面向經(jīng)濟(jì)作物的智能農(nóng)機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況分析

吳愛(ài)明

(東營(yíng)市墾利區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 東營(yíng) 257500)

0 引言

經(jīng)濟(jì)作物是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其適應(yīng)性廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高對(duì)我國(guó)社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。主要包括纖維作物(棉花、麻料等)、油料作物(芝麻、花生等)、糖料作物(甘蔗、高粱、甜菜等)，其它還包括一些藥用作物、觀賞作物及部分染料作物等。提升經(jīng)濟(jì)作物的機(jī)械化水平，將會(huì)產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，將會(huì)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械化水平的延伸鏈，對(duì)于我國(guó)社會(huì)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平也是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要內(nèi)容，經(jīng)濟(jì)作物在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面占據(jù)重要地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物種植面積的不斷擴(kuò)大，同步提升我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化與智能化水平是經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要保障與基礎(chǔ)條件。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物主要集中在長(zhǎng)江中下游地區(qū)與南方紅壤丘陵地區(qū)，地形較為復(fù)雜，配套機(jī)械設(shè)備較少，機(jī)械化水平低下，極大地限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)效率與深入發(fā)展，在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化與智能化發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物配套機(jī)械與智能化技術(shù)，保障我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)步進(jìn)行。

本文綜述了農(nóng)業(yè)機(jī)械化在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展中的作用，對(duì)目前經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備、工具、配套技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)業(yè)機(jī)械化的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。加快未來(lái)我國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化進(jìn)程與全面發(fā)展，必須大力提高機(jī)械設(shè)備的研制及農(nóng)業(yè)種植模式改革，適應(yīng)日益競(jìng)爭(zhēng)激烈的地方、區(qū)域和市場(chǎng)，同時(shí)與其他技術(shù)措施進(jìn)行同步改進(jìn)，如改良種子、化肥、灌溉和殺蟲(chóng)劑等技術(shù)措施，這些都對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和綜合生產(chǎn)起著不可或缺的作用。另一方面，加強(qiáng)相關(guān)部門的市場(chǎng)導(dǎo)向作用，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)措施的順利實(shí)施提供有利的環(huán)境。

1 經(jīng)濟(jì)作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)地域遼闊，適合多種經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)，其中，棉花、大麻、亞麻、花生、芝麻、油菜、甘蔗、甜菜、煙草和茶葉是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，每年都會(huì)出口國(guó)際市場(chǎng)，而且種植面積也在不斷擴(kuò)大，因此，提高經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平是提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要保障與基礎(chǔ)條件。2021年相關(guān)研究表明，我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平較2018年提升30%，在多個(gè)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化及智能化設(shè)備方面取得了重大進(jìn)展。

1.1 纖維作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

纖維作物主要是指麻類(劍麻、苧麻、黃麻等)和棉花，可以分為食用纖維與工業(yè)纖維。食用纖維中豐富的纖維素被認(rèn)為人體所需的“第七大微量元素”，可以有效地促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，促進(jìn)食物殘?jiān)焖?、徹底地排出體內(nèi)，還可以有效控制血糖，具有預(yù)防腸癌、糖尿病、便秘及肥胖癥等疾病的功效。相關(guān)研究表明，向體內(nèi)注入纖維素直腸癌發(fā)生率可以降低22%左右。棉花是主要工業(yè)原料之一，在社會(huì)發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、軍事等方面具有廣泛應(yīng)用，用棉花制成的衣服及工業(yè)用布等保暖性好、耐磨、防霉，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，提升棉花機(jī)械化水平與生產(chǎn)水平是棉花種植過(guò)程中的重要基礎(chǔ)保障。目前，我國(guó)劍麻、黃麻等機(jī)械化程度十分低下，由于作物種植的特殊性，目前關(guān)于纖維作物的機(jī)械化設(shè)備研制較少，在我國(guó)纖維作物種植區(qū)域主要以人工作業(yè)為主要生產(chǎn)方式[1]。

1.2 油料作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

花生是我國(guó)重要的油料作物，但是目前我國(guó)關(guān)于花生機(jī)械化生產(chǎn)普及程度較低，主要以花生機(jī)械化播種為主，尚未形成整套生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械化與智能化進(jìn)程。在花生脫殼方面機(jī)械化研究較為深入，目前主要以我國(guó)自主研發(fā)的6BH、6TH型花生脫殼設(shè)備為主[2]。

1.3 糖料作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)作為甘蔗生產(chǎn)大國(guó)，其甘蔗種植水平與生產(chǎn)技術(shù)的高低直接影響著我國(guó)制糖工業(yè)的效率。廣西、廣東及海南地區(qū)是我國(guó)重要的甘蔗南繁基地。我國(guó)關(guān)于甘蔗機(jī)械化種植與收獲機(jī)械研制起源于19世紀(jì)80年代，隨著機(jī)械化技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)基本形成了甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化體系。甜菜也是我國(guó)重要的糖料作物，甜菜全程機(jī)械化作業(yè)工序主要包括播種、移栽及收獲。目前，我國(guó)針對(duì)甜菜播種智能化機(jī)械主要包括2BFD-2131C、2BP-2等，可一次完成整地、開(kāi)溝、播種、施肥及鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序；在移栽作業(yè)工序上目前主要應(yīng)用日本CT-4S及BTP-4型移栽機(jī)；關(guān)于甜菜收獲機(jī)械主要以美國(guó)生產(chǎn)的4600型甜菜收獲機(jī)為主要代表，我國(guó)自主研發(fā)的甜菜收獲機(jī)主要包括4TQ及4TW型兩段型甜菜收獲機(jī)械。

