我國智能農(nóng)機裝備發(fā)展思考

張曉瑛

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

0 引言

智能農(nóng)機是集合計算機技術(shù)、電控技術(shù)和人工智能等技術(shù)的高新技術(shù)產(chǎn)品，能夠有效降低農(nóng)機操作人員的勞動強度、改善工作環(huán)境、提高生產(chǎn)效率[1]。

農(nóng)機裝備智能化是推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平迭代升級的重要突破口，是面向未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景。近年來，隨著精準(zhǔn)定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、人工智能和5G 通信等新技術(shù)形態(tài)與農(nóng)機裝備的融合及集成應(yīng)用不斷深入，我國農(nóng)機裝備信息化、智能化發(fā)展迅速，在關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件上實現(xiàn)了重大突破，農(nóng)機作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測、農(nóng)機裝備輔助駕駛、土壤與農(nóng)田信息感知、環(huán)境信息感知及水肥種藥智能化決策控制等多項智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中快速應(yīng)用，自動駕駛拖拉機、高效植保機、智能收獲機等大型智能化整機裝備不斷涌現(xiàn)，智能農(nóng)機裝備進入發(fā)展快車道。

1 發(fā)展智能農(nóng)機裝備時代需求

1.1 農(nóng)業(yè)人口結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變內(nèi)在要求

在生育水平持續(xù)下降、人均預(yù)期壽命普遍延長的雙重作用下，未來一段時期內(nèi)，人口老齡化已成為不可逆的必然趨勢。我國的老齡化進程與城鎮(zhèn)化進程相互疊加，大量的農(nóng)村勞動力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動力短缺問題愈發(fā)凸顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著“誰來種田”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。智能農(nóng)機裝備帶來的全時、高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是解決這一問題的有效舉措。

1.2 農(nóng)機裝備轉(zhuǎn)型升級必然選擇

縱觀世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)發(fā)展進程，呈現(xiàn)出4 個代際演進的過程，即農(nóng)業(yè)1.0 時代的人畜力耕作、農(nóng)業(yè)2.0時代的機械化農(nóng)業(yè)階段、農(nóng)業(yè)3.0 的局部自動化階段和農(nóng)業(yè)4.0 時代以無人化為特征的智慧農(nóng)業(yè)時代。國務(wù)院《關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》中將“機械化信息化融合”確定為今后一段時期農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的4 大路徑之一，從決策層面指明了未來農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展方向。《“十四五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》將“發(fā)展智能農(nóng)機”作為一項重要任務(wù)加以推進。

目前，我國農(nóng)業(yè)2.0 時代基本實現(xiàn)，正逐步向后兩個階段邁進。隨著技術(shù)應(yīng)用加快，代際轉(zhuǎn)化周期越來越短，甚至可能出現(xiàn)跨代演進。這也預(yù)示必須準(zhǔn)確把握農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)的演進規(guī)律，抓緊機遇提前布局，才能在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中始終走在前列。

1.3 實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)要素

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化的高級階段，已成為世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，智慧農(nóng)業(yè)以信息和知識為核心要素，是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和智能裝備等現(xiàn)代信息化技術(shù)與農(nóng)業(yè)的跨界融合，其中智能裝備是智慧農(nóng)業(yè)的最主要生產(chǎn)力要素之一[2-3]。

2 農(nóng)機智能化共性關(guān)鍵技術(shù)支撐

2.1 智能感知技術(shù)

農(nóng)機裝備智能感知從對象上包括作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對象的外部感知和裝備自身工作狀態(tài)的內(nèi)部感知。外部感知所獲取的信息包括農(nóng)田土壤信息、田間障礙物信息、作物長勢信息、病蟲害信息及氣象信息等，信息獲取的手段包括光譜、視覺、遙感、激光、近紅外和超聲等技術(shù)裝置。內(nèi)部感知所獲取的信息包括發(fā)動機信息、動力輸出信息、裝備工作狀態(tài)（姿態(tài)、壓力、位置、工況和故障）信息及作業(yè)參數(shù)信息等，如耕整地機械作業(yè)過程中的姿態(tài)、耕深等，播種施肥機械作業(yè)過程中的排種量、排肥量、播深等，收獲機械作業(yè)過程中的喂入量、含雜率、損失率等，信息獲取主要通過各類高效能傳感器實現(xiàn)。

