“互聯網+林業”背景下智能飛防系統設計綜述

龍樹全 周文安 楊顯華 牛顥

摘要 針對當前有害生物飛機防治（以下簡稱飛防）作業，大多由第三方商飛公司承包實施，僅憑現場的林業監察人員進行肉眼觀測，面臨“看不到、聽不明、說不清、來不及、控不住”等問題，提出了一套基于實時數據采集、分析及遠程監管的智能飛防解決方案。該方案基于林區地圖進行飛防作業線路規劃、實時采集關鍵的作業參數（經緯度、航速、航高、噴灑狀態等）進行遠程監管、結合飛防數據開展作業后評估，構建飛防作業前、中、后的閉環管理體系，實現對飛防作業的全面、客觀和長效的監管效果。該方案具有很好的可移植性和適用性，與傳統管控方案相比，該方案能長期有效地保障飛防工作質量。

【關鍵詞】智能飛防 實時遠程監管 閉環管理

飛機防治是現代林業森林防治保護中一項重要的技術措施，在壓低蟲口密度、控制災害蔓延及減少災害損失等方面具有不可替代的作用，具有速度快、效率高、成本低、效果好的優點，是目前發達國家普遍采用的有效方法，己成為我國林業有害生物防治工作中不可或缺的重要手段。

以四川省林業飛防為例，四川省飛防區域計劃作業面積逐年增加，2016年的飛防區域包括成都、德陽、綿陽、廣元、南充、巴中、資陽、遂寧等市，計劃作業面積70余萬畝，再創全省歷史新高。

由于飛防作業的特殊性與復雜性，林業部門在執行飛防任務時面臨以下問題：

（1）缺少科學的規劃技術;飛機作業路線由林業人員憑經驗繪制，林帶施藥面積、施藥量、飛行架次、作業成本等數據憑經驗預估，致使存在較大的誤差，且無法電子化歸檔;

（2）部分林業站采用單機機載采集終端，利用GPS技術再現飛防作業航跡，屬于作業后離線分析數據;對不正確的飛機施藥線路只能事后糾正，無法對作業中出現的飛機空飛、漏噴、重噴、避讓區域噴灑等情況進行及時校正，損失亦無法補救。

（3）作業飛機升空后是否在約定的區域內作業、施藥軌跡的間距是否科學、施藥藥量是否均勻覆蓋等信息無法獲取，從而無法評價作業效果。

不同于已有的研究工作，本文的目的是設計一套涵蓋飛防作業前、中、后的閉環信息化集成解決方案，規范林業有害生物飛機防治作業，提高飛機防治質量和成效，加快推進飛機防治行業的有序健康發展。該方案具有部署方便，操作簡易的特點，有較強的可移植性和適用性。

1 系統組成

本文設計的集成解決方案，由三部分組成，分別為：機載系統、地面數據處理系統、中心軟件管理系統。

1.1 機載系統

機載系統核心為便攜終端一體機，負責實時采集作業過程中飛機的GPS位置數據、飛機航速、飛機航高、飛機航向、與噴灑狀態等數據，并將采集的數據進行處理計算（數據降噪、校驗并編碼）后由COM接口傳輸至無線數據傳輸終端。

該系統中，各傳感模塊實現把對應參數（GPS數值、航高、航速、航向、噴藥狀態等）轉換為電信號。由數據采集模塊把傳感器的電信號實現模數轉換，并進行計算。數據分析模塊解碼各類參數數據，提取有效信息，通過2.4G和串口方式進行數據傳輸。

數據采集模塊支持4類接口：

（1）傳感器接口：接收液體、粉末、電流等電信號信息;

（2） GPS天線接口：接收GPS定位信息;

（3） RS232串口：與電臺數據交互通訊，RS232電平，全雙工，波特率115200bps;

（4）無線2.4G接口：對接飛機通訊接口，支持802.llb/g/n，支持TCP/IP/UDP協議棧。

1.2 地面數據處理系統

地面數據處理系統負責接收機載系統產生時的實時數據：飛機GPS位置、飛機航速，航高、航向、噴灑狀態等數據。經設備身份認證后，將數據還原處理，交由飛防監控中心軟件平臺，并結合GIS系統，實時呈現飛機作業狀態。

為確保記錄完整的作業參數，并提高信息的存貯效率和數據的交換速率。系統采用變長的數據流格式，

系統中涉及的數據流格式：

（1）幀頭：由1-2個字節定義，例如OX5A， OX5A：

（2）消息體：根據設備標識、GPS數值、航速、航高、航向、噴灑狀態等參數定義字節長度;

