崔凱,馮獻(xiàn)
(1. 中國社會(huì)科學(xué)院農(nóng)村發(fā)展研究所,北京 100732;2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心,北京 100097)
農(nóng)機(jī)裝備是引領(lǐng)農(nóng)業(yè)變革的重要引擎,伴隨數(shù)字技術(shù)與智能制造等在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用,智能農(nóng)機(jī)裝備將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程,使作業(yè)場(chǎng)景與數(shù)字環(huán)境密切關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)土壤監(jiān)測(cè)、水肥控制、農(nóng)業(yè)遙感、無人作業(yè)、自動(dòng)駕駛、智能控制等[1-2],為優(yōu)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供方案。作為先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的代表,智能農(nóng)機(jī)裝備引領(lǐng)全面機(jī)械化、自主化和無人化作業(yè),加快數(shù)字技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的改造,推動(dòng)數(shù)據(jù)要素驅(qū)動(dòng)下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力變革[3],為加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供全面支撐。
國外相關(guān)研究前沿聚焦于數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)下的農(nóng)業(yè)變革形態(tài),特別是數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、價(jià)值鏈和糧食系統(tǒng)的聯(lián)系[4],在對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型保持關(guān)注的同時(shí),對(duì)有關(guān)國家物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)等在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析和評(píng)估[5-6]。國內(nèi)智能農(nóng)機(jī)裝備總體尚處于試驗(yàn)示范階段,相關(guān)研究大多從技術(shù)流程、實(shí)踐類型等視角來聚焦智能農(nóng)機(jī)裝備,涉及農(nóng)業(yè)遙感、智能控制技術(shù)、裝備技術(shù)等[7-8],亦或針對(duì)某類智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀分析,如農(nóng)業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)等[9-10]。從既有研究的理論邏輯和實(shí)踐聚焦來看,國內(nèi)研究尚缺乏立足農(nóng)業(yè)未來形態(tài),對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用涉及的理論基礎(chǔ)、國內(nèi)外實(shí)踐和具體場(chǎng)景的系統(tǒng)歸納,這就限制了對(duì)國內(nèi)農(nóng)機(jī)智能化轉(zhuǎn)型未來趨勢(shì)的理解和把握,也不利于結(jié)合農(nóng)業(yè)變革需求進(jìn)行戰(zhàn)略謀劃。
本文將國內(nèi)外實(shí)踐與中國未來發(fā)展路徑進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,拓展現(xiàn)有研究范圍,面向農(nóng)業(yè)4.0和智慧農(nóng)業(yè)形態(tài),立足發(fā)展經(jīng)濟(jì)學(xué)視角,從理論上明確智能農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用的邏輯。基于國內(nèi)外政策和實(shí)踐,從現(xiàn)實(shí)層面對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行聚焦。在研判智能農(nóng)機(jī)裝備未來技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)基礎(chǔ)上,提出加快智能裝備推廣應(yīng)用的對(duì)策建議,從而將理論分析與對(duì)策研究進(jìn)行整合,來回應(yīng)農(nóng)業(yè)變革以及農(nóng)機(jī)升級(jí)的現(xiàn)實(shí)需求。
從實(shí)現(xiàn)手段看,農(nóng)業(yè)1.0是以體力、畜力等勞動(dòng)作業(yè)為主的農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)2.0是以機(jī)械化、設(shè)施化作業(yè)為主的農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)3.0是以自動(dòng)化、信息化為主的農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)4.0是數(shù)字農(nóng)業(yè)革命的產(chǎn)物[11-12],它以現(xiàn)代信息技術(shù)與先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用為特征[13],采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PA)、遙感(RS)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)、人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)等前沿技術(shù)[14],為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供由遙感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、虛擬化系統(tǒng)、云計(jì)算和最終用戶應(yīng)用程序等組成的綜合系統(tǒng)[15],以減少投入(水,化肥,農(nóng)藥等),應(yīng)對(duì)氣候變化和增加農(nóng)民利潤,從而實(shí)現(xiàn)更高效生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)形態(tài)[16]。