2.2 智能控制技術(shù)

智能化控制是智能農(nóng)機裝備的一個顯著特點，包括基于自動導(dǎo)航的自主行走控制、智能動力驅(qū)動等。自動導(dǎo)航可實現(xiàn)不同程度的自動駕駛，智能動力驅(qū)動可實現(xiàn)發(fā)動機智能控制、液壓動力智能換擋、智能動力匹配等。智能控制系統(tǒng)主要包括總線控制、監(jiān)控終端、主機和機具控制器等?？偩€控制包括控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架、物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)通訊、各電控單元及任務(wù)控制器結(jié)構(gòu)[3]。監(jiān)控終端通常是一整套具備人機交互能力的顯示屏，負(fù)責(zé)適時顯示裝備的運行狀態(tài)?？刂破魇侵悄芸刂频暮诵牟考?，包括主機控制器和機具控制器，主機控制器主要功能包括電源管理、動力輸出管理、速度和距離控制、輔助閥控制等；機具控制器功能包括犁深控制、噴霧控制、排種排肥控制等。

2.3 智能決策技術(shù)

農(nóng)機裝備智能決策是根據(jù)感知系統(tǒng)獲得的各類數(shù)據(jù)信息，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的知識庫、數(shù)據(jù)庫，得出控制策略，再由智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能作業(yè)。農(nóng)機裝備的智能決策主要應(yīng)用在最優(yōu)路徑的規(guī)劃決策、變量作業(yè)決策、多機協(xié)同決策等方面。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)技術(shù)

智能農(nóng)機裝備效能的充分發(fā)揮，還需要建立一個云管控平臺，這離不開物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等技術(shù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在智能裝備、作業(yè)對象、管控平臺之間構(gòu)建實時通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)。智能農(nóng)機裝備是依靠各種實時數(shù)據(jù)的分析開展精準(zhǔn)作業(yè)的，因此獲取、處理、存儲和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)是必須解決的問題，這離不開大數(shù)據(jù)的支撐。云平臺是發(fā)出各種指令、進行可視化展示、開展用戶管理和裝備調(diào)度的中樞。

3 我國農(nóng)機智能化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 技術(shù)進展

“十三五”以來，我國農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展取得重要突破，在土壤與動植物信息感知、種肥水藥作業(yè)決策智控、關(guān)鍵零部件及整機試驗檢測等農(nóng)機裝備自動化、智能化關(guān)鍵核心技術(shù)方面緊跟國際前沿，部分技術(shù)迭代成熟實現(xiàn)應(yīng)用；新型高效拖拉機、耕整及施肥播種機、精量植保機械和智能收獲機械等耕種管收田間作業(yè)裝備實現(xiàn)大型化、智能化升級；關(guān)鍵零部件及整機設(shè)計制造實現(xiàn)數(shù)字化、智能化發(fā)展；設(shè)施種養(yǎng)智能技術(shù)裝備滿足蔬菜、畜禽、水產(chǎn)品生產(chǎn)需求，推進集約化、高效化生產(chǎn)[4]。

