農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

劉 輝，黃 康，徐 榮

(1．安徽廣播電視大學(xué) 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

劉 輝1,2，黃 康2，徐 榮1

(1．安徽廣播電視大學(xué) 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

闡述了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，提出農(nóng)業(yè)機(jī)械向智能化轉(zhuǎn)型的緊迫性。分析傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代電子通信和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，得出農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的概念。研究了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展現(xiàn)狀，指出了農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化研究方向和發(fā)展趨勢。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；智能化；發(fā)展趨勢

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正處于向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)形式上都很難滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。主要表現(xiàn)在裝備科技含量偏低、供需信息不對稱、管理方式粗放、服務(wù)能力較差以及作業(yè)成本偏高等一系列問題[1]。因此需要對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)行革命性改造，要以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展理念為指導(dǎo)，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)裝備農(nóng)業(yè)機(jī)械，加速農(nóng)業(yè)機(jī)械向現(xiàn)代化、智能化轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展歷史背景

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械都是由人來操作完成的，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率大幅度提高。但是自動(dòng)化控制技術(shù)仍然沒有能夠?qū)崿F(xiàn)在完全沒有人干預(yù)的前提下，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化。由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，可能會(huì)涉及到很多不確定的因素，僅僅依靠簡單的傳感檢測技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)是不能解決的。假如機(jī)器可以依據(jù)作物的生長情況和其他一些因素來判定如何進(jìn)行某項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，在這種情況下該機(jī)器具備了對各種信息快速處理及推理分析與決策的能力，可以認(rèn)為機(jī)器是智能化的。智能化是指由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)集合而成的針對某一個(gè)方面的應(yīng)用，智能化的核心是智能化技術(shù)。普遍采用智能化技術(shù)，在動(dòng)態(tài)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由智能化機(jī)械或智能化系統(tǒng)，通過電子信息技術(shù)的邏輯運(yùn)算、傳導(dǎo)、傳遞，發(fā)出適宜指令指揮農(nóng)業(yè)機(jī)械來完成農(nóng)業(yè)作業(yè)的，這樣的機(jī)械可稱為智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械[2]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

圖1 2015 年美國農(nóng)業(yè)智能化現(xiàn)狀

近些年來，西方發(fā)達(dá)國家一直致力于研究智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，不僅將一些高新技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械上，對它們進(jìn)行改造和升級，而且也針對一些特殊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，開發(fā)新型的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，對提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率起到很大的促進(jìn)作用。其中應(yīng)用比較廣泛的有GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大數(shù)據(jù)采集與分析和新型高性能智能化的大型拖拉機(jī)研發(fā)等。

圖1是2015年美國農(nóng)業(yè)智能化現(xiàn)狀。顯著特點(diǎn)是衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用非常普遍和自動(dòng)駕駛應(yīng)用度較高。在美國，一臺(tái)安裝了GPS全球定位系統(tǒng)的大型拖拉機(jī)，由電腦控制和衛(wèi)星導(dǎo)航來完成田間作業(yè)，不僅不需要人工操作，而且拖拉機(jī)在作業(yè)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)精確耕作，避免出現(xiàn)部分土塊在耕作過程中重疊和漏耕的現(xiàn)象。同時(shí)機(jī)器中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠記錄整個(gè)作業(yè)過程，這主要是通過安裝在拖拉機(jī)上的電子器件采集的土壤數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的功能，可以在不停機(jī)的狀態(tài)下一邊作業(yè)，一邊與農(nóng)業(yè)科技信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，由機(jī)器自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)[3]。

斯洛文尼亞一家公司提供的田間害蟲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要由電子機(jī)械、無線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)和生物信息素等多項(xiàng)技術(shù)所組成。系統(tǒng)通過搭建在田間的智能蟲情監(jiān)測設(shè)備，可以無公害誘捕殺蟲，綠色環(huán)保，同時(shí)利用GPRS/3G移動(dòng)無線網(wǎng)路，定時(shí)采集現(xiàn)場圖像，自動(dòng)上傳到遠(yuǎn)端的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)。工作人員可隨時(shí)遠(yuǎn)程了解田間蟲情情況與變化，制定防治措施[4]。通過系統(tǒng)設(shè)置或遠(yuǎn)程設(shè)置后自動(dòng)拍照將現(xiàn)場拍攝的圖片無線發(fā)送至監(jiān)測平臺(tái)，平臺(tái)自動(dòng)記錄每天采集數(shù)據(jù)，形成蟲害數(shù)據(jù)庫，可以各種圖表、列表形式展現(xiàn)給農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。此套系統(tǒng)集成了害蟲誘惑捕捉、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析等多項(xiàng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)害蟲的定向誘捕、分類與統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)報(bào)傳、遠(yuǎn)程檢測、自動(dòng)化、智能化蟲害預(yù)警，提高作物的病蟲害監(jiān)測防控能力。