農(nóng)業(yè)4.0催生以信息和知識(shí)為核心要素的智慧農(nóng)業(yè)[17]。智慧農(nóng)業(yè)源于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐[12],是集成互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與智能農(nóng)機(jī)裝備,融合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)的信息感知、數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)控、科學(xué)管理、精準(zhǔn)決策和定制服務(wù)等的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理方式。以智能農(nóng)機(jī)裝備為載體,使智慧農(nóng)業(yè)模式廣泛體現(xiàn)在土壤監(jiān)測(cè)、水肥一體化投入、無人機(jī)器作業(yè)、智能溫室控制、決策服務(wù)等領(lǐng)域,成為農(nóng)業(yè)4.0的基本形態(tài)[18]。
在農(nóng)業(yè)1.0到農(nóng)業(yè)4.0的歷次變革中,農(nóng)機(jī)裝備歷經(jīng)從機(jī)械化到自動(dòng)化再到智能化的階段性升級(jí)過程。智能農(nóng)機(jī)裝備基于遙感、導(dǎo)航、現(xiàn)代通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等前沿信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,集合數(shù)據(jù)的采集、分析、控制和決策等作業(yè)流程,具有數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化特征。較之傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具,智能農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品形態(tài)豐富,包括智能精準(zhǔn)播種機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛機(jī)、無人植保機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等,全面發(fā)揮農(nóng)情感知、數(shù)據(jù)分析、自主決策等功能,覆蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程,實(shí)現(xiàn)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約投入成本等目標(biāo)。智能農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用推廣的基本邏輯,體現(xiàn)在規(guī)模經(jīng)營的實(shí)現(xiàn)手段,技術(shù)進(jìn)步的路徑選擇、要素替代的多種形式、產(chǎn)業(yè)融合的有效載體等方面。
1.2.1 突破經(jīng)營規(guī)模限制 舒爾茨認(rèn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素間配置關(guān)系存在“假不可分性”[19],大型拖拉機(jī)和大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)的組合并不必然提高效率,追求要素投入回報(bào)率的提升,需要視耕作規(guī)模來增加適用性農(nóng)機(jī)供給。農(nóng)機(jī)裝備向多樣化和智能化轉(zhuǎn)型,能夠?yàn)椴煌?guī)模的農(nóng)業(yè)經(jīng)營提供手段,如基于導(dǎo)航系統(tǒng)的中大型農(nóng)機(jī)跨區(qū)連片作業(yè),通過數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)精細(xì)化作業(yè),在智能溫室中進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)等。特別是在地塊分散的小規(guī)模經(jīng)營模式下,借助激光平地機(jī)等提高土地平整精度,可降低不同屬性地塊間的流轉(zhuǎn)和交易成本,提高農(nóng)機(jī)服務(wù)效率。傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)局限于固定的作業(yè)功能和服務(wù)模式,智能農(nóng)機(jī)裝備借助決策系統(tǒng)[20],能夠匹配不同土地規(guī)模開展生產(chǎn)任務(wù),將農(nóng)業(yè)產(chǎn)出落實(shí)到具體地塊和作業(yè)場(chǎng)景中,全方位改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。
1.2.2 保持技術(shù)進(jìn)步的彈性空間 由于各國人地關(guān)系與資源稟賦差異,農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)出有偏性特征,速水和拉坦比較各國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程,指出北美國家尋求節(jié)約勞動(dòng)力的機(jī)械化發(fā)展道路,而亞洲國家以節(jié)約土地的生物技術(shù)革命為主導(dǎo)。事實(shí)上,在產(chǎn)出效益目標(biāo)導(dǎo)向下,兩類技術(shù)進(jìn)步在各國農(nóng)業(yè)增長中相互交織。作為農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新前沿,智能農(nóng)機(jī)裝備是技術(shù)集成的產(chǎn)物,在追求農(nóng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步對(duì)于節(jié)約勞動(dòng)力要求的同時(shí),能夠以更加精準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)形式,與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素有機(jī)結(jié)合。如智能設(shè)施系統(tǒng)由專業(yè)管理人才控制,在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和模型支持下,根據(jù)作物生長條件和土壤條件進(jìn)行水肥投入設(shè)定,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量投入和產(chǎn)出控制,來維持資本、物質(zhì)、土地和勞動(dòng)力等要素投入間的比例平衡關(guān)系。因此,智能農(nóng)機(jī)裝備帶來的技術(shù)進(jìn)步路徑并不單一,而是能夠兼容有偏或者中性的實(shí)現(xiàn)方式,優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)[21]。