1.4 其他經(jīng)濟(jì)作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

山東地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物的重要發(fā)展基地之一，綜合機(jī)械化水平為23.1%(表1)。在2019年，有著“油菜院士”之稱的王漢中在“油菜高效智能移栽技術(shù)”方面取得了重大突破，與油菜機(jī)械化品種、田間智能管理技術(shù)、密度智能調(diào)控技術(shù)、聯(lián)合收獲技術(shù)及封閉除草技術(shù)等共9項(xiàng)核心技術(shù)形成了油菜全程智能機(jī)械化技術(shù)，推廣輻射面積已經(jīng)超過(guò)86萬(wàn)hm2，降低勞動(dòng)強(qiáng)度65%，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益共計(jì)30億元以上，是我國(guó)油菜發(fā)展的標(biāo)志性進(jìn)展[4]。

表1 山東地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平統(tǒng)計(jì)分析

章丘是我國(guó)大蔥的重要生產(chǎn)基地，大蔥在人工種植過(guò)程中存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、收獲季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，研究表明，每人每天僅能收獲66.7 m2左右，人工收獲成本每667m2高達(dá)1 000元，是影響農(nóng)戶收入的重要問(wèn)題。在2018年，我國(guó)成功研制出大蔥移栽機(jī)，移栽機(jī)可以一次性完成開(kāi)溝、移栽兩項(xiàng)作業(yè)工序，以及機(jī)械化收獲設(shè)備，收獲效率可以達(dá)到1 334 m2·h-1左右，極大地提高了大蔥生產(chǎn)效率，降低人工成本與勞動(dòng)強(qiáng)度。

大蒜是我國(guó)特色經(jīng)濟(jì)作物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年，我國(guó)大蒜種植面積超過(guò)26.67 hm2，但是，在大蒜種植過(guò)程中，從移栽、刨坑收獲都需要人工進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，在收獲時(shí)人工需要一直彎腰進(jìn)行勞作，會(huì)造成腰肌勞損等疾病。在2020年5月，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在棗莊進(jìn)行大蒜收獲機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)布，在觀摩會(huì)上，大蒜全程機(jī)械化種植、噴霧、收獲等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與智能化操作，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)大蒜收獲機(jī)每天可以完成20 hm2，作業(yè)工費(fèi)僅需150元，人工收獲成本平均在7 500元·hm-2，該機(jī)械化設(shè)備的研制極大地提高了生產(chǎn)效率，降低作物成本。

在2020年，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)也成功研制了自走式胡蘿卜收獲機(jī)，完成胡蘿卜的挖掘、收獲與運(yùn)輸，極大地提高了生產(chǎn)效率。

2 經(jīng)濟(jì)作物智能農(nóng)機(jī)開(kāi)發(fā)中存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平較低，配套設(shè)施不完善、智能化程度較低，綜合機(jī)械化水平為49.2%(表2)，極大地限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)效率。在經(jīng)濟(jì)作物種植過(guò)程中，多以人工為主要生產(chǎn)力，提高了作物成本，機(jī)械化及智能化設(shè)備較低也限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)效率的提升。因此，提升經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平與智能化水平是提高經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)效率與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要保障與基礎(chǔ)條件。

表2 我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平統(tǒng)計(jì)

3 經(jīng)濟(jì)作物智能農(nóng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化水平

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化水平的不斷提升，數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義，對(duì)大面積田間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要作用。目前，經(jīng)濟(jì)作物田間性能與生產(chǎn)效率主要依靠人工測(cè)量及感官認(rèn)知，勞動(dòng)強(qiáng)度大、準(zhǔn)確率低，限制了經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化、智能化水平的提升。隨著經(jīng)濟(jì)作物種植面積的逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)(圖1)對(duì)于提升經(jīng)濟(jì)作物田間管理具有一定的意義。將人工智能技術(shù)與圖像識(shí)別技術(shù)相互結(jié)合，對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)藝性狀監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害識(shí)別、根系監(jiān)測(cè)等方面具有重要的應(yīng)用前景。在經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中，應(yīng)該大力發(fā)展深度學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能算法、圖像切割與圖像分類等技術(shù)，提升農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)的精準(zhǔn)性，按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求精準(zhǔn)、快速、自主地進(jìn)行田間遠(yuǎn)程控制，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化方向發(fā)展。

圖1 圖像識(shí)別技術(shù)的重要結(jié)構(gòu)組成

3.2 加大基礎(chǔ)設(shè)備的研制

隨著農(nóng)業(yè)智能化的進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)業(yè)正向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展，因此，提高經(jīng)濟(jì)作物基礎(chǔ)機(jī)械設(shè)備是提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)條件。將目前計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)機(jī)械設(shè)備研制中，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時(shí)可以保證在不同地塊根據(jù)地形要求實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)要求。

4 結(jié)論

本研究基于我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化水平及智能農(nóng)機(jī)設(shè)備的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀，指出我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化及智能化程度較低，未來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化及智能化方向應(yīng)該大力提升技術(shù)人才的培養(yǎng)與相關(guān)基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)設(shè)備的研制，研究結(jié)果對(duì)于提升我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)效率與智能化水平提供理論借鑒與技術(shù)參考。