云南甘蔗產(chǎn)業(yè)智慧管理與生產(chǎn)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研發(fā)

馮 璐，李如丹，張躍彬，鄧 軍

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn) 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(chǎn)業(yè)成為云南省傳統(tǒng)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，也是高原特色農(nóng)業(yè)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(chǎn)糖量都位居全國第2。全省食糖產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的20%左右。全省16個州市中有10個州市49個縣產(chǎn)糖，蔗區(qū)多為沿邊少數(shù)民族地區(qū)，其中，34個是國家級貧困縣，21個是邊境縣，約150萬多農(nóng)戶、600多萬蔗農(nóng)種植甘蔗。甘蔗產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)邊疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收和地方財(cái)政增長中發(fā)揮著重要作用。

當(dāng)前云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展卻不理想，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國3大甘蔗主產(chǎn)區(qū)，廣西、云南、廣東甘蔗產(chǎn)量潛力分別為137.1、147.2、145.8 t/hm2，雖然云南具有最高的產(chǎn)量潛力，但目前單產(chǎn)最低，3省單產(chǎn)分別為74.2、62.0、78.3 t/hm2，分別實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量潛力的 54.1%、42.1%和53.7%[2]，由此可見，云南甘蔗產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)水平的落后，且伴隨著巨大的潛力。制約云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因在于：①地理?xiàng)l件：云南地處低緯高原，蔗區(qū)海拔、降雨量、日照時數(shù)等差異大，野生物種較多，是世界生產(chǎn)條件最復(fù)雜、災(zāi)害性天氣、病蟲害頻發(fā)的蔗區(qū)[3]；②生產(chǎn)技術(shù)：甘蔗品種更新慢、甘蔗種植技術(shù)落后、機(jī)械化水平低、蔗區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施落后[4]。由于以上原因，造成甘蔗生產(chǎn)成本過高，制糖綜合經(jīng)濟(jì)效益較差，使得甘蔗產(chǎn)業(yè)與糧食、香料等產(chǎn)業(yè)爭土地、爭勞力的矛盾中處于不利地位。部分地方由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，甘蔗種植面積逐年萎縮，全省制糖企業(yè)生產(chǎn)飽和度不足71%。同時，產(chǎn)業(yè)鏈延伸和深度資源綜合利用不足。

近年來，信息技術(shù)的推廣帶來新的生產(chǎn)、供應(yīng)和銷售方式[5]，因此，數(shù)據(jù)成為一種生產(chǎn)要素和創(chuàng)新引擎，在發(fā)展農(nóng)業(yè)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)過程中起著關(guān)鍵作用。國家明確提出了“要構(gòu)建以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素的數(shù)字經(jīng)濟(jì)”，云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)當(dāng)前面臨外部市場競爭激烈、消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及內(nèi)部生態(tài)環(huán)境保護(hù)、品質(zhì)品牌升級、自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高等挑戰(zhàn)[6]，迫切需要利用數(shù)字化技術(shù)更好地提升甘蔗產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營效率，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供數(shù)字化動能，促進(jìn)甘蔗產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、實(shí)現(xiàn)甘蔗產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級。云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展多年，形成了“云南甘蔗電腦專家栽培系統(tǒng)”“甘蔗原料高效管理系統(tǒng)”“甘蔗地理信息系統(tǒng)”“甘蔗種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”“甘蔗砍收輔助決策系統(tǒng)”“甘蔗品質(zhì)自動分析系統(tǒng)”等眾多信息化系統(tǒng)[7-9]。