1.2.3 提供要素替代的新進(jìn)路 要素替代是優(yōu)化資源配置,提高產(chǎn)出的必然過程。智能農(nóng)機(jī)裝備對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要意義在于能夠推進(jìn)多種形式的要素替代來實(shí)現(xiàn)要素整合與重構(gòu),帶來要素配置層面的改善。一是勞動(dòng)替代,這是智能農(nóng)機(jī)應(yīng)用最直接的表現(xiàn),除自動(dòng)駕駛應(yīng)用于大田耕種收以外,借助農(nóng)業(yè)機(jī)器人還可以進(jìn)行采摘、除草、噴藥和修剪等精細(xì)化作業(yè),滿足復(fù)雜作業(yè)需求,進(jìn)一步釋放農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力。二是工具替代,依托前沿?cái)?shù)字技術(shù),尤其農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等集成應(yīng)用,將數(shù)據(jù)要素與農(nóng)業(yè)作業(yè)工具緊密結(jié)合,引入數(shù)據(jù)感知、采集、分析和決策的系列流程,推動(dòng)生產(chǎn)工具的持續(xù)更新和迭代,為農(nóng)業(yè)增長提供可持續(xù)方案[20]。
1.2.4 成為產(chǎn)業(yè)融合的應(yīng)用載體 現(xiàn)代信息技術(shù)、智能制造技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合,改進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和組織形態(tài),例如傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)和專家系統(tǒng)相結(jié)合,加載物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等的集成應(yīng)用,為農(nóng)業(yè)智慧轉(zhuǎn)型和生產(chǎn)工具升級(jí)奠定制造業(yè)基礎(chǔ),催生體現(xiàn)工農(nóng)融合理念和前沿技術(shù)特征的智能農(nóng)機(jī)裝備。智能農(nóng)機(jī)裝備將現(xiàn)代工藝引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn),圍繞服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的目標(biāo),通過現(xiàn)代工業(yè)手段解決數(shù)據(jù)收集、處理等多個(gè)維度同時(shí)作業(yè)的高成本問題,改造相對(duì)封閉的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式,為實(shí)現(xiàn)工業(yè)反哺提供了新方式,成為工業(yè)化、信息化引領(lǐng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要切入點(diǎn)。
隨著各國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代推進(jìn),傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)正被一系列智能設(shè)備和農(nóng)業(yè)機(jī)器人所替代[16],塑造智慧農(nóng)業(yè)范式,這符合智能農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用的基本邏輯。世界范圍內(nèi),發(fā)達(dá)國家大力支持智能農(nóng)機(jī)裝備在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,以智能農(nóng)機(jī)裝備為代表的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正在蓬勃興起,國際農(nóng)機(jī)巨頭等市場(chǎng)主體也都將智能化轉(zhuǎn)型作為農(nóng)機(jī)變革的重要方向,加快農(nóng)機(jī)裝備在全球的應(yīng)用和推廣。中國積極出臺(tái)相應(yīng)政策加快全國和地方層面的布局,在無人機(jī)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的推廣方面取得初步進(jìn)展,農(nóng)機(jī)智能化水平逐步提升。
2.1.1 世界農(nóng)業(yè)強(qiáng)國和跨國企業(yè)引領(lǐng)農(nóng)機(jī)智能化 發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到智能農(nóng)機(jī)裝備在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率,提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)省勞動(dòng)力投入等方面的作用,通過重大戰(zhàn)略規(guī)劃來支持智能農(nóng)機(jī)技術(shù)發(fā)展。美國農(nóng)業(yè)部發(fā)布的2020—2025年科技藍(lán)圖中[22],人工智能、自動(dòng)化和遙感等技術(shù)被列為未來農(nóng)業(yè)科技行動(dòng)計(jì)劃的重點(diǎn)。利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè),研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人、作物和土壤監(jiān)測(cè)裝置等。同時(shí)自動(dòng)化和遙感技術(shù)推動(dòng)農(nóng)場(chǎng)管理方式轉(zhuǎn)變,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。歐盟高度重視數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,認(rèn)為未來歐洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是現(xiàn)代信息技術(shù)與先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備應(yīng)用為特征的農(nóng)業(yè)4.0[12]。