變量施藥關鍵技術綜述*

馮耀寧，裴亮，陳曉，陳小兵，劉燕，陳彬

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

中國作為農業生產大國，有1.2×108hm2基本農田，為保證農作物的高產而不被病蟲侵害，每年需要大量的農業植保機械通過農藥的化學防治來治理田間的病蟲害[1]。隨著社會的發展和進步，人們對農產品的食品安全，環境污染等問題越來越重視，植保機械施藥技術的好壞直接影響農作物病蟲害的治理效果以及環境保護、農業可持續發展等因素。據統計，我國的農藥利用率僅為40%左右，目前很多國家的農藥利用率都超過50%，甚至一些發達國家如美國、日本等，其農藥利用率已達到70%以上[2]。20世紀90年代，歐美等發達國家提出的精準農業概念，要求植保機械在進行作業時，在保證作物防治效果的前提下使用最合理用量的農藥，變量施藥技術由此而來。科學用藥是控制農作物病蟲害和雜草的有效途徑，既提高了農藥的利用率，減少了資源浪費，又避免用藥過量造成作物藥害以及環境污染的情況，因而變量噴施技術得到廣泛的重視與研究[3-5]。變量施藥作為一種先進的農業施藥技術，為適應新形勢下農業發展的需要，受到越來越多的關注，基于按需施藥的變量施藥技術的研究與應用在防治農作物病蟲害時，不僅提高了農藥有效利用率，減少了成本，更在很大程度上降低了環境的污染，變量施藥技術正在成為植保領域的重點發展方向。

變量施藥是實現精準施藥的一種重要技術方式。精準施藥是依據對在田間獲取農田病蟲草害的差異性信息,給定施藥處方圖，從而通過變量施藥控制系統做出對應的施藥指令,由變量執行機構實施變量投入動作，實現按需施藥，提高施藥效果[6-7]。變量施藥主要分成兩個環節：(1)噴施決策的生成階段，即對田間病蟲草害的必要信息進行采集，獲取所需噴施目標的必要數據，通過軟硬件系統分析處理確定合理的農藥施用量；(2)噴施決策的執行階段,即控制系統依據決策機構發出的噴霧指令信號控制執行機構進行噴霧工作，實現變量施藥作業。噴霧決策生成技術的關鍵在于田間信息采集，目前較為成熟的信息采集方式主要有基于地理信息技術和基于實時傳感器兩種。噴施決策的執行核心在于控制系統，主要的控制方式有三種，變壓力調節式控制、藥液濃度調節式控制和脈寬調制(PWM)式控制。科學的仿真分析對真實系統的研究有著重要意義，變量施藥系統仿真分析離不開變量施藥控制算法的選取與應用。

本文系統分析了變量施藥決策生成的關鍵技術(即田間信息采集技術)、決策執行過程中的三種變量控制方式以及變量施藥技術近年來的主要控制算法。通過對上述變量施藥關鍵技術的論述，指出當前國內實際生產應用中采用變量施藥技術存在的主要問題和制約因素，并針對這些問題提出一定建議與解決方案。

1 田間信息采集方式

病蟲害在農作物間的分布是不一樣的，具有較大的差異性[8-10]，田間農作物病蟲害信息的獲取是打藥機實現變量施藥的基礎。當前，國內外比較成熟的信息采集方式可以分為基于地理信息技術和基于實時傳感器技術兩種。為實現對田間農作物病蟲害信息的獲取，研究人員開展了一系列針對田間信息采集技術的研究探索。表1為各研究團隊為實現變量施藥所采用的田間信息采集技術。

從表1可以看出，學者們為實現變量施藥對田間信息的采集主要是基于地理信息技術及實時傳感器。研究中大多采用GPS來進行病蟲害的位置采集，從而形成施藥處方圖，而陳志剛將北斗導航技術應用于精準農業為中國農業定位技術打開了一扇新大門，有利于擺脫美國GPS系統的壟斷局面；實時傳感器技術因其精確度較高，實時性強等特點在變量施藥領域內得到廣泛地應用，主要通過各類傳感器(如視覺傳感器、超聲波、紅外、激光傳感器等)來實時獲取噴施目標的輪廓、位置及密度等信息，并由控制系統分析處理后確定施藥量，形成施藥決策，但該技術仍受到一些因素的影響，在識別時仍存在誤判率較高的情況，尤其在復雜環境下識別能力不夠，在識別精度上仍有一定提高空間。

