人工智能在農(nóng)機(jī)裝備智能化中的應(yīng)用分析

林 領(lǐng) ， 黃玉流

（新大陸數(shù)字技術(shù)股份有限公司，福建 福州 350015）

通過人工智能技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、衛(wèi)星定位等信息技術(shù)與農(nóng)機(jī)裝備深度融合，能夠改善傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備的運(yùn)行狀態(tài)，使農(nóng)機(jī)裝備適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。農(nóng)機(jī)裝備需要與人工智能技術(shù)結(jié)合起來，通過機(jī)器視覺、智能控制、深度學(xué)習(xí)等手段，使農(nóng)機(jī)裝備帶有智能屬性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)“耕、種、管、收”等核心環(huán)節(jié)的自動生產(chǎn)，甚至由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)替代人腦操控生產(chǎn)過程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平。智能化是農(nóng)機(jī)控制的重要方向，需要與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程結(jié)合起來，注重人工智能在農(nóng)機(jī)生產(chǎn)中的實(shí)現(xiàn)。

1 農(nóng)機(jī)裝備智能化中的人工智能技術(shù)

1.1 自動控制

自動控制是農(nóng)機(jī)裝備運(yùn)行的關(guān)鍵，分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)，提高自動運(yùn)行控制的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)智能控制，需要注重監(jiān)控系統(tǒng)的影響，感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變化情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制提供依據(jù)，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程能夠順利進(jìn)行。對于農(nóng)作物而言，需要控制生長條件，如溫度、濕度等，滿足植物的生長環(huán)境需求，提高農(nóng)作物的生長控制水平。在智能化控制環(huán)境下，需要做好數(shù)據(jù)的采集工作，將傳感器技術(shù)應(yīng)用其中，增強(qiáng)對環(huán)境信息的監(jiān)控能力，使農(nóng)機(jī)裝備的操作更加精準(zhǔn)。自動控制是智能化的重要體現(xiàn)，農(nóng)機(jī)裝備智能控制應(yīng)結(jié)合種植經(jīng)驗(yàn)，研制出整套專家控制系統(tǒng)，擺脫人工依賴，降低勞力方面的投入，使農(nóng)機(jī)裝備能夠發(fā)揮出主要作用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率[1]。

1.2 圖像識別

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，需要通過肉眼判斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)，為此，可以將圖像識別技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)控制中，基于視覺管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的識別能力。通過圖像識別技術(shù)，利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)，逐步建立圖像監(jiān)測模型，能夠判斷農(nóng)作物的長勢、病蟲害程度等，綜合判斷農(nóng)作物的整體生長狀況，便于管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。同時(shí)，也可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性，識別土壤中的障礙物，將障礙物及時(shí)排除，避免對農(nóng)機(jī)裝備造成損傷，如播種機(jī)、翻土機(jī)等，控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。圖像識別相當(dāng)于機(jī)械的眼睛，主要應(yīng)用到圖像識別技術(shù)，通過色彩、形狀等進(jìn)行分析，嚴(yán)密監(jiān)測生產(chǎn)過程，調(diào)整農(nóng)機(jī)裝備的控制變化，使農(nóng)機(jī)能夠達(dá)到智能化控制標(biāo)準(zhǔn)，提高圖像識別的應(yīng)用水平[2]。

1.3 虛擬技術(shù)

農(nóng)機(jī)裝備使用過程中，需要注重虛擬技術(shù)的應(yīng)用，模擬農(nóng)作物的未來長勢，提前預(yù)判作業(yè)時(shí)間。通過虛擬技術(shù)能夠降低農(nóng)業(yè)裝備出錯的概率，遵循農(nóng)作物的生長規(guī)律，使農(nóng)作物的生長過程處于最佳條件，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程更加細(xì)致化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程包括播種、灌溉、施肥、收割等，需要通過虛擬技術(shù)進(jìn)行模擬，合理設(shè)定農(nóng)機(jī)裝備的數(shù)據(jù)參數(shù)，保障參數(shù)設(shè)置與實(shí)際環(huán)境的匹配性，保障農(nóng)機(jī)參數(shù)的應(yīng)用能夠發(fā)揮作用。以收割虛擬化控制為例，能夠優(yōu)化收割路線，合理安排收割過程，提高農(nóng)業(yè)收割的效率。同時(shí)，模擬設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，避免設(shè)備在高溫環(huán)境下持續(xù)工作，合理安排設(shè)備的停歇時(shí)間，使農(nóng)機(jī)裝備具有穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)機(jī)裝備智能化中是不可或缺的，需要保證設(shè)備之間的通信能力，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用基于5G網(wǎng)絡(luò)展開，傳輸速度可以達(dá)到10 Gbit/s，尤其是在圖像數(shù)據(jù)方面，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，將數(shù)據(jù)匯集到上位機(jī)中，統(tǒng)一處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建完善的人工智能控制條件。而且，農(nóng)機(jī)裝備的控制也需要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行，采用無線控制的方式，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠承擔(dān)起控制功能，有助于智能農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)的構(gòu)建。通過智能農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)，能夠確定農(nóng)具的工作狀態(tài)、調(diào)度情況等，把控農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高對農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的規(guī)劃能力，保障農(nóng)機(jī)裝備的控制能力。

