林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究

唐耀航 唐鈴第 張逢芳 梁永科 李爍泉　李　威　

林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究

唐耀航1,2唐鈴第1張逢芳3梁永科4李爍泉5李威6

（1.廣西科學(xué)院，廣西 南寧 530007；2.廣西科學(xué)技術(shù)期刊編輯學(xué)會(huì) 廣西 南寧 530015；3.桂林市科協(xié)，廣西 桂林 541199；4.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 崇左 532600；5.廣西億健智慧信息科技股份有限公司，廣西 南寧 530000；6.廣西梯度科技股份有限公司，廣西 南寧 530221）

為響應(yīng)國(guó)家無(wú)紙化辦公的號(hào)召，提升我國(guó)野外作業(yè)質(zhì)量，推進(jìn)林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究至關(guān)重要。目前我國(guó)的野外作業(yè)中信息化程度正處于不斷提升階段，工作數(shù)量巨大、效率有待提升。文章從系統(tǒng)的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)，通過(guò)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)推動(dòng)，完成環(huán)境與系統(tǒng)的功能結(jié)合。并在此基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)實(shí)地檢測(cè)的形式觀看系統(tǒng)平臺(tái)界面功能是否齊全，或是存在異常情況，進(jìn)而通過(guò)改進(jìn)使其使用價(jià)值不斷提升。

林外野外作業(yè)；數(shù)據(jù)采集；基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言

由于我國(guó)森林資源正處于不斷豐富的狀態(tài)，植被種類豐富，占地面積較廣，不同區(qū)域的地形情況也有較大差異。因此，林業(yè)資源數(shù)量巨大，數(shù)據(jù)繁多。目前，我國(guó)林業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集已經(jīng)從傳統(tǒng)的采集方式轉(zhuǎn)變成為無(wú)紙化采集，每次的野外作業(yè)展開(kāi)中，作業(yè)人員身上的記錄卡片需要保證其自身的充足性，相關(guān)人員將收集的收據(jù)記載入系統(tǒng)之中。該種記錄形式存在漏洞，二次記錄的情況時(shí)有出現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，存在調(diào)查數(shù)據(jù)難以保持精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量低、速度緩慢等問(wèn)題，對(duì)于之后的數(shù)據(jù)使用產(chǎn)生不利影響。因而，推進(jìn)林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)，全面展開(kāi)系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究就顯得非常必要。

1 林業(yè)野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)概述

目前，就國(guó)際上的林業(yè)野外作業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，林外作業(yè)的模式已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變，由單一的模式轉(zhuǎn)變成為綜合模式[1]。我國(guó)關(guān)于林業(yè)調(diào)查與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的信息產(chǎn)品的使用中，移動(dòng)式信息產(chǎn)品的使用在一段時(shí)間內(nèi)完成普及，該產(chǎn)品在之后也完成了后續(xù)的開(kāi)發(fā)，作為以采集信息為主的設(shè)備，使用對(duì)象具有一定的單一性。就該種狀態(tài)來(lái)說(shuō)，使用能力的開(kāi)發(fā)與拓展是當(dāng)前技術(shù)研究中不可忽視的部分，相關(guān)人員可以完全針對(duì)設(shè)備的軟件以及硬件功能展開(kāi)研究，在提升其通用能力時(shí)，保證其穩(wěn)定性，通過(guò)控制中實(shí)時(shí)交互，以及其它功能的補(bǔ)充提升野外作業(yè)的跟蹤功能，在林業(yè)信息化功能發(fā)展的技術(shù)上，使林業(yè)野外定位精準(zhǔn)性提升[2]。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性得以保證，將搜集到的信息保存至系統(tǒng)平臺(tái)之中，通過(guò)無(wú)線傳輸、智能化處理、個(gè)性化服務(wù)等保證信息的保存質(zhì)量，為其之后的發(fā)展提供建議。

2 林業(yè)野外作業(yè)設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)方案

2.1 信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

信息采集系統(tǒng)的建設(shè)之中，設(shè)計(jì)人員需要在系統(tǒng)構(gòu)成相關(guān)內(nèi)容加以重視，以通過(guò)多方因素的考慮，保證系統(tǒng)構(gòu)成的全面性，尤其是采集的終端、后端服務(wù)器等設(shè)計(jì)，都需要提起相應(yīng)的重視。采集的終端、后端服務(wù)器設(shè)計(jì)通過(guò)兩部分內(nèi)容構(gòu)成：采集終端在林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需求下，構(gòu)成了多個(gè)組成部分，在計(jì)算機(jī)自有的操作系統(tǒng)之中，通過(guò)設(shè)計(jì)完成通用軟件的開(kāi)發(fā)，其適用于我國(guó)的自然保護(hù)區(qū)，以為自然植被以及野生動(dòng)植物提供良好的生存環(huán)境；后端服務(wù)器的設(shè)計(jì)中，其主要是完成數(shù)據(jù)的信息收集與整理，在智能化系統(tǒng)的作用中，合成與其他信息的交換。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案具體如圖1所示。

