農(nóng)機自動化的關(guān)鍵支撐技術(shù)及應(yīng)用

李艷潔

(洮南市農(nóng)機管理總站，吉林 洮南137100)

0 引言

我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)已經(jīng)進入農(nóng)機化時代，但農(nóng)機自動化程度低，存在對操作人員過度依賴，且因受操作者熟練度影響，農(nóng)機功能得不到完全發(fā)揮，導(dǎo)致作業(yè)效果不佳，因此，如何在我國現(xiàn)有農(nóng)機自動化基礎(chǔ)上，進一步提升農(nóng)機自動化水平，為農(nóng)業(yè)自動化、智能化發(fā)展助力是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)工作者的重點研究對象。

1 我國農(nóng)機自動化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國在科學(xué)技術(shù)方面的投資力度增大，農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，越來越多的機械化、自動化技術(shù)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備相融合，使得自動化、智能化的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備保有量呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。雖然我國的農(nóng)業(yè)機械發(fā)展已經(jīng)具備了良好的發(fā)展環(huán)境和發(fā)展趨勢，但是在發(fā)展過程中仍存在一些問題，亟需農(nóng)業(yè)工作者的重視和解決[1]。

1.1 設(shè)備保有量低，分布不均衡

中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式是以鐮刀、鋤、锨等手工工作和人力勞動為主，新中國成立后尤其是改革開放以來，機械化逐漸成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要方式。據(jù)不完全統(tǒng)計，在“十二五”期間，我國農(nóng)機的覆蓋率已經(jīng)達到54%。近年來，隨著自動化、信息化技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)機也逐步朝著自動化和智能化方向發(fā)展，但由于我國各地區(qū)之間農(nóng)業(yè)水平不一致和各地方政府的經(jīng)濟定位不同，農(nóng)業(yè)自動化機械設(shè)備呈現(xiàn)出地區(qū)之間不均衡現(xiàn)狀。

1.2 設(shè)備整體的自動化程度低，對人員依賴性強

受限于我國農(nóng)機自動化發(fā)展史較短，我國大部分農(nóng)業(yè)機械在自動化水平上還存在較大上升空間，相對于發(fā)達國家全自動農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，我國的農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備在集成化、智能化等方面仍存在不足。如在進行作物收割時，需要收割機、秸稈捆包機、裝載機和運輸車等設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，才能將整個收割完成。自動化程度低導(dǎo)致的直接結(jié)果就是對于操作者的依賴性強，在某一農(nóng)業(yè)活動中，往往需要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量配備相應(yīng)數(shù)量的操作人員，存在大量的設(shè)備資源和人員的占用和浪費。

1.3 自主開發(fā)能力弱，機器普適性低

自主開發(fā)能力弱，機器普適性低是我國農(nóng)機自動化發(fā)展的另一現(xiàn)狀，具體體現(xiàn)在設(shè)備的自主開發(fā)和農(nóng)業(yè)機械作業(yè)流程管理兩方面。我國的很多農(nóng)機設(shè)備都是引進和借鑒外國先進的農(nóng)業(yè)設(shè)備而研發(fā)的，因此在農(nóng)機自動化方面，自主創(chuàng)新性是相對較低的，同時農(nóng)業(yè)機械設(shè)計人才大多為機械類專業(yè)人才，對于自動化、控制和信息技術(shù)等方面的人才引進不足，導(dǎo)致了我國農(nóng)機自動化發(fā)展受限。此外農(nóng)機的作業(yè)流程管理也需要大量的創(chuàng)新改善，在將國外先進的農(nóng)業(yè)作業(yè)管理方法引進后，應(yīng)根據(jù)我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，及時調(diào)整和更新，保證作業(yè)管理方法適合我國本土農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實際，這也能極大解決我國自動化農(nóng)業(yè)設(shè)備普適性低的問題。

2 農(nóng)機自動化的關(guān)鍵支撐技術(shù)

農(nóng)機自動化實現(xiàn)過程中需要大量先進的科學(xué)技術(shù)作為支撐，本章節(jié)從設(shè)備的設(shè)計、制造、控制和作業(yè)四個方面對于農(nóng)機自動化的關(guān)鍵支撐技術(shù)做出說明。

2.1 基于計算機輔助的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計自動化

計算機輔助設(shè)計是科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，主要滿足人們對于設(shè)備的設(shè)計需求，通過在計算機界面進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、組合關(guān)系進行繪制和標(biāo)記，為后續(xù)設(shè)備的生產(chǎn)提供最初的數(shù)據(jù)支持。伴隨著近年來計算機軟件技術(shù)的不斷豐富發(fā)展，越來越多的計算機輔助設(shè)計平臺進入人們的視野，設(shè)計形式由傳統(tǒng)的二維靜態(tài)圖紙設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槿S動態(tài)，為設(shè)計者提供了便捷的設(shè)計工具，同時，也降低了產(chǎn)品的設(shè)計成本，更有利于產(chǎn)品的創(chuàng)新研究。人們通過在計算機上進行農(nóng)機的虛擬模型設(shè)計，判斷各項功能需求是否得到滿足，再優(yōu)化人機交互方式，最大程度提升農(nóng)機設(shè)備的自動化和智能化水平。

