果園噴藥機智能管控平臺的建設研究

周通，李雯，左小林

（212013 江蘇省 鎮江市 江蘇大學 管理學院）

0 引言

我國是全球第一水果生產與消費大國，水果產業也是我國第三大農業種植產業。據《中國農村統計年鑒》2020 年數據顯示，截至2019 年末，我國實有果園面積達12 276.7 khm2，比2018 年同期增長3.4%。隨著我國果園種植面積的逐步擴大、農業機械化的不斷推進以及勞動力成本的不斷攀升，果園規范化、標準化發展和智能化管理是未來發展的必然要求、必然趨勢[1]。果園管理作業主要可分為土地耕整、樹體保護、病蟲害預防、灌溉與收獲等5 個方面。病蟲害的預防工作被視為主要作業環節之一，其中的噴藥作業要占據果園管理總體作業量的25%以上[2]。由于噴藥作業多在果樹枝葉繁茂時期進行，且果園環境較為復雜，如田間障礙較多、果園形狀不規則、作業路徑寬窄不一等，對噴藥機作業產生了較大的限制。另外，部分種植戶的果園面積較小，而購買噴藥機成本較高，租賃需求又得不到及時滿足，因此仍采用人工噴藥，這嚴重背離了農業機械化的發展趨勢。

近年來，以信息化、智能化為特點的“智慧農業”在國內興起，為實現對農業生產進行遠程智能化控制，相關軟件平臺的構建被提上日程。本文將以此為背景，探討我國果園噴藥機的發展現狀及農業智能管控相關平臺的建設現狀，分析當前研究可實現的功能特點及存在的問題，然后給出相應的對策與建議。最后提出果園噴藥機智能化管控平臺的建設方案，以期實現噴藥機的智能管控，進而提高噴藥效率與農藥利用率，降低果園生產成本，減少大氣土壤污染，并實現果園、農戶、企業等的信息集成，追求整體效益最大化。

1 相關概念及技術支撐

噴藥機智能管控指的是通過各類傳感器收集數據、通過無線通訊技術傳輸到服務器，對作業環境、作業狀態進行分析監測，進而實現對噴藥機各項功能的智能化、自動化控制。同時，通過智能管控平臺可以集成各類信息流，實現果園、噴藥機、農戶與管理或操作人員的信息交互與共享。

1.1 噴藥機的工作參數

目前國內果園最常用的機械植保設備為風送式噴藥機，按照行走方式，主要分為牽引式噴藥機、懸掛式噴藥機和自走式噴藥機等[3]，影響噴藥機行駛及作業效率的主要工作參數指標如表1 所示。

表1 噴藥機主要工作參數表Tab.1 Main operating parameters of the sprayer

1.2 智能管控平臺的技術支撐

農業類的智能管控平臺一般由數據采集端、服務資源端和應用端組成，集成了衛星導航定位技術、傳感器技術、大數據分析和無線通訊技術等。

1.2.1 衛星導航定位技術

衛星導航定位是通過天線、接收機等接收、解算衛星信號，實現實時定位的技術，為了提高定位精度，通常需要給接收機實時提供一組差分改正數據。衛星導航定位技術是實現農機自動駕駛的基礎。

1.2.2 傳感器技術

傳感器一般是由敏感元件及轉換元件組成，能將農業類的半結構化或非結構化數據轉化為可用數據。傳感器技術是我國農業信息化的前沿技術之一[4]，是實現農業生產智能分析與決策的基礎。

1.2.3 大數據分析

運用大數據分析技術對農業生產過程中通過傳感器采集的數據進行分析處理，做出科學合理的決策，提高農業生產效率。

1.2.4 無線通訊技術

無線通訊技術一般利用微波，可不經由導體或纜線進行傳輸通訊，目前主要包括Zigbee/藍牙/Wifi/2G/4G 等技術，現階段農業生產一般通過4G網絡傳輸，將各類信息上傳到服務器。

2 研究現狀

通過文獻閱讀與實際調研發現，我國噴藥機的研制起步較晚，國內噴藥機與國外相比，整體性能較為落后，作業效率較低，許多高精度技術雖有研究，但并不能大規模運用到噴藥作業中去，因此我國的農藥有效利用率仍然很低，僅為20%～40%[5]。另外，國內“智慧農業”相關平臺建設處于起步階段，現有的平臺數量極少，且功能不完善，通常僅能實現對天氣、土壤墑情、蟲情信息的監測與農機的監管功能，并不能實現農機的智能管控，如田間作業路徑規劃及自動駕駛等功能。

