CN111264496A - 一种植保机械精确施药智能决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种植保机械精确施药智能决策方法，它能实时集合影响施药质量的技术因素、器械因素和环境因素进行决策，为用户提供在各种因素组合下提供施药质量的数据，如雾滴体积中径、雾滴速度、农药雾滴顺风沉积量，为使用者选择适宜的施药条件提供参考数据，提高农药的药效、降低环境的污染。该方法使用的决策系统包括信息输入模块、专家施药决策模块、喷雾沉积预测模块，该方法包括以下步骤：通过信息输入模块输入喷头的型号、喷雾压力下及该喷雾压力的雾滴体积中径DV₅₀；专家施药决策模块根据输入的信息，决策生成雾滴速度；喷雾沉积预测模块根据雾滴速度、喷施高度、顺风距离和风速气象信息预测不同顺风距离下的雾滴沉积量。

Description

一种植保机械精确施药智能决策方法

技术领域

本发明涉及一种植保机械精确施药智能决策系统，属于农药精确使用领域。

背景技术

喷施农药能迅速有效地控制农林病虫害的爆发和蔓延，然而农药药液从喷雾机喷头喷射出去后，不可能完全按照操作者的意愿全部沉积到靶标植物上，而是雾滴通过空气输运分别沉积到靶标植物表面(叶片或其它部位)、地面(土壤表层)以及大气(随风飘移)。沉积到靶标植物表面(叶片或其它部位)的药剂被叶片吸收(如除草剂、杀菌剂)及在昆虫体内消化(如杀虫剂)，从而发挥药效；沉积到地面(土壤表层)的药剂通过降解消失部分药性，通过地表径流、排水系统影响着地表水，通过大孔隙流、渗透、淋溶等用药性影响着地下水，通过吸附滞留在土壤中；在大气中(随风飘移)的药剂随着蒸发影响着空气流失到土壤中的药液，通过对地表水的污染会直接破坏天然水产资源并影响饮用水的质量，进而威胁人类的健康。

农林施药过程是一个涉及到喷雾介质、喷施器械、施药技术和气象环境之间的互作效应等多方面因素的问题。施药质量包含了生物效果、作业效率、环境安全这三个方面的问题，只有这三个方面的问题都兼顾到了，才是实现了真正意义上的安全高效施药。因此，如何提高农药的利用率，以最少的化学农药使用量，获得最佳的病虫害防治效果，最大程度保护农田生态环境，显得尤为迫切。施药时，不仅要考虑对病虫害的致死效果，还要预测环境风险，评估农药施用对周围不同对象的影响。优化喷雾介质、喷施器械、施药技术和气象环境各个影响因素的配置，制定科学合理的农药喷施技术方案，对提高农药在农作物上的沉积量、降低农药在非靶标环境中的投放量具有重要意义。传统方法导致农民和从业者在喷施农药时仅能依靠经验盲目选择，难以达到科学合理环保施药的要求，这就需要一套在植物保护中应用的农药施用气象环境监控与植保机械共同协作、智能施药决策系统。

农药喷施效果和气象环境关系密切，风速对于病虫害防治效果有显著的影响，风速过高，会导致喷施的农药发生大比例的飘移，致使农药的浪费以及所喷农药的分布不均匀，加速药剂的挥发从而使药剂被吹走；风速太低，会使农药雾滴的沉积效率下降，使药剂的沉降延缓。

因此，施药过程中，应根据实际情况选择喷雾介质、喷施器械、施药技术和气象环境，达到大幅度减少农药用量的效果。我国的喷头生产厂家很多，然而，却没有统一规范的喷头技术手册和指导说明，导致农民和从业者在选用喷头时仅能依靠经验盲目选择，而无法根据防治靶标有害生物的特征、喷雾介质和气象环境精确选择产生不同雾滴粒径的喷头，也无法根据喷头、喷雾介质和气象环境等实际情况预测喷雾飘移影响的距离。农药施用过程具有变量多源、耦合性强、环境复杂等特点，因此常规的决策方法很难实现。