表1 田間信息采集技術Tab.1 Field information collection technology

2 變量施藥控制方式

變量施藥控制系統是噴施決策乃至整個變量施藥系統中的關鍵部分，其控制方式的選擇將直接影響到整個變量施藥系統施藥的精確度。目前，國內外變量噴霧技術主要包括變壓力調節式、藥液濃度調節式和脈寬調制式三種變量施藥控制方式[19-22]。

2.1 變壓力調節式

變壓力調節式主要通過控制指令調節伺服閥門開度大小，改變噴藥系統內各管路的壓力，依據壓力傳感器獲取壓力反饋信息，從而實現調節壓力來改變流量，實現變量噴霧。噴霧流量與壓差的平方根成正比，是一種非線性關系，而壓力變化過大影響的不僅僅是噴頭流量，還對霧滴粒徑和霧滴分布產生顯著影響，這就導致噴霧效果不好，因此，這就要求在變量施藥控制過程中壓力和流量變化范圍不能太大，通常工程上將流量變化限定在25%以內[6]。史巖等[23]基于其設計的變壓力式變量施藥裝置，對變壓力式變量噴霧系統建立數學控制模型及傳遞函數，并采用MATLAB軟件進行仿真計算，該裝置能夠依據噴施目標特征和機具行駛速度的變化自動調節各噴頭流量，達到變量施藥的基本要求，并且控制簡單、操作方便。常相鋮[24]構建一套壓力式變量噴霧系統，通過試驗研究得到其符合農業工程要求的壓力范圍0.25～0.40 MPa，證明了噴頭在此壓力范圍內，噴霧流量波動較小，而在其他壓力下的流量波動較大，且通過試驗得到流量調節范圍越大，噴頭遲滯性越明顯，噴霧系統工作時，噴灑量從小到大進行調節時系統延遲較小，從大到小進行調節時系統延遲較大。

雖然變壓力調節式存在非線性特征，有一些局限性，系統壓力不恒定會影響噴灑效果，對霧滴粒徑大小，霧化均勻性等有一定影響，但其因控制方法簡單、方便，設計成本低等優點，仍然得到廣泛應用，因此改進和開發更優的變壓力調節式變量施藥，具有很高研究意義和價值，如果能實現變量噴霧系統的非線性控制，那么變壓力調節式將會得到更進一步的發展。

2.2 藥液濃度調節式

藥液濃度調節式是根據實際需要，通過混藥器調節噴施藥液的濃度來實現變量施藥，主要可以分為藥劑注入式和藥劑并入式兩種控制方法。

2.2.1 藥劑注入式

藥劑注入式是指在管路中始終保持恒定的水流量，根據實際計算出需要的藥劑量，由藥劑控制器發出控制信號，改變藥劑的泵入量，從而改變藥液濃度，實現變量施藥。胡開群等[25]設計一種基于處方圖的直接注入式變量噴霧機，控制終端基于施藥處方圖、機具行駛速度和GPS信息分別控制清水和農藥(兩種)的注入量，針對常量和變量施藥進行了噴霧機噴灑均勻性和精準度試驗。試驗結果顯示兩個常量施藥條件下的變異系數均在10%以下，變量施藥條件下，和預期施藥量在15%誤差范圍內的作業區域大于86%，結果表明該直接注入式變量噴霧機適合田間施藥作業。

2.2.2 藥劑并入式

藥劑并入式是指將藥劑和水同時混合注入藥液管路，通過控制器改變兩者的注入量，使其按需要的比例進行快速混合，從而實現藥液濃度的改變。汪福杰等[26]設計了一種在線混藥系統，控制器將水與藥劑以一定比例注入混合器混合，混合后利用隔膜泵對藥液進行二次加壓并噴霧。建立靜態混合器模型，采用Fluent流體仿真軟件對該模型進行數值運算，結果顯示藥劑加壓時，藥液混合均勻性變異系數低于常壓狀態，即加壓條件下，藥液混合效果更好；采用胭脂紅代替農藥進行試驗，試驗結果顯示，加壓狀態下，其混藥性能高于常壓狀態，與仿真結果吻合性較高。

