我國智能農機裝備發展思考

張曉瑛

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030002）

0 引言

智能農機是集合計算機技術、電控技術和人工智能等技術的高新技術產品，能夠有效降低農機操作人員的勞動強度、改善工作環境、提高生產效率[1]。

農機裝備智能化是推進農業生產現代化水平迭代升級的重要突破口，是面向未來的農業生產場景。近年來，隨著精準定位、衛星導航、大數據、人工智能和5G 通信等新技術形態與農機裝備的融合及集成應用不斷深入，我國農機裝備信息化、智能化發展迅速，在關鍵技術、關鍵零部件上實現了重大突破，農機作業遠程監測、農機裝備輔助駕駛、土壤與農田信息感知、環境信息感知及水肥種藥智能化決策控制等多項智能化技術在農業生產實踐中快速應用，自動駕駛拖拉機、高效植保機、智能收獲機等大型智能化整機裝備不斷涌現，智能農機裝備進入發展快車道。

1 發展智能農機裝備時代需求

1.1 農業人口結構性轉變內在要求

在生育水平持續下降、人均預期壽命普遍延長的雙重作用下，未來一段時期內，人口老齡化已成為不可逆的必然趨勢。我國的老齡化進程與城鎮化進程相互疊加，大量的農村勞動力向城鎮轉移，導致農業勞動力短缺問題愈發凸顯，農業生產面臨著“誰來種田”的嚴峻挑戰。智能農機裝備帶來的全時、高效農業生產，是解決這一問題的有效舉措。

1.2 農機裝備轉型升級必然選擇

縱觀世界范圍內的農業發展進程，呈現出4 個代際演進的過程，即農業1.0 時代的人畜力耕作、農業2.0時代的機械化農業階段、農業3.0 的局部自動化階段和農業4.0 時代以無人化為特征的智慧農業時代。國務院《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》中將“機械化信息化融合”確定為今后一段時期農業機械化發展的4 大路徑之一，從決策層面指明了未來農業機械化的發展方向。《“十四五”全國農業農村信息化發展規劃》將“發展智能農機”作為一項重要任務加以推進。

目前，我國農業2.0 時代基本實現，正逐步向后兩個階段邁進。隨著技術應用加快，代際轉化周期越來越短，甚至可能出現跨代演進。這也預示必須準確把握農業機械化技術的演進規律，抓緊機遇提前布局，才能在未來農業發展中始終走在前列。

1.3 實現智慧農業基礎要素

智慧農業是農業信息化發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段，已成為世界現代農業發展的趨勢，智慧農業以信息和知識為核心要素，是互聯網、物聯網、大數據、人工智能和智能裝備等現代信息化技術與農業的跨界融合，其中智能裝備是智慧農業的最主要生產力要素之一[2-3]。

2 農機智能化共性關鍵技術支撐

2.1 智能感知技術

農機裝備智能感知從對象上包括作業環境、作業對象的外部感知和裝備自身工作狀態的內部感知。外部感知所獲取的信息包括農田土壤信息、田間障礙物信息、作物長勢信息、病蟲害信息及氣象信息等，信息獲取的手段包括光譜、視覺、遙感、激光、近紅外和超聲等技術裝置。內部感知所獲取的信息包括發動機信息、動力輸出信息、裝備工作狀態（姿態、壓力、位置、工況和故障）信息及作業參數信息等，如耕整地機械作業過程中的姿態、耕深等，播種施肥機械作業過程中的排種量、排肥量、播深等，收獲機械作業過程中的喂入量、含雜率、損失率等，信息獲取主要通過各類高效能傳感器實現。

2.2 智能控制技術

智能化控制是智能農機裝備的一個顯著特點，包括基于自動導航的自主行走控制、智能動力驅動等。自動導航可實現不同程度的自動駕駛，智能動力驅動可實現發動機智能控制、液壓動力智能換擋、智能動力匹配等。智能控制系統主要包括總線控制、監控終端、主機和機具控制器等。總線控制包括控制系統網絡整體構架、物理層、網絡層、數據通訊、各電控單元及任務控制器結構[3]。監控終端通常是一整套具備人機交互能力的顯示屏，負責適時顯示裝備的運行狀態。控制器是智能控制的核心部件，包括主機控制器和機具控制器，主機控制器主要功能包括電源管理、動力輸出管理、速度和距離控制、輔助閥控制等；機具控制器功能包括犁深控制、噴霧控制、排種排肥控制等。

2.3 智能決策技術

農機裝備智能決策是根據感知系統獲得的各類數據信息，結合預先設定的知識庫、數據庫，得出控制策略，再由智能控制系統實現智能作業。農機裝備的智能決策主要應用在最優路徑的規劃決策、變量作業決策、多機協同決策等方面。