德國芬特公司推出配置了若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電子控制單元、高性能智能化的大型拖拉機(jī)[5]。這種拖拉機(jī)的很多重要零件都采用了能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立處理功能的微處理器，由安裝在駕駛室的終端控制器來進(jìn)行作業(yè)工況的顯示和控制指令的輸入。實(shí)際上，它不僅是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立處理信息與控制功能的計(jì)算機(jī)智能控制終端，也是針對農(nóng)業(yè)機(jī)械特定的使用環(huán)境而專門設(shè)計(jì)的微型作業(yè)計(jì)算機(jī)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

目前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械多種產(chǎn)品產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一，成為名副其實(shí)的農(nóng)機(jī)制造大國，但是我們整體的制造水平還不高，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域還處于國際農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的中下游，特別是在智能農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，差距比較明顯，智能化機(jī)具的種類很少，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度比較低。當(dāng)前在精細(xì)化農(nóng)業(yè)裝備和谷物聯(lián)合收獲機(jī)方面有一定的應(yīng)用和研究。

智能化施肥播種機(jī)，是在研究條播機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造的。通過改變播種機(jī)槽輪的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)變量投放種子和化肥的目的。主要有RTK-GPS、田間計(jì)算機(jī)、變量控制器、伺服電機(jī)和播種機(jī)組成。它的主要工作原理是：把數(shù)據(jù)卡(包含施肥處方圖形信息)插入田間計(jì)算機(jī)中，當(dāng)播種機(jī)行駛在田間的過程中，機(jī)器上的計(jì)算機(jī)能夠把GPS的位置信息和施肥處方圖形信息相比對，獲取當(dāng)前位置的播種量和施肥量，同時(shí)田間計(jì)算機(jī)也向伺服電機(jī)發(fā)出控制指令，伺服電機(jī)帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制播種量的目的[6]。其工作原理如圖2所示。

圖2 智能化施肥播種機(jī)系統(tǒng)控制框圖

圖3 產(chǎn)量檢測系統(tǒng)組成框圖

谷物聯(lián)合收割機(jī)在田間工作過程中，一次可以完成谷類作物的收割、脫粒、分離莖桿、清除雜余等工序。由于在聯(lián)合收割機(jī)安裝了產(chǎn)量檢測系統(tǒng)，能夠及時(shí)獲取精確的產(chǎn)量分布數(shù)據(jù)、谷物濕度分布情況和田間海拔高程分布狀態(tài)。其產(chǎn)量的檢測及成圖系統(tǒng)主要由RTK-GPS、傳感器和田間計(jì)算機(jī)(PFA)所組成[7]。其中，傳感器主要有谷物流量傳感器、前進(jìn)速度傳感器、割幅寬度傳感器、谷物濕度傳感器和割臺(tái)高度傳感器等。組成如圖3所示。

目前我國“智能化”農(nóng)機(jī)的市場推廣情況不容樂觀，主要的原因是大家是只盯住了眼前利益。而且，這可能與國家的農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策有直接關(guān)系。國家現(xiàn)在只是補(bǔ)貼在某個(gè)機(jī)型上，而很少補(bǔ)貼在新技術(shù)上，靠企業(yè)自身的力量，畢竟身單力薄，推廣起來就很慢。況且，因?yàn)樾庐a(chǎn)品在研發(fā)和推廣上的費(fèi)用比較高，產(chǎn)品最后的市場報(bào)價(jià)就比較高，導(dǎo)致用戶不容易接受“智能化”的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展趨勢

3.1 農(nóng)業(yè)傳感器

想要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化控制，就要實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)裝備的工作情況，采集農(nóng)業(yè)工作過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題并做出判斷和處理，而且能夠精準(zhǔn)地對農(nóng)作物的生物學(xué)性狀做出評價(jià)，所以傳感器技術(shù)就顯得非常重要。目前，隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的應(yīng)用推廣，也帶動(dòng)著農(nóng)業(yè)傳感器的技術(shù)水平的不斷提升，農(nóng)業(yè)傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到一定范圍的普及，如采用谷物濕度傳感器對谷物的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，采用溫度傳感器精確地測量糧食烘干和儲(chǔ)存過程中的實(shí)時(shí)溫度，等等。在土壤養(yǎng)分與微量元素、土壤重金屬與有機(jī)污染物等大面積、低成本速測傳感器研制方面也相繼進(jìn)行了開展。出現(xiàn)了檢測溫室大棚溫度、濕度和CO2的光纖傳感器[8]，用于檢測牛奶中病原體是否存在的MEMS微電子傳感器等新型傳感器技術(shù)。但是與發(fā)達(dá)國家相比我國農(nóng)用傳感器種類還比較少，在覆蓋面、適用性等方面還有很大的提升空間。

3.2 人機(jī)交互

由于微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，小型化、微型化芯片廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，自動(dòng)監(jiān)測和自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)普及，在組成顯示裝置和監(jiān)控設(shè)施中采用了大量形式多樣的傳感器和功能強(qiáng)大的微處理器。由于自動(dòng)控制的需要，在農(nóng)機(jī)裝備上安裝電子監(jiān)控裝置，這種情況下駕駛員操作更為簡便，可以依據(jù)面板顯示的數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整農(nóng)機(jī)作業(yè)的負(fù)荷和作業(yè)快慢，使得整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)組能在良好的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)掌握整個(gè)農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證作業(yè)的質(zhì)量。另外，由于采用多種先進(jìn)傳感技術(shù)用以采集各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)模型分析、運(yùn)算和處理，完成諸如作業(yè)范圍、產(chǎn)量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和友好的人機(jī)界面顯示等一系列智能化功能。

