云南甘蔗产业智慧管理与生产大数据系统的研发

冯 璐，李如丹，张跃彬，邓 军

(云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远 661699)

0 引言

云南省位于我国的西南面，滇南和滇西一带光照充足，冬季无霜或少霜，昼夜温差大，有利于甘蔗糖分积累[1]。因此，甘蔗产业成为云南省传统特色优势产业，也是高原特色农业的重要组成部分。云南省甘蔗种植面积28.7万hm2，种植面积及产糖量都位居全国第2。全省食糖产量约占全国产量的20%左右。全省16个州市中有10个州市49个县产糖，蔗区多为沿边少数民族地区，其中，34个是国家级贫困县，21个是边境县，约150万多农户、600多万蔗农种植甘蔗。甘蔗产业在促进边疆地区经济发展、农民增收和地方财政增长中发挥着重要作用。

当前云南省甘蔗产业发展却不理想，据统计，在我国3大甘蔗主产区，广西、云南、广东甘蔗产量潜力分别为137.1、147.2、145.8 t/hm2，虽然云南具有最高的产量潜力，但目前单产最低，3省单产分别为74.2、62.0、78.3 t/hm2，分别实现产量潜力的 54.1%、42.1%和53.7%[2]，由此可见，云南甘蔗产业生产水平的落后，且伴随着巨大的潜力。制约云南省甘蔗产业发展的主要原因在于：①地理条件：云南地处低纬高原，蔗区海拔、降雨量、日照时数等差异大，野生物种较多，是世界生产条件最复杂、灾害性天气、病虫害频发的蔗区[3]；②生产技术：甘蔗品种更新慢、甘蔗种植技术落后、机械化水平低、蔗区基础设施落后[4]。由于以上原因，造成甘蔗生产成本过高，制糖综合经济效益较差，使得甘蔗产业与粮食、香料等产业争土地、争劳力的矛盾中处于不利地位。部分地方由于产业结构调整，甘蔗种植面积逐年萎缩，全省制糖企业生产饱和度不足71%。同时，产业链延伸和深度资源综合利用不足。

近年来，信息技术的推广带来新的生产、供应和销售方式[5]，因此，数据成为一种生产要素和创新引擎，在发展农业、数字经济过程中起着关键作用。国家明确提出了“要构建以数据为关键要素的数字经济”，云南省甘蔗产业当前面临外部市场竞争激烈、消费结构调整，以及内部生态环境保护、品质品牌升级、自然灾害风险高等挑战[6]，迫切需要利用数字化技术更好地提升甘蔗产业的生产经营效率，为产业发展提供数字化动能，促进甘蔗产业提质增效、实现甘蔗产业数字化的转型升级。云南省甘蔗产业信息化发展多年，形成了“云南甘蔗电脑专家栽培系统”“甘蔗原料高效管理系统”“甘蔗地理信息系统”“甘蔗种质资源数据库系统”“甘蔗砍收辅助决策系统”“甘蔗品质自动分析系统”等众多信息化系统[7-9]。

从近年甘蔗产业发展来看，这些信息化系统并未起到应有的作用。制约云南省甘蔗产业数字化发展的问题有：①数据通用性差，碎片化严重。各系统使用不同的开发工具，所采集和处理的数据没有统一标准，使得数据存储格式不同，不同系统间调用困难。部分系统开发年代久远且未做更新，所使用数据格式与目前主流软件已不兼容。另外，各系统开发目的不同，因此，采集的数据各有不同，数据碎片化严重。碎片化的数据往往造成各系统所需的数据虽有大量交集，但由于可比性、完整性差等原因使得数据通用性差。②数据采集、共享困难。目前各信息化系统采集数据多采用技术员田间采集，手工电脑录入，数据采集工作量大。由于上述甘蔗产业信息化系统多基于单机或局域网开发，因此，这些信息化系统数据无法通过互联网传输和远程调阅，从而造成不同系统间数据交换困难。③数据处理深度不足。由于各信息化系统独立开发，没有明确的从属关系，导致各系统处理的数据结果很难形成有效的数据加工链条，难以深度挖掘各系统数据的潜力。

