國內外智慧化農業機械裝備發展思考論文
國內外智慧化農業機械裝備發展思考論文
“智慧農業”是在“智慧地球”概念上衍生出來的，是農業發展的高階階段，目前尚未有統一定義，其基本內涵是整合物聯網、雲計算等資訊科技，實現農業生產環境的智慧感知、智慧預警、智慧分析、專家線上指導，為農業生產提供精準化種植、視覺化管理、智慧化決策等。智慧化農機裝備（目前一些省市農機管理部門稱為“智慧農機”）既是智慧農業的重要組成部分，也是發展智慧農業的重要物質手段。目前國內各省市都在積極推進“智慧農業”發展，然而國內現有各種農業機械在作業功能、效率和能源消耗等方面，不僅滯後於智慧農業發展的需要，也與發達國家水平存在巨大差距。因此，分析發達國家智慧化農機裝備的發展應用現狀，對國內農機企業提升改造現有農機裝備，研製開發高效、節能、環保等智慧化農機裝備，以及提高農機裝備的自動化、智慧化水平，實現農業機械作業的精確化與高效益，滿足智慧農業發展的需求等都具有重要意義。
1智慧化農機的內涵與優點
1.1智慧化農機的內涵
智慧化農機是指裝備有中央處理晶片（CPU）和各種各樣的感測器或無線通訊系統的現代化農機，其特點是加裝在農業機械上的微型計算機對感測器傳回的各種訊號進行邏輯運算、傳導、傳遞，進而在動態作業環境下發出適宜指令驅動農業機械來完成正確的動作，由此實現農業生產和管理的智慧化。智慧化農機所要達到的目的是實現工作效率化、作業標準化、農機舒適化、人機互動人性化、操作傻瓜化等。目前智慧化農業機械裝備已成為當今世界農業裝備發展的新潮流，是近幾年來國際上農業科學研究的熱點之一。
1.2智慧化農機的優點
智慧化農機是應用計算機技術、電控技術和人工智慧等技術裝備農業機械的高新技術產品，與傳統的功能性農機相比具有以下幾個方面優點：
（1）功能強大。智慧化農機由於裝備了智慧化控制系統，不但能完成傳統農機的耕作、收穫、灌溉和病蟲害防治等作業，還可進行土壤資訊採集、農作物產量資訊採集等工作，進而為精準農業的實施提供技術支撐。
（2）結構緊湊、通用性強。由於中央處理晶片的功能越來越強大，因此智慧化農機的結構變得更加緊湊、通用性更強。通常只需改變部分軟體，就能改變判斷基準，變更動作順序，以適應不同的作業環境及作業物件對作業機械的功能要求。
（3）勞動強度低、作業效率高。智慧化農機能根據作業的需求變化進行自動調整、控制，減少了許多人工操作，不僅降低了操作人員的勞動強度，而且還擁有很高的作業效率，一個人甚至可在辦公室內透過計算機同時控制幾臺智慧化農機完成不同的生產作業。
（4）安全性、可靠性高。智慧化農機裝有各種各樣的感測器用於監視作業環境和作業狀況，可根據作業環境和物件變化自動調整工作狀態，並始終處於良好的技術狀態下作業，加之具有自動保護功能，因而安全性和可靠性較傳統農機高。
（5）節能、環保。由於智慧化農機在良好的技術狀態下進行各種作業，加之其作業效率高，因而能耗較低；同時智慧化農機採用精準方式作業，不僅能大幅提高化肥和農藥的利用率，而且能減少兩者對農業生態環境的汙染，降低農產品中的農藥殘留。
2國內外智慧化農機的發展現狀
自20世紀90年代中期，美國將衛星導航系統安裝在農業機械上，從而開啟了農業機械高科技、高效能、智慧化的先河。目前歐、美、日等發達國家農業不僅已基本實現全面機械化，而且智慧化農機應用也具有相當高的水平。雖然近年來，國內智慧化農機有了較大發展，但總體上還處於研發階段，智慧化機具很少、智慧化程度低，與國外發達國家的差距還很大。
