國內外智能化農業(yè)機械裝備發(fā)展現狀

鄭文鐘

國內外智能化農業(yè)機械裝備發(fā)展現狀

鄭文鐘

“智慧農業(yè)”是在“智慧地球”概念上衍生出來的，是農業(yè)發(fā)展的高級階段，目前尚未有統一定義，其基本內涵是集成物聯網、云計算等信息技術，實現農業(yè)生產環(huán)境的智能感知、智能預警、智能分析、專家在線指導，為農業(yè)生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策等。智能化農機裝備（目前一些省市農機管理部門稱為“智慧農機”）既是智慧農業(yè)的重要組成部分，也是發(fā)展智慧農業(yè)的重要物質手段。目前國內各省市都在積極推進“智慧農業(yè)”發(fā)展，然而國內現有各種農業(yè)機械在作業(yè)功能、效率和能源消耗等方面，不僅滯后于智慧農業(yè)發(fā)展的需要，也與發(fā)達國家水平存在巨大差距。因此，分析發(fā)達國家智能化農機裝備的發(fā)展應用現狀，對國內農機企業(yè)提升改造現有農機裝備，研制開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保等智能化農機裝備，以及提高農機裝備的自動化、智能化水平，實現農業(yè)機械作業(yè)的精確化與高效益，滿足智慧農業(yè)發(fā)展的需求等都具有重要意義。

1 智能化農機的內涵與優(yōu)點

1.1 智能化農機的內涵

智能化農機是指裝備有中央處理芯片（CPU）和各種各樣的傳感器或無線通訊系統的現代化農機，其特點是加裝在農業(yè)機械上的微型計算機對傳感器傳回的各種信號進行邏輯運算、傳導、傳遞，進而在動態(tài)作業(yè)環(huán)境下發(fā)出適宜指令驅動農業(yè)機械來完成正確的動作，由此實現農業(yè)生產和管理的智能化。智能化農機所要達到的目的是實現工作效率化、作業(yè)標準化、農機舒適化、人機交互人性化、操作傻瓜化等。目前智能化農業(yè)機械裝備已成為當今世界農業(yè)裝備發(fā)展的新潮流，是近幾年來國際上農業(yè)科學研究的熱點之一。

1.2 智能化農機的優(yōu)點

智能化農機是應用計算機技術、電控技術和人工智能等技術裝備農業(yè)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(yōu)點：

（1）功能強大。智能化農機由于裝備了智能化控制系統，不但能完成傳統農機的耕作、收獲、灌溉和病蟲害防治等作業(yè)，還可進行土壤信息采集、農作物產量信息采集等工作，進而為精準農業(yè)的實施提供技術支撐。

（2）結構緊湊、通用性強。由于中央處理芯片的功能越來越強大，因此智能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件，就能改變判斷基準，變更動作順序，以適應不同的作業(yè)環(huán)境及作業(yè)對象對作業(yè)機械的功能要求。

（3）勞動強度低、作業(yè)效率高。智能化農機能根據作業(yè)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(yè)效率，一個人甚至可在辦公室內通過計算機同時控制幾臺智能化農機完成不同的生產作業(yè)。

（4）安全性、可靠性高。智能化農機裝有各種各樣的傳感器用于監(jiān)視作業(yè)環(huán)境和作業(yè)狀況，可根據作業(yè)環(huán)境和對象變化自動調整工作狀態(tài)，并始終處于良好的技術狀態(tài)下作業(yè)，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(jié)能、環(huán)保。由于智能化農機在良好的技術狀態(tài)下進行各種作業(yè)，加之其作業(yè)效率高，因而能耗較低；同時智能化農機采用精準方式作業(yè)，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(yè)生態(tài)環(huán)境的污染，降低農產品中的農藥殘留。

