農業機械智能化發展現狀及趨勢

劉 輝，黃 康，徐 榮

(1．安徽廣播電視大學 信息工程學院，安徽 合肥 230022；2．合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

農業機械智能化發展現狀及趨勢

劉 輝1,2，黃 康2，徐 榮1

(1．安徽廣播電視大學 信息工程學院，安徽 合肥 230022；2．合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

闡述了傳統農業機械在農業生產中出現的問題，提出農業機械向智能化轉型的緊迫性。分析傳統農業機械工作原理的基礎上，結合現代電子通信和計算機信息技術，得出農業機械智能化的概念。研究了國內外農業機械智能化發展現狀，指出了農業機械的智能化研究方向和發展趨勢。

農業機械；智能化；發展趨勢

當前，我國農業生產正處于向現代化轉型的關鍵階段，傳統的農業機械在技術水平和結構形式上都很難滿足農業發展的需要。主要表現在裝備科技含量偏低、供需信息不對稱、管理方式粗放、服務能力較差以及作業成本偏高等一系列問題[1]。因此需要對傳統農業機械實行革命性改造，要以現代農業發展理念為指導，用現代科學技術裝備農業機械，加速農業機械向現代化、智能化轉型升級，實現農業機械供給側結構性改革。

1 農業機械智能化發展歷史背景

在農業生產過程中，傳統的農業機械都是由人來操作完成的，而隨著計算機技術的發展，自動化控制技術已經在現代農業機械中得到廣泛應用，實現了農業生產效率大幅度提高。但是自動化控制技術仍然沒有能夠實現在完全沒有人干預的前提下，達到農業生產各個環節的最優化。由于在農業生產過程中，可能會涉及到很多不確定的因素，僅僅依靠簡單的傳感檢測技術和自動化控制系統是不能解決的。假如機器可以依據作物的生長情況和其他一些因素來判定如何進行某項農業生產作業，在這種情況下該機器具備了對各種信息快速處理及推理分析與決策的能力，可以認為機器是智能化的。智能化是指由現代通信與信息技術、計算機網絡技術、行業技術、智能控制技術集合而成的針對某一個方面的應用，智能化的核心是智能化技術。普遍采用智能化技術，在動態的農業生產過程中，由智能化機械或智能化系統，通過電子信息技術的邏輯運算、傳導、傳遞，發出適宜指令指揮農業機械來完成農業作業的，這樣的機械可稱為智能化農業機械[2]。

2 農業機械智能化發展現狀

2.1 國外發展狀況

圖1 2015 年美國農業智能化現狀

近些年來，西方發達國家一直致力于研究智能化農業機械裝備，不僅將一些高新技術應用在傳統農業機械上，對它們進行改造和升級，而且也針對一些特殊的農業生產環境，開發新型的智能化農業機械裝備，對提高勞動生產效率起到很大的促進作用。其中應用比較廣泛的有GPS全球衛星定位技術、基于農業物聯網技術的大數據采集與分析和新型高性能智能化的大型拖拉機研發等。

圖1是2015年美國農業智能化現狀。顯著特點是衛星定位技術應用非常普遍和自動駕駛應用度較高。在美國，一臺安裝了GPS全球定位系統的大型拖拉機，由電腦控制和衛星導航來完成田間作業，不僅不需要人工操作，而且拖拉機在作業過程中能夠實現精確耕作，避免出現部分土塊在耕作過程中重疊和漏耕的現象。同時機器中的計算機控制系統能夠記錄整個作業過程，這主要是通過安裝在拖拉機上的電子器件采集的土壤數據來進行分析，實現數據交換的功能，可以在不停機的狀態下一邊作業，一邊與農業科技信息中心進行數據的交換，并可以根據數據分析的結果，由機器自動調整工作參數，實現精準作業[3]。

斯洛文尼亞一家公司提供的田間害蟲自動監測系統，這套系統主要由電子機械、無線傳輸、物聯網和生物信息素等多項技術所組成。系統通過搭建在田間的智能蟲情監測設備，可以無公害誘捕殺蟲，綠色環保，同時利用GPRS/3G移動無線網路，定時采集現場圖像，自動上傳到遠端的物聯網監控服務平臺。工作人員可隨時遠程了解田間蟲情情況與變化，制定防治措施[4]。通過系統設置或遠程設置后自動拍照將現場拍攝的圖片無線發送至監測平臺，平臺自動記錄每天采集數據，形成蟲害數據庫，可以各種圖表、列表形式展現給農業專家進行遠程診斷。此套系統集成了害蟲誘惑捕捉、數量統計、環境參數采集、數據采集、傳輸和分析等多項功能，能夠實現害蟲的定向誘捕、分類與統計、數據報傳、遠程檢測、自動化、智能化蟲害預警，提高作物的病蟲害監測防控能力。

德國芬特公司推出配置了若干個標準的電子控制單元、高性能智能化的大型拖拉機[5]。這種拖拉機的很多重要零件都采用了能夠實現獨立處理功能的微處理器，由安裝在駕駛室的終端控制器來進行作業工況的顯示和控制指令的輸入。實際上，它不僅是一個能夠實現獨立處理信息與控制功能的計算機智能控制終端，也是針對農業機械特定的使用環境而專門設計的微型作業計算機。