（1）信息感知技術(shù)。土壤信息感知中，水分、溫度、耕作阻力等環(huán)境信息具備了快速測定和感知的技術(shù)基礎(chǔ)，但氮、磷、鉀和有機質(zhì)等土壤肥力的檢測仍以間接檢測為主要技術(shù)手段，無法快速實時監(jiān)測。田間氣象信息具備了實時監(jiān)測的技術(shù)手段。作物長勢信息目前多采用高清數(shù)碼相機、多光譜相機及熱像儀等傳感器進行測定[5]。通過激光、雷達、機器視覺及多傳感器融合等手段，已經(jīng)基本可以實現(xiàn)農(nóng)田障礙物目標(biāo)識別與定位。作物病蟲害信息目前主要通過光譜發(fā)射特性結(jié)合圖像識別進行分析，識別的精準(zhǔn)程度隨算法的不同有所差異。內(nèi)部信息感知通過各類傳感器和電控設(shè)備，已經(jīng)可以實現(xiàn)裝備工作狀態(tài)、位置信息及作業(yè)信息等實時感知。

（2）智能控制技術(shù)。基于北斗技術(shù)的快速應(yīng)用，農(nóng)機裝備具備了一定的自主行走能力，輔助駕駛系統(tǒng)快速應(yīng)用，同時可以進行區(qū)域路徑規(guī)劃及作業(yè)路徑的優(yōu)化。裝備直線行走段的位置誤差已控制到厘米級。

農(nóng)機裝備智能化關(guān)鍵技術(shù)及零部件取得一定的突破。糧食作物智能化收獲突破了智能化工況參數(shù)控制、高效低損收割、高通量脫粒與清選等關(guān)鍵技術(shù)，突破了玉米植株切割、減損摘穗、高含水率籽粒低損脫粒等關(guān)鍵零部件技術(shù)，以及工況參數(shù)智能控制技術(shù)。

智能動力裝備實現(xiàn)了動力輸出智能化控制、整機工作狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷、動力優(yōu)化分配控制、動力輸出智能控制及智能化能量管理等。

（3）智能決策技術(shù)。智能決策中的專家系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于海量歷史數(shù)據(jù)的積累和分析，目前技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，但是由于智能農(nóng)機的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，決策的智能化程度還不夠高。

（4）智慧管理。智能農(nóng)機裝備通過遠(yuǎn)程作業(yè)監(jiān)測終端，實現(xiàn)了裝備位置、作業(yè)速度、作業(yè)質(zhì)量和裝備工作狀態(tài)等的遠(yuǎn)程控制，通過管理平臺，實現(xiàn)了故障預(yù)警、機具調(diào)度、軌跡回放和質(zhì)量監(jiān)測等管理功能。

3.1.2 應(yīng)用情況

近年來，隨著智能農(nóng)機技術(shù)的不斷進步，智能農(nóng)機裝備及系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展迅速。我國智能農(nóng)機裝備的應(yīng)用形態(tài)主要有2 種：一種是在傳統(tǒng)農(nóng)機裝備上加裝有關(guān)智能監(jiān)測、智能控制、自動駕駛等設(shè)備或系統(tǒng)，實現(xiàn)裝備的智能化；另一種是前裝各類智能系統(tǒng)和組件的智能化農(nóng)機整機裝備。第1 種是目前最主要的應(yīng)用方式。

截至“十三五”末，全國超過60 萬臺拖拉機、聯(lián)合收獲機配置基于北斗定位的作業(yè)監(jiān)測和智能控制終端。植保無人駕駛航空器保有量突破7 萬臺，作業(yè)面積近0.147 億hm2[6]。

（1）自動導(dǎo)航駕駛快速應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)機自動（輔助）駕駛系統(tǒng)銷量由2017 年的0.2 萬套增至2021 年的1.9 萬套，年均復(fù)合增長率為75.56%。截至2021 年末，全國累計安裝農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)超過10萬臺，是2018 年的15 倍多。農(nóng)機自動駕駛滲透率由2017 年的0.23%增至2021 年的1.4%，預(yù)計到2022 年底能夠達到2.2%。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)測終端。目前，通過農(nóng)機作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端來提高作業(yè)質(zhì)量、實現(xiàn)作業(yè)量監(jiān)控是智能農(nóng)機應(yīng)用最為常見和普及的應(yīng)用場景。農(nóng)機智能監(jiān)測基本實現(xiàn)了“耕、種、管、收”主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全過程覆蓋，特別是在大型拖拉機上的應(yīng)用較為普遍[7]。截至2021 年末，全國累計安裝農(nóng)機定位、作業(yè)監(jiān)測等遠(yuǎn)程運維終端超過45 萬臺（套），是2018 年的3 倍。