1 研发目标

要解决上述问题，就需要从源头上“一站式”解决甘蔗数据碎片化分散的现状，利用云计算、卫星遥感、物联网、区块链等现代信息技术，建设甘蔗大数据，构建甘蔗数据自动化采集监测体系，通过数据应用，服务政府监管和蔗农、糖厂、糖商生产经营，促进提升甘蔗产业生产经营和管理服务数字化水平，以数据作为产业先导优势，助力甘蔗特色产业实现转型升级。

新系统需要具备以下特征：①数据共享、实用易用。从全省甘蔗产业主管部门及产业主体的具体业务需求出发，解决目前数据采集、共享和分析应用面临的困难，提高信息管理和应用水平。在系统设计和实施中，充分考虑使用对象的特点，做到系统易用，数据采集处理流程操作简单，易于维护，系统管理界面结构合理、布局美观、操作简单、功能引导明确，易于维护。②运行稳定、安全保障。平台能够承受大数据量和大负荷的考验，兼顾各节点的平衡，保证系统运行的稳定性，并有较强的容错和出错修复功能。系统在设计中充分考虑建立保障有力的安全体系，对数据流程的各个环节都要有相应的安全保密机制，保证数据的原始性和完整性，以及数据访问和修改的可追踪性。③技术领先、扩展兼容。采用先进的大数据平台构建理念，创新数据采集方式和数据应用方向。平台建设应采用业界成熟的应用模式，能够反映当今先进的应用设计水平及物联网技术水平，并为今后平台的发展打下基础。平台建设应充分考虑到系统的可扩展性，以满足未来的业务发展需要。

2 智慧管理与生产大数据平台的构建

甘蔗产业大数据平台包括数据资源库、智慧生产、决策分析和信息服务门户，简单概括为1个数据资源库、2大数字化应用平台、1个信息服务门户。平台整体技术架构如图1所示：

图1 甘蔗大数据平台整体技术架构

2.1 甘蔗数据资源库的构建

甘蔗数据资源库的主要功能为通过建立覆盖区域全产业链的甘蔗数据采集指标体系，提供甘蔗数据采集、管理服务功能，汇聚县域已有的甘蔗信息化系统数据，同时采集融合甘蔗种植物联网(点数据)、卫星遥感(面数据)等数据资源，构建甘蔗数据资源库，为上层应用提供丰富、准确、动态的数据。

数据采集模块提供接口数据采集等多种数据采集方式，包括空间数据、数据接口、互联网数据、物联网数据、文件数据等数据采集功能，同时提供数据采集监控服务，监控数据接口的异常情况、数据量的情况、各类数据的采集状态等，确保数据的自动化采集。

数据资源库包括基础数据库和专题数据库。其中，基础数据库储存蔗区甘蔗生产基本数据，包括地块数据、蔗农数据、蔗企数据等；专题数据库中储存病虫害数据、土壤数据和气象数据等专业数据。

数据管理模块的功能分为数据资源管理和安全管理子模块。数据资源管理主要提供数据检索和编辑功能，可提供对全库甘蔗数据的查询，支持按时间、数据类别、数据指标等条件进行检索和编辑。安全管理模块又分为用户管理和备份管理，用户管理子模块提供用户管理、角色管理、权限控制等功能。对大数据平台的用户进行统一管理，提供用户的增删改查等基本功能，不同角色用户的功能模块权限控制，确保每个用户精准获取权限范围的功能和数据服务。备份管理子模块支持自动备份全库、增量数据，以及手动备份数据库，提供数据备份日志，确保数据安全。

2.2 构建智慧生产平台的构建

智慧生产平台基于甘蔗数据资源库构建，整合多个小平台的功能，目前上线运行的有资源盘点、土壤养分、气象服务模块。

图2所示为资源盘点功能界面，资源盘点模块基于基础资源库，提供基于GIS的全省村级尺度的甘蔗种植分布地图，包括种植面积、种植品种信息，可实现根据行政区划、海拔高度、种植品种、种植面积等信息的查询、展示与分析。此外，该模块可基于卫星遥感数据，提供甘蔗种植区域识别、甘蔗面积测算、基于GIS的甘蔗空间分布等数据服务。甘蔗管理者可以查看不同区域甘蔗面积分布，在种植资源基础上做到精准化、精细化监管。

