“互聯(lián)網(wǎng)+林業(yè)”背景下智能飛防系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

龍樹全 周文安 楊顯華 牛顥

摘要 針對當(dāng)前有害生物飛機(jī)防治（以下簡稱飛防）作業(yè)，大多由第三方商飛公司承包實(shí)施，僅憑現(xiàn)場的林業(yè)監(jiān)察人員進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析及遠(yuǎn)程監(jiān)管的智能飛防解決方案。該方案基于林區(qū)地圖進(jìn)行飛防作業(yè)線路規(guī)劃、實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵的作業(yè)參數(shù)（經(jīng)緯度、航速、航高、噴灑狀態(tài)等）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管、結(jié)合飛防數(shù)據(jù)開展作業(yè)后評估，構(gòu)建飛防作業(yè)前、中、后的閉環(huán)管理體系，實(shí)現(xiàn)對飛防作業(yè)的全面、客觀和長效的監(jiān)管效果。該方案具有很好的可移植性和適用性，與傳統(tǒng)管控方案相比，該方案能長期有效地保障飛防工作質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】智能飛防 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)管 閉環(huán)管理

飛機(jī)防治是現(xiàn)代林業(yè)森林防治保護(hù)中一項(xiàng)重要的技術(shù)措施，在壓低蟲口密度、控制災(zāi)害蔓延及減少災(zāi)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(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)達(dá)國家普遍采用的有效方法，己成為我國林業(yè)有害生物防治工作中不可或缺的重要手段。

以四川省林業(yè)飛防為例，四川省飛防區(qū)域計(jì)劃作業(yè)面積逐年增加，2016年的飛防區(qū)域包括成都、德陽、綿陽、廣元、南充、巴中、資陽、遂寧等市，計(jì)劃作業(yè)面積70余萬畝，再創(chuàng)全省歷史新高。

由于飛防作業(yè)的特殊性與復(fù)雜性，林業(yè)部門在執(zhí)行飛防任務(wù)時(shí)面臨以下問題：

（1）缺少科學(xué)的規(guī)劃技術(shù);飛機(jī)作業(yè)路線由林業(yè)人員憑經(jīng)驗(yàn)繪制，林帶施藥面積、施藥量、飛行架次、作業(yè)成本等數(shù)據(jù)憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，致使存在較大的誤差，且無法電子化歸檔;

（2）部分林業(yè)站采用單機(jī)機(jī)載采集終端，利用GPS技術(shù)再現(xiàn)飛防作業(yè)航跡，屬于作業(yè)后離線分析數(shù)據(jù);對不正確的飛機(jī)施藥線路只能事后糾正，無法對作業(yè)中出現(xiàn)的飛機(jī)空飛、漏噴、重噴、避讓區(qū)域噴灑等情況進(jìn)行及時(shí)校正，損失亦無法補(bǔ)救。

（3）作業(yè)飛機(jī)升空后是否在約定的區(qū)域內(nèi)作業(yè)、施藥軌跡的間距是否科學(xué)、施藥藥量是否均勻覆蓋等信息無法獲取，從而無法評價(jià)作業(yè)效果。

不同于已有的研究工作，本文的目的是設(shè)計(jì)一套涵蓋飛防作業(yè)前、中、后的閉環(huán)信息化集成解決方案，規(guī)范林業(yè)有害生物飛機(jī)防治作業(yè)，提高飛機(jī)防治質(zhì)量和成效，加快推進(jìn)飛機(jī)防治行業(yè)的有序健康發(fā)展。該方案具有部署方便，操作簡易的特點(diǎn)，有較強(qiáng)的可移植性和適用性。

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的集成解決方案，由三部分組成，分別為：機(jī)載系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、中心軟件管理系統(tǒng)。

1.1 機(jī)載系統(tǒng)

機(jī)載系統(tǒng)核心為便攜終端一體機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集作業(yè)過程中飛機(jī)的GPS位置數(shù)據(jù)、飛機(jī)航速、飛機(jī)航高、飛機(jī)航向、與噴灑狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算（數(shù)據(jù)降噪、校驗(yàn)并編碼）后由COM接口傳輸至無線數(shù)據(jù)傳輸終端。

