云南甘蔗產業智慧管理與生產大數據系統的研發

馮 璐，李如丹，張躍彬，鄧 軍

(云南省農業科學院甘蔗研究所，云南開遠 661699)

0 引言

云南省位于我國的西南面，滇南和滇西一帶光照充足，冬季無霜或少霜，晝夜溫差大，有利于甘蔗糖分積累[1]。因此，甘蔗產業成為云南省傳統特色優勢產業，也是高原特色農業的重要組成部分。云南省甘蔗種植面積28.7萬hm2，種植面積及產糖量都位居全國第2。全省食糖產量約占全國產量的20%左右。全省16個州市中有10個州市49個縣產糖，蔗區多為沿邊少數民族地區，其中，34個是國家級貧困縣，21個是邊境縣，約150萬多農戶、600多萬蔗農種植甘蔗。甘蔗產業在促進邊疆地區經濟發展、農民增收和地方財政增長中發揮著重要作用。

當前云南省甘蔗產業發展卻不理想，據統計，在我國3大甘蔗主產區，廣西、云南、廣東甘蔗產量潛力分別為137.1、147.2、145.8 t/hm2，雖然云南具有最高的產量潛力，但目前單產最低，3省單產分別為74.2、62.0、78.3 t/hm2，分別實現產量潛力的 54.1%、42.1%和53.7%[2]，由此可見，云南甘蔗產業生產水平的落后，且伴隨著巨大的潛力。制約云南省甘蔗產業發展的主要原因在于：①地理條件：云南地處低緯高原，蔗區海拔、降雨量、日照時數等差異大，野生物種較多，是世界生產條件最復雜、災害性天氣、病蟲害頻發的蔗區[3]；②生產技術：甘蔗品種更新慢、甘蔗種植技術落后、機械化水平低、蔗區基礎設施落后[4]。由于以上原因，造成甘蔗生產成本過高，制糖綜合經濟效益較差，使得甘蔗產業與糧食、香料等產業爭土地、爭勞力的矛盾中處于不利地位。部分地方由于產業結構調整，甘蔗種植面積逐年萎縮，全省制糖企業生產飽和度不足71%。同時，產業鏈延伸和深度資源綜合利用不足。

近年來，信息技術的推廣帶來新的生產、供應和銷售方式[5]，因此，數據成為一種生產要素和創新引擎，在發展農業、數字經濟過程中起著關鍵作用。國家明確提出了“要構建以數據為關鍵要素的數字經濟”，云南省甘蔗產業當前面臨外部市場競爭激烈、消費結構調整，以及內部生態環境保護、品質品牌升級、自然災害風險高等挑戰[6]，迫切需要利用數字化技術更好地提升甘蔗產業的生產經營效率，為產業發展提供數字化動能，促進甘蔗產業提質增效、實現甘蔗產業數字化的轉型升級。云南省甘蔗產業信息化發展多年，形成了“云南甘蔗電腦專家栽培系統”“甘蔗原料高效管理系統”“甘蔗地理信息系統”“甘蔗種質資源數據庫系統”“甘蔗砍收輔助決策系統”“甘蔗品質自動分析系統”等眾多信息化系統[7-9]。

從近年甘蔗產業發展來看，這些信息化系統并未起到應有的作用。制約云南省甘蔗產業數字化發展的問題有：①數據通用性差，碎片化嚴重。各系統使用不同的開發工具，所采集和處理的數據沒有統一標準，使得數據存儲格式不同，不同系統間調用困難。部分系統開發年代久遠且未做更新，所使用數據格式與目前主流軟件已不兼容。另外，各系統開發目的不同，因此，采集的數據各有不同，數據碎片化嚴重。碎片化的數據往往造成各系統所需的數據雖有大量交集，但由于可比性、完整性差等原因使得數據通用性差。②數據采集、共享困難。目前各信息化系統采集數據多采用技術員田間采集，手工電腦錄入，數據采集工作量大。由于上述甘蔗產業信息化系統多基于單機或局域網開發，因此，這些信息化系統數據無法通過互聯網傳輸和遠程調閱，從而造成不同系統間數據交換困難。③數據處理深度不足。由于各信息化系統獨立開發，沒有明確的從屬關系，導致各系統處理的數據結果很難形成有效的數據加工鏈條，難以深度挖掘各系統數據的潛力。