圖1 林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

采集的終端硬件系統(tǒng)包含多個(gè)模塊功能，包含采集、定位、通信、存儲(chǔ)以及電源等。目前，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的林業(yè)野外作業(yè)中能夠基本滿足其需求[3]。

2.2 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能與環(huán)境結(jié)合

林業(yè)設(shè)計(jì)的工作展開(kāi)對(duì)象為林業(yè)部門(mén)，根據(jù)其需求展開(kāi)，有針對(duì)性地推動(dòng)設(shè)計(jì)研究工作，以一體化系統(tǒng)建設(shè)的形式，將滿足前端數(shù)據(jù)采集、后端智能化處理工作需求，并將其結(jié)合在一起，提升其附加功能[4]。數(shù)據(jù)采集開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能構(gòu)成及設(shè)備應(yīng)用如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能構(gòu)成及設(shè)備應(yīng)用

林業(yè)作業(yè)展開(kāi)的過(guò)程中，相關(guān)人員需要結(jié)合不同的作業(yè)對(duì)象運(yùn)行不同的數(shù)據(jù)采集軟件模塊，完成數(shù)據(jù)錄入工作[5]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在此過(guò)程中對(duì)實(shí)際的工作進(jìn)行推動(dòng)，或是利用短消息發(fā)送到相應(yīng)的移動(dòng)終端之中，為相關(guān)人員決策與實(shí)踐處理提供建議，進(jìn)而保證各個(gè)對(duì)象之間的信息聯(lián)動(dòng)，完成野外作業(yè)不同層次人員之間的互動(dòng)工作。具體工作內(nèi)容如圖2所示。

圖2 林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

3 林業(yè)野外作業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性模型研究

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的必要性

未定型作為系統(tǒng)運(yùn)行的根本內(nèi)容，是保證數(shù)據(jù)可靠性與有效性的主要條件。在進(jìn)行系統(tǒng)的綜合分析中，可通過(guò)測(cè)試查找影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關(guān)因素，保證系統(tǒng)在不同環(huán)境下運(yùn)行的質(zhì)量[6]。系統(tǒng)穩(wěn)定性研究包含內(nèi)容為：硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性模型建立

系統(tǒng)穩(wěn)定性的保證中，其具體可以從系統(tǒng)應(yīng)用的可靠度、可用度等方面完成研究工作，模型的建立公式為：

其中，S－系統(tǒng)穩(wěn)定性；R－系統(tǒng)可靠度；A－系統(tǒng)可用度。

就系統(tǒng)中個(gè)工鞥模塊的關(guān)系來(lái)說(shuō)建立系統(tǒng)可靠度的分析模型，可靠度會(huì)隨之變化，具體模型為：

此中，

R（t）－為不同單元系統(tǒng)的可靠性；n－多個(gè)串聯(lián)的單元系統(tǒng)；m－多個(gè)并聯(lián)單元系統(tǒng)；-表示第列單元系統(tǒng)；－表示第行單元系統(tǒng)。

此種狀態(tài)下，系統(tǒng)穩(wěn)定性模型公式如下所示：

4 林業(yè)野外作業(yè)平臺(tái)硬件系統(tǒng)可靠性研究

系統(tǒng)硬件的應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)平臺(tái)使用的穩(wěn)定性，不可修復(fù)理論為其提供相應(yīng)建議[7]。因此，為了保證不可修復(fù)理論的實(shí)際應(yīng)用，可以通過(guò)建模的形式確定系統(tǒng)可靠度的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體的模型如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)可靠度子模型