歐盟在《2023—2027年共同農(nóng)業(yè)政策》臨時(shí)協(xié)議中明確提出結(jié)合農(nóng)業(yè)知識(shí)信息系統(tǒng)(AKIS),支持和促進(jìn)數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等創(chuàng)新項(xiàng)目發(fā)展。日本農(nóng)林水產(chǎn)省專門針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)設(shè)置財(cái)政預(yù)算,并在2019年實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)示范工程,加快機(jī)器人、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。農(nóng)機(jī)企業(yè)等市場(chǎng)主體在推廣智能農(nóng)機(jī)和智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用,如約翰迪爾、愛科集團(tuán)、克拉斯等知名跨國企業(yè)在世界范圍內(nèi)進(jìn)行廣泛布局,加快農(nóng)機(jī)智能化升級(jí)和示范(表1),不斷發(fā)掘智能農(nóng)機(jī)裝備在亞非國家的推廣應(yīng)用潛力,改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。
表1 世界領(lǐng)先農(nóng)機(jī)企業(yè)智能化的探索Table 1 Intelligent exploration of the world’s leading agricultural machinery enterprises
2.1.2 中國積極發(fā)展智能農(nóng)機(jī)裝備 面向世界農(nóng)業(yè)科
技和現(xiàn)代化前沿,近年來中央和地方政府積極謀劃,在涉農(nóng)類政策中列入與智能農(nóng)機(jī)裝備有關(guān)的針對(duì)性措施。全國層面,2021年中央一號(hào)文件明確“提高農(nóng)機(jī)裝備自主研制能力,支持高端智能、丘陵山區(qū)農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)制造”。2021年11月國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》,提到“加強(qiáng)大中型、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用”和“加大對(duì)智能、高端、安全農(nóng)機(jī)裝備的支持力度”等。有關(guān)部委也相繼部署,在《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案(2016—2025)》《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2022—2025年)》《“十四五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》等文件中,共同聚焦智能農(nóng)機(jī)裝備研發(fā),以及農(nóng)機(jī)智能技術(shù)創(chuàng)新等。就地區(qū)層面來看,吉林、山東、河南、江蘇、浙江等地圍繞農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化出臺(tái)的“十四五”規(guī)劃中,均涉及到發(fā)展智能農(nóng)機(jī)裝備、加快農(nóng)機(jī)裝備智能化改造等內(nèi)容(表2)。
表2 各地政策中對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展的支持內(nèi)容Table 2 Local policies to support the development of intelligent agricultural machinery equipment
2020年中國小麥耕種收綜合機(jī)械化率穩(wěn)定在95%以上,水稻、玉米耕種收綜合機(jī)械化率分別超85%和90%。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì),截至2019年,中國農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)企業(yè)總數(shù)超過8 000家,規(guī)模以上企業(yè)超過1 700家,農(nóng)機(jī)裝備制造基本涵蓋各個(gè)門類,能夠生產(chǎn)14大類50個(gè)小類4 000多種農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。作為農(nóng)機(jī)裝備制造大國,中國農(nóng)機(jī)研發(fā)規(guī)模世界第一,專利申請(qǐng)量世界第二,近年來農(nóng)機(jī)裝備智能化水平顯著提升,農(nóng)業(yè)無人飛機(jī)保有量加速增長,2021年達(dá)16萬架。200馬力級(jí)以上拖拉機(jī)、60行大型播種施肥機(jī)、水稻精量直播機(jī)、高含水率玉米收獲機(jī)、精量植保機(jī)械等重大裝備基本實(shí)現(xiàn)自主化?;诒倍?、5G的無人駕駛農(nóng)機(jī)、無人植保機(jī)、無人插秧機(jī)、無人聯(lián)合收割機(jī)等智能農(nóng)機(jī)的示范應(yīng)用正加快推進(jìn)。
基于典型國家和地區(qū)實(shí)踐,綜合前沿研究成果,當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)主要技術(shù)包括遙感、物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)情監(jiān)測(cè)、決策支持和人工智能等[23-25]。這些技術(shù)匹配相應(yīng)需求解決方案,形成應(yīng)用層面的智能農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)場(chǎng)景,涉及信息的采集、分析、控制和決策等流程,涵蓋不同作業(yè)環(huán)節(jié)(圖1),并因智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)廣泛滲透而呈現(xiàn)交互性。本文立足國內(nèi)外實(shí)踐,綜合農(nóng)機(jī)類型、作業(yè)環(huán)節(jié)和技術(shù)特征等方面,對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備在自動(dòng)導(dǎo)航、投入控制、數(shù)據(jù)采集、無人作業(yè)等領(lǐng)域的實(shí)踐場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)。