2.1智慧化動力機械
農業動力機械的智慧化包括農用拖拉機、大型自走式農機（聯合收穫機械、植保機械）在行走、操控、人機工程等方面的智慧化。利用GPS自動導航、影象識別技術、計算機匯流排通訊技術等汽車航天技術來提高機器的操控性、機動性和人員作業舒適性。在上述機械駕駛室中，都有一臺或數臺計算機，具有統一標準設計的介面，用於與不同型別的農機具配套使用。與傳統農機駕駛室中採用儀表盤顯示作業引數不同的是，智慧化農業動力機械安裝有資訊顯示終端的人機互動介面，透過螢幕選單操作者可任意選擇顯示機組中不同部分的終端資訊，呼叫資料庫資訊，顯示資料、圖形、語音等多媒體資訊。如美國研製成功一種鐳射拖拉機，利用鐳射導航裝置，不僅能夠精確地測定拖拉機所在位置及行駛方向，而且誤差不超過25cm；英國開發的帶有電子監測系統（EMS）的拖拉機具有故障診斷和工作狀態液晶顯示功能，透過EMS可嚴密地控制作業機具的耕作及播種的寬度、深度等。是德國的一款智慧化甜菜收穫機及其駕駛室內景。近年來，國內的福田、一拖等一些農機企業已意識到了農機“智慧化”研發的重要性，開始著手研發智慧化動力機械，並取得一定成效。據《中國農業機械化發展報告》顯示，在國產東方紅X￣804拖拉機上已經設計開發出載波相位差分全球定位系統（DGPS）自動導航控制系統，該系統使得拖拉機的自動化和智慧化水平大大提高，成功實現拖拉機的無人駕駛。
2.2智慧化作業機械
智慧化（有時亦稱變數）作業機械主要包括播種機、施肥機、整地機械、田間管理機等作業機具，其智慧化應用如鐳射平地、變數施肥與噴藥，以及機具作業狀態的監控、故障報警等。
（1）智慧化收穫機械。聯合收割機裝備有各種感測器和GPS定位系統，既可收穫各種糧食作物，又可實時測出作物的含水量、小區產量等技術引數，形成作物產量圖，為處方農作提供技術支撐。如美國衛西弗格森公司在聯合收割機上安裝了一種產量計量器，能在收割作物的同時，準確收集有關產量的資訊，並繪成小區的產量分佈圖，農場主可利用產量分佈圖確定下一季的種植計劃及種子、化肥和農藥在不同小區的使用量；日本研製的自動控制半喂入聯合收割機，其作業速度自動控制裝置可利用發動機的轉速檢測行進速度、收割狀態，透過變速機構，實現作業速度的自動控制，當喂入量過大時，作業速度會自動變慢。智慧化糧食收穫機械是當今國內智慧化農機裝備研究的重點和熱點，目前已研製開發出實用化的大型智慧化糧食收割機。如國機集團所屬的中國農機院研製出智慧型10kg/s通用性多功能穀物聯合收割機，創造了中國收割機最大喂入量記錄，並憑藉自動化、智慧化控制等先進技術，打破了國外技術壟斷和市場壟斷，可用於水稻、小麥、大豆等糧食作物收穫；福田雷沃創新研發的基於GPS定位系統的精準農業遠端資訊化服務系統，能夠對收割機故障進行遠端實時診斷，並能指導維修作業。
（2）智慧化噴藥機械。智慧化噴藥機械能提高農藥利用率，減少對土壤、水體、農作物的汙染，保護生態環境。如作為智慧農機領域中的引領者，美國約翰迪爾公司生產的自走式精確噴霧機具有靈活高效、作業精準等諸多優勢；德國推出的一種莠草識別噴霧器，在田間作業時能借助專門的電子感測器來區分莊稼和雜草，只有當發現莠草時才噴出除莠劑，除莠劑使用量只有常規機械的10%甚至更低，減少了對環境的汙染；俄羅斯研製的果園對靶噴霧機採用超聲波測定樹冠位置，實現對果樹樹冠的噴霧，大幅度減少或基本消除了農藥噴到非靶標植物上的可能性，節省農藥達50%，生產效率提高20%。國內對自動對靶噴霧等變數噴藥技術進行了較深入的研究，結合生產實際開發了相應的機具。如將紅外探測技術、自動控制技術應用於噴霧機上，研製出果園自動對靶噴霧機，較好地解決了現行果園病蟲害防治存在的農藥利用率低、汙染環境等問題。2012年作為智慧農機領域中的領導者，約翰迪爾4630自走式噴霧機在中國實現本土化生產，目前已廣泛地應用於國內玉米、棉花、高粱和甘蔗等高稈作物的大面積、高效率和精準植保作業。