3.3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人

當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日趨工業(yè)化、規(guī)模化和精準(zhǔn)化，而作為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的科研重點(diǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與開發(fā)已經(jīng)成為熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，是一種兼有四肢行動(dòng)、信息感知能力及可重復(fù)編程功能的柔性自動(dòng)化或半自動(dòng)化智能化農(nóng)業(yè)裝備，集成了傳感器技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、通訊技術(shù)及精密機(jī)械技術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)[9]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在育秧、移苗、嫁接和農(nóng)產(chǎn)品收獲等方面均已得到了一定的應(yīng)用，并且在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、多樣化和精細(xì)化等方面表現(xiàn)出了極大的亮點(diǎn)。雖然現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中還存在著一些問題，但是隨著不斷加強(qiáng)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，不斷推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會(huì)出現(xiàn)一種“互聯(lián)網(wǎng)”+“機(jī)器人”+“標(biāo)準(zhǔn)化”全新的模式。

3.4 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

實(shí)時(shí)地掌握作物生長狀況及土壤中水分、養(yǎng)分含量的多少，根據(jù)作物不同的生長階段、不同的生長條件按需提供養(yǎng)分和水分，這就是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心。同時(shí)還可以在研究作物生長過程中有關(guān)信息參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立合理的數(shù)學(xué)模型，通過模型數(shù)據(jù)分析能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出一定的預(yù)期判斷，這樣可以通過采取相應(yīng)的改善措施，規(guī)避生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高土地利用效率。當(dāng)然，這一切都離不開智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備、計(jì)算機(jī)信息采集和處理等技術(shù)的支撐[10]。因此，在我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備上應(yīng)用人工智能技術(shù)和信息技術(shù)也將是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。

3.5 農(nóng)業(yè)機(jī)械管理信息化

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化管理，主要由農(nóng)業(yè)機(jī)具配置、機(jī)具狀態(tài)、智能化實(shí)時(shí)調(diào)度所組成。發(fā)揮好農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。在一個(gè)農(nóng)場、一片區(qū)域乃至全國形成一個(gè)高效的管理網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息采集、傳遞、存儲(chǔ)和狀態(tài)分析，根據(jù)作物的生長情況、氣候變化情況，采取合理的調(diào)度措施，真正發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用效率。通過建立農(nóng)場辦公室計(jì)算機(jī)與移動(dòng)作業(yè)機(jī)械的無線通信，能夠與作業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，建立完善的農(nóng)機(jī)管理信息系統(tǒng)，使農(nóng)場管理調(diào)度中心計(jì)算機(jī)可以直接調(diào)用讀取各個(gè)田間作業(yè)機(jī)械智能終端存儲(chǔ)的作業(yè)數(shù)據(jù)，存入農(nóng)場計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中[11]。與移動(dòng)作業(yè)機(jī)相比，農(nóng)場計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)、信息處理、專家知識庫和管理決策支持等特點(diǎn)，通過對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以后，能夠制定詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃和農(nóng)事操作方案。

4 結(jié)論

二十一世紀(jì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，當(dāng)然智能化農(nóng)機(jī)裝備離不開現(xiàn)代先進(jìn)的電子通信和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，沒有先進(jìn)的電子通信和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)支撐，智慧農(nóng)業(yè)機(jī)械如無源之水。智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越重要，不僅可以大幅度降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，在資源利用和環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著越來越大的優(yōu)勢，也在作物生長環(huán)境與生長狀態(tài)的智能化識別、診斷和作物生長需求的定量模型等方面發(fā)揮著不可或缺的作用。

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(編輯：嚴(yán)佩峰)

Status and Trends of Intelligent Development of Agricultural Machinery

LIU Hui1,2,HUANG Kang2,XU Rong1

(1.Information and Engineering College,Anhui Open University,Hefei 230022,China；2.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

It described the problems of traditional agricultural machinery in agricultural production,put forward the urgency of transformation of agricultural machinery to intelligent.It concluded the concept of intelligent agricultural machinery,based on the working principle of traditional agricultural machinery,combined with modern electronic communications and computer information technology.Studying on the development status of intelligent agricultural machinery domestic and abroad,it pointed out the research direction and development trend of intelligent agricultural machinery.

agricultural machinery；intelligent；development trend

2017-07-01

安徽廣播電視大學(xué)青年教師基金項(xiàng)目“農(nóng)作物秸稈飼料加工機(jī)械化技術(shù)研究”(qn15-29).

劉 輝(1982—)，男，安徽壽縣人，講師，碩士，研究方向:農(nóng)業(yè)工程.

S23

A

2095-8978(2017)03-0086-04