（3）新型智能農(nóng)機整機裝備不斷出現(xiàn)。近年來，一些新型智能農(nóng)機整機裝備不斷推出并取得了一定的應(yīng)用。在國內(nèi)的一些無人化農(nóng)場示范區(qū)內(nèi)，無駕駛艙的無人駕駛拖拉機、具備精量播種與變量施肥的智能化播種機、智能化高效植保機、植保無人機及智能收獲機等新型智能農(nóng)機的應(yīng)用已有一定的技術(shù)積累[8]。一些企業(yè)生產(chǎn)的具備自主學(xué)習(xí)能力的AI 人工智能谷物收獲機，已進入田間地頭。

3.2 智能農(nóng)機裝備發(fā)展趨勢

3.2.1 技術(shù)集成融合成為技術(shù)創(chuàng)新主要方向

衛(wèi)星導(dǎo)航、人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)形態(tài)在農(nóng)機裝備上的滲透和集成應(yīng)用，是智能農(nóng)機產(chǎn)生的基礎(chǔ)，也是發(fā)展趨勢[9]。智能農(nóng)機裝備是復(fù)雜農(nóng)機、智能化技術(shù)、管理系統(tǒng)等的融合，未來的智能農(nóng)機不會是單獨存在并發(fā)揮作用的，而是作為一個系統(tǒng)或?qū)嶓w網(wǎng)絡(luò)的一部分發(fā)揮協(xié)同作用，成體系運行的。

此外，智能農(nóng)機的應(yīng)用對農(nóng)機與農(nóng)藝融合、裝備與信息融合、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)提出了更高的要求。

3.2.2 智能化制造是產(chǎn)品開發(fā)重要方式

智能農(nóng)機裝備的設(shè)計、制造與驗證過程，本身越來越依賴智能化技術(shù)，這是確保智能農(nóng)機裝備更具有適用性、創(chuàng)新性的重要途徑[10]。智能制造關(guān)鍵在于數(shù)字化設(shè)計，包括模塊化設(shè)計、數(shù)字化建模、虛擬設(shè)計和動態(tài)仿真試驗驗證等技術(shù)的應(yīng)用。

3.2.3 綠色節(jié)能成為重要應(yīng)用目標(biāo)

隨著碳排放的逐漸收緊，農(nóng)機裝備作為重要的能源消耗領(lǐng)域，也面臨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源使用效率提升。在實踐中，智能農(nóng)機和綠色農(nóng)機往往是相互疊加的，如基于智能化技術(shù)的精量播種、變量施肥、精準(zhǔn)施藥和水肥一體化等智能農(nóng)機裝備，本身就是節(jié)能減排的重要體現(xiàn)[11]。因此，綠色既是智能農(nóng)機裝備的特點之一，也是發(fā)展方向之一。

4 智能農(nóng)機裝備發(fā)展建議

4.1 持續(xù)推動農(nóng)機裝備轉(zhuǎn)型升級

在傳統(tǒng)農(nóng)機的研發(fā)生產(chǎn)上，我國與發(fā)達國家仍然存在一定的差距。智能化技術(shù)的快速應(yīng)用為我國在農(nóng)機化迭代演進過程中創(chuàng)造了彎道超車的機遇，但復(fù)雜農(nóng)機裝備是智能化技術(shù)的基礎(chǔ)和載體，離開材料、關(guān)鍵零部件等核心技術(shù)，智能農(nóng)機裝備仍然難以有效應(yīng)用。因此，持續(xù)不斷加強農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升農(nóng)機裝備研發(fā)生產(chǎn)能力，提高先進農(nóng)機具裝備能力，仍然是十分重要的任務(wù)。