现有公开的专利，专利号201510709461.0，公开了一种农药喷洒的决策与控制系统的技术方案，但是仅能根据温度和降雨决策判断适宜的农药，忽视了风速在农药施用中的关键作用，无法实现根据风速决策是否施药，无法决策包含喷头的型号、喷雾介质、喷施高度、喷雾压力的喷雾器械和操作技术，无法在此基础上预测雾滴速度和雾滴体积中径值，也无法预测在当前植保机械作业情况、操作参数和气象环境参数下的农药雾滴顺风飘移的距离、喷雾隔离带、缓冲区、敏感区域的污染。

发明内容

本发明针对传统的植保机械施药过程中因盲目或依据经验确定喷雾参数，导致药物流失较多、农药使用效率低、环境污染严重等问题，以及现有技术或多或少的存在的忽视气象环境因素、无法预测环境污染和预防机制等缺陷，本发明专利提供一种植保机械精确施药智能决策系统，能实时集合影响施药质量的技术因素(包括喷头距离地面的高度、压力)、器械因素(喷头型号)和环境因素(风速)进行决策，为用户提供在各种因素组合下提供施药质量的数据，如雾滴体积中径、雾滴速度、农药雾滴顺风沉积量，为使用者选择适宜的施药条件提供参考数据，提高农药的药效、降低环境的污染。

本发明所述的植保机械精确施药智能决策方法，该方法使用的决策系统包括信息输入模块、专家施药决策模块、喷雾沉积预测模块，该方法包括以下步骤：

a.信息输入：通过信息输入模块输入喷头的型号、喷雾压力下及该喷雾压力的雾滴体积中径DV₅₀；

b.专家施药决策：专家施药决策模块根据输入的信息，决策生成雾滴速度；

c.喷雾沉积预测：喷雾沉积预测模块根据雾滴速度、喷施高度、顺风距离和风速气象信息预测不同顺风距离下的雾滴沉积量。

上述的植保机械精确施药智能决策方法，所述决策系统还包括环境污染评估模块，在步骤c之后还有：步骤d、环境污染评估：环境污染评估模块根据风速气象信息、不同顺风距离下的雾滴沉积量决定设置喷雾隔离带和/或缓冲区的宽度。

上述的植保机械精确施药智能决策方法，所述决策系统还存储有包括喷头型号、喷雾压力下及该喷雾压力的雾滴体积中径DV₅₀数据在内的植保机械雾化性能数据库模块；当进行步骤a后，将输入的信息与植保机械雾化性能数据库模块中存储的数据进行比对，如果两者不同，则将输入的信息作为新的数据存储到植保机械雾化性能数据库模块中。

上述的植保机械精确施药智能决策方法，步骤b中，各个自变量对于因变量雾滴速度的影响程度的回归模型为：

式中，V代表雾滴速度，单位m/s；

P代表喷雾压力，单位kPa

Dv₅₀代表雾滴体积中径，单位为μm。

上述的植保机械精确施药智能决策方法，步骤c中，不同顺风距离下的农药雾滴沉积量与相关因素的雾滴沉积回归模型为：

式中，d代表雾滴沉积量占喷施总量(喷头输出量)的百分比，单位％；

V代表雾滴速度，单位m/s；

h代表喷头距离地面的高度，单位m；

x代表顺风距离，单位m；

u代表风速，单位m/s。

上述的植保机械精确施药智能决策方法，喷头的型号包括：XR 11002延长范围扇形喷头、TT 11002广角扇形喷头、AI 110015、AI 11002气吸扇形喷头和TTI 11002涡流气吸型喷头。

本发明的有益效果：

(1)传统的植保机械施药时只能对单一的问题进行解决，但决策农药施用是一个多因素相互作用的复杂的综合问题，各因素之间还会有交互影响，本发明协调多因素后计算出影响施药效果的主要数据，辅助使用者决策出最佳的施药技术方案。

(2)传统的植保机械施药时信息时效性较差，信息的处理、分析、存储和展示效率较低、数据老化，不能及时更新、集成，本发明将信息输入模块、专家施药决策模块、喷雾沉积预测模块有机地统一在一起，辅以计算机系统实现，信息处理速度快。

(3)传统的植保机械施药时关于环境的危害评估较少，而施药不可避免的通过地表径流、排水系统、大孔隙流、渗透、淋溶、飘移、蒸发等影响环境，本发明可以风速气象信息、不同顺风距离下的雾滴沉积量等因素决定是否设置喷雾隔离带和/或缓冲区的宽度，以及喷雾隔离带和/或缓冲区的宽度，降低对环境造成污染的可能。

