人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用分析

張海霞

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

將人工智能技術(shù)有效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，可進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化以及智能化程度，有助于持續(xù)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)能力，這對(duì)我國農(nóng)業(yè)的健康長遠(yuǎn)發(fā)展意義重大。因此，有必要對(duì)人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，從而確保農(nóng)業(yè)機(jī)械以及人工智能技術(shù)能夠在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域充分發(fā)揮應(yīng)有作用。

1 人工智能概述

人工智能通常指的是專門負(fù)責(zé)研究、開發(fā)各種能夠用來有效模擬、延伸或者進(jìn)一步擴(kuò)展人本身的智能相關(guān)理論、技術(shù)、措施等的一種具備極強(qiáng)先進(jìn)性的科學(xué)技術(shù)，本身屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)當(dāng)中的一個(gè)重要組成內(nèi)容，目的是掌握智能的真諦，并創(chuàng)造出真正具備與人類智能相近的、可以開展一系列反應(yīng)和操作的智能機(jī)器。其特點(diǎn)包括滲透性、協(xié)同性以及替代性等，其中，滲透性指的是人工智能可以被用于一系列多元化或者是綜合化的場(chǎng)景；協(xié)同性指的是將其運(yùn)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，可以有效地讓技術(shù)研發(fā)、工程實(shí)現(xiàn)還有具體的技術(shù)應(yīng)用等各類生產(chǎn)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出極強(qiáng)的協(xié)同性特征；替代性是人工智能最明顯、最主要的特點(diǎn)，主要指的是可以對(duì)一系列勞動(dòng)要素進(jìn)行直接替代[1]。

2 人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的必要性

2.1 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中需要用到的一系列生產(chǎn)要素，包括耕地、水以及勞動(dòng)力等正處于持續(xù)下降和減少的態(tài)勢(shì)，這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及質(zhì)量開始下降或停滯不前，急需借助高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。在此背景下，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械無法滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，難以推動(dòng)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。而將人工智能技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械中，則能夠進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化以及自動(dòng)化水平，有力提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精度、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)勞動(dòng)力的依賴程度，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動(dòng)農(nóng)業(yè)信息化、現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展[2]。

2.2 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展是現(xiàn)階段我國的基本國策。切實(shí)將人工智能技術(shù)合理運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，可以加快農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。大量實(shí)踐證明，智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化以及智能化水平，能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，從而可以節(jié)省大量的人力、物力，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。同時(shí)，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展[3]。

2.3 降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度

近年來，在城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的背景下，我國農(nóng)村地區(qū)的大部分青壯年勞動(dòng)力逐漸離開農(nóng)村，選擇到城市就業(yè)，這使得農(nóng)村勞動(dòng)力“老齡化”問題越發(fā)嚴(yán)重，很多留守老人根本干不動(dòng)農(nóng)活，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力巨大。而通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械中有效應(yīng)用人工智能技術(shù)，則可以大大降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，有效緩解了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力，這對(duì)于保證國家糧食安全以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等均有著重要意義[4]。

3 人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)以及開發(fā)活動(dòng)中開始得到應(yīng)用，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)上發(fā)揮出了重要作用。比如，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或者是設(shè)計(jì)困難的相應(yīng)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來講，設(shè)計(jì)人員便可借助VR 技術(shù)，來對(duì)其外觀、結(jié)構(gòu)以及性能等開展建模活動(dòng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，來模擬一些作業(yè)場(chǎng)景，達(dá)到對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)以及特性的有效評(píng)估，并且能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)械之間的實(shí)時(shí)交互。現(xiàn)階段，VR 實(shí)際上在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域當(dāng)中并沒有得到廣泛運(yùn)用，有關(guān)此方面的研究大多集中于虛擬裝配以及虛擬試驗(yàn)兩方面。例如，我國某農(nóng)業(yè)大學(xué)便借助VR 技術(shù)開展農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的虛擬試驗(yàn)，有關(guān)學(xué)者曾自主研發(fā)出農(nóng)用拖拉機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)，主要借助MultiGen Creato 以及Vega Prime 打造虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景，有效實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用拖拉機(jī)加速、轉(zhuǎn)向以及制動(dòng)等方面的仿真試驗(yàn)，極大地提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)成效[5]。