2 國內外智能化農機的發(fā)展現狀

自20世紀90年代中期，美國將衛(wèi)星導航系統安裝在農業(yè)機械上，從而開啟了農業(yè)機械高科技、高性能、智能化的先河。目前歐、美、日等發(fā)達國家農業(yè)不僅已基本實現全面機械化，而且智能化農機應用也具有相當高的水平。雖然近年來，國內智能化農機有了較大發(fā)展，但總體上還處于研發(fā)階段，智能化機具很少、智能化程度低，與國外發(fā)達國家的差距還很大。

2.1 智能化動力機械

農業(yè)動力機械的智能化包括農用拖拉機、大型自走式農機（聯合收獲機械、植保機械）在行走、操控、人機工程等方面的智能化。利用GPS自動導航、圖像識別技術、計算機總線通信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(yè)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接口，用于與不同類型的農機具配套使用。與傳統農機駕駛室中采用儀表盤顯示作業(yè)參數不同的是，智能化農業(yè)動力機械安裝有信息顯示終端的人機交互界面，通過屏幕菜單操作者可任意選擇顯示機組中不同部分的終端信息，調用數據庫信息，顯示數據、圖形、語音等多媒體信息。如美國研制成功一種激光拖拉機，利用激光導航裝置，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25 cm；英國開發(fā)的帶有電子監(jiān)測系統（EMS）的拖拉機具有故障診斷和工作狀態(tài)液晶顯示功能，通過EMS可嚴密地控制作業(yè)機具的耕作及播種的寬度、深度等。圖1是德國的一款智能化甜菜收獲機及其駕駛室內景。

圖1 德國智能化甜菜收獲機及其駕駛室內景

近年來，國內的福田、一拖等一些農機企業(yè)已意識到了農機“智能化”研發(fā)的重要性，開始著手研發(fā)智能化動力機械，并取得一定成效。據《中國農業(yè)機械化發(fā)展報告》顯示，在國產東方紅X-804拖拉機上已經設計開發(fā)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能化水平大大提高，成功實現拖拉機的無人駕駛。

LAS方法以當前設計點附近區(qū)域的樣本為序列樣本對Kriging近似進行更新，因此隨著優(yōu)化迭代的進行，Kriging近似的精度不斷提高。由圖6c可以看出，局部自適應采樣窗口逐步逼近可靠性設計優(yōu)化最優(yōu)解，且最優(yōu)解附近的極限狀態(tài)約束邊界能夠被Kriging近似準確擬合。

2.2 智能化作業(yè)機械

智能化（有時亦稱變量）作業(yè)機械主要包括播種機、施肥機、整地機械、田間管理機等作業(yè)機具，其智能化應用如激光平地、變量施肥與噴藥，以及機具作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控、故障報警等。

（1）智能化收獲機械。聯合收割機裝備有各種傳感器和GPS定位系統，既可收獲各種糧食作物，又可實時測出作物的含水量、小區(qū)產量等技術參數，形成作物產量圖，為處方農作提供技術支撐。如美國衛(wèi)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信息，并繪成小區(qū)的產量分布圖，農場主可利用產量分布圖確定下一季的種植計劃及種子、化肥和農藥在不同小區(qū)的使用量；日本研制的自動控制半喂入聯合收割機，其作業(yè)速度自動控制裝置可利用發(fā)動機的轉速檢測行進速度、收割狀態(tài)，通過變速機構，實現作業(yè)速度的自動控制，當喂入量過大時，作業(yè)速度會自動變慢。

智能化糧食收獲機械是當今國內智能化農機裝備研究的重點和熱點，目前已研制開發(fā)出實用化的大型智能化糧食收割機。如國機集團所屬的中國農機院研制出智能型10 kg/s通用性多功能谷物聯合收割機，創(chuàng)造了中國收割機最大喂入量記錄，并憑借自動化、智能化控制等先進技術，打破了國外技術壟斷和市場壟斷，可用于水稻、小麥、大豆等糧食作物收獲；福田雷沃創(chuàng)新研發(fā)的基于GPS定位系統的精準農業(yè)遠程信息化服務系統，能夠對收割機故障進行遠程實時診斷，并能指導維修作業(yè)。