2.4 物聯網、大數據、云服務技術

智能農機裝備效能的充分發揮，還需要建立一個云管控平臺，這離不開物聯網、大數據、云服務等技術支撐。物聯網技術是在智能裝備、作業對象、管控平臺之間構建實時通信網絡的技術基礎。智能農機裝備是依靠各種實時數據的分析開展精準作業的，因此獲取、處理、存儲和應用這些數據是必須解決的問題，這離不開大數據的支撐。云平臺是發出各種指令、進行可視化展示、開展用戶管理和裝備調度的中樞。

3 我國農機智能化發展現狀及趨勢

3.1 發展現狀

3.1.1 技術進展

“十三五”以來，我國農業裝備技術發展取得重要突破，在土壤與動植物信息感知、種肥水藥作業決策智控、關鍵零部件及整機試驗檢測等農機裝備自動化、智能化關鍵核心技術方面緊跟國際前沿，部分技術迭代成熟實現應用；新型高效拖拉機、耕整及施肥播種機、精量植保機械和智能收獲機械等耕種管收田間作業裝備實現大型化、智能化升級；關鍵零部件及整機設計制造實現數字化、智能化發展；設施種養智能技術裝備滿足蔬菜、畜禽、水產品生產需求，推進集約化、高效化生產[4]。

（1）信息感知技術。土壤信息感知中，水分、溫度、耕作阻力等環境信息具備了快速測定和感知的技術基礎，但氮、磷、鉀和有機質等土壤肥力的檢測仍以間接檢測為主要技術手段，無法快速實時監測。田間氣象信息具備了實時監測的技術手段。作物長勢信息目前多采用高清數碼相機、多光譜相機及熱像儀等傳感器進行測定[5]。通過激光、雷達、機器視覺及多傳感器融合等手段，已經基本可以實現農田障礙物目標識別與定位。作物病蟲害信息目前主要通過光譜發射特性結合圖像識別進行分析，識別的精準程度隨算法的不同有所差異。內部信息感知通過各類傳感器和電控設備，已經可以實現裝備工作狀態、位置信息及作業信息等實時感知。

（2）智能控制技術。基于北斗技術的快速應用，農機裝備具備了一定的自主行走能力，輔助駕駛系統快速應用，同時可以進行區域路徑規劃及作業路徑的優化。裝備直線行走段的位置誤差已控制到厘米級。

農機裝備智能化關鍵技術及零部件取得一定的突破。糧食作物智能化收獲突破了智能化工況參數控制、高效低損收割、高通量脫粒與清選等關鍵技術，突破了玉米植株切割、減損摘穗、高含水率籽粒低損脫粒等關鍵零部件技術，以及工況參數智能控制技術。

智能動力裝備實現了動力輸出智能化控制、整機工作狀態監控及故障診斷、動力優化分配控制、動力輸出智能控制及智能化能量管理等。

（3）智能決策技術。智能決策中的專家系統嚴重依賴于海量歷史數據的積累和分析，目前技術基礎已經具備，但是由于智能農機的研究和應用尚處于起步階段，決策的智能化程度還不夠高。

（4）智慧管理。智能農機裝備通過遠程作業監測終端，實現了裝備位置、作業速度、作業質量和裝備工作狀態等的遠程控制，通過管理平臺，實現了故障預警、機具調度、軌跡回放和質量監測等管理功能。

3.1.2 應用情況

近年來，隨著智能農機技術的不斷進步，智能農機裝備及系統的應用發展迅速。我國智能農機裝備的應用形態主要有2 種：一種是在傳統農機裝備上加裝有關智能監測、智能控制、自動駕駛等設備或系統，實現裝備的智能化；另一種是前裝各類智能系統和組件的智能化農機整機裝備。第1 種是目前最主要的應用方式。

截至“十三五”末，全國超過60 萬臺拖拉機、聯合收獲機配置基于北斗定位的作業監測和智能控制終端。植保無人駕駛航空器保有量突破7 萬臺，作業面積近0.147 億hm2[6]。

（1）自動導航駕駛快速應用。數據顯示，我國農機自動（輔助）駕駛系統銷量由2017 年的0.2 萬套增至2021 年的1.9 萬套，年均復合增長率為75.56%。截至2021 年末，全國累計安裝農機自動駕駛系統超過10萬臺，是2018 年的15 倍多。農機自動駕駛滲透率由2017 年的0.23%增至2021 年的1.4%，預計到2022 年底能夠達到2.2%。

（2）遠程監測終端。目前，通過農機作業遠程監測終端來提高作業質量、實現作業量監控是智能農機應用最為常見和普及的應用場景。農機智能監測基本實現了“耕、種、管、收”主要生產環節的全過程覆蓋，特別是在大型拖拉機上的應用較為普遍[7]。截至2021 年末，全國累計安裝農機定位、作業監測等遠程運維終端超過45 萬臺（套），是2018 年的3 倍。