3.1.2 CAD 技術(shù)

在開展農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，CAD 技術(shù)有著較為廣泛的應(yīng)用，能夠用來優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)，開展理論層面的設(shè)計(jì)工作。將此類智能技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)工作中，一般均為模塊化變形設(shè)計(jì)，以此來明確組件的定位以及組裝的過程，同時(shí)對(duì)此開展預(yù)先設(shè)計(jì)，這樣能夠更為清楚準(zhǔn)確地掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的具體使用情況。由于CAD 技術(shù)能夠開展參數(shù)性3D 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比較容易修改，而且較為直觀，可以很好滿足設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)實(shí)需求[6]。例如，在開展農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤方面的設(shè)計(jì)工作時(shí)，便可借助CAD 技術(shù)開展三維仿真以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠結(jié)合工件的定位，合理地設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)，然后再依照坐標(biāo)開展組裝工作，整個(gè)過程設(shè)計(jì)人員均能夠直觀地看到機(jī)械的設(shè)計(jì)情況、各部件的尺寸以及功能等，有助于提高設(shè)計(jì)的精確性以及合理性。

3.2 在農(nóng)機(jī)駕駛方面的應(yīng)用

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)駕駛來講，主要指的是將拖拉機(jī)或者是收獲機(jī)等機(jī)械設(shè)備，借助感知、定位技術(shù)來有效地感知作業(yè)環(huán)境以及位置等，再借助路徑規(guī)劃技術(shù)及液壓控制技術(shù)等，來促使農(nóng)業(yè)機(jī)械可以依照規(guī)劃軌跡開展自動(dòng)化行駛。自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠有效縮減人工勞動(dòng)成本，大幅度提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)的精準(zhǔn)性以及作業(yè)效率?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械大多數(shù)是借助導(dǎo)航定位的形式（包括衛(wèi)星、GPS 等），來達(dá)到全局路徑規(guī)劃以及自動(dòng)駕駛的目的。比如：一方面，可通過在運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航的前提下，借助視覺以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，來達(dá)到對(duì)局部環(huán)境具體情況進(jìn)行解析的目的，可以確保農(nóng)業(yè)機(jī)械自主地對(duì)障礙物展開識(shí)別、檢測(cè)，最終取得對(duì)全局或者是局部多維度環(huán)境做出有效感知的效果。另一方面，能夠結(jié)合地貌以及土質(zhì)情況開展耕深方面的自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如：國外某大型農(nóng)機(jī)企業(yè)2012 年便借助相應(yīng)的自駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)出了智能化的農(nóng)耕機(jī)以及收割機(jī)，相關(guān)工作人員僅需在開展耕作活動(dòng)前，將可能遇到的狀況或者是田地信息全部輸入到GPS 系統(tǒng)當(dāng)中，拖拉機(jī)便能夠結(jié)合GPS系統(tǒng)的指示進(jìn)行自動(dòng)行駛，前方還會(huì)開展紅外線持續(xù)掃射，從而避免撞上障礙物[7]。

3.3 在播種機(jī)械中的應(yīng)用

精準(zhǔn)播種已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容，主要指的是在實(shí)際開展播種作業(yè)時(shí)，保證種子間能夠始終處于一個(gè)合理的間距以及能夠?qū)崿F(xiàn)適量播種等，從而保證農(nóng)作物可以在最大程度上有效攝取陽光、水分以及礦物質(zhì)，并且可以對(duì)土地等資源進(jìn)行充分利用，切實(shí)提高農(nóng)作物實(shí)際產(chǎn)量?，F(xiàn)階段，播種機(jī)一般均為純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，實(shí)際工作方式是依照一定時(shí)間間隔合理地排出種子，以此達(dá)到種子間距一致的目的。對(duì)于排出種子的具體時(shí)間間隔，能夠結(jié)合機(jī)械設(shè)備實(shí)際行走的速度進(jìn)行設(shè)定，但由于機(jī)械作業(yè)過程中有著一定的不穩(wěn)定性，所以容易出現(xiàn)單次無法排出種子或者是單次排種過多等問題。面對(duì)這一情況，可在播種機(jī)當(dāng)中裝設(shè)智能攝像頭，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效地對(duì)種子實(shí)際拋灑過程開展分析工作，比如實(shí)時(shí)記錄排種過程、有效標(biāo)識(shí)未播或者是多播種子的具體位置以及編號(hào)等，可以替代人工識(shí)別，進(jìn)一步減少勞動(dòng)成本。此外，一些智能播種機(jī)械設(shè)備，還能夠借助探測(cè)裝置有效獲取土壤信息，再借助算法有效計(jì)算出最佳的播種密度，同時(shí)自動(dòng)開展播種作業(yè)，美國研發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)器人Prospero是此類智能播種機(jī)械設(shè)備中的代表[8]。

