航空植保自动计量系统的设计与开发

张瑞瑞，王维佳，张明佳，陈立平

(国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097)



航空植保自动计量系统的设计与开发

张瑞瑞，王维佳，张明佳，陈立平

(国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097)

航空植保自动计量系统为监督、规范农业航空植保市场提供了有力保障。系统包括机载终端、数据管理及服务平台，通过监测多个指标来确保数据获取的准确性；开发了数据库访问中间件，提高了系统的可扩展性和可靠性；采用多指标约束的架次面积统计方法，提高了统计结果的真实性与可靠性；采用了缓存机制提高了系统的访问速度与稳定性；采用本地存储、云存储结合的方式确保数据的可靠性。试验结果表明：系统计量结果与实际数据误差在可控范围内。2015年，系统在全国多个省市进行了示范性应用，监管植保作业面积7.3万hm2多，作业里程2万km多，起落架次2 158次，系统稳定性高，统计结果较为准确，软件操作简单、明了，具有较大的推广价值。

农业装备；航空植保；自动计量；精准施药

0 引言

近年来，随着我国粮食安全、生态安全、绿色植保等领域的发展需求，国家对农业航空发展予以大力扶持[1]。由于没有准入门槛，航空植保市场鱼龙混杂，整体设备水平和技术手段较为落后，没有一套规范的法则及强有力的监管手段，导致作业时漏喷、重喷问题严重，达不到作业要求，不能起到防虫防害的效果，也没有科学的依据进行后期补喷作业，一旦出现问题，损失将是大面积的、不可估量的。

周志艳、郭永旺等[2-3]在分析了国内外农业航空植保的现状及前景中均提到了我国航空植保管理及后续跟踪监管方面的不足。美国等发达国家已经建立了完善的农业航空法律、法规来规范作业技术和管理作业质量[4-6]；美国的农用飞机都配备精密仪器和设备，用来分析施药作业情况[7-8]。吴崇友设计的农机车载智能终端及监管服务平台可监控农机设备当前在全国的分布情况及运行轨迹，并可进行异常预警[9-10]。王慧平基于WebGIS设计并实现了农机远程监管服务系统可实现对农机进行实时监管、轨迹回放和查看作业信息[11-12]。

我国在农用机械方面已经有了一定的发展，但专门针对农业航空开发的监管计量系统并不多，总体技术也不成熟。基于以上背景，设计开发了航空植保自动计量系统，通过分析植保作业数据，绘制了作业轨迹，并对架次、作业面积等参数进行统计计量，实现了对植保作业效果的初步评估。

1 系统设计

1.1 功能模块

系统通过监控植保飞机作业过程中的姿态和状态参数，实现对作业轨迹的查看，以及架次、作业面积的统计计量。系统从功能上可分为4个模块，如图1所示。

图1 功能模块Fig.1 Function modules

1.2 系统架构

计量系统有三大部分构成，包括机载终端设备、数据库管理系统和用户服务平台,如图2所示。

机载终端小巧轻便，集成了多种传感器，包括GPS模块、姿态传感器、流量传感器、压力传感器、高度计及通信模块[13-14]，可监测飞机的姿态、位置、高度，以及作业过程中的压力、流量等信息。数据库管理系统接收、存储、分析终端设备传回的数据。用户服务平台以界面友好的形式向用户展示需要查看的数据[15]。

图2 系统架构Fig.2 System architecture

1.3 系统特性

1.3.1 多指标监控

通过监测多个指标来确保数据获取的准确性。流量、压力监测确保作业-飞行状态的可靠性。高度、位置、速度等基本数据的监测可以确保飞行轨迹的完整及统计信息的可靠。

1.3.2 数据库访问中间件

终端设备、用户服务平台并不直接访问数据库，而是通过中间件来使用数据库，不仅方便了对数据的存储分析，更提高了系统的可扩展性，方便终端设备的更新升级及用户服务平台的多样性，如Web端访问、移动端访问等。

1.3.3 缓存机制

终端设备存储在数据库中的信息需要经过分析计算才能得到用户想要查看的数据。如果每次用户查看数据时都要经过计算的过程，必然会影响用户访问速度，降低用户体验。因此，系统采用缓存机制，用户首次访问目标数据时，系统会将计算结果存储在视图；当用户进行后续查看时，直接将计算结果展示给用户，省去了数据统计分析的过程，提高了用户浏览速度。

1.3.4 多源存储

系统采用本地存储、云存储结合的方式确保数据的可靠性。飞机进行飞防作业时，终端设备一方面将监测数据传回到服务器中，以便用户可实时查看作业状态；另一方面数据将被存储在终端设备集成的本地存储卡中，作业结束后将存储卡中数据与数据库中数据进行整理，以确保因通信质量问题引起的数据丢失现象，来保证系统数据的可靠性。

1.3.5 用户权限

多用户管理的方式实现系统的可定制性。系统根据用户权限默认将用户分为3个等级，分别对应不同的数据访问权限，系统也可以根据用户的需求定制服务。

1.4 关键算法

对数据的统计分析主要包括两个方面：一是对架次的统计，二是对作业面积的计量。

1.4.1 架次统计

对于架次的统计结果，需要考虑多个参数的影响，包括飞行高度、速度、位置及飞行时间。其采用的基本算法流程图如图3所示。

图3 架次统计算法流程图Fig.3 Flow chart for statistical algorithm of sorties

开始架次和结束架次时对应的时间即为架次起始时间。当作业过程规范，数据正常时，此算法可保证准确的统计结果；当作业过程并不规范时，需要增加一些约束条件，使得统计结果更为准确，则

T2-T1>Tlimit

(1)

Hmax>Hlimit

(2)