圖4 硬件系統(tǒng)可靠性模型框架

系統(tǒng)建設(shè)中，為保證各單元元器件的狀態(tài)，需要通過(guò)質(zhì)檢后方可投入實(shí)際的使用，其可靠性與穩(wěn)定性需要與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保持一致?tīng)顟B(tài)[8]。單元模塊的輸入中，電源電壓恒定在12 V之間，輸出的電壓為5 V與3.3 V。設(shè)置信水平為0.95。因此，其輸出的電壓置信區(qū)間分別為（4.75, 5.25）以及（3.14, 3.46），允許的誤差范圍值在（-0.25, 0.25）以及（-0.16, 0.16）。通過(guò)對(duì)于電源單元模塊進(jìn)行試驗(yàn)之后可知，在置信區(qū)間之間的實(shí)驗(yàn)次數(shù)在達(dá)到177后處于不變狀態(tài)，在得到電源可靠度的同時(shí)，顯示單元、傳輸單元、定位單元、存儲(chǔ)單元等根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果也隨即得出，模塊共分為四個(gè)區(qū)間，數(shù)值分別為：

相關(guān)人員將后端服務(wù)器數(shù)值調(diào)節(jié)，將可靠度數(shù)值控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之中[9]。經(jīng)可靠度分析可知硬件系統(tǒng)可靠度為：

5 林業(yè)野外作業(yè)平臺(tái)軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

軟件系統(tǒng)研究之中，穩(wěn)定性主要是指野外作業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在確保數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)耐瑫r(shí)，后天服務(wù)器自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的建設(shè)中，考慮采集終端軟件的功能開(kāi)發(fā)，包含初始化的相關(guān)功能、內(nèi)核鏡像文件的使用、設(shè)備加載與驅(qū)動(dòng)程序文件的配置等，以優(yōu)質(zhì)運(yùn)行保證軟件的安全與應(yīng)用。

（1）初始化硬件，在實(shí)際的操作中，相關(guān)硬件的操作主要包含其初始化的相關(guān)功能、內(nèi)核鏡像文件的使用、設(shè)備加載與驅(qū)動(dòng)程序文件的配置等，以提升最終的設(shè)備使用質(zhì)量。

（2）為保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，在軟件實(shí)際的應(yīng)用中，可以選擇相對(duì)穩(wěn)定的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)軟件陷阱的制造，保證在軟件在使用中存在相應(yīng)的提示功能，防止軟件漏洞對(duì)之后的工作造成影響[10]。

（3）目前軟件系統(tǒng)的使用價(jià)值受到多方面內(nèi)容的影響：軟件自啟動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與軟件運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）板級(jí)支持包在實(shí)際的應(yīng)用中，可以通過(guò)單元分析的形式投入使用，完成軟件的檢測(cè)工作，以固定次數(shù)的實(shí)驗(yàn)得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定單元實(shí)驗(yàn)的可靠度。

6 傳輸穩(wěn)定性研究

傳輸穩(wěn)定是在數(shù)據(jù)傳輸中是一切工作的關(guān)鍵內(nèi)容能夠保證數(shù)據(jù)在安全狀態(tài)下到達(dá)后端服務(wù)企業(yè)制定的終端。本系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)中，主要指通過(guò)IP的形式進(jìn)行應(yīng)用，利用定位技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡缆反蚶?。并在多種技術(shù)的支持下提升傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

（1）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的確定。通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)的情況確定，信道是否需要維修，以暫停服務(wù)維修的形式展開(kāi)，信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為R=-100 dBm，信道出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率為Be＞6.4%時(shí)，將服務(wù)暫停，完成維修之后，將傳輸服務(wù)進(jìn)行開(kāi)通。

（2）數(shù)據(jù)壓縮方面。在采集數(shù)據(jù)的過(guò)多的情況下，可以通過(guò)壓縮的形式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜嫘耘c效率。

（3）MD5數(shù)字標(biāo)簽較多方面，為保證數(shù)據(jù)在傳輸之中不被相關(guān)人員或機(jī)構(gòu)竊取，可通過(guò)相關(guān)技術(shù)完成加密工作，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的必要條件下，需要一個(gè)與其相契合的密鑰解鎖，之后提取有效信息。

（4）斷點(diǎn)續(xù)傳，為保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)異常的情況下持續(xù)傳輸，或是在恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)已傳輸?shù)牟糠植黄茡p，其故意經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，線路的傳輸只需要在信號(hào)恢復(fù)后從斷點(diǎn)繼續(xù)傳輸，即可提高傳輸效率。

7 實(shí)踐檢驗(yàn)林業(yè)野外作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定性狀態(tài)