2 人工智能在農(nóng)機(jī)裝備智能化中應(yīng)用

2.1 智能收獲機(jī)械

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，收獲機(jī)械是必不可少的，需要控制收割質(zhì)量，使農(nóng)作物能夠收割干凈，降低農(nóng)作物在田地中的殘留量，使機(jī)械具有穩(wěn)定的工作效率。收割機(jī)裝備裝有GPS定位系統(tǒng)，能夠判斷收割機(jī)的位置信息，便于調(diào)配收割機(jī)的工作狀態(tài)，提高收割機(jī)工作區(qū)域安排的合理性。農(nóng)作物收獲過程中，需要判斷含水量情況，如水稻收獲期含水量一般為22%～25%，玉米收獲期含水量不能超過20%。對于不符合要求的農(nóng)作物，需要避免進(jìn)行收割，否則應(yīng)額外處理農(nóng)作物，如晾曬、烘干等，使農(nóng)作物能夠處于干燥狀態(tài)，避免增加農(nóng)作物的儲存難度。智能收獲機(jī)械可以進(jìn)行自動作業(yè)，評估農(nóng)作物的產(chǎn)量情況，保障農(nóng)作物的收割控制效果[3]。

2.2 智能施藥機(jī)械

農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，需要注重智能施藥機(jī)械的應(yīng)用，控制農(nóng)藥的含量，防止出現(xiàn)藥劑使用過量的情況，提高對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作用。智能施藥機(jī)械需要注重路徑規(guī)劃，通過GIS、GPS等技術(shù)，保證對路徑的識別能力，合理選擇施藥路徑，采用最短的施藥路徑，使施藥機(jī)械能夠穩(wěn)定工作。同時(shí)，需要具有病蟲害識別能力，確保藥劑選擇的合理性，并且控制藥量。以青枯病為例，采用70%代森錳鋅500倍液或50%甲霜靈800倍液，提高藥劑用量的控制效果。智能施藥機(jī)械具有噴霧自動調(diào)節(jié)能力，使霧滴能夠更好地分散到施藥部位，保證施藥控制的精準(zhǔn)性，構(gòu)建出良好的對靶施藥條件，確保施藥機(jī)械起到病蟲害防治作用[4]。

2.3 智能施肥機(jī)械

肥料是滿足農(nóng)作物生長所需的關(guān)鍵，需要合理設(shè)計(jì)施肥機(jī)械，嚴(yán)格控制施肥量，構(gòu)建良好的肥料配比條件。以馬鈴薯施肥為例，主要以復(fù)合肥為主，肥量在760 kg/hm2左右，使馬鈴薯能夠順利度過苗期。肥料主要分為氮肥、磷肥和鉀肥，采用施肥計(jì)劃專家系統(tǒng)來控制肥量，可以控制肥量的配比條件，保證肥料的施肥比例適當(dāng)，提高施肥控制方法的有效性。同時(shí)，還要在電子地圖內(nèi)輸入處理方案，構(gòu)建施肥地點(diǎn)與肥量的關(guān)系，提高施肥控制的智能化程度。施肥控制方法需要注重合理性，將控制方案輸入到系統(tǒng)中，構(gòu)建出完善的控制策略，使化肥的使用能夠根據(jù)實(shí)情展開，保證各個區(qū)塊施肥控制的嚴(yán)格性[5]。

2.4 智能播種機(jī)械

播種是農(nóng)作物種植的重要環(huán)節(jié)，為了提高播種的效率，需要注重智能播種機(jī)械的應(yīng)用，嚴(yán)格控制播種參數(shù)。播種包括開溝、播種、施肥等一系列操作，需要根據(jù)農(nóng)作物種類及種植要求進(jìn)行把控，進(jìn)而滿足智能化的播種條件。智能播種控制流程以水稻播種作為研究對象，將導(dǎo)航定位、無線通信、CAN收發(fā)等技術(shù)應(yīng)用其中，使播種過程能夠得到技術(shù)支持，保障播種控制具有良好的條件。為了控制播種參數(shù)，需要將控制參數(shù)輸入到主控系統(tǒng)中，如行距為25 cm～35 cm，株距為10 cm～13 cm，確保參數(shù)控制的適配性，保證水稻種植能夠精準(zhǔn)展開。水稻播種采用農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行，屬于機(jī)械化播種形式，需要控制速度、方向，保障播種過程能夠順利執(zhí)行[6]。

2.5 智能灌溉機(jī)械

農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，需要注重智能灌溉機(jī)械的應(yīng)用，合理選擇灌溉方式，采用自動化的灌溉方案，做好過程中的節(jié)水控制。智能灌溉機(jī)械需要使用到GPS定位系統(tǒng)，檢測指定位置的根部及濕度，及時(shí)為農(nóng)作物補(bǔ)充水分，防止出現(xiàn)缺水的情況。同時(shí)，需要選擇灌溉方式，主要以滴灌和噴灌為主，能夠起到節(jié)約用水的作用，減少水資源的消耗。智能灌溉機(jī)械采用自動控制形式，實(shí)現(xiàn)自動灌溉、定時(shí)灌溉等功能，以溫濕度情況作為灌溉控制依據(jù)，修正灌溉控制參數(shù)。在灌溉參數(shù)方面需要提前進(jìn)行設(shè)定，控制水泵的啟停過程，智能化監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)。另外，需要具有灌溉系統(tǒng)檢查能力，通過管壓檢測確定水管的破損情況，提高對灌溉系統(tǒng)故障的應(yīng)對能力[7]。

