小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

余 濤,葉 巖,劉俊杰

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

通訊作者：葉巖(1987-)，男，黑龍江佳木斯人，本科，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械及其智能化相關(guān)研究工作。

0 引言

2021年中央一號(hào)文件提出，種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，一粒種子，關(guān)系著中國(guó)人的飯碗安全，打好種業(yè)翻身仗，亟需加強(qiáng)培育品種源頭的種質(zhì)資源、育種技術(shù)和相關(guān)育種關(guān)鍵裝置的研究?，F(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)育種測(cè)量播種面積主要采用人工測(cè)量、半機(jī)械測(cè)量和電子測(cè)距的方式，存在獲取播種面積數(shù)據(jù)的作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量效率低和獲取數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，上述測(cè)量方式已無(wú)法滿足目前大面積育種試驗(yàn)的切實(shí)需求。對(duì)比國(guó)內(nèi)的小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置，國(guó)外先進(jìn)的小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置形式多樣，多種測(cè)程裝置同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，能最大程度降低測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高且運(yùn)行穩(wěn)定。國(guó)外測(cè)程裝置雖然先進(jìn)，但售價(jià)昂貴，后期獲取售后服務(wù)、維修保養(yǎng)和購(gòu)置配件難度較大。國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置研發(fā)相比于國(guó)外發(fā)展進(jìn)程較為緩慢，主要受到研究成本高、市場(chǎng)銷售面窄和研發(fā)周期長(zhǎng)等因素影響。因此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析，歸納總結(jié)出國(guó)內(nèi)測(cè)程裝置的發(fā)展趨勢(shì)，以期更好地促進(jìn)國(guó)內(nèi)育種機(jī)械測(cè)程裝置的發(fā)展，加快育種試驗(yàn)進(jìn)程，提高小區(qū)育種試驗(yàn)的種子繁育效率。

1 國(guó)外小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)發(fā)展情況

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)檢索可知，國(guó)外育種機(jī)械發(fā)展較為完善，小區(qū)播種機(jī)形式多樣且功能完備，多種育種機(jī)械配備的測(cè)程裝置已可以實(shí)現(xiàn)播種區(qū)域精準(zhǔn)測(cè)量，并將GPS系統(tǒng)引用到育種播種定位當(dāng)中，從而進(jìn)一步提高小區(qū)播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中的定位測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性，大幅度提升小區(qū)播種機(jī)的工作效率。

1.2 國(guó)外小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的主要類型

目前，國(guó)外育種播種機(jī)常用的小區(qū)播種測(cè)程裝置主要形式有鋼索纏繞控制測(cè)程裝置、測(cè)程輪系統(tǒng)和GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)等，其生產(chǎn)廠家主要有奧地利Wintersteiger公司、美國(guó)Almaco公司、法國(guó)Braural公司、巴西Maquinarium公司等生產(chǎn)的配套測(cè)程裝置，上述小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域測(cè)量的功能，并將多種測(cè)量形式綜合使用，可提高對(duì)試驗(yàn)區(qū)域測(cè)量的可靠性，大幅度提升小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的工作效率，大大降低人工作業(yè)成本[1]。

1.2.1 小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量鋼索控制系統(tǒng)

奧地利Wintersteiger公司生產(chǎn)的測(cè)程裝置(圖1)，是與小區(qū)播種機(jī)相配套的典型鋼索控制系統(tǒng)，該裝置主要利用設(shè)置在鋼絲上的球節(jié)進(jìn)行區(qū)域定位和啟動(dòng)測(cè)程循環(huán)，在設(shè)備運(yùn)行初始位置設(shè)定起始點(diǎn)并進(jìn)行固定，固定點(diǎn)設(shè)定并固定穩(wěn)固后，可通過(guò)手動(dòng)操作或自動(dòng)鋼絲收納裝置將鋼索拉出，鋼索自動(dòng)收納裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)拉出的鋼索保持相等拉伸力。與此同時(shí)，國(guó)外鋼索控制系統(tǒng)相關(guān)裝置選配了電纜跳閘系統(tǒng)，其主要功能是防止小區(qū)播種機(jī)速度過(guò)快導(dǎo)致的測(cè)程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確及播種精度低等問(wèn)題。

圖1 奧地利 Wintersteiger公司生產(chǎn)的鋼索測(cè)程裝置

1.2.2 小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量測(cè)程輪系統(tǒng)