該系統(tǒng)中，各傳感模塊實(shí)現(xiàn)把對應(yīng)參數(shù)（GPS數(shù)值、航高、航速、航向、噴藥狀態(tài)等）轉(zhuǎn)換為電信號。由數(shù)據(jù)采集模塊把傳感器的電信號實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)分析模塊解碼各類參數(shù)數(shù)據(jù)，提取有效信息，通過2.4G和串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)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(tái)數(shù)據(jù)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(jī)通訊接口，支持802.llb/g/n，支持TCP/IP/UDP協(xié)議棧。

1.2 地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收機(jī)載系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：飛機(jī)GPS位置、飛機(jī)航速，航高、航向、噴灑狀態(tài)等數(shù)據(jù)。經(jīng)設(shè)備身份認(rèn)證后，將數(shù)據(jù)還原處理，交由飛防監(jiān)控中心軟件平臺(tái)，并結(jié)合GIS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛機(jī)作業(yè)狀態(tài)。

為確保記錄完整的作業(yè)參數(shù)，并提高信息的存貯效率和數(shù)據(jù)的交換速率。系統(tǒng)采用變長的數(shù)據(jù)流格式，

系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)流格式：

（1）幀頭：由1-2個(gè)字節(jié)定義，例如OX5A， OX5A：

（2）消息體：根據(jù)設(shè)備標(biāo)識(shí)、GPS數(shù)值、航速、航高、航向、噴灑狀態(tài)等參數(shù)定義字節(jié)長度;

（3）校驗(yàn)碼：由1-2個(gè)字節(jié)定義，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

（4）結(jié)束幀：由1-2個(gè)字節(jié)定義，例如OXAA， OXAA;

1.3 中心軟件管理系統(tǒng)

軟件平臺(tái)遵循MVC模式，構(gòu)建跨平臺(tái)的高性能Web系統(tǒng)，并采用INNODB存儲(chǔ)引擎，可以支撐多作業(yè)點(diǎn)的毫秒級實(shí)時(shí)跟蹤及交互。軟件管理系統(tǒng)提供：

飛防作業(yè)前：施藥軌跡規(guī)劃，（作業(yè)區(qū)塊、作業(yè)架次、飛機(jī)公司、飛機(jī)型號、藥物、避讓點(diǎn)等）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù);

飛防作業(yè)中：結(jié)合GIS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)施藥軌跡及噴灑狀態(tài)，實(shí)時(shí)預(yù)警應(yīng)避讓的禁飛區(qū)與障礙物。

飛防作業(yè)后：提供多維度的作業(yè)效果評估，形成作業(yè)報(bào)告;

2 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)規(guī)劃

根據(jù)本地林業(yè)有害生物發(fā)生情況、發(fā)生區(qū)、周邊環(huán)境以及人居、魚塘等因素，開展防治作業(yè)的規(guī)劃方案。規(guī)劃設(shè)計(jì)中包括作業(yè)時(shí)間和地點(diǎn)、作業(yè)范圍和面積、防治對象、藥劑種類和用量、飛機(jī)機(jī)型及有關(guān)要求、飛機(jī)起降點(diǎn)與飛行路線設(shè)置、飛防作業(yè)圖表以及保障措施等。

2.1.1 飛防計(jì)劃管理

包括計(jì)劃的作業(yè)時(shí)間、執(zhí)飛機(jī)型、商飛公司名稱、使用藥劑、針對病蟲種類等數(shù)據(jù)管理;同時(shí)，根據(jù)該飛防計(jì)劃的作業(yè)面積，預(yù)估飛防作業(yè)的施藥量及飛行架次。

2.1.2 飛防作業(yè)區(qū)的禁飛區(qū)與障礙物的標(biāo)注

對飛防作業(yè)區(qū)內(nèi)的禁飛區(qū)和障礙物進(jìn)行標(biāo)注，提供點(diǎn)（高塔等單點(diǎn)障礙物）、線（高壓線等線狀障礙物）、面（水資源、生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)等區(qū)域性禁飛區(qū)）的標(biāo)注。同時(shí)設(shè)定障礙物對應(yīng)的安全預(yù)警距離。為飛防作業(yè)中的實(shí)時(shí)安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.3 飛防線路智能規(guī)劃與人工修正

