山東高效農(nóng)業(yè)模式下田間管理裝備研究進(jìn)展與對(duì)策*

方會(huì)敏，牛萌萌，褚幼暉，陳英凱, 2，薦世春

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100； 2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)是指以滿足市場需求和提高綜合效益為目標(biāo)，采用集約化的生產(chǎn)方式，充分合理開發(fā)利用農(nóng)業(yè)自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)要素的最佳配置和優(yōu)化組合，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)[1-2]。旨在突破產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)品品質(zhì)下降、生產(chǎn)環(huán)境制約、比較效益下降等難題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)綜合效益最佳?！渡綎|省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程實(shí)施規(guī)劃》將其作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行扶持，《山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃(2018—2022年)》更是提出了推進(jìn)全程全面、高質(zhì)高效“兩全兩高”農(nóng)業(yè)機(jī)械化的目標(biāo)。

現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)背景下，山東省田間管理裝備的發(fā)展面臨資源與環(huán)境的雙重壓力。一方面，以除草、施藥等為代表的田間管理環(huán)節(jié)仍然存在機(jī)械化率低甚至是“無機(jī)可用”的現(xiàn)狀；另一方面，現(xiàn)有田間管理裝備精準(zhǔn)作業(yè)能力仍然較低，使得肥藥利用率低、肥藥資源浪費(fèi)，同時(shí)過量的肥藥施用嚴(yán)重威脅了生態(tài)安全。本文總結(jié)分析了國內(nèi)外田間管理技術(shù)與裝備的研發(fā)現(xiàn)狀，并為山東省現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)模式下的田間管理裝備發(fā)展提出了有效對(duì)策，以期為山東省現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中提升田間管理技術(shù)與裝備水平提供參考。

1 田間管理裝備研發(fā)現(xiàn)狀

縱觀農(nóng)機(jī)發(fā)展水平較高的歐美地區(qū)，田間管理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟，相應(yīng)的農(nóng)機(jī)裝備涵蓋了中耕除草、追肥、施藥等作業(yè)環(huán)節(jié)。他們主張為保護(hù)土壤和水體，盡可能減少化肥與農(nóng)藥施用量；在此基礎(chǔ)上，基于先進(jìn)傳感技術(shù)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最優(yōu)效率。歐美地區(qū)的田間管理裝備引領(lǐng)了高效、節(jié)能、環(huán)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，本部分主要介紹國內(nèi)外田間管理各環(huán)節(jié)的技術(shù)與裝備發(fā)展情況，其中重點(diǎn)介紹國外各田間管理環(huán)節(jié)的先進(jìn)裝備，國內(nèi)則聚焦各田間管理環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)現(xiàn)狀。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造上，國外已廣泛采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和柔性化制造等組合技術(shù)。其中歐洲農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程采取標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化技術(shù)，其定制化生產(chǎn)和服務(wù)已成為強(qiáng)有力的市場競爭手段。美國某著名公司的柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)了依據(jù)客戶定義進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)；全球某農(nóng)機(jī)巨頭公司的拖拉機(jī)、收獲機(jī)已實(shí)施了“個(gè)性化定制品牌戰(zhàn)略”。另外在農(nóng)機(jī)系列裝備中，能夠基于一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)組合成不同功能的產(chǎn)品：如某公司研制的自走式噴霧機(jī)同時(shí)具有追肥、玉米去雄的功能，在更換相應(yīng)頭架、組件后完成去雄、追肥等作業(yè)，滿足不同作業(yè)需求。奧地利某公司的PS-MD系列氣動(dòng)式施肥設(shè)備可以以單個(gè)零部件的形式任意組裝到各類型播種機(jī)上，進(jìn)行模塊化的安裝與拆卸，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)具的種肥同施。意大利某公司的現(xiàn)代化側(cè)邊割草機(jī)，可以安裝在拖拉機(jī)前端或后端，無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新配置，增加了機(jī)器的通用性。