1 研發目標

要解決上述問題，就需要從源頭上“一站式”解決甘蔗數據碎片化分散的現狀，利用云計算、衛星遙感、物聯網、區塊鏈等現代信息技術，建設甘蔗大數據，構建甘蔗數據自動化采集監測體系，通過數據應用，服務政府監管和蔗農、糖廠、糖商生產經營，促進提升甘蔗產業生產經營和管理服務數字化水平，以數據作為產業先導優勢，助力甘蔗特色產業實現轉型升級。

新系統需要具備以下特征：①數據共享、實用易用。從全省甘蔗產業主管部門及產業主體的具體業務需求出發，解決目前數據采集、共享和分析應用面臨的困難，提高信息管理和應用水平。在系統設計和實施中，充分考慮使用對象的特點，做到系統易用，數據采集處理流程操作簡單，易于維護，系統管理界面結構合理、布局美觀、操作簡單、功能引導明確，易于維護。②運行穩定、安全保障。平臺能夠承受大數據量和大負荷的考驗，兼顧各節點的平衡，保證系統運行的穩定性，并有較強的容錯和出錯修復功能。系統在設計中充分考慮建立保障有力的安全體系，對數據流程的各個環節都要有相應的安全保密機制，保證數據的原始性和完整性，以及數據訪問和修改的可追蹤性。③技術領先、擴展兼容。采用先進的大數據平臺構建理念，創新數據采集方式和數據應用方向。平臺建設應采用業界成熟的應用模式，能夠反映當今先進的應用設計水平及物聯網技術水平，并為今后平臺的發展打下基礎。平臺建設應充分考慮到系統的可擴展性，以滿足未來的業務發展需要。

2 智慧管理與生產大數據平臺的構建

甘蔗產業大數據平臺包括數據資源庫、智慧生產、決策分析和信息服務門戶，簡單概括為1個數據資源庫、2大數字化應用平臺、1個信息服務門戶。平臺整體技術架構如圖1所示：

圖1 甘蔗大數據平臺整體技術架構

2.1 甘蔗數據資源庫的構建

甘蔗數據資源庫的主要功能為通過建立覆蓋區域全產業鏈的甘蔗數據采集指標體系，提供甘蔗數據采集、管理服務功能，匯聚縣域已有的甘蔗信息化系統數據，同時采集融合甘蔗種植物聯網(點數據)、衛星遙感(面數據)等數據資源，構建甘蔗數據資源庫，為上層應用提供豐富、準確、動態的數據。

數據采集模塊提供接口數據采集等多種數據采集方式，包括空間數據、數據接口、互聯網數據、物聯網數據、文件數據等數據采集功能，同時提供數據采集監控服務，監控數據接口的異常情況、數據量的情況、各類數據的采集狀態等，確保數據的自動化采集。

數據資源庫包括基礎數據庫和專題數據庫。其中，基礎數據庫儲存蔗區甘蔗生產基本數據，包括地塊數據、蔗農數據、蔗企數據等；專題數據庫中儲存病蟲害數據、土壤數據和氣象數據等專業數據。

數據管理模塊的功能分為數據資源管理和安全管理子模塊。數據資源管理主要提供數據檢索和編輯功能，可提供對全庫甘蔗數據的查詢，支持按時間、數據類別、數據指標等條件進行檢索和編輯。安全管理模塊又分為用戶管理和備份管理，用戶管理子模塊提供用戶管理、角色管理、權限控制等功能。對大數據平臺的用戶進行統一管理，提供用戶的增刪改查等基本功能，不同角色用戶的功能模塊權限控制，確保每個用戶精準獲取權限范圍的功能和數據服務。備份管理子模塊支持自動備份全庫、增量數據，以及手動備份數據庫，提供數據備份日志，確保數據安全。

2.2 構建智慧生產平臺的構建

智慧生產平臺基于甘蔗數據資源庫構建，整合多個小平臺的功能，目前上線運行的有資源盤點、土壤養分、氣象服務模塊。

圖2所示為資源盤點功能界面，資源盤點模塊基于基礎資源庫，提供基于GIS的全省村級尺度的甘蔗種植分布地圖，包括種植面積、種植品種信息，可實現根據行政區劃、海拔高度、種植品種、種植面積等信息的查詢、展示與分析。此外，該模塊可基于衛星遙感數據，提供甘蔗種植區域識別、甘蔗面積測算、基于GIS的甘蔗空間分布等數據服務。甘蔗管理者可以查看不同區域甘蔗面積分布，在種植資源基礎上做到精準化、精細化監管。