图2 资源盘点界面

图3所示为土壤养分模块界面，该界面对接已有土壤数据库，对全省甘蔗种植区域的土壤养分数据进行时空化展示，结合甘蔗种植资源盘点，不同品种甘蔗对大量元素、中量元素、微量元素的养分的需求数据，提供不同区域、不同品种的土壤养分需求评价，可在种植规划中为甘蔗适宜性和品质评价提供基础。此外，在甘蔗种植中，系统可通过土壤养分分析结果，给出甘蔗种植建议，如图4所示。

图3 土壤养分界面

图4 土壤养分分析结果和种植建议

由此蔗农可获得施肥指导，从而有助于提高甘蔗产 量和质量。

图5 所示为气象服务模块界面，气象服务模块基于气象数据库，结合甘蔗生育期，开展气象卫星、气象预报数据、地面气象观测数据等同化，为甘蔗种植区域提供高精度气象服务，包括实时气象、灾害预警和气象预报3项服务，其中实时气象内容包括实时更新的气温、降水、风力、湿度等数据。通过汇聚农作物分布数据、气象站点数据、农业灾害数据，建立干旱、洪涝、低温、暴雨等农业重大自然灾害预警，并给出防灾建议，如图6所示。同时气象预报可提供未来7～14天气象预报服务，包括降水、温度、湿度等预报。系统可根据气象预报结果，同时结合甘蔗生长周期，给出种植指导。结合土壤养分管理可实现智慧种植指导。

图5 气象服务界面

图6 气象灾害预警及当前种植指导

2.3 决策分析平台的构建

决策分析平台以甘蔗数据资源库和智慧生产平台产生数据为基础，对基础数据结合专业数据进行深度分析处理，得出结论作为决策依据，使政府部门和企业管理层由经验决策转变为数据决策。分析决策平台目前上线糖厂选址模块。

图7所示为糖厂分布模块界面，该模块对接已有数据，提供全省主要糖厂的空间分布地图，点击单个糖厂位置区域，可同步展示该糖厂的属性信息。并可根据糖厂分布行政区域、糖厂规模、生产工艺、产品类型、成立时间等属性信息实现在线一键查询、展示。

图7 糖厂分布界面

本系统所示所有地图都可以连续缩放，如图8所示，地图放大后结合卫星照片可分辨所有地块的地形、地貌、交通、灌溉信息，并可通过附近的村镇分辨劳动力分布信息。另外，通过卫星遥感技术，本系统可识别甘蔗种植区域并以浅绿色显示于地图上。对比遥感识别面积和传统丈量面积可知，遥感识别精度达到96%以上，从而可实时动态地获得甘蔗种植分布信息。这些信息可为甘蔗种植范围规划、糖厂选址规划、种植砍运作业等提供动态数据支撑，从而实现智慧管理。

图8 糖厂位置以及甘蔗种植分布

3 结语

本文所研发的系统可以有效解决制约云南省甘蔗产业数据化发展的问题，本系统目前已上线运行，可通过https://yngz.gagogroup.cn/地址访问。本系统的上线运行可极大地节约甘蔗产业数据采集的成本，提高产业数据的准确性和实效性。产业数据质量的提高和数据的深度处理，可为政府规划、企业决策和蔗农种植提供更及时、精准数据支持。如图1所示，该系统部分功能模块还未上线运行，其中，有智慧种植平台下的长势检测、病虫害预警和物联监控模块；决策分析平台下的适宜性评价、种植结构调整和境外种植检测模块。特别是针对蔗农用户开发的信息服务门户模块，由于蔗农用户中智能手机的普及率远高于电脑的普及率，因此需要开发面向蔗农的手机系统终端。面向蔗农的信息服务将包括行业热点资讯、线上问诊和线上培训服务，及时解决甘蔗种植中问题，保证强化农业生产技术。另外，

本系统对于蔗企的管理服务有待强化，前文提到我所曾开发“甘蔗原料高效管理系统”和“甘蔗品质自动分析系统”等，今后这些系统模块将进行升级更新，并与新系统进行整合，在增强系统功能的同时也使各模块得到统一维护。各功能模块上线后将大力推动云南省甘蔗产业数字化的发展，同时也可 以为其他省份农业数字化的发展提供借鉴。