國內(nèi)在植保底盤研究方面采用高地隙方式以適應(yīng)不同類型高桿作物的植保要求。某單位研發(fā)的3WZG-650型高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)離地間隙高，適用于棉花、小麥等作物的作業(yè)。某公司的ZP9500高地隙噴霧機(jī)搭載了自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)在極少人工干預(yù)情況下的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，通過對(duì)平臺(tái)的機(jī)-電-液改造，實(shí)現(xiàn)了噴霧機(jī)作業(yè)系統(tǒng)的電氣化控制；且關(guān)鍵零部件采用國際化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，整機(jī)集成性高，確保零部件發(fā)揮性能，可靠耐用。廣西某公司提出由動(dòng)力主模塊、功能模塊、屬具模塊組成的“模塊化多用途農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品”，通過各種模塊的靈活快速組合實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)功能，滿足一機(jī)多用、提高機(jī)器利用率。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所提出以動(dòng)力平臺(tái)通用化及作業(yè)部件模塊化為核心，創(chuàng)新提出了“分形而治”“動(dòng)力平臺(tái)+”的茶園生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展技術(shù)模式(圖1)。

圖1 多功能茶園管理動(dòng)力平臺(tái)

1.2 機(jī)械除草技術(shù)與裝備

機(jī)械除草是降低農(nóng)藥使用量的有效手段之一，國外在機(jī)械除草方面廣泛應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)[3-4]。利用安裝在除草機(jī)械上的攝像頭獲取田間圖像信息，通過圖像處理算法識(shí)別出作物和雜草，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行除草作業(yè)。在此方面，已有大量產(chǎn)品問世，除了一些實(shí)驗(yàn)室的概念產(chǎn)品外，也有部分公司開發(fā)了實(shí)用的市場化田間作業(yè)裝備。德國某公司研發(fā)的CULTICAM除草機(jī)立體攝像機(jī)通過雙鏡頭實(shí)現(xiàn)作物的三維信息采集，利用空間輪廓識(shí)別雜草叢(見圖2)。美國某公司致力于利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別作物是否需要噴灑農(nóng)藥或除草劑，之后由機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)施藥作業(yè)，為農(nóng)民提供一種控制和預(yù)防雜草的新方法。全球某農(nóng)機(jī)巨頭和法國某公司聯(lián)合研制的AutoTrac Implement Guidance能夠精確導(dǎo)引除草機(jī)在植株間行進(jìn)，而無需鋪設(shè)移動(dòng)架。德國某公司的電動(dòng)式除草裝置，除了搭載基于機(jī)器視覺的雜草識(shí)別系統(tǒng)外，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上采用指狀簧齒結(jié)構(gòu)，在除草的同時(shí)還能從根系區(qū)域向上粉碎土壤。圖3所示的除草機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)萵苣、洋蔥等苗間的精準(zhǔn)除草。

圖2 CULTICAM 除草機(jī)立體攝像機(jī)

圖3 除草機(jī)器人

國內(nèi)各高校及科研院所針對(duì)作物行識(shí)別、作物識(shí)別、避障機(jī)構(gòu)等開展了大量的理論與試驗(yàn)研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)葛艷艷等[5]基于優(yōu)化的Hough變換進(jìn)行作物行的檢測，并基于機(jī)器視覺進(jìn)行了中耕除草機(jī)的研制。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓豹等[6]提出了基于超聲波測距的苗間機(jī)械除草部件入土深度控制方法。胡煉等[7]基于2G-R-B提出了作物識(shí)別與定位方法，該方法能夠正確識(shí)別作物并提供準(zhǔn)確的定位信息，適應(yīng)不同天氣不同種類的作物，做到棉苗正確識(shí)別率為95.8%和生菜苗正確識(shí)別率為100%。陳子文等[8]提出采用里程信息和視覺信息融合的刀苗距優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了基于C8051F020單片機(jī)的刀苗距優(yōu)化系統(tǒng)。賈洪雷等[9]基于除草執(zhí)行部件間歇式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的思想，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)中耕期玉米田間使用的避苗除草裝置，該裝置平均除草率達(dá)94.7%。陳學(xué)深等[10]針對(duì)水田作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了對(duì)行液壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)除草部件作業(yè)路徑的避苗控制。王剛等[11]設(shè)計(jì)試驗(yàn)了觸碰定位式玉米行間除草裝置，能夠定位并躲避玉米秧苗位置。但是這些研究成果目前大多處于實(shí)驗(yàn)室或者小范圍試驗(yàn)階段，還未進(jìn)行大面積示范或應(yīng)用。