國(guó)外的小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量測(cè)程輪系統(tǒng)主要在小區(qū)播種機(jī)后端安裝測(cè)程裝置(圖2)，此裝置設(shè)置的地輪是被動(dòng)行進(jìn)車輪，山地車輪能夠有效避免測(cè)程輪打滑而造成采集數(shù)據(jù)失真問(wèn)題，測(cè)程裝置主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，電子測(cè)量元件安裝在測(cè)程輪軸承側(cè)方，使測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確。測(cè)程數(shù)據(jù)采集獲取主要通過(guò)小區(qū)播種機(jī)的GSC系統(tǒng)，測(cè)程輪通過(guò)信號(hào)傳輸反饋給GSC系統(tǒng)，GSC系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算測(cè)程裝置被動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)圈總量來(lái)判斷小區(qū)播種機(jī)的具體行進(jìn)位置，同時(shí)GSC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小區(qū)播種機(jī)播種循環(huán)操作和小區(qū)播種機(jī)超速警告信號(hào)提示等功能[2]。

測(cè)量輪裝置安裝拆卸方便，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確，且無(wú)需鋼索控制系統(tǒng)做標(biāo)記，測(cè)程輪測(cè)量方式相比于鋼索測(cè)程具有一定優(yōu)勢(shì)，測(cè)程輪系統(tǒng)提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，特別適用于長(zhǎng)度較長(zhǎng)、面積較大的播種育種區(qū)域。小區(qū)播種機(jī)測(cè)程輪系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是播種機(jī)行進(jìn)過(guò)程中整機(jī)的振動(dòng)和試驗(yàn)區(qū)域的耕作土地表面不平等因素會(huì)導(dǎo)致小區(qū)播種機(jī)測(cè)程輪系統(tǒng)因打滑而造成數(shù)據(jù)采集誤差。

圖2 奧地利 Wintersteiger公司生產(chǎn)的測(cè)程輪系統(tǒng)裝置

1.2.3 小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量的GPS測(cè)程定位系統(tǒng)

美國(guó)主導(dǎo)的GPS定位系統(tǒng)早已應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其定位精度能夠達(dá)到分米級(jí)或厘米級(jí)，基于GPS技術(shù)的美國(guó)GNSS定位測(cè)量系統(tǒng)，是全球精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要執(zhí)行設(shè)備之一，不僅能夠?qū)C(jī)播面積和精密播種進(jìn)行測(cè)量，也能夠滿足土地平整度、變量施肥撒藥和收獲檢測(cè)等農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)需求。WINTERSTEIGER公司生產(chǎn)的小區(qū)播種機(jī)根據(jù)用戶的實(shí)際需求，客戶可根據(jù)育種試驗(yàn)的需求自行選配先進(jìn)的GPS技術(shù)，田間試驗(yàn)過(guò)程中使用GPS定位技術(shù)可大幅度提高小區(qū)播種機(jī)測(cè)程的精準(zhǔn)性，可與鋼索控制系統(tǒng)裝置和測(cè)程輪系統(tǒng)裝置配合使用，利用GPS系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)一步矯正鋼索測(cè)程系統(tǒng)裝置和測(cè)程輪系統(tǒng)裝置獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。實(shí)際測(cè)量播種區(qū)域過(guò)程中，也可單獨(dú)通過(guò)GPS信號(hào)完成測(cè)量(圖3)。GPS系統(tǒng)的使用優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，數(shù)據(jù)獲取及時(shí)準(zhǔn)確精度高等，缺點(diǎn)是購(gòu)買及維修維護(hù)價(jià)格高，且維護(hù)保養(yǎng)需要專業(yè)人員進(jìn)行操作。

圖3 小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量的GPS測(cè)程定位系統(tǒng)

2 國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)及測(cè)程裝置等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)水平仍處于起步階段，雖然國(guó)內(nèi)各大高校與科研機(jī)構(gòu)的小區(qū)播種機(jī)相關(guān)研究取得了一定的技術(shù)成果，但由于小區(qū)播種機(jī)使用范圍窄，整機(jī)研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高，使國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)的成果轉(zhuǎn)化水平仍然較低。相比于國(guó)外小區(qū)育種機(jī)械，目前國(guó)內(nèi)仍然缺乏智能化的現(xiàn)代小區(qū)育種機(jī)械及測(cè)程裝置等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的主要類型

2.1.1 人工測(cè)程作業(yè)