從近年甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，這些信息化系統(tǒng)并未起到應(yīng)有的作用。制約云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展的問題有：①數(shù)據(jù)通用性差，碎片化嚴(yán)重。各系統(tǒng)使用不同的開發(fā)工具，所采集和處理的數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)存儲格式不同，不同系統(tǒng)間調(diào)用困難。部分系統(tǒng)開發(fā)年代久遠(yuǎn)且未做更新，所使用數(shù)據(jù)格式與目前主流軟件已不兼容。另外，各系統(tǒng)開發(fā)目的不同，因此，采集的數(shù)據(jù)各有不同，數(shù)據(jù)碎片化嚴(yán)重。碎片化的數(shù)據(jù)往往造成各系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)雖有大量交集，但由于可比性、完整性差等原因使得數(shù)據(jù)通用性差。②數(shù)據(jù)采集、共享困難。目前各信息化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)多采用技術(shù)員田間采集，手工電腦錄入，數(shù)據(jù)采集工作量大。由于上述甘蔗產(chǎn)業(yè)信息化系統(tǒng)多基于單機(jī)或局域網(wǎng)開發(fā)，因此，這些信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸和遠(yuǎn)程調(diào)閱，從而造成不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換困難。③數(shù)據(jù)處理深度不足。由于各信息化系統(tǒng)獨(dú)立開發(fā)，沒有明確的從屬關(guān)系，導(dǎo)致各系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)結(jié)果很難形成有效的數(shù)據(jù)加工鏈條，難以深度挖掘各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的潛力。

1 研發(fā)目標(biāo)

要解決上述問題，就需要從源頭上“一站式”解決甘蔗數(shù)據(jù)碎片化分散的現(xiàn)狀，利用云計(jì)算、衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等現(xiàn)代信息技術(shù)，建設(shè)甘蔗大數(shù)據(jù)，構(gòu)建甘蔗數(shù)據(jù)自動化采集監(jiān)測體系，通過數(shù)據(jù)應(yīng)用，服務(wù)政府監(jiān)管和蔗農(nóng)、糖廠、糖商生產(chǎn)經(jīng)營，促進(jìn)提升甘蔗產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和管理服務(wù)數(shù)字化水平，以數(shù)據(jù)作為產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)優(yōu)勢，助力甘蔗特色產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

新系統(tǒng)需要具備以下特征：①數(shù)據(jù)共享、實(shí)用易用。從全省甘蔗產(chǎn)業(yè)主管部門及產(chǎn)業(yè)主體的具體業(yè)務(wù)需求出發(fā)，解決目前數(shù)據(jù)采集、共享和分析應(yīng)用面臨的困難，提高信息管理和應(yīng)用水平。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中，充分考慮使用對象的特點(diǎn)，做到系統(tǒng)易用，數(shù)據(jù)采集處理流程操作簡單，易于維護(hù)，系統(tǒng)管理界面結(jié)構(gòu)合理、布局美觀、操作簡單、功能引導(dǎo)明確，易于維護(hù)。②運(yùn)行穩(wěn)定、安全保障。平臺能夠承受大數(shù)據(jù)量和大負(fù)荷的考驗(yàn)，兼顧各節(jié)點(diǎn)的平衡，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并有較強(qiáng)的容錯和出錯修復(fù)功能。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中充分考慮建立保障有力的安全體系，對數(shù)據(jù)流程的各個環(huán)節(jié)都要有相應(yīng)的安全保密機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的原始性和完整性，以及數(shù)據(jù)訪問和修改的可追蹤性。③技術(shù)領(lǐng)先、擴(kuò)展兼容。采用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建理念，創(chuàng)新數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)應(yīng)用方向。平臺建設(shè)應(yīng)采用業(yè)界成熟的應(yīng)用模式，能夠反映當(dāng)今先進(jìn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)水平及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平，并為今后平臺的發(fā)展打下基礎(chǔ)。平臺建設(shè)應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以滿足未來的業(yè)務(wù)發(fā)展需要。

2 智慧管理與生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺的構(gòu)建

甘蔗產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺包括數(shù)據(jù)資源庫、智慧生產(chǎn)、決策分析和信息服務(wù)門戶，簡單概括為1個數(shù)據(jù)資源庫、2大數(shù)字化應(yīng)用平臺、1個信息服務(wù)門戶。平臺整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 甘蔗大數(shù)據(jù)平臺整體技術(shù)架構(gòu)