（3）新型智能農機整機裝備不斷出現。近年來，一些新型智能農機整機裝備不斷推出并取得了一定的應用。在國內的一些無人化農場示范區內，無駕駛艙的無人駕駛拖拉機、具備精量播種與變量施肥的智能化播種機、智能化高效植保機、植保無人機及智能收獲機等新型智能農機的應用已有一定的技術積累[8]。一些企業生產的具備自主學習能力的AI 人工智能谷物收獲機，已進入田間地頭。

3.2 智能農機裝備發展趨勢

3.2.1 技術集成融合成為技術創新主要方向

衛星導航、人工智能、大數據和物聯網等新技術形態在農機裝備上的滲透和集成應用，是智能農機產生的基礎，也是發展趨勢[9]。智能農機裝備是復雜農機、智能化技術、管理系統等的融合，未來的智能農機不會是單獨存在并發揮作用的，而是作為一個系統或實體網絡的一部分發揮協同作用，成體系運行的。

此外，智能農機的應用對農機與農藝融合、裝備與信息融合、資源與環境協調提出了更高的要求。

3.2.2 智能化制造是產品開發重要方式

智能農機裝備的設計、制造與驗證過程，本身越來越依賴智能化技術，這是確保智能農機裝備更具有適用性、創新性的重要途徑[10]。智能制造關鍵在于數字化設計，包括模塊化設計、數字化建模、虛擬設計和動態仿真試驗驗證等技術的應用。

3.2.3 綠色節能成為重要應用目標

隨著碳排放的逐漸收緊，農機裝備作為重要的能源消耗領域，也面臨著能源結構調整和能源使用效率提升。在實踐中，智能農機和綠色農機往往是相互疊加的，如基于智能化技術的精量播種、變量施肥、精準施藥和水肥一體化等智能農機裝備，本身就是節能減排的重要體現[11]。因此，綠色既是智能農機裝備的特點之一，也是發展方向之一。

4 智能農機裝備發展建議

4.1 持續推動農機裝備轉型升級

在傳統農機的研發生產上，我國與發達國家仍然存在一定的差距。智能化技術的快速應用為我國在農機化迭代演進過程中創造了彎道超車的機遇，但復雜農機裝備是智能化技術的基礎和載體，離開材料、關鍵零部件等核心技術，智能農機裝備仍然難以有效應用。因此，持續不斷加強農機裝備產業轉型升級，提升農機裝備研發生產能力，提高先進農機具裝備能力，仍然是十分重要的任務。

4.2 加快智能化技術示范應用

我國農田地塊規模小、耕地細碎分散，經營方式大多是以農戶經營為主的小規模經營，智能農機裝備一次性投入較大，在小規模生產經營模式下邊際效益低下，應用積極性不高。因此必須通過建立具有一定規模的示范區、示范點，充分發揮和體現智能農機裝備在農業生產經營中的比較優勢，進而帶動土地適度規模經營，促進智能農機應用。

4.3 推動核心技術攻關和裝備創新

圍繞智能農機裝備的一些短板技術、卡脖子技術，開展技術攻關，提高智能農機裝備自主創新能力，是推進農機智能化應用的重要保障。加快農機裝備高性能傳感器、智能網聯終端等關鍵技術攻關，推進北斗導航、總線、高壓共軌、動力換擋、無級變速、新能源動力及機電液一體化等技術在裝備上的集成應用，加快創新發展大型高端智能農機裝備[12]。

4.4 加強智能農機標準化建設

智能農機裝備技術形態豐富、集成程度高，涉及多個行業、領域的技術，具有豐富的應用場景。在這種高度跨界融合的前提下，必須加強標準化建設，建立規范統一的技術依據和支撐，是提升智能農機應用水平的重要基礎。

4.5 強化高素質農民培訓

智能農機裝備與傳統農機裝備相比，對操作者的知識技能提出了新的要求。因此在高素質農民培訓中要有針對性地安排與智能農機裝備生產相關的培訓內容，提升廣大農民對于智能農機裝備的認識水平和應用能力，實現人與技術協調推進、共同發展。

4.6 加強政策配套支持

智能農機裝備作為農機化的前沿技術，需要一定的政策投入和扶持。一是要加強智能農機技術研究，加大研發投入；二是加大對智能農機裝備的購置補貼，推動裝備應用；三是圍繞智能農機生產作業過程中產生的數據安全，出臺相應的政策法規，為智能農機裝備應用提供安全、可靠的政策環境。

5 結束語

農機裝備智能化是農機化發展的重要方向，也是我國農機裝備產業彎道超車的重要突破口。圍繞智能農機裝備的研究和應用盡管還處于起步階段，對智能農機裝備還缺乏統一規范的表述，但一些共性的技術特點具有普遍的共識。隨著北斗導航、物聯網、大數據等新技術形態在農機裝備領域融合應用的不斷深入，我國智能農機裝備發展取得了一定的成果，但是在一些關鍵技術和核心零部件上仍然需要持續發力，這需要農機研發、生產、應用整體發力，同時也離不開相應的政策支持和高素質農機操作手的保障。