2.1 噴藥機研究現狀

為了提高農藥利用率、提升農業經濟效益，我國的專家學者從噴藥機類型、噴頭、變量噴藥系統、對靶噴藥技術、風量調節等多個方面做出了大量研究。李超等[6]針對葡萄園的作業環境，設計了牽引式立管風送噴藥機，能夠對藥液進行二次霧化，增加其穿透性和附著率，有效提高了農藥利用率；魏新華等[7]將超聲波測距傳感器引入噴藥機噴桿高度調控中，有效保障了噴藥機在行駛過程中噴桿的平穩性，避免了因地面起伏引起的噴藥不均問題；周天文等[8]設計了一種小型自走式噴藥機，該機利用風送噴霧技術，可有效防止前進過程中產生藥液飄移，增加了霧滴在枝葉上的附著率；李龍龍等[9]以高精度的激光傳感器為探測源，設計的自動仿形噴藥機可實時調節風量和噴霧量，并在蘋果園內進行了田間試驗，結果表明，該機提高了噴藥的精準度，并且霧滴的穿透性強、沉積性高；尹潤蓉等[10]設計出一種可以實時混藥的靜電噴霧機，與傳統噴霧機相比，混藥更均勻、更穩定，噴霧效果更佳；鄒偉等[11]設計了果園對靶噴藥控制系統，能夠實時監測噴藥機的行駛速度，探測樹冠靶標位置，進而通過電磁閥調節噴頭流量，實現對靶變量噴藥；杜慎忠等[12]針對葡萄園噴霧機研究了藥液回收系統，并通過田間試驗研究了藥液回收率與噴霧距離、風機轉速、噴霧壓力等的關系，最終可將農藥回收率提高到16.2%,農藥沉積率提高到52%以上；江蘇大學和寧夏大學共同研制了自走式智能對靶超低量靜電噴霧機，兩邊各有一個600 L 容量的藥箱，噴藥幅寬14 m，噴藥效率高，噴藥效果良好，分別如圖1、圖2 所示。

圖1 自走式智能對靶超低量靜電噴霧機Fig.1 Self-propelled intelligent target ultra-low amount of electrostatic sprayer

圖2 噴霧機田間試驗圖Fig.2 Field test diagram of spray machine

2.2 相關平臺研究現狀

李洪等[13]將農機調度問題轉化為MTSP 問題，以列生成法求得模型精確解，并開發了農機監控調度系統；2013 年，北京現代化農業萬畝示范區建立了當地第一個基于BDS 的新型農機管理平臺，很大程度上提高了農業生產的精準化水平[14]；楊立國等[15]根據多個農機作業過程中出現的信息交互滯后等問題，構建了全新的調度技術體系，運用于農機管理調度系統中，實現了農機資源的科學合理分配；謝婷婷[16]以最小化作業成本和農機派發數量為優化目標，構建了農機跨區調度模型，設計了跨區作業調度系統；康康等[17]基于物聯網建立農機設備監控系統，利用通信網絡對農機設備下達調度命令，并在監控基礎上實現農機設備運行路線的繪制；胡江生[18]以Java EE 為基礎，基于MVC 設計模式，開發了包含企業信息、物聯網監測、農產品溯源等模塊的智慧農業軟件平臺；寧波農機局聯合寧波移動，構建了集無線通信、GPS、GIS 等先進技術于一體的“智慧農機”平臺，可實現農機監管、農機定位、農機調度等功能；江蘇潤果農業發展有限公司開發的農機智慧管理系統，可實現農機狀態查詢、作業監測、歷史軌跡回放等功能，但田間作業調度功能尚在開發中。

3 平臺建設存在的問題分析

若要通過平臺實現果園噴藥機的智能化管控，實現農業可持續發展，必須從軟件、硬件及人員、設備配置等全方面入手。通過大量文獻閱讀及實地調研，可以發現，阻礙我國噴藥機智能管控平臺發展的因素主要分為以下幾點：