2.1 甘蔗數(shù)據(jù)資源庫的構(gòu)建

甘蔗數(shù)據(jù)資源庫的主要功能為通過建立覆蓋區(qū)域全產(chǎn)業(yè)鏈的甘蔗數(shù)據(jù)采集指標(biāo)體系，提供甘蔗數(shù)據(jù)采集、管理服務(wù)功能，匯聚縣域已有的甘蔗信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時采集融合甘蔗種植物聯(lián)網(wǎng)(點(diǎn)數(shù)據(jù))、衛(wèi)星遙感(面數(shù)據(jù))等數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建甘蔗數(shù)據(jù)資源庫，為上層應(yīng)用提供豐富、準(zhǔn)確、動態(tài)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊提供接口數(shù)據(jù)采集等多種數(shù)據(jù)采集方式，包括空間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接口、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)采集功能，同時提供數(shù)據(jù)采集監(jiān)控服務(wù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接口的異常情況、數(shù)據(jù)量的情況、各類數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)等，確保數(shù)據(jù)的自動化采集。

數(shù)據(jù)資源庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫儲存蔗區(qū)甘蔗生產(chǎn)基本數(shù)據(jù)，包括地塊數(shù)據(jù)、蔗農(nóng)數(shù)據(jù)、蔗企數(shù)據(jù)等；專題數(shù)據(jù)庫中儲存病蟲害數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等專業(yè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理模塊的功能分為數(shù)據(jù)資源管理和安全管理子模塊。數(shù)據(jù)資源管理主要提供數(shù)據(jù)檢索和編輯功能，可提供對全庫甘蔗數(shù)據(jù)的查詢，支持按時間、數(shù)據(jù)類別、數(shù)據(jù)指標(biāo)等條件進(jìn)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(quán)限控制等功能。對大數(shù)據(jù)平臺的用戶進(jìn)行統(tǒng)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(quán)限控制，確保每個用戶精準(zhǔn)獲取權(quán)限范圍的功能和數(shù)據(jù)服務(wù)。備份管理子模塊支持自動備份全庫、增量數(shù)據(jù)，以及手動備份數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)備份日志，確保數(shù)據(jù)安全。

2.2 構(gòu)建智慧生產(chǎn)平臺的構(gòu)建

智慧生產(chǎn)平臺基于甘蔗數(shù)據(jù)資源庫構(gòu)建，整合多個小平臺的功能，目前上線運(yùn)行的有資源盤點(diǎn)、土壤養(yǎng)分、氣象服務(wù)模塊。

圖2所示為資源盤點(diǎn)功能界面，資源盤點(diǎn)模塊基于基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)根據(jù)行政區(qū)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(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提供甘蔗種植區(qū)域識別、甘蔗面積測算、基于GIS的甘蔗空間分布等數(shù)據(jù)服務(wù)。甘蔗管理者可以查看不同區(qū)域甘蔗面積分布，在種植資源基礎(chǔ)上做到精準(zhǔn)化、精細(xì)化監(jiān)管。

圖2 資源盤點(diǎn)界面

圖3所示為土壤養(yǎng)分模塊界面，該界面對接已有土壤數(shù)據(jù)庫，對全省甘蔗種植區(qū)域的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行時空化展示，結(jié)合甘蔗種植資源盤點(diǎn)，不同品種甘蔗對大量元素、中量元素、微量元素的養(yǎng)分的需求數(shù)據(jù)，提供不同區(qū)域、不同品種的土壤養(yǎng)分需求評價(jià)，可在種植規(guī)劃中為甘蔗適宜性和品質(zhì)評價(jià)提供基礎(chǔ)。此外，在甘蔗種植中，系統(tǒng)可通過土壤養(yǎng)分分析結(jié)果，給出甘蔗種植建議，如圖4所示。