（2）智能化噴藥機械。智能化噴藥機械能提高農藥利用率，減少對土壤、水體、農作物的污染，保護生態(tài)環(huán)境。如作為智能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(yè)精準等諸多優(yōu)勢；德國推出的一種莠草識別噴霧器，在田間作業(yè)時能借助專門的電子傳感器來區(qū)分莊稼和雜草，只有當發(fā)現莠草時才噴出除莠劑，除莠劑使用量只有常規(guī)機械的10%甚至更低，減少了對環(huán)境的污染；俄羅斯研制的果園對靶噴霧機采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(jié)省農藥達50%，生產效率提高20%。

國內對自動對靶噴霧等變量噴藥技術進行了較深入的研究，結合生產實際開發(fā)了相應的機具。如將紅外探測技術、自動控制技術應用于噴霧機上，研制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、污染環(huán)境等問題。2012年作為智能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，目前已廣泛地應用于國內玉米、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(yè)。

（3）智能化施肥機械。施肥機可以在施肥過程中，根據作物種類、土壤肥力、墑情等參數控制施肥量，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干式或液態(tài)肥料的撒施，該系統通過電子地圖內疊存的數據庫處方，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(yè)服務支援系統 “久保田智能農業(yè)系統（KSAS）”，該系統的正式套餐中，聯合收割機搭載了與KSAS對應的傳感器，插秧機附帶電動調節(jié)施肥量的功能，對應農機連動制作產量分析及施肥計劃。

（4）智能化灌溉機械。灌溉機械的智能化不僅可大量節(jié)約用水，而且還能省工、省時。如美國瓦爾蒙特工業(yè)股份有限公司和ARS公司開發(fā)的智能紅外濕度計，被安裝在農田灌溉系統后，可每6 s讀取一次植物葉面濕度，當植物需水時，灌溉系統會及時通過計算機發(fā)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，結合存放在地理信息系統中的信息和數據，通過處方實現農作物的人工變量灌溉。此外，目前發(fā)達國家已實現噴水和施肥、噴藥同步進行的一體化作業(yè)。

國內將計算機與分布于農田內的各種傳感器，如土壤水吸力、管道壓力、流量、空氣溫度、空氣濕度、雨量、太陽輻射、氣壓等傳感器進行相連，實現數據采集自動化，同時對采集到的各種數據信息進行計算、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設備進行自動控制與監(jiān)測。

（5）智能化播種機械。智能化播種機械能根據播種期田塊的土壤墑情、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(yè)參數。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，通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。如圖2所示。

圖2 美國智能化多功能播種、施肥作業(yè)機械及其駕駛室

國內研制了基于全球定位技術(GPS)的智能變量播種、施肥、旋耕復合機，并在一些農場投入使用。此類機械具有復式作業(yè)功能，可一次性完成耕整、播種、施肥等多種功能，適用于小麥、大豆、油菜等多種作物，并且操作簡便，通過電腦觸摸屏調控機具作業(yè)參數。

（6）智能化設施農業(yè)裝備。目前歐美、日本等發(fā)達國家已形成溫室成套裝備，其溫室結構、環(huán)境控制設施設備，以及室內作業(yè)機械裝備的制造技術都非常成熟，并向高度自動化、智能化方向發(fā)展，并已建立不受或很少受自然影響的全新農業(yè)生產技術體系。如荷蘭的溫室能夠常年穩(wěn)定地生產蔬菜和花卉，黃瓜、番茄等作物的產量可以達到40～50 kg/m2；設施農業(yè)中的植物工廠（plant factory）則完全擺脫了自然環(huán)境對植物生長的影響，其產量可達到常規(guī)栽培的幾十甚至上百倍，圖3為植物工廠的內部情況。