2.2.1 耕種收自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè) 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提升農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率,美國等發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)80年代中期就開展了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究[26]。國內(nèi)外大型農(nóng)機(jī)公司相繼開發(fā)自動(dòng)導(dǎo)航產(chǎn)品,并應(yīng)用于拖拉機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)和噴霧機(jī)等農(nóng)機(jī)上,如美國約翰迪爾的Green Star TM 3和凱斯紐荷蘭工業(yè)的AFS Guide TM等,中國司南導(dǎo)航的AG300北斗/GNSS和聯(lián)適導(dǎo)航的AF300北斗/GNSS等。配備自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)無需農(nóng)民監(jiān)控,通過遠(yuǎn)程輔助指導(dǎo)進(jìn)行路徑自主識(shí)別,還可以與遙感、數(shù)據(jù)感知、人工智能等技術(shù)一并使用,用于精細(xì)耕播、規(guī)模種植和聯(lián)合收割等。
中國農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航研究和應(yīng)用起步較晚但發(fā)展迅速,目前與世界領(lǐng)先水平差距并不大,在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航定位技術(shù)、導(dǎo)航控制技術(shù)和導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)等方面取得創(chuàng)新[27],創(chuàng)制了可自動(dòng)導(dǎo)航和遠(yuǎn)程調(diào)度的播種機(jī)、旋耕機(jī)、噴霧機(jī)和收獲機(jī)等,適用于旱地和水田作物的耕種收等環(huán)節(jié)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究表明,中國水田作業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)居國際領(lǐng)先水平。采用自動(dòng)導(dǎo)航的農(nóng)機(jī)可提高作物產(chǎn)量2%~3%,還可以24小時(shí)不間斷作業(yè),顯著降低生產(chǎn)成本和提高土地利用率[26]。在新疆,基于中國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),拖拉機(jī)可根據(jù)設(shè)計(jì)路徑在作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛,進(jìn)行精量播種、深松深耕作業(yè)監(jiān)測(cè)等,2020年已有超1萬臺(tái)農(nóng)機(jī)裝備使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù),棉花等作物的機(jī)采率得到顯著提升。
2.2.2 水肥藥投入智能控制 在作業(yè)過程中通過調(diào)節(jié)壓力或流量大小等智能控制手段,無需人工即可按目標(biāo)施肥施藥量進(jìn)行作業(yè),實(shí)現(xiàn)水、肥、農(nóng)藥等投入的高精準(zhǔn)性和高靶向性。部分發(fā)達(dá)國家如瑞士EcoRobotix公司開發(fā)的田間除草裝備,可準(zhǔn)確識(shí)別雜草并進(jìn)行除草劑噴灑,使農(nóng)藥施用量降低20倍。愛爾蘭MagGrow開發(fā)的農(nóng)藥噴灑裝備使用永久性稀土磁體產(chǎn)生電磁荷,可解決農(nóng)藥漂移問題,減少65%~75%的農(nóng)藥施用量[17]。澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)研發(fā)的Agbott II機(jī)器人可針對(duì)不同類別的雜草自動(dòng)選擇機(jī)械剪除或化學(xué)施藥的方式來清除[1],避免化學(xué)品的盲目施用,極大提高農(nóng)資投入效率。
中國在水肥藥智能控制的農(nóng)機(jī)裝備關(guān)鍵技術(shù)緊跟國際前沿,部分技術(shù)迭代成熟實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,具備高效施肥、水肥一體化、節(jié)水灌溉等功能的智能農(nóng)機(jī)裝備正加快集成研發(fā),施肥播種機(jī)、精量噴藥植保機(jī)等田間管理裝備逐步實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)[28]。如水肥一體化技術(shù)與傳感器控制技術(shù)相結(jié)合,打造同步播種施肥機(jī)、變量施肥機(jī)、地面和航空噴霧系統(tǒng)等智能灌溉與施肥系統(tǒng),顯著提高了水、肥、藥的利用率,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到推廣和應(yīng)用,大幅提升農(nóng)業(yè)的集約化、高效化水平。根據(jù)國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的全國調(diào)查數(shù)據(jù),設(shè)施栽培中應(yīng)用水肥一體化、精準(zhǔn)施藥和生產(chǎn)環(huán)境智能化控制技術(shù)的經(jīng)營主體占比均超過1/3[29]。