其中，Tlimit表示一个架次中最短作业时长；Hmax表示一个架次中的最高飞行高度；Hlimit表示一个架次中限定的最低作业高度。公式(1)表示一个架次中作业时长必须满足最短作业时长；公式(2)表示一个架次飞行的最高高度必须超过限定的最低高度。经过两个约束条件的限制，会剔除掉统计结果中大部分异常值。

1.4.2 面积计量

对面积的计量采用离散积分的形式，则

(3)

其中，S表示作业面积；t表示时间；t1表示积分开始时间；t2表示结束时间；v表示瞬时速度；m表示作业幅宽。

终端设备通过一定频率对飞机状态数据进行采样，获取的数据对于时间都是离散的，因此系统采用离散形式的积分来计量面积，则

(4)

其中，vi表示i在时刻的速率；f表示终端设备的采样频率，即每f秒采集1次数据。这样，通过公式(4)即可得到作业面积的近似值。

2 系统应用及示范

2.1 试验

选取2016年6月20号在山东黄岛地区的作业数据进行试验，作业时飞机及喷雾器技术参数、气象参数如表1、表2所示。

表1 飞机及喷雾器技术参数

表2 气象参数

系统描绘出的速度高度曲线如图4、图5所示。

图4 速度曲线Fig.4 Speed curve

图5 高度曲线Fig.5 Height curve

只通过约束速度条件得到的架次统计结果如表3所示。

表3 速度约束的架次统计结果

从图4、图5中可以看出：在12:20和13:50左右有两个速度突变的极值点，对应架次5和架次12；然而在高度曲线中这两个时间点，对应的飞机高度并没有降低，因此该架次在统计中可视为无效架次。增加高度约束后得到的架次统计结果与作业时手工记录的架次统计结果对比如表4所示。

表4 架次统计结果对比

续表4

从表4中可以看出:统计结果与人工记录结果基本相符。试验表明，通过速度高度约束统计出的架次可以达到实用目的。

2.2 应用示范

2015年，系统在全国进行示范性应用，包括山东省青岛市、黑龙江省五常市、辽宁省沈阳市、吉林省德惠市及安徽省铜陵市等，植保作业里程21 980km，统计作业面积7.3万hm2多，起落架次2 158次，得到了广泛肯定。应用示范现场如图6所示。

通过系统看到的飞行作业轨迹如图7所示。

3 结论

系统在总体设计上采用多种方式来确保数据的安全性和稳定性，在统计架次和面积时考虑到了多种影响因素，且经过了实践的检验，可为评估植保作业效果、规范航空植保市场提供有力依据。然而，系统也存在一些不足之处：统计架次面积算法虽与记录结果基本相符，但不可避免地会产生误差；尤其是当作业出现异常数据时，统计的正确性有待提高。另外，由于植保作业环境恶劣，通信质量波动性大，如何确保数据的可靠性获取也是有待考虑的重要问题。

[1] 张东彦，兰玉彬，陈立平，等.中国农业航空施药技术研究进展与展望[J].农业机械学报，2014，45(10)：53-59.

[2] 周志艳，臧英，罗锡文，等.中国农业航空植保产业技术创新发展战略[J].农 业 工 程 学 报，2013，29(24)：1-10.

[3] 郭永旺，袁会珠，何雄奎，等.我国农业航空植保发展概况与前景分析[J].中国植保导刊，2014，34(10)：78-82.

[4] 薛新宇，兰玉彬. 美国农业航空技术现状和发展趋势分析[J].农业机械学报，2013，44(5)：194-200.

[5] Kirk，Iva W. Measurement and predication of helicopter spray nozzle atomization[J]. Transactions of the AmericanSociety of Agricultural Engineers，2002，45(1)：27-37.

[6] Yubin L， Steven J T， Yanbo H， et al. Current status and future direction of precision aerial application for sitespecific management in the USA[J].Cumputers and Electronics in Agriculture，2010，74：34-38.

[7] Bill Kilroy. Aerial application equipment guide 2003[M]． Washington，D． C．: USDA Forest Service，2003:59-62，143-147.

[8] Kirk I W.Measurement and prediction of atomization parameters from fixed-wing aircraft spray nozzles[J].Transactions of the ASABE，2007，50(3):693-703.

[9] 吴崇友，钱国明，王素珍.农机车载智能终端及监管服务平台的设计探讨[J].中国农机化，2011(6)：110-113.

[10] 管继刚. 物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术，2010，6(3)：24-27.

[11] 王慧平.基于WebGIS的农机远程监管服务系统的设计与实现[D].北京：首都师范大学,2014.

[12] 徐莎，杨帆，徐昌庆.基于HTML5的WebGIS的研究与应用[J].信息技术, 2012(4):149-151.

[13] 何勇，聂鹏程，刘飞.农业物联网与传感仪器研究进展[J].农业机械学报，2013，44(10)：216-226.

[14] 14K Otoniel L，Miguel M R，Hector M，et al． Monitoring pest insect traps by means of low-power image sensor technologies[J]．Sensors，2012，12(11):15801-15819.

[15] 张小超，王一鸣，方宪法,等.精准农业的信息获取技术[J]. 农业机械学报，2002，33(6)：125-128.

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

北京市自然科学基金项目(6164032)；国家高技术研究发展计划项目(2012AA101901)；北京科技创新基地培育与发展专项(Z151100001615016)

张瑞瑞(1983-)，男，山东滨州人，助理研究员，博士，(E-mail)zhangrr@nercita.org.cn。

陈立平(1973-)，女，福建惠州人，研究员，(E-mail)chenlp@nercita.org.cn。

S251

A

1003-188X(2017)06-0101-05