圖3 國外植物工廠內部情況

國內許多機構利用計算機技術、傳感器技術、通訊技術研制出溫室環(huán)境監(jiān)測和自動控制系統，不僅可自動監(jiān)測溫室內的氣候和土壤參數，而且還能自動控制溫室內配置的所有設備的優(yōu)化運行，如開窗、加溫、降溫、加濕、補光照、CO2補氣、灌溉施肥、環(huán)流通氣等；與此同時利用物聯網、互聯網、大數據和云計算等先進技術，研制遠程監(jiān)控系統，并能通過手機或計算機實現溫室可視化遠程監(jiān)控。圖4是基于物聯網的控制大棚。

圖4 國內基于物聯網技術的溫室環(huán)境控制系統

（7）農業(yè)機器人。在先進發(fā)達國家，農業(yè)機器人在農業(yè)生產的許多領域得到發(fā)展和應用。如美國明尼蘇達州一家農業(yè)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(fā)，適量施肥；法國發(fā)明了專門服務于葡萄園的機器人，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(jiān)控土壤和藤蔓的健康狀況等；美國波士頓研制出育苗機器人，工作人員只要在觸摸屏上設定地點參數，機器人就能感應盆栽，并自動把它們移動到目的地；英國、日本研發(fā)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(fā)明了一種像牧羊犬的機器人（如圖6所示），能在農場代替?zhèn)鹘y的放牧勞力。

圖5 美國研制的施肥機器人

圖6 澳大利亞發(fā)明的牧羊犬機器人

國內農業(yè)機器人起步晚、底子薄、投資規(guī)模小、發(fā)展速度緩慢，目前仍處于理論研究時期，距離實際應用還有許多難題需要解決，與發(fā)達國家相比，在可靠性、精度和效率等方面差距很大。盡管如此，國內農業(yè)機器人的研究目前也已取得了一定的成果，如中國農大研制出蔬菜嫁接機器人，南京農業(yè)大學、上海交通大學、西北農林科技大學、陜西科技大學等高校已成功研制出采摘草莓、黃瓜、茄子、番茄等水果蔬菜的農業(yè)機器人和用于除草的農業(yè)機器人；但總體上處于研究試驗階段，進入實用化的農業(yè)機器人則很少。

2.3 智能化農機管理

農業(yè)機械性能發(fā)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(tài)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(qū)域形成一個高效的農業(yè)生產管理網絡，并實現農機具的智能化管理，才能充分發(fā)揮各種農業(yè)機械的效率與作用。農機具管理智能化包括機具配置、機具狀態(tài)監(jiān)控、實時調度和維修保養(yǎng)的智能化。

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(yè)機械間通過無線通信進行數據交換的管理信息系統，通過該系統不僅能夠制定詳細的農事操作方案和機械作業(yè)計劃，而且駕駛員還能根據作業(yè)機械顯示的相關數據，調整機械作業(yè)的負荷與速度，確保機組能在較佳的工況下運行，與此同時利用作業(yè)過程采集的數據，通過系統運算和處理，能夠實現如作業(yè)面積、耗油率、產量的計算、統計及友好的人機界面顯示等智能化功能；日本洋馬株式會社的農機 “智能助手”，通過搭載在農業(yè)機械上的GPS天線和通信終端，農機能夠自動發(fā)送位置、運轉及保養(yǎng)方面的信息，并每天自動生成作業(yè)報告，還可實現監(jiān)視防盜、運轉狀況管理、保養(yǎng)服務、突發(fā)問題自動通知與迅速應對等方面的功能，該“智能助手”不僅能自動支持農業(yè)機械作業(yè)，還可與第三方公司提供的農業(yè)云應用程序“facefarm生產履歷”配合使用，進一步提高效率，目前“智能助手”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“互聯網+”實現了農機智能化管理。如寧波市農機總站與寧波移動合作建設“智慧農機”信息服務平臺，該平臺整合了無線通信、農機定位、地理信息、計算機控制等先進技術，能實現農機定位、農機調度、農機作業(yè)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(fā)了“農機寶”手機APP智能應用系統，為全省農機手免費提供農機作業(yè)電召信息、農機維修及加油站點位置服務等九大類手機智能應用服務；浙江大學正呈科技有限公司與江蘇北斗衛(wèi)星應用產業(yè)研究院聯合開發(fā)的 “北斗農機作業(yè)精細化管理平臺”能為農機作業(yè)提供定位監(jiān)控、指揮調度、面積統計、信息管理等智能化精細化管理服務，經浙江省一些縣市農機管理部門使用，反映效果好，目前已進入加快示范推廣階段。