藥劑注入式通過控制器將實時計算出的需要農藥原液量注入恒定的水流量中，從而實現施藥量的變量調節，既可保證系統壓力恒定，霧滴尺寸和分布不變，也無需對剩余藥液進行處理，但由于該方式為開環控制，缺乏實時混藥濃度信息，有可能導致到達不同噴嘴的藥液濃度有所不同；藥劑并入式需要同時改變藥劑和水的注入量(即在線混藥)，使農藥和水能夠以需要的比例快速均勻地完成混合，但其需要藥液和水的控制器能夠快速做出響應，在實際操作時，很難達到理想狀態，有一定延時性。

2.3 脈寬調制式

脈寬調制式是指提前在藥箱中將藥液混合完成，在一定流量調節范圍內使管路壓力保持恒定，通過對噴頭電磁閥的通斷頻率和占空比的控制來調節噴頭流量，以達到變量施藥的效果。其對電磁閥的響應頻率要求較高，需要對脈沖信號做出快速反應，因此通常采用高頻電磁閥。Liu等[27]采用單片機作為控制器，對40個高頻電磁閥開閉時間進行控制，測試十種不同占空比(10%～100%，間隔10%)條件下的流量并比對，獲得了較高的流量調節精度，并在電壓模塊中加入保護電路，提升了高頻電磁閥的使用壽命。魏新華等[28]設計了一套PWM間歇噴霧式變量噴施系統，為測試該系統的施藥量控制性能，就不同因素對噴頭噴霧流量的影響進行了試驗，試驗結果表明：噴頭位置、PWM控制信號頻率和泵輸入軸轉速對噴霧流量影響很小，而噴霧壓力和PWM控制信號占空比對其影響很大，整個系統的施藥量控制誤差在6%以內；占空比較小時，噴霧流量控制精度較低，占空比較大時，噴霧流量的控制精度較高，這是因為PWM控制信號占空比直接決定了目標流量的大小，當流量過小，則噴霧質量降低，尤其均勻性受很大影響，導致流量控制精度降低。

脈寬調制相對變壓力調節式和藥液濃度調節式有著更好的動態響應特性(即系統延時短)和流量調節性能，在不改變霧滴粒徑和噴霧角的情況下即可實現大范圍的流量調節。該系統要求電磁閥的響應頻率高，現有的高性能電磁閥大多響應時間非常短，接近4 μs，能夠滿足系統響應要求，但成本較高，不利于現階段大面積推廣。脈寬調制下的變量施藥噴霧效果受行駛速度和控制電磁閥的脈沖信號占空比或頻率影響，行駛速度過快或電磁閥占空比過小，都將降低噴霧沉積效果和噴霧均勻性。

3 變量施藥控制算法

當前變量施藥控制算法主要以模糊控制算法、PID控制算法以及BP神經網絡三種為基礎。由于模糊控制算法精度較低，并且其模糊規則的獲取完全憑借經驗進行，設計缺乏系統性；PID控制算法主要面向單輸入輸出的控制系統，對非線性問題的控制效果較差；BP神經網絡在內部運算機制較為復雜時具有較為明顯的優勢，但當控制系統很復雜時，其數學模型的建立及求解將會很復雜，網絡的收斂速度會大幅下降，且易陷入局部極小值[20]，因此近年來學者針對這些算法進行了不同形式的改進或組合并進行研究。表2為變量施藥控制算法的研究與應用情況。

表2 變量施藥控制算法研究與應用Tab.2 Research and application of variable application control algorithm

從表2可以看出，針對變量施藥控制算法，近年來學者主要在PID控制算法和BP神經網絡算法的基礎上進行研究和改進。研究發現，在控制系統的響應時間、超調量和穩態誤差方面，神經網絡PID控制方式相較于自適應模糊PID控制和常規PID控制擁有一定的優勢，而自適應模糊PID在控制性能方面又優于常規PID控制；在運用BP神經網絡算法對系統控制信號和流量的非線性映射關系進行擬合和模擬仿真時，采用MATLAB的神經網絡工具箱提供的有關神經網絡來建立模型，有利于提高控制系統模型的精確度。變量施藥控制算法的研究與改進有利于提升變量噴霧中整個控制系統的控制性能，而仿真分析的結果與精度，對評判控制系統的好壞也具有重要意義。

4 變量施藥存在問題及建議

變量施藥作為實現精準施藥的一種重要技術方式，已被廣泛應用，擁有廣闊的發展前景。國內大批學者針對變量施藥進行了大量研究，并取得一定的成果，但由于研發與技術條件等缺陷，國內變量施藥技術與國外先進技術還存在一定差距，需要從以下幾個方面做一些改進。