（3）智慧化施肥機械。施肥機可以在施肥過程中，根據作物種類、土壤肥力、墒情等引數控制施肥量，提高肥料利用率。如美國Ag￣Chem儀器裝配公司生產的施肥系統可進行乾式或液態肥料的撒施，該系統透過電子地圖內疊存的資料庫處方，可同時分別對磷肥、鉀肥和石灰的施用量進行調整；日本久保田株式會社推出的農業服務支援系統“久保田智慧農業系統（KSAS）”，該系統的正式套餐中，聯合收割機搭載了與KSAS對應的感測器，插秧機附帶電動調節施肥量的功能，對應農機連動製作產量分析及施肥計劃。國內山東省農機科研院、福田雷沃國際重工股份有限公司等單位研製出“2BYFZ￣4型智慧玉米精密播種施肥機”，該機採用自主研發的種、肥專用感測器分別設計了種子檢測與自動補種系統、化肥檢測與自動疏通系統，以及基於CAN匯流排的專用控制器與觸控軟體系統等三個主要系統，其中前者能完成已播數、重播數、漏播數的計量和缺種、堵塞故障報警及自動補種，而後者能實現株距與施肥量的電動無級調節。
（4）智慧化灌溉機械。灌溉機械的智慧化不僅可大量節約用水，而且還能省工、省時。如美國瓦爾蒙特工業股份有限公司和ARS公司開發的智慧紅外溼度計，被安裝在農田灌溉系統後，可每6s讀取一次植物葉面溼度，當植物需水時，灌溉系統會及時透過計算機發出灌溉指令向農田中灌水；美國、以色列等國在大型平移式噴灌機械上加裝GPS定位系統，結合存放在地理資訊系統中的資訊和資料，透過處方實現農作物的人工變數灌溉。此外，目前發達國家已實現噴水和施肥、噴藥同步進行的一體化作業。國內將計算機與分佈於農田內的各種感測器，如土壤水吸力、管道壓力、流量、空氣溫度、空氣溼度、雨量、太陽輻射、氣壓等感測器進行相連，實現資料採集自動化，同時對採集到的各種資料資訊進行計算、分析，其結果不僅可作為確定精確的灌溉時間和最佳灌溉水量的依據，而且還可根據決策結果對灌溉裝置進行自動控制與監測。
（5）智慧化播種機械。智慧化播種機械能根據播種期田塊的土壤墒情、生產能力等條件的變化，精確調控播種機械的播種量、開溝深度、施肥量等作業引數。如美國依阿華州生產的“ACCU￣PLANT”的播種機控制系統可附加在各類播種機上，透過該系統調控播種機上的播種量計量裝置，實現不同地塊的播種量調整。另外，部分條播機還加裝了同時撒施肥料、殺蟲劑和除草劑的撒施裝置，將這些裝置的驅動機構與播種機計量裝置連結在一起，能實現撒施量與播種量大小的同步調整與變化。國內研製了基於全球定位技術(GPS)的智慧變數播種、施肥、旋耕複合機，並在一些農場投入使用。此類機械具有複式作業功能，可一次性完成耕整、播種、施肥等多種功能，適用於小麥、大豆、油菜等多種作物，並且操作簡便，透過電腦觸控式螢幕調控機具作業引數。