总之，本发明的植保机械精确施药智能决策系统解决了现有技术中存在问题，以大量采集的数据为基础，可通过传感器或网络通讯实时获取统计植保机械、环境状况和行业相关统计信息，把信息放入植保机械雾化性能数据库模块中，不会产生滞后和延迟，保证了数据的及时、有效、科学。本发明对各种技术因素与环境因素互作效应而出现的施药质量进行分析决策，对使用者选择的施药条件下的施药效果和环境效应进行评估，为用户提供在各种因素组合下提供施药质量的数据，为使用者选择适宜的施药条件提供参考数据。

附图说明

图1是雾滴速度测试系统示意图；

图2是雾滴沉积飘移测试系统原理图；

图3是标准化残差直方图；

图4是标准化残差等方差散点图；

图5是植保机械精确施药智能决策方法的流程图。

具体实施方式

1、雾滴沉积飘移测试

1.1测试方法

雾滴速度测试系统示意图如图1所示。喷雾沉积在风洞中进行，测试装置由开路式风洞、研究雾滴速度的二维PIV测试系统(参见图1，包括激光成像系统、脉冲发生器和数据分析软件)、雾滴沉积飘移工作区组成。

开路式风洞用来产生和控制气流，以模拟气体的流动并量度气流对施药过程的作用，风速最高可调节到300km/h(83m/s)，这样可以改变风速来研究真实施药条件下风速对于雾滴粒径和农药沉积飘移的影响。

参见图1所示的雾滴速度测试系统示意图。激光成像系统包括产生激光的激光发生器，通过光缆与激光发生器相连的激光散射器，摄像机、摄像机控制与存储单元等。存储在计算机中的数据分析软件为粒子图像测速软件(VidPIV 4.0)，通过它实时控制摄像机控制与存储单元实现数据采集、处理和图像显示并完成相关分析。

测试时，喷头被固定在距离风洞地面0.6m的中心位置，确定喷头方向垂直向下，所依据的原则是：喷雾羽流的长轴和风向是相互垂直的。

雾滴沉积由直径为2mm的聚乙烯收集线收集。在顺风方向，距离喷头2m的位置，由风洞地面向上0.1m到0.5m放置5根间隔为0.1m的收集线，距离地面最小为0.1m的设置避免了风的湍流和雾滴在地面的飞溅对收集线的污染，这些收集线用来检测穿过垂直平面的雾滴，分别命名为V₁、V₂、V₃、V₄和V₅。此外，沿水平方向在距离地面0.1m高的位置以1m的间隔距离分别放置5根收集线，来检测喷雾从2m到7m范围内的水平飘失，分别命名为H₁、H₂、H₃、H₄和H₅(其中，H₁即V₁)，雾滴沉积飘移测试系统原理如图2所示。

选用XR 11002延长范围扇形喷头、TT 11002广角扇形喷头、AI 110015、AI 11002气吸扇形喷头和TTI 11002涡流气吸型喷头在不同喷雾压力下进行测试。测试过程中室温恒定。

声波风速计被固定在喷头上方、水平逆风方向1m的位置处对风洞中的气流速度进行校准定标以获取风洞试验段的气流三维速度分布。风洞的地板覆盖人造草皮来减少液体的飞溅和雾滴接触地面后的反弹。

喷头的流量由电子计时器控制，确保每个测试的喷雾时间都固定地维持在10s。

选择Pyranine(品牌：D&C，颜色：绿色)荧光示踪剂与清水按照0.3g/L的比例配比后作为喷雾介质。

喷雾测试后，把收集线放置在塑料袋中，加入60mL的去离子水充分振荡洗涤，每次测试的洗脱液由校准过的荧光分析仪(品牌：Turner-Sequia，型号：450)测定荧光剂含量。每组试验重复3次，取其平均值作为最终数据。