由于購(gòu)置國(guó)外進(jìn)口農(nóng)機(jī)裝備價(jià)格高，使用周期短和一次性投入經(jīng)費(fèi)大等因素，使國(guó)內(nèi)大部分育種科研單位的科研人員仍然采用人工測(cè)量播種面積的方式(圖4)，如利用皮尺和卷尺等方式進(jìn)行測(cè)程，上述方式不僅作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)周期長(zhǎng)，而且會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域因播種時(shí)效性的差異引起育種試驗(yàn)精度的降低。

圖4 小區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量的人工測(cè)程作業(yè)

2.1.2 國(guó)內(nèi)普遍使用的小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置

國(guó)內(nèi)針對(duì)小區(qū)育種測(cè)程的主要方式有手持式移動(dòng)測(cè)量終端和更為精準(zhǔn)的土地面積測(cè)量?jī)x等方式。手持終端因廠家生產(chǎn)質(zhì)量和測(cè)量精度不一致，導(dǎo)致移動(dòng)式手持終端測(cè)程方式數(shù)據(jù)無(wú)法得到有效保障。土地面積測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確度相比手持終端有所提升，但小田塊使用測(cè)量精度不準(zhǔn)確，每到一塊新測(cè)量區(qū)域都需重新校正，待5～10 min衛(wèi)星定位校準(zhǔn)后才能進(jìn)行區(qū)域測(cè)量，如遇突然降雨會(huì)受到天氣影響導(dǎo)致測(cè)量精度降低等問(wèn)題。同時(shí)，儀器不能長(zhǎng)期存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.1.3 小區(qū)區(qū)域育種測(cè)量的北斗測(cè)程定位系統(tǒng)

相比于國(guó)外GPS定位系統(tǒng)的厘米級(jí)和分米級(jí)，國(guó)內(nèi)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)也可以滿足農(nóng)業(yè)測(cè)量的使用要求，能夠達(dá)到厘米級(jí)和分米級(jí)的高精度實(shí)時(shí)定位測(cè)控導(dǎo)航需求。我國(guó)已經(jīng)成功發(fā)射數(shù)十顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，并自主建設(shè)了國(guó)產(chǎn)化的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，以北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)已成為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的支撐技術(shù)平臺(tái)。國(guó)內(nèi)北斗衛(wèi)星在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要有三方面，首先是農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自動(dòng)駕駛的應(yīng)用；二是農(nóng)機(jī)作業(yè)定位監(jiān)管方面的應(yīng)用；三是農(nóng)機(jī)相關(guān)作業(yè)管理服務(wù)方面的應(yīng)用。與此同時(shí)，在國(guó)內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)不斷進(jìn)步的同時(shí)，也應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注購(gòu)機(jī)用戶在北斗預(yù)裝和后期裝備升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，以及國(guó)家項(xiàng)目補(bǔ)貼資助和市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管等問(wèn)題[3-4]。

3 小區(qū)播種機(jī)測(cè)程裝置的發(fā)展趨勢(shì)及展望

針對(duì)我國(guó)小區(qū)播種測(cè)程裝置的研發(fā)，需要結(jié)合農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝要求，基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的深度融合是提升我國(guó)小區(qū)播種測(cè)程裝置研發(fā)水平的關(guān)鍵。如田間測(cè)程過(guò)程中，需要充分考慮影響測(cè)量精度的隱蔽因素，對(duì)新研制的測(cè)程裝置要反復(fù)進(jìn)行連續(xù)性、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性等方面的測(cè)試，測(cè)程裝置關(guān)鍵部件的研究還有提升空間。目前，國(guó)內(nèi)小區(qū)播種機(jī)及測(cè)程裝置關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用與國(guó)外技術(shù)相比仍存在很大差距，但近些年來(lái)國(guó)內(nèi)小區(qū)播種技術(shù)發(fā)展進(jìn)程逐年加快，取得了一定的成果。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)市場(chǎng)上，小區(qū)播種測(cè)程裝置的關(guān)鍵部件研制成果數(shù)量較少，其智能化、無(wú)人化、高效率和高適應(yīng)化等整機(jī)協(xié)調(diào)配合能力等方面仍有很大的提升空間。因此，發(fā)展智能化、無(wú)人化和精準(zhǔn)化的小區(qū)播種機(jī)及測(cè)程關(guān)鍵裝置技術(shù)，能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)育種行業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)一步降低測(cè)程試驗(yàn)結(jié)果的影響，減少新品種種子的育種周期，促進(jìn)國(guó)內(nèi)種業(yè)工程的穩(wěn)步發(fā)展和技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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