系統(tǒng)根據(jù)最優(yōu)路徑算法，基于作業(yè)區(qū)內(nèi)林帶獲得最大的受藥面積、飛行作業(yè)安全、生態(tài)安全與飛行規(guī)范等要素自動(dòng)生成飛防作業(yè)線路。同時(shí)，對線路提供人工修正的功能，使得規(guī)劃工作更靈活、便捷。

2.2 飛防作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測跟蹤與預(yù)警

飛機(jī)駕駛員根據(jù)飛防區(qū)域作業(yè)圖和己規(guī)劃的施藥作業(yè)航線圖，確定飛機(jī)施藥飛行航線，以避免重噴和漏噴。系統(tǒng)實(shí)時(shí)對飛防作業(yè)的航跡開展跟蹤，監(jiān)測噴灑狀態(tài)。

2.2.1 飛防作業(yè)軌跡實(shí)時(shí)跟蹤

根據(jù)實(shí)時(shí)采集的飛機(jī)GPS位置、飛機(jī)航速、飛機(jī)航向等飛行指標(biāo)，對飛機(jī)的作業(yè)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤;結(jié)合GIS系統(tǒng)（作業(yè)區(qū)矢量行政區(qū)域地圖）及氣象指標(biāo)（氣溫、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等），實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛機(jī)的實(shí)際飛行軌跡、航速、航高及藥物噴灑狀態(tài)。

2.2.2 作業(yè)偏航預(yù)警

結(jié)合對作業(yè)區(qū)轄區(qū)范圍、規(guī)劃的航線路徑，若飛機(jī)在非作業(yè)區(qū)噴灑藥物、或嚴(yán)重偏離規(guī)劃路徑進(jìn)行施藥作業(yè)，系統(tǒng)給予及時(shí)預(yù)警。

2.2.3作業(yè)中安全預(yù)警

結(jié)合己標(biāo)注的高塔、高壓線、水資源區(qū)等信息，在飛機(jī)作業(yè)飛行過程中，其空間位置觸及預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)預(yù)警，及時(shí)提醒執(zhí)飛人員，避免事故的發(fā)生。

2.3 作業(yè)成果評估

2.3.1 飛機(jī)防治作業(yè)質(zhì)量評估

根據(jù)飛行防治作業(yè)區(qū)面積大小、地形地貌、郁閉度和地被物等情況，采取重點(diǎn)檢查和普遍調(diào)查相結(jié)合的方法，從霧滴粒徑、霧滴密度、噴幅內(nèi)霧滴均勻度、霧滴粒徑均勻度、畝用藥量、施藥覆蓋率、重復(fù)施藥占比率等維度評估飛防作業(yè)質(zhì)量。

2.3.2 飛機(jī)防治作業(yè)效果評估

通過調(diào)查蟲口減退率、病情指數(shù)下降率確定防治效果。在實(shí)施飛防區(qū)域，分別選擇片林、林網(wǎng)、四旁等不同類型的林分作為樣地，每個(gè)類型選擇3-5個(gè)樣地，采用對角線或平行線法選取10-20株樣株，做好標(biāo)記。在飛防前后，分別調(diào)查樣株的蟲口密度和病情指數(shù)，計(jì)算蟲口減退率和病情指數(shù)下降率。

3 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前飛防工作領(lǐng)域內(nèi)，長期困擾林業(yè)監(jiān)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(chuàng)新性提出了涵蓋飛防作業(yè)前、中、后的閉環(huán)管理體系的信息集成方案。該方案的實(shí)施能提高監(jiān)管與指揮技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)全面、客觀、長效有效地保障飛防工作質(zhì)量，形成科學(xué)的評估手段;同時(shí)可大幅度提高飛防安全，避免事故悲劇，值得在飛防領(lǐng)域開展推廣應(yīng)用。

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