2.2 國內發展狀況

目前，我國農業機械多種產品產量已經躍居世界第一，成為名副其實的農機制造大國，但是我們整體的制造水平還不高，在農業機械領域還處于國際農機產業的中下游，特別是在智能農業機械方面，差距比較明顯，智能化機具的種類很少，農業機械智能化程度比較低。當前在精細化農業裝備和谷物聯合收獲機方面有一定的應用和研究。

智能化施肥播種機，是在研究條播機的基礎上進行升級改造的。通過改變播種機槽輪的轉速來實現變量投放種子和化肥的目的。主要有RTK-GPS、田間計算機、變量控制器、伺服電機和播種機組成。它的主要工作原理是：把數據卡(包含施肥處方圖形信息)插入田間計算機中，當播種機行駛在田間的過程中，機器上的計算機能夠把GPS的位置信息和施肥處方圖形信息相比對，獲取當前位置的播種量和施肥量，同時田間計算機也向伺服電機發出控制指令，伺服電機帶動槽輪轉動，從而實現控制播種量的目的[6]。其工作原理如圖2所示。

圖2 智能化施肥播種機系統控制框圖

圖3 產量檢測系統組成框圖

谷物聯合收割機在田間工作過程中，一次可以完成谷類作物的收割、脫粒、分離莖桿、清除雜余等工序。由于在聯合收割機安裝了產量檢測系統，能夠及時獲取精確的產量分布數據、谷物濕度分布情況和田間海拔高程分布狀態。其產量的檢測及成圖系統主要由RTK-GPS、傳感器和田間計算機(PFA)所組成[7]。其中，傳感器主要有谷物流量傳感器、前進速度傳感器、割幅寬度傳感器、谷物濕度傳感器和割臺高度傳感器等。組成如圖3所示。

目前我國“智能化”農機的市場推廣情況不容樂觀，主要的原因是大家是只盯住了眼前利益。而且，這可能與國家的農機補貼政策有直接關系。國家現在只是補貼在某個機型上，而很少補貼在新技術上，靠企業自身的力量，畢竟身單力薄，推廣起來就很慢。況且，因為新產品在研發和推廣上的費用比較高，產品最后的市場報價就比較高，導致用戶不容易接受“智能化”的農機產品。

3 農業機械智能化發展趨勢

3.1 農業傳感器

想要實現農業機械的智能化控制，就要實時監測農業裝備的工作情況，采集農業工作過程中的相關數據，及時地發現問題并做出判斷和處理，而且能夠精準地對農作物的生物學性狀做出評價，所以傳感器技術就顯得非常重要。目前，隨著科技的不斷發展，物聯網、云計算的應用推廣，也帶動著農業傳感器的技術水平的不斷提升，農業傳感器在農業生產中得到一定范圍的普及，如采用谷物濕度傳感器對谷物的濕度進行實時檢測，采用溫度傳感器精確地測量糧食烘干和儲存過程中的實時溫度，等等。在土壤養分與微量元素、土壤重金屬與有機污染物等大面積、低成本速測傳感器研制方面也相繼進行了開展。出現了檢測溫室大棚溫度、濕度和CO2的光纖傳感器[8]，用于檢測牛奶中病原體是否存在的MEMS微電子傳感器等新型傳感器技術。但是與發達國家相比我國農用傳感器種類還比較少，在覆蓋面、適用性等方面還有很大的提升空間。

3.2 人機交互

由于微電子和計算機技術的迅速發展，小型化、微型化芯片廣泛應用，在現代農業機械領域，自動監測和自動控制技術已經普及，在組成顯示裝置和監控設施中采用了大量形式多樣的傳感器和功能強大的微處理器。由于自動控制的需要，在農機裝備上安裝電子監控裝置，這種情況下駕駛員操作更為簡便，可以依據面板顯示的數據，適時調整農機作業的負荷和作業快慢，使得整個農業機組能在良好的工況下運轉。同時根據顯示的數據也可以實時掌握整個農機設備的運行情況，一旦機器出現故障時能夠及時做出適當的調整，保證作業的質量。另外，由于采用多種先進傳感技術用以采集各種數據，數據經過數學模型分析、運算和處理，完成諸如作業范圍、產量計算、統計和友好的人機界面顯示等一系列智能化功能。

3.3 農業機器人

當今農業生產的日趨工業化、規模化和精準化，而作為農業工程領域的科研重點，農業機器人的研究與開發已經成為熱點。農業機器人屬于特種機器人范疇，是一種兼有四肢行動、信息感知能力及可重復編程功能的柔性自動化或半自動化智能化農業裝備，集成了傳感器技術、監測技術、通訊技術及精密機械技術等多種前沿科學技術[9]。農業機器人在育秧、移苗、嫁接和農產品收獲等方面均已得到了一定的應用，并且在提高農業生產效率、改變傳統農業生產模式、解決農業勞動力不足以及實現農業的規模化、多樣化和精細化等方面表現出了極大的亮點。雖然現階段農業機器人在農業生產過程中還存在著一些問題，但是隨著不斷加強農業標準化生產，不斷推進互聯網技術在農業領域的應用，未來的農業生產將會出現一種“互聯網”+“機器人”+“標準化”全新的模式。

