穩(wěn)固智能農(nóng)機發(fā)展的基石

本刊記者|楊陽

穩(wěn)固智能農(nóng)機發(fā)展的基石

本刊記者|楊陽

“信息感知與作物精細生產(chǎn)管控機理研究”項目的啟動實施，將突破土壤及農(nóng)作物信息感知、決策控制、精細生產(chǎn)管控等應用基礎核心技術，為農(nóng)機智能裝備精細作業(yè)提供精測、精施、精管理論方法及技術基礎，為實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全面智能化、機械化提供技術支撐。項目擬取得一批具有自主知識產(chǎn)權的技術成果，將促進我國智能農(nóng)機裝備的發(fā)展。對縮小與國外主流產(chǎn)品差距、支持現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、保障糧食和產(chǎn)業(yè)安全具有重大意義。

“墻高基下，雖得必失”。高端領域科學研究離不開穩(wěn)固的基礎科學理論研究作基石，我國農(nóng)機裝備的發(fā)展也需要夯實理論研究。“信息感知與作物精細生產(chǎn)管控機理研究”項目的啟動實施，將突破土壤及農(nóng)作物信息感知、決策控制、精細生產(chǎn)管控等應用基礎核心技術，為農(nóng)機智能裝備精細作業(yè)提供精測、精施、精管理論方法及技術基礎，為實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全面智能化、機械化提供技術支撐。

為農(nóng)業(yè)智能化提供技術支撐

國際上，農(nóng)機裝備向自動化、信息化和智能化方向快速發(fā)展，信息感知技術和智能控制決策方法已廣泛應用于農(nóng)機耕、種、管、收作業(yè)全過程。美國、加拿大、德國等國家在耕整、種植、收獲技術裝備，土壤、作物信息、農(nóng)機作業(yè)關鍵參數(shù)在線感知和精播精施智能控制決策方法等領域發(fā)展很快，形成了相對比較完善的智能農(nóng)機高效作業(yè)技術體系。

一直以來，我國對智能化農(nóng)機裝備的基礎研究重視不足，基礎研究薄弱。我國現(xiàn)有的農(nóng)機裝備產(chǎn)品水平低，高端智能農(nóng)機裝備只能依靠進口，針對土壤——機器——作物系統(tǒng)、不同農(nóng)機耕作方式等對于土壤質構和作物生長的影響機理，車載式高通量高密度動態(tài)獲取作物長勢信息采集等方面研究相對較弱，基礎理論與智能農(nóng)機裝備研發(fā)不匹配，制約了我國智能農(nóng)機裝備的研究與應用。

受國際相關研究的影響，近年來，我國一些研究單位開始從事這方面的研究工作，隨著我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)機信息化的發(fā)展，在土壤-機器-作物系統(tǒng)互作規(guī)律方面，土壤、作物信息和農(nóng)機作業(yè)關鍵參數(shù)信息感知方面也取得了一些成果，以“農(nóng)機與農(nóng)藝、農(nóng)機化與信息化”兩個融合為核心的現(xiàn)代農(nóng)機裝備技術發(fā)展較快。

針對我國智能化農(nóng)機裝備的基礎研究薄弱的現(xiàn)狀，國家重點研發(fā)計劃智能農(nóng)機裝備專項中設立了“信息感知與作物精細生產(chǎn)管控機理研究”項目。該項目由北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心牽頭組織實施，參加單位包括北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心、中國農(nóng)業(yè)大學、浙江大學、華南農(nóng)業(yè)大學、南京農(nóng)業(yè)大學、吉林大學、中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院、上海交通大學、黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院等9家單位。其以土壤——機器——作物互作系統(tǒng)為研究對象，研究農(nóng)機作業(yè)對土壤質構和作物生長的影響機理，研發(fā)仿生耕整、精準種植、高效收獲新機構；研究作物生產(chǎn)過程信息感知與在線檢測傳感器，創(chuàng)新種肥水藥精準投入調控方法；在農(nóng)機農(nóng)藝信息融合基礎上，開發(fā)精播精施智能控制與決策系統(tǒng)，構建精播精施精準作業(yè)技術體系，為新一代智能農(nóng)機裝備產(chǎn)品創(chuàng)制及精準高效作業(yè)提供理論方法和技術基礎。

為農(nóng)機發(fā)展創(chuàng)新理論

“信息感知與作物精細生產(chǎn)管控機理研究”項目作為國家重點研發(fā)計劃智能農(nóng)機裝備專項中的基礎理論研究部分，將創(chuàng)新理論、研發(fā)新模型，為智能農(nóng)機裝備提供理論支持和方向指引。