2.2 基于氣、電、液多學(xué)科的農(nóng)機控制自動化

農(nóng)機的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)農(nóng)機快速響應(yīng)的保障，相對于傳統(tǒng)依賴純機械控制系統(tǒng)，電氣、液壓等多學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用，給農(nóng)機的便捷化和自主化控制提供了新的技術(shù)支撐，電氣系統(tǒng)是典型的動力驅(qū)動裝置，通過設(shè)定科學(xué)的電氣控制回路，從根源上產(chǎn)生滿足不同需求的動力，進而得到多種動力源。液壓控制系統(tǒng)適合高強的工作環(huán)境，農(nóng)機通常在復(fù)雜、惡劣的高強度工作環(huán)境中使用，控制系統(tǒng)必須滿足上述工作需求，因此，液壓系統(tǒng)成為現(xiàn)代化農(nóng)機中必不可少的組成部分。

2.3 基于傳感器和數(shù)據(jù)計算能力的作業(yè)自動化

傳感器和數(shù)據(jù)計算能力在農(nóng)機自動化過程中主要完成對外部數(shù)據(jù)的采集和處理工作，主要用于各項決策的后臺數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)階段，關(guān)于傳感器和數(shù)據(jù)計算能力的類型越來越多，最為常見的包括振動傳感器、濕度傳感器、顏色傳感器等，自動化農(nóng)業(yè)機械設(shè)備能通過傳感器及時感知工作環(huán)境中的某一變量，并將收集的信號進行數(shù)據(jù)表示。數(shù)據(jù)計算能力指各種智能算法，是從大量數(shù)據(jù)中提取特征的過程。設(shè)備通過傳感器收集到信號，運用數(shù)據(jù)計算能力對大量數(shù)據(jù)中蘊藏的特征進行提取，進而對于設(shè)備的運行提供更加精準(zhǔn)的決策指導(dǎo)。

3 自動化農(nóng)機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的典型應(yīng)用

3.1 自動駕駛技術(shù)

自動駕駛技術(shù)是農(nóng)機實現(xiàn)自動化過程的重要嘗試，現(xiàn)階段，很多農(nóng)機配套了衛(wèi)星定位技術(shù)，使得大規(guī)模種植的農(nóng)戶實現(xiàn)了半自動化作業(yè)，通過衛(wèi)星定位技術(shù)輔助駕駛員進行判斷，設(shè)定科學(xué)合理的駕駛路線，有利于農(nóng)機在大面積農(nóng)田作業(yè)時減少作業(yè)范圍重合，同時，能全局把控其他設(shè)備的位置信息，避免了在工作過程中撞機事故的發(fā)生。自動駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)植保無人機、果蔬自動采摘機等[2]。

3.2 設(shè)備的智能維護

設(shè)備的運維成本是農(nóng)機使用過程中不可避免的，通過設(shè)定合理的設(shè)備維護策略，能有效減少農(nóng)機的故障頻率和維修成本。農(nóng)機自動化的另一應(yīng)用場景即為設(shè)備的智能維護。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械在正常的工作過程中，操作者通過聲音、動力、氣味等識別設(shè)備的運行狀態(tài)，因此，操作者很難及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障原因并進行及時處理，進而導(dǎo)致了更大的農(nóng)機故障。通過搭載傳感器等，對設(shè)備運行過程中的振動、運轉(zhuǎn)頻率、溫度等信號進行收集，計算是否處于正常的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)超出安全區(qū)間時，則通過人機交互界面對操作者進行警告，并指出設(shè)備的故障點及相關(guān)的維修建議。

3.3 植保過程的自主決策

自動化設(shè)備實現(xiàn)植保過程的自主決策功能在溫室大棚的管理中更為常見，相對于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，溫室大棚具備更便捷的控制條件，因此，借助自動化設(shè)備對溫室大棚的各項植保工作進行管理更容易實現(xiàn)。如通過溫度、濕度傳感器，實時把控溫室內(nèi)的溫度和濕度情況，及時打開通風(fēng)、遮陽、噴霧等設(shè)備，提供給作物最適宜的生長環(huán)境；利用人工視覺檢測技術(shù)，能通過對作物生長情況進行監(jiān)控，準(zhǔn)確識別作物的健康情況，進而控制農(nóng)藥、肥料的使用量，極大提高了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量[3]。

4 結(jié)語

加快農(nóng)機自動化發(fā)展進程是實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級的重要保證，與發(fā)達國家相比，我國農(nóng)機自動化發(fā)展水平和應(yīng)用場景還需要進行創(chuàng)新與探索，開創(chuàng)適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實情的農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)，同時也希望更多的機械、電氣、控制和通信工作者能積極參與發(fā)展我國農(nóng)機自動化技術(shù)，配套相應(yīng)的自動化應(yīng)用環(huán)境，加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。