2.2.3 數(shù)據(jù)采集和決策服務(wù) 將農(nóng)業(yè)活動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為特定形式的數(shù)據(jù),以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)優(yōu)化作物生長模型,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供評(píng)估和決策。智能農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)的前提,是實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤條件、水分養(yǎng)分、作物長勢(shì)、病蟲害等各類農(nóng)情信息的快速感知和獲取。農(nóng)業(yè)傳感器與深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)相結(jié)合,匯集播種、收獲、銷售等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),解決人工采集數(shù)據(jù)的高成本問題,其應(yīng)用范圍涵蓋溫室智能控制、農(nóng)業(yè)機(jī)械收耕、病蟲害識(shí)別、農(nóng)產(chǎn)品溯源等領(lǐng)域,發(fā)展?jié)摿薮?。未?~10年,研發(fā)準(zhǔn)確、精密、便攜的傳感器和生物傳感器將是各國農(nóng)業(yè)傳感器創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。美國、德國和日本等國家在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,幾乎壟斷了感知元器件、環(huán)境傳感器、動(dòng)植物生命信息傳感器等相關(guān)產(chǎn)品[17]。這些國家在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的專利申請(qǐng)、轉(zhuǎn)讓、生產(chǎn)銷售等方面已形成較為成熟的產(chǎn)業(yè)模式。
國內(nèi)一般性環(huán)境類農(nóng)業(yè)傳感器(水、光、溫、氣等)可基本實(shí)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn),但智能化程度還不高,高質(zhì)量傳感元器件以進(jìn)口為主[30]。當(dāng)前高校和科研院所在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、分析利用和決策支持等領(lǐng)域的水平逐年提升,如國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研發(fā)出土壤耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可準(zhǔn)確測(cè)定深松深度和面積,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)可準(zhǔn)確獲取土壤水分和土壤壓實(shí)狀況的車載式傳感器,吉林大學(xué)研發(fā)出溫室環(huán)境信息智能傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息[31]。農(nóng)業(yè)決策服務(wù)方面,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)成功研究出可測(cè)定田面水層深度和水田土壤含水量的無線傳感器,為水稻生產(chǎn)自動(dòng)灌溉提供支持[26]。
2.2.4 機(jī)器人作業(yè)和無人農(nóng)場(chǎng) 機(jī)器人作業(yè)在枯燥任務(wù)、惡劣環(huán)境和危險(xiǎn)任務(wù)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),得益于智能傳感器、深度學(xué)習(xí)和人機(jī)協(xié)作能力的進(jìn)步,農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠在沒有直接人工干預(yù)的情況下自主執(zhí)行不同重復(fù)的農(nóng)業(yè)任務(wù)(從整地到收割)[20],例如在山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū),小型田間機(jī)器人和無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)作物測(cè)繪、田間監(jiān)測(cè)、遙感和雜草檢測(cè)等,來監(jiān)測(cè)和評(píng)估作物生長狀況。有研究表明,使用機(jī)器人進(jìn)行雜草控制和精確噴灑,除草劑使用量?jī)H為地毯式噴灑的5%~10%[21]。當(dāng)前圍繞果蔬采摘、嫁接、灌溉、施肥和噴藥等環(huán)節(jié),以及養(yǎng)殖業(yè)中飼喂、屠宰、擠奶、清糞和捕撈等工序,工業(yè)化國家已經(jīng)或正在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)[32]。美國、日本、荷蘭和以色列等國家正積極研發(fā)溫室機(jī)器人,主要用于番茄、彩椒、黃瓜和蘆筍等作物的采摘,預(yù)計(jì)到2024年全球?qū)⒂?0萬~100萬臺(tái)農(nóng)業(yè)機(jī)器人在田間工作[13],無人農(nóng)場(chǎng)作業(yè)模式將在各地涌現(xiàn)。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有廣泛適用性,在發(fā)展中國家的應(yīng)用潛力巨大。特別是在亞洲國家,基于特色小型農(nóng)機(jī)具和農(nóng)機(jī)服務(wù)業(yè)的發(fā)展,使用傳感器和智能裝置,將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)備轉(zhuǎn)換和組裝為無人作業(yè)系統(tǒng),可低成本有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備智能化[16]。中國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究起步于20世紀(jì)90年代[13],目前無人植保機(jī)、割草機(jī)器人、小型農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)、嫁接機(jī)器人、移栽機(jī)器人等在部分地區(qū)得到應(yīng)用,集成農(nóng)業(yè)機(jī)器人的無人農(nóng)場(chǎng)在廣東、山東和江蘇等地開始試點(diǎn)建設(shè),部分試點(diǎn)的作物產(chǎn)量高于所在地區(qū)平均產(chǎn)量[27],應(yīng)用推廣潛力巨大。
從發(fā)展進(jìn)程看,農(nóng)機(jī)制造是最能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之一,預(yù)計(jì)2035年基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化時(shí),農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率達(dá)85%以上,主要農(nóng)作物的全程機(jī)械化程度達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家的平均水平[33]。就農(nóng)機(jī)智能化轉(zhuǎn)型趨勢(shì)看,多數(shù)前沿智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)仍在試驗(yàn)示范階段,智能農(nóng)機(jī)裝備核心零部件還落后于美國、德國和日本等發(fā)達(dá)國家[17],中國邁入農(nóng)業(yè)4.0階段仍需要一個(gè)長期的歷史過程。根據(jù)羅錫文等[2]預(yù)計(jì),到2035年,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化方向發(fā)展,到2050年,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化。