（6）智慧化設施農業裝備。目前歐美、日本等發達國家已形成溫室成套裝備，其溫室結構、環境控制設施裝置，以及室內作業機械裝備的製造技術都非常成熟，並向高度自動化、智慧化方向發展，並已建立不受或很少受自然影響的全新農業生產技術體系。如荷蘭的溫室能夠常年穩定地生產蔬菜和花卉，黃瓜、番茄等作物的產量可以達到40～50kg/m2；設施農業中的植物工廠（plantfactory）則完全擺脫了自然環境對植物生長的影響，其產量可達到常規栽培的幾十甚至上百倍，圖3為植物工廠的內部情況。國內許多機構利用計算機技術、感測器技術、通訊技術研製出溫室環境監測和自動控制系統，不僅可自動監測溫室內的氣候和土壤引數，而且還能自動控制溫室內配置的所有裝置的最佳化執行，如開窗、加溫、降溫、加溼、補光照、CO2補氣、灌溉施肥、環流通氣等；與此同時利用物聯網、網際網路、大資料和雲計算等先進技術，研製遠端監控系統，並能透過手機或計算機實現溫室視覺化遠端監控。圖4是基於物聯網的控制大棚。
（7）農業機器人。在先進發達國家，農業機器人在農業生產的許多領域得到發展和應用。如美國明尼蘇達州一家農業機械公司研究推出的施肥機器人（如圖5所示），會從不同土壤的實際情況出發，適量施肥；法國發明瞭專門服務於葡萄園的機器人，它幾乎能代替種植園工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、監控土壤和藤蔓的健康狀況等；美國波士頓研製出育苗機器人，工作人員只要在觸控式螢幕上設定地點引數，機器人就能感應盆栽，並自動把它們移動到目的.地；英國、日本研發了擠奶機器人，不僅能完成擠奶工作，還可在擠奶過程中檢測奶質；澳大利亞發明了一種像牧羊犬的機器人（如圖6所示），能在農場代替傳統的放牧勞力。國內農業機器人起步晚、底子薄、投資規模小、發展速度緩慢，目前仍處於理論研究時期，距離實際應用還有許多難題需要解決，與發達國家相比，在可靠性、精度和效率等方面差距很大。儘管如此，國內農業機器人的研究目前也已取得了一定的成果，如中國農大研製出蔬菜嫁接機器人，南京農業大學、上海交通大學、西北農林科技大學、陝西科技大學等高校已成功研製出採摘草莓、黃瓜、茄子、番茄等水果蔬菜的農業機器人和用於除草的農業機器人；但總體上處於研究試驗階段，進入實用化的農業機器人則很少。
2.3智慧化農機管理
農業機械效能發揮程度和使用率高低受許多條件限制，既受農機具的保有量、配置和狀態的制約，又受作物生長情況、氣候變化等因素影響。只有在一個農場或區域形成一個高效的農業生產管理網路，並實現農機具的智慧化管理，才能充分發揮各種農業機械的效率與作用。農機具管理智慧化包括機具配置、機具狀態監控、實時排程和維修保養的智慧化。如歐洲一些大農場已建立和使用農場辦公室計算機與移動作業機械間透過無線通訊進行資料交換的管理資訊系統，透過該系統不僅能夠制定詳細的農事操作方案和機械作業計劃，而且駕駛員還能根據作業機械顯示的相關資料，調整機械作業的負荷與速度，確保機組能在較佳的工況下執行，與此同時利用作業過程採集的資料，透過系統運算和處理，能夠實現如作業面積、耗油率、產量的計算、統計及友好的人機介面顯示等智慧化功能；日本洋馬株式會社的農機“智慧助手”，透過搭載在農業機械上的GPS天線和通訊終端，農機能夠自動傳送位置、運轉及保養方面的資訊，並每天自動生成作業報告，還可實現監視防盜、運轉狀況管理、保養服務、突發問題自動通知與迅速應對等方面的功能，該“智慧助手”不僅能自動支援農業機械作業，還可與第三方公司提供的農業雲應用程式“facefarm生產履歷”配合使用，進一步提高效率，目前“智慧助手”已在日本全國推廣應用。國內一些省份農機管理部門、高校與有關公司合作，利用“網際網路+”實現了農機智慧化管理。