1.3 變量施肥技術(shù)與裝備

變量施肥技術(shù)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵組成部分，能夠按照不同地塊的養(yǎng)分水平進(jìn)行不同肥料量的合理施用，提高肥料利用率并降低環(huán)境污染，目前主要的變量施肥技術(shù)包括基于處方圖和傳感器技術(shù)兩種。國外基于處方圖施肥的技術(shù)在各大農(nóng)場已得到廣泛應(yīng)用，隨著實(shí)時(shí)傳感技術(shù)的進(jìn)步，基于傳感器的變量施肥技術(shù)逐漸發(fā)展起來。德國某公司的Crop Sensor以及美國某公司的Greenseeker均采用近紅外光譜分析技術(shù)，根據(jù)植物葉子對(duì)近紅外和紅光吸收和反射特性的區(qū)別，通過測量反射光線的類型和強(qiáng)度對(duì)作物生長進(jìn)行評(píng)測，間接實(shí)現(xiàn)土壤中有效氮肥量的采集。英國某公司的HemiView數(shù)字植物冠層分析系統(tǒng)(圖4)通過處理影像數(shù)據(jù)文件來獲取與冠層結(jié)構(gòu)有關(guān)的輻射數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到冠層的光線覆蓋狀況及直射與漫射光的分布等。另外，在線混肥技術(shù)也大幅改善了環(huán)境安全方面的一些問題，如意大利某公司的化肥在線混配系統(tǒng)，該模塊化預(yù)混系統(tǒng)安裝在泵下游的噴霧器上，減少了操作者受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 HemiView數(shù)字植物冠層分析系統(tǒng)

國內(nèi)很多高校在基于處方圖和實(shí)時(shí)傳感器技術(shù)方面積累了大量的變量施肥作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，且施肥準(zhǔn)確度可高達(dá)90%以上。陳滿等[12]設(shè)計(jì)了基于多傳感器的變量施肥控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)田間精準(zhǔn)變量施肥。金鑫等[13]基于CAN總線通信協(xié)議下的車載傳感器與PIC控制融合技術(shù),設(shè)計(jì)了2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)變量施肥準(zhǔn)確率高達(dá)96%。余洪鋒等[14]提出了一種簡單實(shí)用的變量施肥方案，實(shí)現(xiàn)多種肥料按需配比、同一田塊均勻施肥、不同田塊變量施肥的功能。李欣倪等[15]基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款包含施肥監(jiān)控APP和施肥執(zhí)行控制器的變量施肥控制系統(tǒng)，其排肥精確度的準(zhǔn)確率為94.65%。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)袁玲合[16]設(shè)計(jì)了一種三輪高地隙中耕精量施肥機(jī)，采用電液比例控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥量的精確控制。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)李沐桐[17]設(shè)計(jì)了一種玉米苗期精準(zhǔn)穴施肥機(jī)構(gòu)，當(dāng)靠苗裝置與玉米植株接觸時(shí)，位移擺桿激活微力放大器通過離合裝置帶動(dòng)邊側(cè)施肥機(jī)構(gòu)開始扎穴，完成施肥作業(yè)。國家農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制的精準(zhǔn)變量旋耕施肥機(jī)，主要基于田間處方圖進(jìn)行變量作業(yè)；吉林大學(xué)也研制了2BDB-6大豆變量施肥播種機(jī)，但目前還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣與應(yīng)用。

