩存機(jī)制，用戶首次訪問目標(biāo)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會將計(jì)算結(jié)果存儲在視圖；當(dāng)用戶進(jìn)行后續(xù)查看時，直接將計(jì)算結(jié)果展示給用戶，省去了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jié)合的方式確保數(shù)據(jù)的可靠性。飛機(jī)進(jìn)行飛防作業(yè)時，終端設(shè)備一方面將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回到服務(wù)器中，以便用戶可實(shí)時查看作業(yè)狀態(tài)；另一方面數(shù)據(jù)將被存儲在終端設(shè)備集成的本地存儲卡中，作業(yè)結(jié)束后將存儲卡中數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以確保因通信質(zhì)量問題引起的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。

1.3.5 用戶權(quán)限

多用戶管理的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可定制性。系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限默認(rèn)將用戶分為3個等級，分別對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶的需求定制服務(wù)。

1.4 關(guān)鍵算法

對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析主要包括兩個方面：一是對架次的統(tǒng)計(jì)，二是對作業(yè)面積的計(jì)量。

1.4.1 架次統(tǒng)計(jì)

對于架次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，需要考慮多個參數(shù)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(jì)算法流程圖Fig.3 Flow chart for statistical algorithm of sorties

開始架次和結(jié)束架次時對應(yīng)的時間即為架次起始時間。當(dāng)作業(yè)過程規(guī)范，數(shù)據(jù)正常時，此算法可保證準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；當(dāng)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(jì)結(jié)果更為準(zhǔn)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(jīng)過兩個約束條件的限制，會剔除掉統(tǒng)計(jì)結(jié)果中大部分異常值。

1.4.2 面積計(jì)量

對面積的計(jì)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(jié)束時間；v表示瞬時速度；m表示作業(yè)幅寬。

終端設(shè)備通過一定頻率對飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，獲取的數(shù)據(jù)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(jì)量面積，則

(4)

其中，vi表示i在時刻的速率；f表示終端設(shè)備的采樣頻率，即每f秒采集1次數(shù)據(jù)。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(yīng)用及示范

2.1 試驗(yàn)

選取2016年6月20號在山東黃島地區(qū)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，作業(yè)時飛機(jī)及噴霧器技術(shù)參數(shù)、氣象參數(shù)如表1、表2所示。

表1 飛機(jī)及噴霧器技術(shù)參數(shù)

表2 氣象參數(shù)

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(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 速度約束的架次統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diǎn)，對應(yīng)架次5和架次12；然而在高度曲線中這兩個時間點(diǎn)，對應(yīng)的飛機(jī)高度并沒有降低，因此該架次在統(tǒng)計(jì)中可視為無效架次。增加高度約束后得到的架次統(tǒng)計(jì)結(jié)果與作業(yè)時手工記錄的架次統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比如表4所示。

表4 架次統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比

續(xù)表4

從表4中可以看出:統(tǒng)計(jì)結(jié)果與人工記錄結(jié)果基本相符。試驗(yàn)表明，通過速度高度約束統(tǒng)計(jì)出的架次可以達(dá)到實(shí)用目的。

2.2 應(yīng)用示范

2015年，系統(tǒng)在全國進(jìn)行示范性應(yīng)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(jì)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(yīng)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(jié)論

系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)上采用多種方式來確保數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性，在統(tǒng)計(jì)架次和面積時考慮到了多種影響因素，且經(jīng)過了實(shí)踐的檢驗(yàn)，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(jù)。然而，系統(tǒng)也存在一些不足之處：統(tǒng)計(jì)架次面積算法雖與記錄結(jié)果基本相符，但不可避免地會產(chǎn)生誤差；尤其是當(dāng)作業(yè)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，統(tǒng)計(jì)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(zhì)量波動性大，如何確保數(shù)據(jù)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(xué)基金項(xiàng)目(6164032)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA101901)；北京科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展專項(xiàng)(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