圖2 資源盤點界面

圖3所示為土壤養分模塊界面，該界面對接已有土壤數據庫，對全省甘蔗種植區域的土壤養分數據進行時空化展示，結合甘蔗種植資源盤點，不同品種甘蔗對大量元素、中量元素、微量元素的養分的需求數據，提供不同區域、不同品種的土壤養分需求評價，可在種植規劃中為甘蔗適宜性和品質評價提供基礎。此外，在甘蔗種植中，系統可通過土壤養分分析結果，給出甘蔗種植建議，如圖4所示。

圖3 土壤養分界面

圖4 土壤養分分析結果和種植建議

由此蔗農可獲得施肥指導，從而有助于提高甘蔗產 量和質量。

圖5 所示為氣象服務模塊界面，氣象服務模塊基于氣象數據庫，結合甘蔗生育期，開展氣象衛星、氣象預報數據、地面氣象觀測數據等同化，為甘蔗種植區域提供高精度氣象服務，包括實時氣象、災害預警和氣象預報3項服務，其中實時氣象內容包括實時更新的氣溫、降水、風力、濕度等數據。通過匯聚農作物分布數據、氣象站點數據、農業災害數據，建立干旱、洪澇、低溫、暴雨等農業重大自然災害預警，并給出防災建議，如圖6所示。同時氣象預報可提供未來7～14天氣象預報服務，包括降水、溫度、濕度等預報。系統可根據氣象預報結果，同時結合甘蔗生長周期，給出種植指導。結合土壤養分管理可實現智慧種植指導。

圖5 氣象服務界面

圖6 氣象災害預警及當前種植指導

2.3 決策分析平臺的構建

決策分析平臺以甘蔗數據資源庫和智慧生產平臺產生數據為基礎，對基礎數據結合專業數據進行深度分析處理，得出結論作為決策依據，使政府部門和企業管理層由經驗決策轉變為數據決策。分析決策平臺目前上線糖廠選址模塊。

圖7所示為糖廠分布模塊界面，該模塊對接已有數據，提供全省主要糖廠的空間分布地圖，點擊單個糖廠位置區域，可同步展示該糖廠的屬性信息。并可根據糖廠分布行政區域、糖廠規模、生產工藝、產品類型、成立時間等屬性信息實現在線一鍵查詢、展示。

圖7 糖廠分布界面

本系統所示所有地圖都可以連續縮放，如圖8所示，地圖放大后結合衛星照片可分辨所有地塊的地形、地貌、交通、灌溉信息，并可通過附近的村鎮分辨勞動力分布信息。另外，通過衛星遙感技術，本系統可識別甘蔗種植區域并以淺綠色顯示于地圖上。對比遙感識別面積和傳統丈量面積可知，遙感識別精度達到96%以上，從而可實時動態地獲得甘蔗種植分布信息。這些信息可為甘蔗種植范圍規劃、糖廠選址規劃、種植砍運作業等提供動態數據支撐，從而實現智慧管理。

圖8 糖廠位置以及甘蔗種植分布

3 結語

本文所研發的系統可以有效解決制約云南省甘蔗產業數據化發展的問題，本系統目前已上線運行，可通過https://yngz.gagogroup.cn/地址訪問。本系統的上線運行可極大地節約甘蔗產業數據采集的成本，提高產業數據的準確性和實效性。產業數據質量的提高和數據的深度處理，可為政府規劃、企業決策和蔗農種植提供更及時、精準數據支持。如圖1所示，該系統部分功能模塊還未上線運行，其中，有智慧種植平臺下的長勢檢測、病蟲害預警和物聯監控模塊；決策分析平臺下的適宜性評價、種植結構調整和境外種植檢測模塊。特別是針對蔗農用戶開發的信息服務門戶模塊，由于蔗農用戶中智能手機的普及率遠高于電腦的普及率，因此需要開發面向蔗農的手機系統終端。面向蔗農的信息服務將包括行業熱點資訊、線上問診和線上培訓服務，及時解決甘蔗種植中問題，保證強化農業生產技術。另外，

本系統對于蔗企的管理服務有待強化，前文提到我所曾開發“甘蔗原料高效管理系統”和“甘蔗品質自動分析系統”等，今后這些系統模塊將進行升級更新，并與新系統進行整合，在增強系統功能的同時也使各模塊得到統一維護。各功能模塊上線后將大力推動云南省甘蔗產業數字化的發展，同時也可 以為其他省份農業數字化的發展提供借鑒。