1.4 精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備

噴霧機(jī)領(lǐng)域一直是歐洲農(nóng)機(jī)公司的強(qiáng)項(xiàng)，他們注重研究藥劑在葉片上的沉積和分布規(guī)律[18]、藥劑使用對(duì)水體及人類健康的危害[19]等，通過農(nóng)藥的減施和精準(zhǔn)施用來確保對(duì)生態(tài)的最小危害。目前在噴霧機(jī)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用了噴桿高度自調(diào)整技術(shù)，同時(shí)作業(yè)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為各主流噴霧機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。德國、法國等國家大型植保公司的植保機(jī)全部采用電子調(diào)控系統(tǒng)，控制噴桿伸縮、噴灑、壓力流速、單位面積噴灑量等各種作業(yè)參數(shù)。德國某公司的Primus系列牽引式噴霧機(jī)通過電腦控制終端實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制設(shè)定，全程顯示每公頃噴藥量、已噴量、噴霧壓力、行駛速度以及已噴藥的面積等。除此之外，國外公司在減少藥液漂移方面也做了大量工作。丹麥某公司的風(fēng)幕式大型噴霧機(jī)舵手Master1000(圖5)采用“雙風(fēng)”風(fēng)幕的噴桿型式，使霧滴附著于目標(biāo)表面避免飄移，從而讓霧滴在雜草上高效吸收，同時(shí)小霧滴實(shí)現(xiàn)更好的葉面覆蓋能力。德國公司的UF 1501型液壓打藥機(jī)基于噴頭控制斜面高度技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)噴頭根據(jù)其特征獲得不同的工作高度，時(shí)刻保持被噴灑試劑的最佳分布及減少漂移，在25 km/h作業(yè)速度下依舊性能優(yōu)秀。德國企業(yè)采用的自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭組件斜面高度技術(shù)，通過自動(dòng)斜面高度調(diào)節(jié)功能和噴頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能的結(jié)合，使噴霧機(jī)工作在距離目標(biāo)作物的最佳高度處。

圖5 丹麥某公司的風(fēng)幕式大型噴霧機(jī)

國內(nèi)在霧滴分布和飄移方面也做了大量工作，但主要集中在理論研究方面。王瀟楠[20]從影響霧滴飄移的因素入手，系統(tǒng)研究分析了霧滴粒徑、霧滴運(yùn)動(dòng)速度、助劑溶液特性、施藥機(jī)具等因素對(duì)霧滴飄移的影響，建立了霧滴飄移能量模型。曹軍琳等[21]采用超紅算子2R-G-B與OTSU算法結(jié)合的圖像處理方法，研究葉片表面形態(tài)特征、霧滴粒徑和葉片傾角3因素對(duì)霧滴沉積分布的影響。張慧春等[22]通過研究發(fā)現(xiàn)噴霧角、霧滴速度、流量、植物類型等參數(shù)對(duì)植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響不大，而霧滴粒徑、噴頭高度、風(fēng)速、植物生長階段對(duì)植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響顯著。呂曉蘭等[23]指出噴霧壓力對(duì)霧滴沉積無明顯影響，減小行駛速度可增加枝葉正反面霧滴的沉積，增大風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速可有效增加霧滴在枝葉反面的沉積;各噴霧技術(shù)參數(shù)均對(duì)冠層內(nèi)的霧滴沉積覆蓋率有顯著性影響，其影響程度由強(qiáng)到弱依次為采樣高度、行駛速度、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、噴霧壓力。噴霧機(jī)上的智能化提升手段還未完全成熟，根據(jù)機(jī)具作業(yè)速度進(jìn)行變量作業(yè)的噴霧機(jī)有一定的市場，但還有待進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 山東省田間管理裝備發(fā)展存在問題及發(fā)展趨勢

田間管理環(huán)節(jié)機(jī)械化水平較低。在我國主糧和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中，普遍存在“重種輕養(yǎng)”的思想，整地、播種和收獲的機(jī)械化水平較高，2018年山東省主要農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率超過86.53%，高出全國平均水平近20個(gè)百分點(diǎn)；田間管理環(huán)節(jié)的農(nóng)機(jī)裝備仍存在有效供給不足、門類不全和中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩并存的問題，中耕、追肥、除草、植保等機(jī)械化率較低，部分機(jī)械甚至為空白。

2.1 山東省田間管理裝備發(fā)展存在的問題

2.1.1 肥藥施用過量

我國自20世紀(jì)90年代開始大量施用化肥，2015年全國化肥總用量超過5 400萬t，是全球平均用量的3.4倍、美國的3.4倍、非洲的27倍。作為我國糧食、蔬菜和水果的重要產(chǎn)地之一，山東省2018年的化肥施用量達(dá)420.35萬t，高居全國第二位。從化肥施用強(qiáng)度來看，2016年全國平均化肥施用強(qiáng)度為359.1 kg/hm2，農(nóng)藥施用強(qiáng)度10.4 kg/hm2；而山東省早在1995年化肥施用強(qiáng)度達(dá)到362.3 kg/hm2。化肥農(nóng)藥的高強(qiáng)度施用對(duì)山東省土壤和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，制約現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[24]。