圖3 土壤養(yǎng)分界面

圖4 土壤養(yǎng)分分析結(jié)果和種植建議

由此蔗農(nóng)可獲得施肥指導(dǎo)，從而有助于提高甘蔗產(chǎn) 量和質(zhì)量。

圖5 所示為氣象服務(wù)模塊界面，氣象服務(wù)模塊基于氣象數(shù)據(jù)庫，結(jié)合甘蔗生育期，開展氣象衛(wèi)星、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、地面氣象觀測數(shù)據(jù)等同化，為甘蔗種植區(qū)域提供高精度氣象服務(wù)，包括實(shí)時氣象、災(zāi)害預(yù)警和氣象預(yù)報(bào)3項(xiàng)服務(wù)，其中實(shí)時氣象內(nèi)容包括實(shí)時更新的氣溫、降水、風(fēng)力、濕度等數(shù)據(jù)。通過匯聚農(nóng)作物分布數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害數(shù)據(jù)，建立干旱、洪澇、低溫、暴雨等農(nóng)業(yè)重大自然災(zāi)害預(yù)警，并給出防災(zāi)建議，如圖6所示。同時氣象預(yù)報(bào)可提供未來7～14天氣象預(yù)報(bào)服務(wù)，包括降水、溫度、濕度等預(yù)報(bào)。系統(tǒng)可根據(jù)氣象預(yù)報(bào)結(jié)果，同時結(jié)合甘蔗生長周期，給出種植指導(dǎo)。結(jié)合土壤養(yǎng)分管理可實(shí)現(xiàn)智慧種植指導(dǎo)。

圖5 氣象服務(wù)界面

圖6 氣象災(zāi)害預(yù)警及當(dāng)前種植指導(dǎo)

2.3 決策分析平臺的構(gòu)建

決策分析平臺以甘蔗數(shù)據(jù)資源庫和智慧生產(chǎn)平臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析處理，得出結(jié)論作為決策依據(jù)，使政府部門和企業(yè)管理層由經(jīng)驗(yàn)決策轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)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(shù)據(jù)，提供全省主要糖廠的空間分布地圖，點(diǎn)擊單個糖廠位置區(qū)域，可同步展示該糖廠的屬性信息。并可根據(jù)糖廠分布行政區(qū)域、糖廠規(guī)模、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品類型、成立時間等屬性信息實(shí)現(xiàn)在線一鍵查詢、展示。

圖7 糖廠分布界面

本系統(tǒng)所示所有地圖都可以連續(xù)縮放，如圖8所示，地圖放大后結(jié)合衛(wèi)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(zhèn)分辨勞動力分布信息。另外，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，本系統(tǒng)可識別甘蔗種植區(qū)域并以淺綠色顯示于地圖上。對比遙感識別面積和傳統(tǒng)丈量面積可知，遙感識別精度達(dá)到96%以上，從而可實(shí)時動態(tài)地獲得甘蔗種植分布信息。這些信息可為甘蔗種植范圍規(guī)劃、糖廠選址規(guī)劃、種植砍運(yùn)作業(yè)等提供動態(tài)數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)智慧管理。

圖8 糖廠位置以及甘蔗種植分布

3 結(jié)語

本文所研發(fā)的系統(tǒng)可以有效解決制約云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)化發(fā)展的問題，本系統(tǒng)目前已上線運(yùn)行，可通過https://yngz.gagogroup.cn/地址訪問。本系統(tǒng)的上線運(yùn)行可極大地節(jié)約甘蔗產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)采集的成本，提高產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高和數(shù)據(jù)的深度處理，可為政府規(guī)劃、企業(yè)決策和蔗農(nóng)種植提供更及時、精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。如圖1所示，該系統(tǒng)部分功能模塊還未上線運(yùn)行，其中，有智慧種植平臺下的長勢檢測、病蟲害預(yù)警和物聯(lián)監(jiān)控模塊；決策分析平臺下的適宜性評價(jià)、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和境外種植檢測模塊。特別是針對蔗農(nóng)用戶開發(fā)的信息服務(wù)門戶模塊，由于蔗農(nóng)用戶中智能手機(jī)的普及率遠(yuǎn)高于電腦的普及率，因此需要開發(fā)面向蔗農(nóng)的手機(jī)系統(tǒng)終端。面向蔗農(nóng)的信息服務(wù)將包括行業(yè)熱點(diǎn)資訊、線上問診和線上培訓(xùn)服務(wù)，及時解決甘蔗種植中問題，保證強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。另外，

本系統(tǒng)對于蔗企的管理服務(wù)有待強(qiáng)化，前文提到我所曾開發(fā)“甘蔗原料高效管理系統(tǒng)”和“甘蔗品質(zhì)自動分析系統(tǒng)”等，今后這些系統(tǒng)模塊將進(jìn)行升級更新，并與新系統(tǒng)進(jìn)行整合，在增強(qiáng)系統(tǒng)功能的同時也使各模塊得到統(tǒng)一維護(hù)。各功能模塊上線后將大力推動云南省甘蔗產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，同時也可 以為其他省份農(nóng)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展提供借鑒。