3 我國智能化農機未來發(fā)展建議

加強以信息化技術為先導的智能化、自動化農機技術與裝備的研發(fā)制造，既是轉變農業(yè)生產方式的現實要求，也是農業(yè)現代化發(fā)展的客觀需要；因而國家非常重視智能化農業(yè)機械裝備技術發(fā)展，“十二五”期間，國家不僅在《高端裝備制造業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》《農機工業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》要求重點發(fā)展農機自動化、信息化和智能化技術，以提高農機裝備的控制水平和智能水平，而且啟動了當今農業(yè)裝備領域財政投入最大的國家863計劃項目 “智能化農機技術與裝備”重大項目。另外，還將農業(yè)機械列為智能制造試點的十大領域之一。根據目前國內智能化農業(yè)機械的研發(fā)、制造和應用現狀，應采取如下幾方面措施加快智能化農業(yè)機械領域發(fā)展，以適應現代農業(yè)發(fā)展對先進適用農業(yè)機械的需要。

（1）積極營造發(fā)展智能化農業(yè)機械的良好氛圍。目前國內對農機“智能化”理解偏差較大，尤其是許多農機企業(yè)過于關注眼前利益，因而對發(fā)展智能化農機并不完全認同。為此，需要強化宣傳，營造良好氛圍，提高對發(fā)展智能化農機重要性的認知，使社會各界尤其是農機企業(yè)認識到中國農機走“智能化”發(fā)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(yè)生產和新時代人群的需求所決定的。

（2）加強現有智能化農業(yè)裝備成果轉化和示范推廣。“十二五”實施的國家863計劃項目“智能化農機技術與裝備”重大項目，目前已在秧苗高速栽插與精密播種技術研究、瓜菜田間生產智能化關鍵技術與裝備研究、茶園智能化關鍵技術與裝備開發(fā)等方面取得了許多研究成果。為使上述智能化農機技術與裝備對農業(yè)現代化的發(fā)展確實起到支撐作用，應加快建立若干以智能化技術為引領的智能農機裝備產業(yè)化示范基地，推進成果的轉化與應用。

（3）進一步加大對智能化農機裝備領域的支持力度。我國地域遼闊，地理環(huán)境、農作物種類和種植制度的多樣性決定了對農業(yè)機械裝備需求的多樣性。雖然“十二五”期間在智能化農機技術與裝備領域已取得了許多成果，但與國內農業(yè)生產和農業(yè)現代化發(fā)展對農業(yè)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《中國制造2025》重點領域技術路線圖中有關農業(yè)裝備的發(fā)展要求，加快農業(yè)生產中急需而短缺的智能化農機裝備研發(fā)，同時加大智能化農機裝備補貼與推廣力度，促進智能化農機裝備研發(fā)與應用。

（4）加快構建智能化農機裝備制造體系。過去10多年，我國農機裝備工業(yè)經歷了以粗放式為標志的快速發(fā)展階段，未來10年我國農機裝備工業(yè)將進入以智能化、自動化為標志的集約化發(fā)展與制造業(yè)轉型升級階段。由于智能化裝備與傳統裝備在制造體系方面有著巨大差異，因此要充分利用農業(yè)機械被列為智能制造試點的有利時機，按照智能制造試點示范所包含的智能工廠、數字化車間、智能裝備、智能新業(yè)態(tài)、智能化管理、智能化服務等六個維度的要求來構建智能化農機裝備制造體系，為智能化農機發(fā)展提供支撐與保障。

作者信息：副教授，浙江大學生物系統工程與食品科學學院，310058，杭州