（3）校驗碼：由1-2個字節定義，確保數據的準確性;

（4）結束幀：由1-2個字節定義，例如OXAA， OXAA;

1.3 中心軟件管理系統

軟件平臺遵循MVC模式，構建跨平臺的高性能Web系統，并采用INNODB存儲引擎，可以支撐多作業點的毫秒級實時跟蹤及交互。軟件管理系統提供：

飛防作業前：施藥軌跡規劃，（作業區塊、作業架次、飛機公司、飛機型號、藥物、避讓點等）基礎數據維護;

飛防作業中：結合GIS系統，實時呈現施藥軌跡及噴灑狀態，實時預警應避讓的禁飛區與障礙物。

飛防作業后：提供多維度的作業效果評估，形成作業報告;

2 軟件系統功能設計

2.1 作業規劃

根據本地林業有害生物發生情況、發生區、周邊環境以及人居、魚塘等因素，開展防治作業的規劃方案。規劃設計中包括作業時間和地點、作業范圍和面積、防治對象、藥劑種類和用量、飛機機型及有關要求、飛機起降點與飛行路線設置、飛防作業圖表以及保障措施等。

2.1.1 飛防計劃管理

包括計劃的作業時間、執飛機型、商飛公司名稱、使用藥劑、針對病蟲種類等數據管理;同時，根據該飛防計劃的作業面積，預估飛防作業的施藥量及飛行架次。

2.1.2 飛防作業區的禁飛區與障礙物的標注

對飛防作業區內的禁飛區和障礙物進行標注，提供點（高塔等單點障礙物）、線（高壓線等線狀障礙物）、面（水資源、生活區、養殖區等區域性禁飛區）的標注。同時設定障礙物對應的安全預警距離。為飛防作業中的實時安全預警提供數據支持。

2.1.3 飛防線路智能規劃與人工修正

系統根據最優路徑算法，基于作業區內林帶獲得最大的受藥面積、飛行作業安全、生態安全與飛行規范等要素自動生成飛防作業線路。同時，對線路提供人工修正的功能，使得規劃工作更靈活、便捷。

2.2 飛防作業實時監測跟蹤與預警

飛機駕駛員根據飛防區域作業圖和己規劃的施藥作業航線圖，確定飛機施藥飛行航線，以避免重噴和漏噴。系統實時對飛防作業的航跡開展跟蹤，監測噴灑狀態。

2.2.1 飛防作業軌跡實時跟蹤

根據實時采集的飛機GPS位置、飛機航速、飛機航向等飛行指標，對飛機的作業軌跡進行實時跟蹤;結合GIS系統（作業區矢量行政區域地圖）及氣象指標（氣溫、濕度、風速及風向等），實時呈現飛機的實際飛行軌跡、航速、航高及藥物噴灑狀態。

2.2.2 作業偏航預警

結合對作業區轄區范圍、規劃的航線路徑，若飛機在非作業區噴灑藥物、或嚴重偏離規劃路徑進行施藥作業，系統給予及時預警。

2.2.3作業中安全預警

結合己標注的高塔、高壓線、水資源區等信息，在飛機作業飛行過程中，其空間位置觸及預警閾值時，系統將自動預警，及時提醒執飛人員，避免事故的發生。

2.3 作業成果評估

2.3.1 飛機防治作業質量評估

根據飛行防治作業區面積大小、地形地貌、郁閉度和地被物等情況，采取重點檢查和普遍調查相結合的方法，從霧滴粒徑、霧滴密度、噴幅內霧滴均勻度、霧滴粒徑均勻度、畝用藥量、施藥覆蓋率、重復施藥占比率等維度評估飛防作業質量。

2.3.2 飛機防治作業效果評估

通過調查蟲口減退率、病情指數下降率確定防治效果。在實施飛防區域，分別選擇片林、林網、四旁等不同類型的林分作為樣地，每個類型選擇3-5個樣地，采用對角線或平行線法選取10-20株樣株，做好標記。在飛防前后，分別調查樣株的蟲口密度和病情指數，計算蟲口減退率和病情指數下降率。

3 結束語

本文針對當前飛防工作領域內，長期困擾林業監管人員的“說不清、來不及、看不到、聽不明、控不住”的工作難題，創新性提出了涵蓋飛防作業前、中、后的閉環管理體系的信息集成方案。該方案的實施能提高監管與指揮技術水平，實現全面、客觀、長效有效地保障飛防工作質量，形成科學的評估手段;同時可大幅度提高飛防安全，避免事故悲劇，值得在飛防領域開展推廣應用。

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