結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求,中國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)投入與產(chǎn)出存在結(jié)構(gòu)失衡,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力投入已不具備成本上的比較優(yōu)勢(shì),農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家,同時(shí)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品的投入強(qiáng)度遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的安全上限,更高于世界和中等偏上收入國家的平均水平[34]。智能農(nóng)機(jī)裝備的應(yīng)用,為解決勞動(dòng)力低效重復(fù)投入、化學(xué)品粗放使用、水土資源利用效率低下等問題提供解決途徑,其前景非常廣闊。
立足政策指引,加快智能農(nóng)機(jī)裝備的技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用示范和作業(yè)管理等,是“十四五”時(shí)期農(nóng)業(yè)機(jī)械化智能化的重要任務(wù)?!笆濉币詠韲抑攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃持續(xù)支持智能農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域,對(duì)智能農(nóng)機(jī)研發(fā)、購置和應(yīng)用推廣的補(bǔ)貼力度不斷加大,將推動(dòng)智能農(nóng)機(jī)裝備在耕種收等不同作業(yè)環(huán)節(jié),以及設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品初加工等不同行業(yè)的應(yīng)用。
綜上,智能農(nóng)機(jī)裝備的發(fā)展應(yīng)以解決農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化面臨的關(guān)鍵問題為導(dǎo)向,把握信息技術(shù)進(jìn)步和制造業(yè)變革的契機(jī),深入挖掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的用戶需求,在引領(lǐng)農(nóng)業(yè)變革的同時(shí),通過應(yīng)用創(chuàng)新來提升發(fā)展空間(圖2),對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備的應(yīng)用趨勢(shì)作出如下研判。
一是更加契合用戶需求。農(nóng)機(jī)裝備更新?lián)Q代的速度不斷加快,要求智能農(nóng)機(jī)制造系統(tǒng)對(duì)各種生產(chǎn)條件變化的適應(yīng)能力不斷提高。針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景,未來智能農(nóng)機(jī)裝備將更加突出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者個(gè)性化需求,基于定制化、模塊化生產(chǎn)、研發(fā)和設(shè)計(jì)平臺(tái),通過用戶體驗(yàn)等方式,發(fā)現(xiàn)用戶的現(xiàn)實(shí)與潛在需求,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。
二是實(shí)踐場(chǎng)景更加豐富。隨著精細(xì)耕整地、精量播種、育苗嫁接、肥水一體化等高效生產(chǎn)配套裝備智能化水平的提升,以及環(huán)境調(diào)控、遠(yuǎn)程管理、生理信息檢測(cè)、個(gè)性飼喂等技術(shù)不斷突破,能夠適應(yīng)耕種、收獲、加工等不同環(huán)節(jié)的各類智能農(nóng)機(jī)裝備將不斷涌現(xiàn),廣泛應(yīng)用于大田作物、經(jīng)濟(jì)作物、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品加工等。
三是制造工藝不斷升級(jí)?,F(xiàn)代工業(yè)助力農(nóng)機(jī)制造企業(yè)開展自動(dòng)化、智能化的研發(fā)生產(chǎn),特別是隨著工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)裝配檢測(cè)等大量應(yīng)用于農(nóng)機(jī)裝備的生產(chǎn)制造過程,生產(chǎn)流程和管理控制系統(tǒng)的智能化程度大大提升,為農(nóng)業(yè)裝備智能化提供制造業(yè)基礎(chǔ),提升核心制造工藝的自主研發(fā)和集成創(chuàng)新能力。
四是與人工智能深度融合。人工智能是未來科技最前沿,在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)算法,分析所采集的各類數(shù)據(jù),能夠使作物生長信息感知與調(diào)控更為精準(zhǔn),優(yōu)化預(yù)測(cè)分析和決策模型。加載語言識(shí)別、機(jī)器視覺、專家系統(tǒng)等各類人工智能技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器,將在田間除草、施肥施藥、采摘收割等領(lǐng)域加快示范。
五是多元功能加快集成。為更好地適應(yīng)各類復(fù)雜農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境,智能農(nóng)機(jī)裝備數(shù)量和種類將不斷豐富,實(shí)現(xiàn)各類農(nóng)機(jī)功能的系統(tǒng)整合是關(guān)鍵。在多目標(biāo)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)下,多樣化和集成化的設(shè)計(jì)方法成為研發(fā)生產(chǎn)的必然選擇,由多元組件構(gòu)成的特色智能農(nóng)機(jī)裝備,將逐步具備全程化、自主化和協(xié)同化的作業(yè)能力,拓展機(jī)器人、無人系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