（1）噴藥機數量不足且性能落后。我國的農業機械化水平雖在穩步提升，但我國的果園以丘陵山區果園為主，約占果園總面積的65%以上[19]，丘陵山區地形地貌較為復雜，給噴藥機作業帶來了極大的不便，大部分果園只能采用小型噴藥機，藥箱容量少，作業效率低下。以實地調研的酒莊為例，寧夏西鴿酒莊當前采用的風送式噴藥機，藥箱容量僅為400 L，紅寺堡酒莊采用的噴藥機藥箱容量為600 L。小容量噴藥機需要頻繁裝水混藥，增加了總作業時長，降低了噴藥機的作業效率。由于噴藥作業有一定的時間窗要求，故而對噴藥機的數量有著較高的要求。據《中國農業機械工業年鑒 2019》，截至2018 年年末，我國共有植保機械615.26 萬臺，果園機械植保面積為6 124.24 khm2，僅占果園總面積的一半，噴藥機的數量嚴重不足，噴藥需求無法滿足。另外，雖然我國近年來逐步開展了對提升噴藥性能的研究，主要包括變量噴藥技術及自動對靶技術的研究，但是目前的研究不夠成熟，與發達國家相比，在對靶準確性和穩定性方面還有一定的差距，且現有的研究多停留在試驗階段，并沒有推廣應用。我國當前的農藥有效利用率仍不足40%，為了追求防治效果，過量施藥現象十分普遍，這意味著大量的農藥彌漫在空氣中或是飄落在地上，這不僅極大地浪費了農藥、水源、人力，還會造成水果內的農藥殘留過高，影響水果的風味及質量，降低整體的經濟效益。

（2）果園種植標準不統一。我國大部分果園種植戶平均年齡較大、文化水平不高，且缺乏專家的指導，果樹種植全憑經驗。為了追求高產量，果樹種植較密，行間距較小且不固定，沒有考慮到農機的行駛、轉彎等問題，部分果園中甚至出現噴藥機無法駛入的問題。由于我國對于果園種植并沒有嚴格的標準，農業機械化起步較晚，即使在規范化管理的大規模果園，許多老基地內果樹種植的行距、株距等也并不相同，給果園機械化、自動化作業帶來較大的麻煩，果園種植管理不規范已經嚴重限制了噴藥機智能管控的發展。

（3）設備配置不健全。若想建設噴藥機的智能管控平臺，除了要提升噴藥機自身的性能、智能化水平外，還要完善配套設施，比如4G/5G 的基站建設，傳感器的功能提升、數量配備等。我國的移動網絡發展迅速，在5G 建設等方面處于世界領先水平，但農業傳感器仍是制約我國“智慧農業”發展的重要因素之一[20]?，F有的傳感器功能落后且穩定性較差，嚴重阻礙了噴藥機等農機設備的智能化發展。據調研發現，在一些大規模果園，為了加快噴藥速度，購買或是租賃了足夠數量的噴藥機，但由于大部分噴藥用水是由拖拉機運載水箱拉取，而配備的水箱一般數量少且容量?。s為2 000 L），噴藥機排隊裝水、混藥等過程浪費了大量時間，導致最終的噴藥效率并不高。

4 對策與建議

4.1 提升噴藥機的自身性能

（1）提高通用性。由于我國的果園面積大，果樹品種多，即使同一品種的水果，各個果園的行距、株距、果樹高度等也不一致，可通過提高噴藥機的通用性，使其適用于不同的作業場景，提升平臺對不同果園的適用性。例如：設計輪距可調的噴藥機，可使其適用于不同行距的果園。對于高地隙噴藥機，可設計底盤高度可調，使其適用于不同冠高的果樹。針對果園行間距較小，地頭轉彎不便等情況，可設計四輪轉向的小型噴藥機，以減小轉彎半徑，加快噴藥機的轉彎、調頭等時間，進而提升作業效率。針對一些松軟、泥濘的土地，可設計履帶式自走噴藥機，保證行駛速度及平穩性。

（2）變量噴藥系統研究。變量噴藥是提高農藥有效利用率的重要手段之一。當前普遍采用的噴藥量計算模型分別基于果園面積、樹體面積、冠層高度和冠層體積，但這4 種模型考慮的約束都較為單一，并不能得到最合理的結果。在今后的研究中，可針對果樹的品種、生長期、蟲情信息、樹體面積、冠層高度等進行綜合考慮，噴藥時通過各類傳感器實時測量上傳，利用大數據分析得出最優方案，智能控制噴藥量，實現真正意義上的實時變量噴藥，從而提高農藥有效利用率。