如寧波市農機總站與寧波移動合作建設“智慧農機”資訊服務平臺，該平臺整合了無線通訊、農機定位、地理資訊、計算機控制等先進技術，能實現農機定位、農機排程、農機作業面積統計計算等功能，通過幾年試點工作，現已取得較好成效；中國移動湖北公司為湖北省農機局研發了“農機寶”手機APP智慧應用系統，為全省農機手免費提供農機作業電召資訊、農機維修及加油站點位置服務等九大類手機智慧應用服務；浙江大學正呈科技有限公司與江蘇北斗衛星應用產業研究院聯合開發的“北斗農機作業精細化管理平臺”能為農機作業提供定位監控、指揮排程、面積統計、資訊管理等智慧化精細化管理服務，經浙江省一些縣市農機管理部門使用，反映效果好，目前已進入加快示範推廣階段。
3我國智慧化農機未來發展建議
加強以資訊化技術為先導的智慧化、自動化農機技術與裝備的研發製造，既是轉變農業生產方式的現實要求，也是農業現代化發展的客觀需要；因而國家非常重視智慧化農業機械裝備技術發展，“十二五”期間，國家不僅在《高階裝備製造業十二五發展規劃》《農機工業十二五發展規劃》要求重點發展農機自動化、資訊化和智慧化技術，以提高農機裝備的控制水平和智慧水平，而且啟動了當今農業裝備領域財政投入最大的國家863計劃專案“智慧化農機技術與裝備”重大專案。另外，還將農業機械列為智慧製造試點的十大領域之一。根據目前國內智慧化農業機械的研發、製造和應用現狀，應採取如下幾方面措施加快智慧化農業機械領域發展，以適應現代農業發展對先進適用農業機械的需要。
（1）積極營造發展智慧化農業機械的良好氛圍。目前國內對農機“智慧化”理解偏差較大，尤其是許多農機企業過於關注眼前利益，因而對發展智慧化農機並不完全認同。為此，需要強化宣傳，營造良好氛圍，提高對發展智慧化農機重要性的認知，使社會各界尤其是農機企業認識到中國農機走“智慧化”發展道路，既是我國從“農機大國”走向“農機強國”的必然選擇，也是由我國未來現代農業生產和新時代人群的需求所決定的。
（2）加強現有智慧化農業裝備成果轉化和示範推廣。“十二五”實施的國家863計劃專案“智慧化農機技術與裝備”重大專案，目前已在秧苗高速栽插與精密播種技術研究、瓜菜田間生產智慧化關鍵技術與裝備研究、茶園智慧化關鍵技術與裝備開發等方面取得了許多研究成果。為使上述智慧化農機技術與裝備對農業現代化的發展確實起到支撐作用，應加快建立若干以智慧化技術為引領的智慧農機裝備產業化示範基地，推進成果的轉化與應用。
（3）進一步加大對智慧化農機裝備領域的支援力度。我國地域遼闊，地理環境、農作物種類和種植制度的多樣性決定了對農業機械裝備需求的多樣性。雖然“十二五”期間在智慧化農機技術與裝備領域已取得了許多成果，但與國內農業生產和農業現代化發展對農業機械裝備的需求仍存在巨大差距；為此需要國家進一步加大扶持力度，按照《中國製造2025》重點領域技術路線圖中有關農業裝備的發展要求，加快農業生產中急需而短缺的智慧化農機裝備研發，同時加大智慧化農機裝備補貼與推廣力度，促進智慧化農機裝備研發與應用。
（4）加快構建智慧化農機裝備製造體系。過去10多年，我國農機裝備工業經歷了以粗放式為標誌的快速發展階段，未來10年我國農機裝備工業將進入以智慧化、自動化為標誌的集約化發展與製造業轉型升級階段。由於智慧化裝備與傳統裝備在製造體系方面有著巨大差異，因此要充分利用農業機械被列為智慧製造試點的有利時機，按照智慧製造試點示範所包含的智慧工廠、數字化車間、智慧裝備、智慧新業態、智慧化管理、智慧化服務等六個維度的要求來構建智慧化農機裝備製造體系，為智慧化農機發展提供支撐與保障。