項目將構建基于土壤——機器——作物互作的耕種收新原理、新機構，將土壤、機器、作物等生產(chǎn)要素進行系統(tǒng)化、整體化研究。項目在揭示機械化耕整和種植方式對土壤質構及作物生長影響機理的基礎上，構建農(nóng)機作業(yè)參數(shù)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；依據(jù)耕整、播種、收獲作業(yè)過程土壤——機器——作物互作及優(yōu)化匹配規(guī)律，創(chuàng)新出基于動態(tài)仿生原理的減阻脫附耕作新裝置、基于土壤質構的精量播栽新機構和基于實時工況自適應調整的高效收獲新機構。

項目將在農(nóng)機作業(yè)環(huán)境與作物本體信息在線感知與獲取取得新進展。融合土壤緊實度與電導率、土壤及作物的光譜特征與機器視覺信息在線測量數(shù)據(jù)，表征土壤質構、肥力、作物營養(yǎng)與長勢；挖掘分析測量數(shù)據(jù)時空特征和耦合關系，采用外部參數(shù)正交化、奇異值分解、光譜分段直接轉換等算法消除車速、振動、地表、光照背景等干擾信息的影響，構建高精度車載土壤質構、肥力和作物信息在線感知獲取系統(tǒng)。

同時，項目也會創(chuàng)新農(nóng)機精準作業(yè)管控理論，研發(fā)精播精施智能控制與決策模型，提供符合我國生產(chǎn)需求、可推廣的智能農(nóng)機裝備發(fā)展新方向。項目提出農(nóng)田空間變異的尺度效應和效益最優(yōu)的農(nóng)機作業(yè)管理分區(qū)方法；構建農(nóng)機作業(yè)時間窗和耕地高度碎片化約束下的農(nóng)機作業(yè)路徑規(guī)劃模型：基于土壤——機器——作物互作原理和大數(shù)據(jù)方法,建立精播精施智能控制與決策模型，實現(xiàn)農(nóng)機農(nóng)藝信息融合。

為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供新模式

信息感知與作物精細生產(chǎn)管控機理研究項目的成功實施，將突破土壤及農(nóng)作物信息感知、決策控制、試驗檢測、精細生產(chǎn)管控等應用基礎核心技術，為農(nóng)機智能裝備精細作業(yè)提供精測、精施、精管理論方法及技術基礎，為實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全面智能化、機械化提供技術支撐。

項目從我國農(nóng)機作業(yè)過程中土壤和作為對象互作規(guī)律不清、作業(yè)機理；原理與基礎研究缺乏以及作物生產(chǎn)過程中信息表征不明的現(xiàn)狀出發(fā)，開展農(nóng)機作業(yè)對土壤質構及作物生長影響機理研究，揭示土壤——作物——機器系統(tǒng)優(yōu)化自適應與系統(tǒng)減阻降耗、節(jié)本增效優(yōu)化匹配規(guī)律，研究耕整、播種、收獲等作業(yè)新原理、新機構；開展農(nóng)機作業(yè)信息實時獲取與精細生產(chǎn)管控的理論與方法研究，揭示土壤環(huán)境、作物本體信息與種、肥、水、藥精細調控機理與模式；開發(fā)農(nóng)機作業(yè)環(huán)境與本體信息快速獲取傳感器及精播精施與精準控制智能決策系統(tǒng)，構建高效作業(yè)智能化農(nóng)業(yè)機械理論與技術基礎。

目前，國外集成各類農(nóng)機作業(yè)信息感知傳感器、定位裝置、精播精施智能決策以及末端控制于一體的智能農(nóng)機裝備產(chǎn)品進入我國市場，形成了高端農(nóng)機裝備產(chǎn)品的壟斷。我國現(xiàn)有的農(nóng)機裝備產(chǎn)品水平低，高端智能農(nóng)機裝備只能依靠進口。項目的實施取得的一批具有自主知識產(chǎn)權的技術成果，將促進我國智能農(nóng)機裝備的發(fā)展。對縮小與國外主流產(chǎn)品差距、支持現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、保障糧食和產(chǎn)業(yè)安全具有重大意義。

同時，在資源環(huán)境矛盾日益激烈的今天，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護的關系亟待協(xié)調?；谛畔⒏兄c作物精細生產(chǎn)管控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，將降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗5%-6%,減少化肥施用10%,有效提高肥料農(nóng)藥等資源利用率，改善粗放型的種植模式，降低環(huán)境污染，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。