3.4 精準農業

實時地掌握作物生長狀況及土壤中水分、養分含量的多少，根據作物不同的生長階段、不同的生長條件按需提供養分和水分，這就是精準農業的核心。同時還可以在研究作物生長過程中有關信息參數的基礎上，建立合理的數學模型，通過模型數據分析能夠對農業生產做出一定的預期判斷，這樣可以通過采取相應的改善措施，規避生產風險，降低生產成本，提高土地利用效率。當然，這一切都離不開智能化的農業機械裝備、計算機信息采集和處理等技術的支撐[10]。因此，在我國的農業機械裝備上應用人工智能技術和信息技術也將是農業現代化發展的必然趨勢。

3.5 農業機械管理信息化

農業機械智能化管理，主要由農業機具配置、機具狀態、智能化實時調度所組成。發揮好農業機械在農業生產中的作用，是一個龐大的系統工程。在一個農場、一片區域乃至全國形成一個高效的管理網絡，進行信息采集、傳遞、存儲和狀態分析，根據作物的生長情況、氣候變化情況，采取合理的調度措施，真正發揮農業機械的使用效率。通過建立農場辦公室計算機與移動作業機械的無線通信，能夠與作業機械實現數據的交換，建立完善的農機管理信息系統，使農場管理調度中心計算機可以直接調用讀取各個田間作業機械智能終端存儲的作業數據，存入農場計算機的數據庫中[11]。與移動作業機相比，農場計算機具有強大的信息存儲、信息處理、專家知識庫和管理決策支持等特點，通過對傳感器采集的數據進行分析處理以后，能夠制定詳細的作業計劃和農事操作方案。

4 結論

二十一世紀的農業生產離不開智能化農業機械裝備，當然智能化農機裝備離不開現代先進的電子通信和計算機信息技術，沒有先進的電子通信和計算機信息技術支撐，智慧農業機械如無源之水。智能化農業機械在現代農業生產中的地位越來越重要，不僅可以大幅度降低農業生產成本，在資源利用和環境保護等方面發揮著越來越大的優勢，也在作物生長環境與生長狀態的智能化識別、診斷和作物生長需求的定量模型等方面發揮著不可或缺的作用。

[1] 劉 昊，許天瑤.我國智能化農業機械發展概況[J].農業工程，2016，6(6)：7-8 .

[2] 姬長英.農業生產過程智能化的發展與展望[J].農業機械學報，1999，30(1)：23-28.

[3] 曉 琳，徐丹華.從Agritechnica 2011看世界農機行業發展趨勢[J].農業工程，2012，2(1):8-13.

[4] W Zhao ， C Cheng ， C Song ， H Zhou ， L Xu Design of a Remote Automatic Monitoring System for Pest [J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2012(7):23-27.

[5] 段友青，高廣智.精準農業農機裝備智能化配置[J].現代化農業，2015(3): 60-61.

[6] 劉 學，曹衛彬，劉姣娣，等.RTKGPS系統在智能化農業機械裝備中的應用[J].農機化研究，2007，9(9)：182-184.

[7] 薛 臻，趙 湛，王 秀.聯合收獲機智能化研究現狀及發展趨勢[J].農機科技推廣，2015(6)：50-53．.

[8] 谷龍龍，王 權，陶 偉，等.基于ZigBee技術的農業智能感知系統的設計與實現[J].安徽農業科學，2015(13):342-345.

[9] 姬江濤，鄭治華，杜蒙蒙，等.農業機器人的發展現狀及趨勢[J]農機化研究，2014(2)：4-9.

[10] 韓永峰，李學營，鄢新民，等.精準農業的技術體系及其在我國的發展現狀[J].河北農業科學，2010，14(3):146-149.

[11] 郗洪林，郎忠權，裴 莉.農機管理中的信息化應用及探索[J].農業開發與裝備，2015(11)：37-41.

(編輯：嚴佩峰)

Status and Trends of Intelligent Development of Agricultural Machinery

LIU Hui1,2,HUANG Kang2,XU Rong1

(1.Information and Engineering College,Anhui Open University,Hefei 230022,China；2.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

It described the problems of traditional agricultural machinery in agricultural production,put forward the urgency of transformation of agricultural machinery to intelligent.It concluded the concept of intelligent agricultural machinery,based on the working principle of traditional agricultural machinery,combined with modern electronic communications and computer information technology.Studying on the development status of intelligent agricultural machinery domestic and abroad,it pointed out the research direction and development trend of intelligent agricultural machinery.

agricultural machinery；intelligent；development trend

2017-07-01

安徽廣播電視大學青年教師基金項目“農作物秸稈飼料加工機械化技術研究”(qn15-29).

劉 輝(1982—)，男，安徽壽縣人，講師，碩士，研究方向:農業工程.

S23

A

2095-8978(2017)03-0086-04