2.1.2 高端植保裝備缺乏

目前廣大農(nóng)戶在病蟲害防治過程使用的藥械仍以背負(fù)式噴霧機(jī)為主，其防治面積達(dá)60%～70%，這些藥械存在嚴(yán)重的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象。大型噴桿式噴霧機(jī)雖然產(chǎn)品功能與設(shè)計(jì)上已較成熟，但裝備智能化程度低，精確感知與精準(zhǔn)作業(yè)能力差，噴施過程中農(nóng)藥分布不均勻，導(dǎo)致農(nóng)藥施用過量，從而致使土壤重金屬含量超標(biāo)，對(duì)山東省食品安全提出了新的挑戰(zhàn)[25]。

2.1.3 農(nóng)機(jī)資源未得到高效利用

由于受到土地經(jīng)營模式、地勢樣貌、農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)模等限制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然存在生產(chǎn)規(guī)模小，不同地區(qū)的氣候條件、種植習(xí)慣存在差異，部分地區(qū)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械難以規(guī)模化作業(yè)而小型農(nóng)機(jī)功能單一等問題。自然因素、生產(chǎn)規(guī)模和種植習(xí)慣上的復(fù)雜性使得“無機(jī)可用”與“有機(jī)不能用”并存，大量功能相似的單功能專用機(jī)具重復(fù)設(shè)計(jì)，農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理資源未得到高效利用。

2.2 山東省田間管理裝備發(fā)展趨勢

現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)背景下，環(huán)境友好和資源節(jié)約是田間管理技術(shù)與裝備發(fā)展需要考慮的兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)肥藥資源的精準(zhǔn)供給和農(nóng)機(jī)資源高效利用。因此，在田間管理全環(huán)節(jié)的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)突破基礎(chǔ)上，通過“以機(jī)代藥”和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)田間管理環(huán)節(jié)的精確感知、精準(zhǔn)作業(yè)、智能管控；通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)田間管理裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、退役全過程的高質(zhì)高效；并進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段將田間管理裝備作業(yè)過程納入到智能農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建全新高可靠農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)全農(nóng)藝環(huán)節(jié)的高質(zhì)高效，是應(yīng)對(duì)當(dāng)前山東省現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)模式下田間管理裝備發(fā)展的有效對(duì)策。

2.2.1 基于模塊化設(shè)計(jì)的田間管理裝備研發(fā)模式

通過裝備設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的“專機(jī)專用”“一機(jī)多用”向“一機(jī)N用”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)田間管理裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、退役全過程的高質(zhì)高效?；谀K化設(shè)計(jì)的田間管理裝備研發(fā)模式(圖6)。

圖6 田間管理裝備模塊化設(shè)計(jì)示意圖

通過對(duì)田間管理作業(yè)裝備的“拆解—重構(gòu)”，實(shí)現(xiàn)“按需組裝”，解決傳統(tǒng)專機(jī)專用模式帶來的農(nóng)機(jī)利用率低以及重復(fù)設(shè)計(jì)問題，以及傳統(tǒng)片面追求多功能化帶來的機(jī)械主體部分笨重復(fù)雜、制造成本高、可靠性低、價(jià)格昂貴、功能冗余，以及農(nóng)民對(duì)功能需求與價(jià)格需求矛盾問題。同時(shí)有助于擴(kuò)大生產(chǎn)批量和降低制造成本，提高設(shè)計(jì)效率、生產(chǎn)效率、裝備利用率，有助于產(chǎn)品的售后服務(wù)、維修和產(chǎn)品的多樣化及更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備的回收再利用，節(jié)本增效。

2.2.2 基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)突破

在田間管理技術(shù)與裝備領(lǐng)域，雖然已進(jìn)行了一些基礎(chǔ)理論研究；但歐美國家一直致力研究的各種減藥省藥理論，包括防飄移理論、霧滴最佳大小及均勻性相關(guān)理論等還未突破。同時(shí)，部分理論研究成果也未得到合理運(yùn)用，如霧滴在葉片上的沉積規(guī)律還未完全用于提高霧滴在葉片正反面的沉積率。除此之外，一些制約裝備發(fā)展與提升的技術(shù)還亟待突破。如為了減少操作人員接觸農(nóng)藥發(fā)生中毒事故，在線自動(dòng)混藥技術(shù)的研究與應(yīng)用將大幅降低施藥作業(yè)人員的傷亡率；采取藥液回收循環(huán)技術(shù)可將飄移或散失在非作物上的部分藥液進(jìn)行回收再利用，一方面提高農(nóng)藥利用率，另一方面減少對(duì)人體和動(dòng)物等的傷害；智能行間除草技術(shù)的應(yīng)用能夠最大限度的降低作業(yè)時(shí)的人為誤差因素，提高作業(yè)效率。