3.4 在收獲機(jī)械中的應(yīng)用

通過將人工智能技術(shù)應(yīng)用于收獲機(jī)械當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥、水稻以及玉米等一系列農(nóng)作物的智能化收割，可進(jìn)一步減少人工勞動(dòng)量，提高收獲效率以及質(zhì)量。在實(shí)際收獲作業(yè)時(shí)，谷物脫粒、分離以及清選檢測(cè)等作業(yè)內(nèi)容，屬于收獲機(jī)開展收獲作業(yè)時(shí)的重點(diǎn)步驟，直接關(guān)系著收獲質(zhì)量的高低，通過應(yīng)用人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些作業(yè)內(nèi)容的智能化管控[9]。例如，對(duì)于小麥?zhǔn)斋@機(jī)而言，需要先借助割臺(tái)來有效地對(duì)小麥開展收割作業(yè)，再借助滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及凹版間隙調(diào)節(jié)等合理地對(duì)小麥開展脫粒、分離還有清選作業(yè)。此時(shí)收獲機(jī)本身的行駛速度以及割臺(tái)高度還有滾筒轉(zhuǎn)速等一系列參數(shù)都可以對(duì)脫粒、分離以及清選工作成效產(chǎn)生決定性的影響。對(duì)此，可在收獲機(jī)作業(yè)倉內(nèi)合理裝設(shè)智能攝像頭，其可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對(duì)小麥脫粒作業(yè)情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后借助深度學(xué)習(xí)方法，快速地計(jì)算出最為適宜的行駛速度、割臺(tái)高度以及滾筒轉(zhuǎn)速等，然后及時(shí)對(duì)這些參數(shù)做出調(diào)整，從而保證能夠?qū)⒆魑飶氐资斋@干凈[10]。

此外，借助對(duì)人工智能技術(shù)的合理應(yīng)用還能夠促使收獲機(jī)械自主結(jié)合收獲作物的差異來智能化開展行駛速度、割臺(tái)高度以及滾筒轉(zhuǎn)速等方面的調(diào)整工作，以此滿足不同作物的實(shí)際收獲需求[11-12]。例如，智能果木采摘機(jī)械便能夠自主完成蘋果以及葡萄等多種水果的采摘工作，而且能夠根據(jù)水果種類的不同調(diào)整收獲方式以及速度。再如，美國研發(fā)的一款智能化蘋果采摘機(jī)械，能夠在不破壞蘋果樹以及蘋果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)1 s 有效采摘1 個(gè)蘋果。這款機(jī)械借助攝像裝置來有效獲取果樹的照片，再借助圖片識(shí)別技術(shù)來智能化地定位一系列適合進(jìn)行采摘的蘋果，再通過機(jī)械手臂以及真空管道開展采摘活動(dòng)，過程中基本不會(huì)對(duì)果樹以及蘋果造成任何損傷。

3.5 在管養(yǎng)機(jī)械中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)在各類農(nóng)業(yè)管養(yǎng)機(jī)械當(dāng)中也開始得到廣泛應(yīng)用，并且取得了良好成效。通過在農(nóng)業(yè)機(jī)器人當(dāng)中裝設(shè)天氣監(jiān)視器以及高光譜熱成像相機(jī)或者是脈沖激光傳感器等，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取一系列農(nóng)作物莖葉實(shí)際生長直徑、所在區(qū)域土壤含水率以及氣溫還有葉片面積等多種數(shù)據(jù)信息，并且可以實(shí)時(shí)將信息上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，分析和判斷農(nóng)作物是否缺肥、缺水等，并自動(dòng)化地操控噴灌設(shè)備或者是滴灌設(shè)備等開展適當(dāng)?shù)乃使?yīng)工作。例如，美國研發(fā)的BlueRiver 農(nóng)用機(jī)器人便能夠借助電腦圖像識(shí)別等相關(guān)技術(shù)和算法，來有效地判斷出農(nóng)田當(dāng)中哪些作物需要進(jìn)行除草、灌溉以及施肥、打藥等等，同時(shí)這些數(shù)據(jù)信息在傳至計(jì)算機(jī)之后，還可以打造對(duì)應(yīng)作物的3D 模型，從而精準(zhǔn)地預(yù)判此類作物的發(fā)育情況或者產(chǎn)量等。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等一系列高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能時(shí)代已經(jīng)迅速到來，在這一時(shí)代背景下，各類人工智能技術(shù)將會(huì)在社會(huì)上各個(gè)領(lǐng)域得到普及和運(yùn)用[13-15]。通過將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，可大幅度提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化以及自動(dòng)化水平，有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的勞動(dòng)力投入以及經(jīng)濟(jì)投入，并且可大幅度提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，助推鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。