4.2 加快智能化技術(shù)示范應(yīng)用

我國農(nóng)田地塊規(guī)模小、耕地細(xì)碎分散，經(jīng)營方式大多是以農(nóng)戶經(jīng)營為主的小規(guī)模經(jīng)營，智能農(nóng)機裝備一次性投入較大，在小規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)營模式下邊際效益低下，應(yīng)用積極性不高。因此必須通過建立具有一定規(guī)模的示范區(qū)、示范點，充分發(fā)揮和體現(xiàn)智能農(nóng)機裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的比較優(yōu)勢，進而帶動土地適度規(guī)模經(jīng)營，促進智能農(nóng)機應(yīng)用。

4.3 推動核心技術(shù)攻關(guān)和裝備創(chuàng)新

圍繞智能農(nóng)機裝備的一些短板技術(shù)、卡脖子技術(shù)，開展技術(shù)攻關(guān)，提高智能農(nóng)機裝備自主創(chuàng)新能力，是推進農(nóng)機智能化應(yīng)用的重要保障。加快農(nóng)機裝備高性能傳感器、智能網(wǎng)聯(lián)終端等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進北斗導(dǎo)航、總線、高壓共軌、動力換擋、無級變速、新能源動力及機電液一體化等技術(shù)在裝備上的集成應(yīng)用，加快創(chuàng)新發(fā)展大型高端智能農(nóng)機裝備[12]。

4.4 加強智能農(nóng)機標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

智能農(nóng)機裝備技術(shù)形態(tài)豐富、集成程度高，涉及多個行業(yè)、領(lǐng)域的技術(shù)，具有豐富的應(yīng)用場景。在這種高度跨界融合的前提下，必須加強標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，建立規(guī)范統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)和支撐，是提升智能農(nóng)機應(yīng)用水平的重要基礎(chǔ)。

4.5 強化高素質(zhì)農(nóng)民培訓(xùn)

智能農(nóng)機裝備與傳統(tǒng)農(nóng)機裝備相比，對操作者的知識技能提出了新的要求。因此在高素質(zhì)農(nóng)民培訓(xùn)中要有針對性地安排與智能農(nóng)機裝備生產(chǎn)相關(guān)的培訓(xùn)內(nèi)容，提升廣大農(nóng)民對于智能農(nóng)機裝備的認(rèn)識水平和應(yīng)用能力，實現(xiàn)人與技術(shù)協(xié)調(diào)推進、共同發(fā)展。

4.6 加強政策配套支持

智能農(nóng)機裝備作為農(nóng)機化的前沿技術(shù)，需要一定的政策投入和扶持。一是要加強智能農(nóng)機技術(shù)研究，加大研發(fā)投入；二是加大對智能農(nóng)機裝備的購置補貼，推動裝備應(yīng)用；三是圍繞智能農(nóng)機生產(chǎn)作業(yè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全，出臺相應(yīng)的政策法規(guī)，為智能農(nóng)機裝備應(yīng)用提供安全、可靠的政策環(huán)境。

5 結(jié)束語

農(nóng)機裝備智能化是農(nóng)機化發(fā)展的重要方向，也是我國農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)彎道超車的重要突破口。圍繞智能農(nóng)機裝備的研究和應(yīng)用盡管還處于起步階段，對智能農(nóng)機裝備還缺乏統(tǒng)一規(guī)范的表述，但一些共性的技術(shù)特點具有普遍的共識。隨著北斗導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)形態(tài)在農(nóng)機裝備領(lǐng)域融合應(yīng)用的不斷深入，我國智能農(nóng)機裝備發(fā)展取得了一定的成果，但是在一些關(guān)鍵技術(shù)和核心零部件上仍然需要持續(xù)發(fā)力，這需要農(nóng)機研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用整體發(fā)力，同時也離不開相應(yīng)的政策支持和高素質(zhì)農(nóng)機操作手的保障。