2.2.3 精確感知、精準(zhǔn)作業(yè)與智能管控

基于智能化的精確感知與精準(zhǔn)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)肥、節(jié)藥的有效手段。為所有作業(yè)裝備配備控制屏，控制屏通過總線技術(shù)可與多種型號(hào)的拖拉機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)具作業(yè)過程智能控制。駕駛員不僅能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)具作業(yè)狀態(tài)，及時(shí)排除機(jī)具故障，還可以利用實(shí)時(shí)傳感信息進(jìn)行作業(yè)。融合測速傳感器、測距傳感器、壓力傳感器等信號(hào)，為噴霧量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)提供依據(jù)；基于壓力傳感器、流量傳感器等信號(hào)，對(duì)肥藥在線實(shí)時(shí)配混狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與控制；融合多傳感器技術(shù)，對(duì)機(jī)具作業(yè)狀態(tài)、累計(jì)作業(yè)面積、異常狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智慧田間管理作業(yè)。

2.2.4 云服務(wù)平臺(tái)接入與農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)構(gòu)建

運(yùn)用現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網(wǎng)、信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)從機(jī)械化到智能化的跨越，將田間管理過程的除草、施肥、施藥等環(huán)節(jié)涉及的作業(yè)監(jiān)控、定位跟蹤、運(yùn)維管理等納入智能農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，借助5G傳輸技術(shù)構(gòu)建全新高可靠農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)。基于平臺(tái)信息，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)信息、位置跟蹤信息、作業(yè)過程監(jiān)控信息等的實(shí)時(shí)獲?。贿M(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)申請、作業(yè)計(jì)劃發(fā)布、作業(yè)進(jìn)度查詢等任務(wù)發(fā)布與管理；儲(chǔ)存的機(jī)具作業(yè)信息可供多級(jí)監(jiān)管部門進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督與作業(yè)補(bǔ)貼發(fā)放，為管理部門和用戶提供一條龍無障礙服務(wù)；土壤養(yǎng)分信息和作物冠層信息及產(chǎn)量數(shù)據(jù)可為后續(xù)變量播種施肥提供決策支持。

3 結(jié)論

立足山東省現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)發(fā)展，在總結(jié)國內(nèi)外田間管理主要環(huán)節(jié)裝備研發(fā)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，指出肥藥資源的精準(zhǔn)供給和農(nóng)機(jī)資源的高效利用是山東省高效農(nóng)業(yè)模式下田間管理裝備發(fā)展面臨的兩大關(guān)鍵問題，進(jìn)一步提出了山東省高效農(nóng)業(yè)模式下田間管理裝備的發(fā)展對(duì)策。

1) 提出基于模塊化設(shè)計(jì)的田間管理裝備研發(fā)模式。通過對(duì)田間管理作業(yè)裝備的“拆解—重構(gòu)”，實(shí)現(xiàn)“按需組裝”，可解決傳統(tǒng)專機(jī)專用模式帶來的農(nóng)機(jī)利用率低以及重復(fù)設(shè)計(jì)問題，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備全生命周期的高效利用。

2) 通過“以機(jī)代藥”和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)基本增效。田間管理環(huán)節(jié)的精確感知、精準(zhǔn)作業(yè)、智能管控。進(jìn)一步突破田間管理全環(huán)節(jié)的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)，通過機(jī)械除草技術(shù)和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確感知作物需求，進(jìn)而智能管控作業(yè)過程、精準(zhǔn)施用肥藥資源，在保證農(nóng)藝需求的條件下減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

3) 田間管理全環(huán)節(jié)信息納入智能農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，構(gòu)建農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)。進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段將田間管理裝備作業(yè)過程納入到智能農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取和監(jiān)管作業(yè)過程；構(gòu)建全新高可靠農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)，為作物生長提供決策支持，從而實(shí)現(xiàn)全農(nóng)藝環(huán)節(jié)的高質(zhì)高效。