喷雾过程中，雾滴飘移的总量用A_d来表示，则有

其中：n为收集线的数量，水平方向和垂直方向分别进行求和；

d_i为第i根收集线上荧光示踪剂的沉积，由荧光分析仪得到的读数是荧光示踪剂的浓度(μg/L)，浓度值乘以洗脱液体积(L)，得到了收集线上沉积的荧光示踪剂量，单位是微克(μg)；

s为收集线间的距离；

w为收集线的直径，本试验中收集线的直径是2mm。

T_a＝v×c (2)

其中：T_a为喷施的荧光示踪剂的总量(μg)；

v为喷雾体积(L)；

c为荧光示踪剂浓度(μg/L)。

其中：S_d为雾滴沉积量占喷施总量(喷头输出量)的百分比。

1.2结果与分析

通过对比测试气吸扇形喷头、广角扇形喷头、延长范围扇形喷头和涡流气吸型喷头等不同类型喷头之间的雾滴速度差异，得到表1所示的结果。

表1不同喷施压力下5种喷头的雾滴粒径和速度

根据各个自变量对于因变量雾滴速度的影响程度，建立线性回归模型为：

式中，V代表雾滴速度，单位m/s；

P代表喷雾压力，单位kPa

Dv₅₀代表雾滴体积中径，单位为μm。

对此多变量非线性回归方程拟合度进行检验，调整R²(调整的判定系数)分别为0.908，其拟合程度较好。对此回归模型拟合度进行检验，生成标准化残差的直方图(参见图3)，通过图形化的呈现来观测残差是否符合正态分布，图中加入正态曲线作为比较标准，可见该模型标准化残差的分布结果符合正态分布的假设，且残差值在标准差内，无极端值存在，符合回归分析中，残差项为正态分布的假设。

运用等方差散点图(参见图4)进行分析，纵坐标为标准化的残差值，横坐标为估计值，由横、纵坐标构成的点绝大多数落在(－2，2)的水平带状区间之中，且不带有任何系统趋势，完全随机地分布在该带状之中，再次验证了所建立的雾滴速度回归方程对样本数据的拟合较好。

不同顺风距离X下的雾滴沉积量占喷施总量(喷头输出量)的百分比与雾滴速度、喷头高度、风速扥因素的雾滴沉积回归模型为：

式中，d代表雾滴沉积量占喷施总量(喷头输出量)的百分比，单位％；

V代表雾滴速度，单位m/s；

h代表喷头距离地面的高度，单位m；

X代表顺风距离，单位m；

u代表风速，单位m/s；

2、植保机械精确施药智能决策方法

该植保机械精确施药智能决策系统，根据输入的信息和施药模型进行调用、比对、综合、分析后，输出雾滴速度、沿顺风方向喷雾沉积量、隔离带的建立位置、缓冲区的建立位置和敏感区域的范围。

植保机械雾化性能数据库系统：存储植保机械喷头型号、喷雾压力下雾滴体积中径等喷头雾化性能数据信息，方便调用和共享。

植保机械精确施药智能决策系统：根据风速气象信息，结合喷施器械的喷头性能、雾滴粒径等进行分析，输出决策分析结果。所述植保机械精确施药智能决策系统包括：

信息输入模块：用于输入喷头的型号、喷雾压力下的雾滴体积中径DV₅₀；

专家施药决策模块：用于根据输入的喷头的型号、喷雾压力下的雾滴体积中径DV₅₀(即通过信息输入模块的各参数)，决策生成雾滴速度；

喷雾沉积预测模块：用于预测在当前植保机械喷头情况、操作参数、喷施高度(距地面的距离)、顺风距离和风速气象信息下的雾滴沉积量。

环境污染评估模块：用于评估在当前植保机械喷头情况、操作参数和气象环境参数下的喷雾隔离带(施药区域与非施药区域的区域性的隔离以满足实际应用的需要)、缓冲区(在施药区地理空间目标的一种影响范围，具体指为了标识农药对周边地物的影响程度而在施药区周围按照一定宽度建立的带状多边形)，避免或减小农药喷施对于附近敏感植物(如果树等对农药残留要求较高的植物)、敏感区域(如饮用水源和鱼塘等)的污染。

具体地，所述植保机械精确施药智能决策系统对可以对喷头的型号、喷雾压力下的DV₅₀等雾滴体积中径值等喷头雾化性能进行汇总，并与专家施药决策模块内的数据进行比对、分析，方便用户针对不同施药目标进行选择，提高防治效果。