數(shù)據(jù)的林業(yè)野外作業(yè)之中，作業(yè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)采集、古樹(shù)、名木等作業(yè)數(shù)據(jù)采集、野生動(dòng)物野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集、國(guó)各野外自然風(fēng)光等中得以利用，尤其是大量國(guó)家的森林公園建設(shè)中，野生動(dòng)物是數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象，在國(guó)家級(jí)森林公園的實(shí)驗(yàn)中，收集的數(shù)據(jù)會(huì)被納入數(shù)據(jù)庫(kù)之中，為之后的統(tǒng)一運(yùn)用做出準(zhǔn)備工作。

圖5 手持終端采集界面

具體的數(shù)據(jù)采集完成后，顯示在服務(wù)器界面，生成相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告單。經(jīng)相關(guān)單位調(diào)查的數(shù)據(jù)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，在獲取200組數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)效信息接收的共有4組，保存數(shù)據(jù)共有200組，最終得出的數(shù)據(jù)傳輸失敗率為2%，就數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器成功的時(shí)間間隔在40 s以內(nèi)，數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸穩(wěn)定性相對(duì)較高。經(jīng)上述數(shù)據(jù)計(jì)算后可知，系統(tǒng)的穩(wěn)定性為：

因此，林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)的收集在收集中，采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施應(yīng)可加快林業(yè)信息化建設(shè)，明確林業(yè)部門(mén)的具體需求，通過(guò)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，推廣硬件統(tǒng)一框架的應(yīng)用產(chǎn)品。在不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，可加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)組成部分的研究，其中：

（1）系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性相對(duì)較差，反映質(zhì)量佳，采集終端待機(jī)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，林業(yè)野外數(shù)據(jù)采集使用的需求可以滿足。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象多元化的條件下，平臺(tái)下不同系統(tǒng)應(yīng)用可以基本滿足林業(yè)不同類型與野外作業(yè)需求。

（3）采集數(shù)據(jù)相對(duì)較快的環(huán)境下，其安全性能夠得以保證，與此同時(shí)，其還可以提升野外作業(yè)中的各項(xiàng)結(jié)果與效率。

（4）野外作業(yè)的過(guò)程中，后臺(tái)的服務(wù)也應(yīng)實(shí)際的操作保持一致，通過(guò)信息的實(shí)時(shí)交互工作，及時(shí)處理并提供相應(yīng)的個(gè)性化的服務(wù)，在信息聯(lián)動(dòng)下，系統(tǒng)中管理和互動(dòng)的效果迅速提升。

（5）不同管理對(duì)象的野外作業(yè)需求之中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在多系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)中，使信息使用主體獲取信息的效率隨之提升。

在不同管理對(duì)象的野外現(xiàn)場(chǎng)操作需求中，林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的交互。以在多系統(tǒng)的信息互換與應(yīng)用中，提高信息用戶獲取信息的效率。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要針對(duì)林業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)展開(kāi)研究，以期在保證基礎(chǔ)平臺(tái)高質(zhì)量建設(shè)的狀態(tài)下，提升其使用的穩(wěn)定性能，保證最終數(shù)據(jù)的科學(xué)性與可實(shí)用性。因此，具體的研究從林業(yè)野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)概述展開(kāi)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性模型研究、平臺(tái)硬件系統(tǒng)可靠性研究、平臺(tái)軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性研究、傳輸穩(wěn)定性研究，最終得出實(shí)踐檢驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性狀態(tài)等相關(guān)信息，以期為之后的林業(yè)野外作業(yè)數(shù)據(jù)采集工作提供相關(guān)建議。

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Design and Stability Study of Basic Platform for Forestry Field Operation Data Acquisition System

In order to respond to the call of national paperless office, improve the quality of field operation in China, and promote the construction of data acquisition system for forestry field operation, the design and stability study of the system technology platform are very important. At present, the informatization degree of field operation in China is in the stage of continuous improvement, with a huge amount of work and efficiency needs to be improved. This paper starts from the overall mechanism design of the system, and completes the combination of environment and system functions through the promotion of system scheme design. On this basis, ensure the stability of the system, and observe whether the system platform interface functions are complete or there are abnormal conditions through on-the-spot inspection, so as to continuously improve its use value through improvement.

forestry field operation; data acquisition; foundation platform design

S771; TP319

A

1008-1151(2022)08-0004-04

2022-06-10

唐耀航，廣西南寧人，廣西科學(xué)院助理工程師，在讀碩士研究生，從事工業(yè)設(shè)計(jì)與管理工作。

唐鈴第，廣西南寧人，廣西科學(xué)院工程師，從事數(shù)字化管理工作。