2.6 智能溫室監(jiān)控

大棚溫室是重要的植物種植環(huán)境，需要做好農(nóng)機(jī)裝備的配置，對溫室采取智能化監(jiān)控，提高溫室監(jiān)控方法的有效性。在大棚溫室中，影響農(nóng)作物生長的因素較多，如光照強(qiáng)度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等，需要通過相應(yīng)的傳感設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，獲取大棚環(huán)境的相關(guān)信息。大棚內(nèi)部環(huán)境雖然適合植物生長，但不適合工作人員長期勞作，對身體健康具有一定的影響。因而，采用智能溫室監(jiān)測具有必要性，模擬不同生長階段的農(nóng)作物生長環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)，通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，提高室溫控制的穩(wěn)定性。以室溫控制為例，為了維持溫度的恒定，需要采用PID控制算法，控制算法表達(dá)式如下：

通過PID控制算法且結(jié)合專家控制方式，能夠提高溫度控制的智能化水平，降低溫度控制的誤差，將溫度影響控制在較低水平[8]。

2.7 智能采摘機(jī)

農(nóng)作物采摘過程中，需要根據(jù)成熟情況進(jìn)行篩選，保證成熟的優(yōu)先采摘，推進(jìn)農(nóng)業(yè)采摘過程的智能化。智能采摘機(jī)是重要的農(nóng)機(jī)裝備，在機(jī)械臂上裝有攝像頭，采集農(nóng)作物成熟情況，通過外形、顏色等判斷農(nóng)作物是否成熟。農(nóng)作物辨識方面需要應(yīng)用圖像識別技術(shù)，可以判斷農(nóng)作物的具體細(xì)節(jié)，按照大小、顏色等進(jìn)行細(xì)致化分類，在采摘過程中便分類處理，使采摘與分類能夠整合起來，提高農(nóng)作物的采摘效率。智能采摘機(jī)由機(jī)械臂進(jìn)行操作，可以在360°方向上旋轉(zhuǎn)，具有靈活控制的特點(diǎn)，使農(nóng)作物能夠得到快速采摘，保障機(jī)械臂工作的穩(wěn)定性[9]。智能采摘機(jī)具有自動稱重功能，統(tǒng)計(jì)農(nóng)作物產(chǎn)量情況，改進(jìn)農(nóng)作物管理方法。

2.8 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖

農(nóng)機(jī)裝備在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有重要應(yīng)用，可以監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，使水質(zhì)能夠處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)。在線水質(zhì)智能監(jiān)測方面，對水體的溫度、溶氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行7×24 h不間斷測定，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳送到總監(jiān)控室和相關(guān)管理人員手機(jī)，然后應(yīng)用專家決策系統(tǒng)進(jìn)行增氧、調(diào)水、投餌、割草、控溫等，確保溫度、溶氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)控制在安全、健康、高質(zhì)、高效的養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。以智能巡航船為例，具有自動投餌、投藥功能，可以分析圖像、聲音和投喂歷史，智能判斷投喂時(shí)機(jī)，在投喂過程中跟蹤喂食情況，調(diào)整投喂速度，判定投喂停止點(diǎn)。同時(shí)，還可以拍攝水下環(huán)境，通過水面和水下圖像采集、水下聽音、噪聲消除等信息采集和分析功能，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化管理[10]。

2.9 農(nóng)業(yè)機(jī)器人

農(nóng)業(yè)機(jī)器人屬于先進(jìn)的農(nóng)機(jī)設(shè)備，屬于智能控制技術(shù)的集成體現(xiàn)，需要針對農(nóng)業(yè)環(huán)境展開設(shè)計(jì)，使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠發(fā)揮作用。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的目的是代替人工進(jìn)行勞作，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行一些重復(fù)勞作，不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，還可以將工作人員解放出來。農(nóng)業(yè)機(jī)器人種類較多，如施肥機(jī)器人，可以智能化地施肥；育苗機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)幼苗的自動栽種。農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的核心在于感知能力，判斷農(nóng)作物的當(dāng)前狀況，控制農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有自動控制能力，對運(yùn)行程序控制具有較高要求，提高農(nóng)作物生產(chǎn)的規(guī)范水平。

3 結(jié)論

綜上所述，農(nóng)機(jī)裝備是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響較為深遠(yuǎn)，需要堅(jiān)持智能化發(fā)展方向，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠獲得智能化技術(shù)的支持，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。智能化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，需要構(gòu)建智能化的發(fā)展目標(biāo)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平，確保農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的推進(jìn)作用，打造智能化的農(nóng)機(jī)裝備體系。