（3）自動對靶噴藥技術研究。自動對靶噴藥[21]是利用超聲波、光學和紅外傳感等技術，通過系統終端分析傳感器收集的數據，確定樹冠的形狀及位置，然后調節噴頭位置及方向，對準目標噴藥的技術。自動對靶噴藥技術可提高農藥利用率，控制噴頭不向空隙處噴藥，既能保護生態環境，又能保障農機手及作業相關人員的安全。實踐證明，激光傳感器比紅外傳感器和超聲波傳感器工作更穩定、響應更快速、方向性更好[22]。因此，日后的研究可將激光傳感器作為主要的探測裝置，再對控制系統的軟硬件進行設計。靜電噴霧技術能夠減小霧滴粒徑,增加農藥沉積量，提高均勻性[23]，噴藥時根據噴頭霧滴細度等級[24]選擇合適的噴頭也可以增加農藥沉積量并減少飄移。

（4）風量控制系統研究。風送式噴藥機作為目前果園噴藥的主流設備，具有省水省藥、作業效率高等優點，有著廣闊的前景。但是目前的風送式噴藥機送風量多為固定，不可自動調節。風量過大會導致霧滴飄散，難以附著；風量過小會導致穿透性差，噴藥不均勻。若要智能化控制則需要設計風量可調節的噴藥機，通過傳感器感知樹冠高度、枝葉密度等，通過系統分析，實現實時自動調節風量，提高農藥的附著率。

4.2 明確果園種植標準

可以借鑒一些發達國家的種植經驗，從行距、株距等方面著手，考慮噴藥機的行駛、轉彎等問題，同時也要考慮其他農機如剪枝機、起藤機等的作業要求，制定科學、規范的種植標準。新果園應當采用統一標準種植，而一些傳統果園，為了適應農業機械化、智能化的發展要求，應當逐步改造，使其規范化，滿足各類農機的作業條件。另外，現階段常用的噴藥機使用壽命多在3～5 y，在果園種植標準統一之后，可研制適合于新果園作業的新型噴藥機等設備，從而加強農機與農藝融合水平，提高農業生產效率。

4.3 完善配套設施

近年來，中央和地方施行了各項惠農政策，包括農機購置補貼等，但是農業生產投入回報周期普遍較長，若想提高農業機械化水平，政府還應投入更多資金，加強農機設備購置補貼政策，或是提供低息貸款等服務，鼓勵農民和農業類企業積極購買、使用現代化噴藥機；其次，促進農業企業與高校合作，創辦研究生工作站等技術研發機構或產學研合作平臺，加大研究力度，引導我國農業傳感器的發展，為“智慧農業”相關平臺的建設打下良好的硬件基礎。另外，還要系統性地考慮智能管控平臺建設及運營所需的各類條件，如水箱、拖拉機等的數量配備，裝水混藥的合理地點，天線型號與導航系統的選擇以及職業農民的培訓等。

5 平臺建設

果園噴藥機智能管控平臺以Java語言為基礎，采用結構化系統開發方法、面向對象技術進行開發，平臺客戶端將由界面層、服務層和持久層構成，各層之間的工作流程如圖3 所示，系統平臺的功能結構如圖4 所示。

圖3 各層工作流程圖Fig.3 Flowchart of each layer

圖4 系統平臺功能結構圖Fig.4 Functional structure diagram of the system

該平臺預期可實現對果園及噴藥機的信息監測，實現對噴藥機的智能管控。具體功能如下：通過4G 通信技術將傳感器收集的果園信息、人工發布的作業需求信息、噴藥機信息等上傳到服務器，實現區域內噴藥機與作業需求的合理調配。將作業環境的各項數據實時上傳到服務器，運用大數據分析，做出科學合理的決策，遠程控制噴藥機，實現自動變風量、變噴霧量、調節噴頭位置等功能。統計噴藥機的作業面積、作業時長，用以分析噴藥機的作業效率，為提高噴藥機性能提供研究方向。最后，通過元啟發式算法對田間路徑進行合理規劃，以減少作業沖突，降低油耗，提高噴藥機的作業效率以及利用率，實現環境和經濟效益的最大化。

6 結語

雖然我國噴藥機的數量與性能正穩步提升，但是與“智慧農業”的發展要求相比仍有較大的差距，噴藥機的性能及智能化水平還有待提高。果園噴藥機智能化管控平臺的建設并非一朝一夕的功夫，要系統地、全面地考慮各種因素，不僅要從提升噴藥機數量、性能入手，還要關注果園的規范化種植、管理及操作人員的專業化培訓、配套設施的完善等，這需要政府、農業企業、果園種植戶及高校、研究院等的共同努力。果園噴藥機的智能化發展及智能管控平臺的建設對降低果園生產成本、提升經濟效益及提升農業生產現代化水平有著重要意義，是實現農業可持續發展的有效途徑。