具体地，所述植保机械精确施药智能决策系统还可以对施药地点的风速气象信息进行汇总，并与专家施药决策模块内的数据进行比对、分析，预测农药雾滴顺风飘移的距离和雾滴沉积量，决定喷雾隔离带、缓冲区，避免或减小农药喷施对于附近敏感植物(如果树等对农药残留要求较高的植物)、敏感区域(如饮用水源和鱼塘等)的污染。

具体地，所述植保机械雾化性能数据库系统数据包括喷头的型号、喷雾压力下对应的DV₅₀雾滴体积中径值。

具体地，所述决策输出参数包括：雾滴速度、农药顺风飘移距离、应当设置的缓冲区位置、隔离带距离。

本发明提供一种植保机械精确施药智能决策系统，以求获得最好的施药效果和最小的环境代价，有助于实现施药作业和气象环境的优化配合、农药的精确高效安全使用和农林业的可持续发展。

下面以具体的实施例来说明。

参见图5，本实施例中，型号为XR11002的喷头在喷雾压力P为280kPa时，植保机械雾化性能数据库显示其雾滴体积中径Dv₅₀为215μm，代入本回归模型(4)得到：

经过回归模型计算，得到雾滴速度V＝20.30m/s；

将上式中计算得到的雾滴速度V＝20.30m/s代入雾滴沉积回归模型(5)，计算代表喷雾沉积占喷施总量的百分比，单位％；当喷头距离地面的高度h为0.5m，顺风距离X为2m，风速u为2.24m/s，经过计算得到：

因此，沿顺风方向与喷头之间水平距离为2m的喷雾沉积量为3.58％。

据此可确立建立敏感区域范围、缓冲区和隔离带。

Claims (6)

1.一种植保机械精确施药智能决策方法，该方法使用的决策系统包括信息输入模块、专家施药决策模块、喷雾沉积预测模块，其特征是：该方法包括以下步骤：

a.信息输入：通过信息输入模块输入喷头的型号、喷雾压力下及该喷雾压力的雾滴体积中径DV₅₀；

b.专家施药决策：专家施药决策模块根据输入的信息，决策生成雾滴速度；

c.喷雾沉积预测：喷雾沉积预测模块根据雾滴速度、喷施高度、顺风距离和风速气象信息预测不同顺风距离下的雾滴沉积量。

2.如权利要求1所述的植保机械精确施药智能决策方法，其特征是：所述决策系统还包括环境污染评估模块，在步骤c之后还有：步骤d、环境污染评估：环境污染评估模块根据风速气象信息、不同顺风距离下的雾滴沉积量决定设置喷雾隔离带和/或缓冲区的宽度。

3.如权利要求1所述的植保机械精确施药智能决策方法，其特征是：所述决策系统还包括存储有包括喷头的型号、喷雾压力下及该喷雾压力的雾滴体积中径DV₅₀数据在内的植保机械雾化性能数据库模块；当进行步骤a后，将输入的信息与植保机械雾化性能数据库模块中存储的数据进行比对，如果两者不同，则将输入的信息作为新的数据存储到植保机械雾化性能数据库模块中。

4.如权利要求1所述的植保机械精确施药智能决策方法，其特征是：步骤b中，各个自变量对于因变量雾滴速度的影响程度的回归模型为：

式中，V代表雾滴速度，单位m/s；

P代表喷雾压力，单位kPa

Dv₅₀代表雾滴体积中径，单位为μm。

5.如权利要求1所述的植保机械精确施药智能决策方法，其特征是：步骤c中，不同顺风距离下的农药雾滴沉积量与相关因素的雾滴沉积回归模型为：

式中，d代表雾滴沉积量占喷施总量(喷头输出量)的百分比，单位％；

V代表雾滴速度，单位m/s；

h代表喷头距离地面的高度，单位m；

x代表顺风距离，单位m；

u代表风速，单位m/s。

6.如权利要求1所述的植保机械精确施药智能决策方法，其特征是：喷头的型号包括：XR 11002延长范围扇形喷头、TT 11002广角扇形喷头、AI 110015、AI 11002气吸扇形喷头和TTI 11002涡流气吸型喷头。

Images