順應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化未來趨勢(shì),把握涉農(nóng)政策紅利和現(xiàn)實(shí)關(guān)切,探索智能農(nóng)機(jī)裝備高效化、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化和服務(wù)化的應(yīng)用推廣路徑,要結(jié)合技術(shù)需求和作業(yè)場(chǎng)景,提升智能農(nóng)機(jī)裝備的適農(nóng)性,優(yōu)化補(bǔ)貼方式和行業(yè)配套服務(wù),建設(shè)創(chuàng)新體系和安排試點(diǎn)示范,全面發(fā)揮智能農(nóng)機(jī)裝備在促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)高效方面的積極作用。
按照循序漸進(jìn),分環(huán)節(jié)、分場(chǎng)景、分階段進(jìn)行分類推進(jìn)的思路,統(tǒng)籌農(nóng)林牧漁部門及種養(yǎng)加等環(huán)節(jié)的技術(shù)需求,制定農(nóng)機(jī)裝備智能化技術(shù)路線圖,對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)、生物傳感器、人工智能和機(jī)器人等世界前沿技術(shù)領(lǐng)域,抓緊攻克和完善相關(guān)技術(shù)和工藝標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)特色、高附加值農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū),加大適用性智能農(nóng)機(jī)裝備的技術(shù)研發(fā)力度,盡快滿足全程全面機(jī)械化需求,提升智能農(nóng)機(jī)具的作業(yè)質(zhì)效。
結(jié)合地形地貌特征和具體作業(yè)場(chǎng)景,研發(fā)和推廣與作物和農(nóng)藝相適應(yīng)的智能農(nóng)機(jī)裝備。如針對(duì)大田作物生產(chǎn),推廣大馬力自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)及配套智能播種、施肥和深松機(jī)等。在設(shè)施環(huán)境中,優(yōu)先研發(fā)中試針對(duì)蔬果育苗、移栽、植保和采摘等環(huán)節(jié)的智能機(jī)器人。丘陵山區(qū)主要推廣多功能耕整地機(jī)、無人精量播種、開溝施肥、對(duì)靶噴藥、旋耕除草等中小型適配農(nóng)機(jī)裝備。重視綠色低碳生產(chǎn)工藝的引入和應(yīng)用,積極推廣清潔、環(huán)保類智能裝備。
將智能農(nóng)機(jī)裝備以及配套設(shè)備納入農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼,鼓勵(lì)各地結(jié)合實(shí)際和農(nóng)業(yè)特色,制定智能農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)和產(chǎn)品購置名錄,建立購置補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民專業(yè)合作社、農(nóng)機(jī)服務(wù)公司等不同類型的生產(chǎn)經(jīng)營主體,采取差異化補(bǔ)貼方式。積極引導(dǎo)企業(yè)、科研院所、金融機(jī)構(gòu)和社會(huì)組織等共同參與,探索租賃補(bǔ)貼、互助補(bǔ)貼、服務(wù)補(bǔ)貼等多種補(bǔ)貼手段,加快智能農(nóng)機(jī)具在小農(nóng)戶中的應(yīng)用。
支持農(nóng)機(jī)企業(yè)培養(yǎng)和引進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)和專業(yè)人才,通過自主研發(fā)、自建供應(yīng)鏈、生產(chǎn)外包、組裝集成等不同方式,研制適用于不同地區(qū)實(shí)際的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品,加快產(chǎn)品迭代升級(jí)速度。完善生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)鑒定、供應(yīng)體系等方面的農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)配套服務(wù),打造更多國產(chǎn)農(nóng)機(jī)品牌,提升國產(chǎn)農(nóng)機(jī)的市場(chǎng)影響力。鼓勵(lì)社會(huì)化服務(wù)主體增加對(duì)智能農(nóng)機(jī)操作、智能終端使用等方面的培訓(xùn),提高農(nóng)民的現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng),將更多小農(nóng)戶納入到智能化的農(nóng)業(yè)作業(yè)流程中。
優(yōu)先考慮在國家級(jí)各類涉農(nóng)園區(qū)和示范區(qū),組建智能農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟,統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)企業(yè)、加工制造企業(yè)、科研院校、投融資平臺(tái)等資源,深化協(xié)作推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用,加快智能農(nóng)機(jī)具的創(chuàng)制和推廣。鼓勵(lì)有條件地區(qū)依托數(shù)字鄉(xiāng)村試點(diǎn)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化示范等項(xiàng)目,建設(shè)智能農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新和推廣中心,開展不同類型的農(nóng)機(jī)智能裝備集成應(yīng)用示范,因地制宜探索中小型智能農(nóng)機(jī)協(xié)同作業(yè)、大型智能農(nóng)機(jī)自主作業(yè)等實(shí)踐,推進(jìn)無人農(nóng)場(chǎng)、智慧農(nóng)場(chǎng)、智能農(nóng)業(yè)工廠等建設(shè),形成一批具有復(fù)制推廣價(jià)值的無人作業(yè)模式,打造智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。