1)我國農業識別技術較落后，仍處于研究階段，由于田間作物的環境較為復雜，常常作物周圍生長的雜草與作物顏色相近，很難做出準確的判斷，導致在環境識別時有較高的誤判率；同時，國內針對病、蟲、草害的云數據庫并不完善，甚至有些病、蟲、草害根本無法識別，這就造成在現有的數據庫下，生成的變量施藥處方圖未必準確，導致不能達到很好的施藥效果。因此需加大對農業識別技術的研究，提高田間作物信息的采集精度，通過學者不斷地研究去完善病、蟲、草害的云數據庫，使得生成的變量施藥處方圖更加精確；同時應重點研究實時處方圖的獲取，只有當處方圖為實時數據，才能真正做到對病、蟲、草害的精準滅殺。

2)變量施藥裝備仍處于探測技術與機電一體化的集成階段，國內變量施藥所需的農用傳感器及控制部件的研發還較少，多數市面現有的傳感器及控制部件以進口為主，導致缺乏關鍵的自主研發技術，以致市場上的變量施藥設備售價較高，結構復雜，國內企業無法針對變量施藥裝備進行大量生產與推廣。因此未來應加大對農業科研的資金投入力度，加大農業專業傳感技術與關鍵部件的研發，加強變量施藥裝備及其控制部件的應用及推廣?？勺灾餮邪l專業的運算芯片及儀器設備，也可通過將其他制造行業先進的儀器進行改造，并盡量簡化結構，使其適用于變量施藥領域。切實地將先進的變量施藥技術應用于田間施藥，提高病、蟲、草害的化學防治能力，將傳統的植保模式向簡單化、智能化、精準化的方向邁進。

3)傳統的變量施藥控制算法存在一定的局限性，同時以控制算法為核心的變量控制仿真計算，在建立控制模型時針對不同條件缺乏深入系統的研究，導致整機控制能力弱，各部分之間自動化程度低、隨環境變化的能力弱，當出現故障時，系統無法進行自動修復，導致模擬仿真中斷，無法繼續進行運算?；谡鎸嵀h境與理論研究差異較大，在進行仿真計算時應針對不同作物、不同生長環境條件、同一作物不同生長期等因素調整所建立的控制模型，最大程度讓控制模型與實際相吻合，從而提高仿真計算結果的精度，使其更有參考意義。

5 結論

1)國內學者大多運用GPS等國外定位系統進行田間信息采集，而北斗導航的出現，將擺脫以往只能使用國外定位系統的限制；由于傳感器識別精度不夠的原因，導致在信息識別時出現較高的誤判率，需要在識別精度上進一步提升。

2)變壓力調節式存在非線性特征，有一些局限性，但其控制方法簡單、方便，設計成本低，仍然得到廣泛應用，因此改進和開發更優的變壓力調節式變量施藥，具有很高研究意義和價值；藥劑注入式在實現施藥量的變量調節時，可保證系統壓力恒定，霧滴尺寸和分布不變，但由于是開環控制，缺乏實時混藥濃度信息，有可能導致到達不同噴嘴的藥液濃度有所不同。藥劑并入式需要將農藥和水以需要的比例完成混合，但在實際操作時，系統有一定延時性，很難達到快速均勻混合；脈寬調制相對上述調節方式有著更的動態響應特性(即系統延時短)和流量調節性能，但該系統要求電磁閥的響應頻率高，導致成本較高，同時其噴霧效果受行駛速度和控制電磁閥的脈沖信號占空比或頻率影響，行駛速度過快或電磁閥占空比過小，都將降低噴霧沉積效果和噴霧均勻性。

3)在控制系統的響應時間、超調量和穩態誤差方面，神經網絡PID控制方式相較于自適應模糊PID控制和常規PID控制擁有一定的優勢，而自適應模糊PID在控制性能方面又優于常規PID控制；在運用BP神經網絡算法對系統控制信號和流量的非線性映射關系進行擬合和模擬仿真時，采用MATLAB的神經網絡工具箱提供的有關神經網絡來建立模型，有利于提高控制系統模型的精確度。

4)國內變量施藥水平與國外先進的施藥技術相比還有很大差距，為更好的服務農業，提升國內變量施藥水平，需要針對變量施藥的關鍵技術做更深入、系統的研究，為變量噴霧裝置的推廣和實現提供系統、專業的技術支持。