人工智能技術在農(nóng)業(yè)機械中的應用分析

張海霞

（武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430050）

將人工智能技術有效應用于農(nóng)業(yè)機械當中，可進一步提高農(nóng)業(yè)機械的自動化以及智能化程度，有助于持續(xù)增強農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)能力，這對我國農(nóng)業(yè)的健康長遠發(fā)展意義重大。因此，有必要對人工智能技術在農(nóng)業(yè)機械當中的應用進行深入研究，從而確保農(nóng)業(yè)機械以及人工智能技術能夠在農(nóng)業(yè)領域充分發(fā)揮應有作用。

1 人工智能概述

人工智能通常指的是專門負責研究、開發(fā)各種能夠用來有效模擬、延伸或者進一步擴展人本身的智能相關理論、技術、措施等的一種具備極強先進性的科學技術，本身屬于計算機科學當中的一個重要組成內(nèi)容，目的是掌握智能的真諦，并創(chuàng)造出真正具備與人類智能相近的、可以開展一系列反應和操作的智能機器。其特點包括滲透性、協(xié)同性以及替代性等，其中，滲透性指的是人工智能可以被用于一系列多元化或者是綜合化的場景；協(xié)同性指的是將其運用于生產(chǎn)領域，可以有效地讓技術研發(fā)、工程實現(xiàn)還有具體的技術應用等各類生產(chǎn)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出極強的協(xié)同性特征；替代性是人工智能最明顯、最主要的特點，主要指的是可以對一系列勞動要素進行直接替代[1]。

2 人工智能技術應用于農(nóng)業(yè)機械的必要性

2.1 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中需要用到的一系列生產(chǎn)要素，包括耕地、水以及勞動力等正處于持續(xù)下降和減少的態(tài)勢，這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及質(zhì)量開始下降或停滯不前，急需借助高新技術實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。在此背景下，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械無法滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，難以推動農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。而將人工智能技術引入到農(nóng)業(yè)機械中，則能夠進一步提高農(nóng)業(yè)機械的智能化以及自動化水平，有力提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精度、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對勞動力的依賴程度，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動農(nóng)業(yè)信息化、現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展[2]。

2.2 農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的需要

振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟，推動農(nóng)村經(jīng)濟不斷發(fā)展是現(xiàn)階段我國的基本國策。切實將人工智能技術合理運用于農(nóng)業(yè)機械領域，可以加快農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展速度。大量實踐證明，智能化的農(nóng)業(yè)機械有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化以及智能化水平，能夠?qū)C械設備的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，從而可以節(jié)省大量的人力、物力，達到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。同時，能夠促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，推動農(nóng)村經(jīng)濟實現(xiàn)快速發(fā)展[3]。

2.3 降低農(nóng)民勞動強度

近年來，在城市化建設持續(xù)推進的背景下，我國農(nóng)村地區(qū)的大部分青壯年勞動力逐漸離開農(nóng)村，選擇到城市就業(yè)，這使得農(nóng)村勞動力“老齡化”問題越發(fā)嚴重，很多留守老人根本干不動農(nóng)活，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力巨大。而通過在農(nóng)業(yè)機械中有效應用人工智能技術，則可以大大降低農(nóng)民勞動強度，有效緩解了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力，這對于保證國家糧食安全以及促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展等均有著重要意義[4]。

3 人工智能技術在農(nóng)業(yè)機械中的應用

3.1 在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用

3.1.1 虛擬現(xiàn)實技術

VR 技術在農(nóng)業(yè)機械設計以及開發(fā)活動中開始得到應用，并在優(yōu)化設計上發(fā)揮出了重要作用。比如，對于一些結構較為復雜或者是設計困難的相應大型農(nóng)業(yè)機械來講，設計人員便可借助VR 技術，來對其外觀、結構以及性能等開展建模活動，利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，來模擬一些作業(yè)場景，達到對產(chǎn)品設計、性能試驗以及特性的有效評估，并且能夠?qū)崿F(xiàn)人與機械之間的實時交互。現(xiàn)階段，VR 實際上在農(nóng)業(yè)機械領域當中并沒有得到廣泛運用，有關此方面的研究大多集中于虛擬裝配以及虛擬試驗兩方面。例如，我國某農(nóng)業(yè)大學便借助VR 技術開展農(nóng)業(yè)機械方面的虛擬試驗，有關學者曾自主研發(fā)出農(nóng)用拖拉機的試驗系統(tǒng)，主要借助MultiGen Creato 以及Vega Prime 打造虛擬試驗場景，有效實現(xiàn)了農(nóng)用拖拉機加速、轉向以及制動等方面的仿真試驗，極大地提高了農(nóng)業(yè)機械的設計成效[5]。

3.1.2 CAD 技術

在開展農(nóng)業(yè)機械設計活動時，CAD 技術有著較為廣泛的應用，能夠用來優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械本身的結構，開展理論層面的設計工作。將此類智能技術應用到農(nóng)機設計工作中，一般均為模塊化變形設計，以此來明確組件的定位以及組裝的過程，同時對此開展預先設計，這樣能夠更為清楚準確地掌握農(nóng)業(yè)機械的具體使用情況。由于CAD 技術能夠開展參數(shù)性3D 結構設計，比較容易修改，而且較為直觀，可以很好滿足設計工作的現(xiàn)實需求[6]。例如，在開展農(nóng)業(yè)機械底盤方面的設計工作時，便可借助CAD 技術開展三維仿真以及結構設計，能夠結合工件的定位，合理地設定坐標系統(tǒng)，然后再依照坐標開展組裝工作，整個過程設計人員均能夠直觀地看到機械的設計情況、各部件的尺寸以及功能等，有助于提高設計的精確性以及合理性。

3.2 在農(nóng)機駕駛方面的應用

對于農(nóng)業(yè)機械自動駕駛來講，主要指的是將拖拉機或者是收獲機等機械設備，借助感知、定位技術來有效地感知作業(yè)環(huán)境以及位置等，再借助路徑規(guī)劃技術及液壓控制技術等，來促使農(nóng)業(yè)機械可以依照規(guī)劃軌跡開展自動化行駛。自動駕駛技術能夠有效縮減人工勞動成本，大幅度提高農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)作業(yè)的精準性以及作業(yè)效率。現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機械大多數(shù)是借助導航定位的形式（包括衛(wèi)星、GPS 等），來達到全局路徑規(guī)劃以及自動駕駛的目的。比如：一方面，可通過在運用衛(wèi)星導航的前提下，借助視覺以及神經(jīng)網(wǎng)絡還有深度學習技術等，來達到對局部環(huán)境具體情況進行解析的目的，可以確保農(nóng)業(yè)機械自主地對障礙物展開識別、檢測，最終取得對全局或者是局部多維度環(huán)境做出有效感知的效果。另一方面，能夠結合地貌以及土質(zhì)情況開展耕深方面的自動調(diào)節(jié)。例如：國外某大型農(nóng)機企業(yè)2012 年便借助相應的自駕系統(tǒng)設計研發(fā)出了智能化的農(nóng)耕機以及收割機，相關工作人員僅需在開展耕作活動前，將可能遇到的狀況或者是田地信息全部輸入到GPS 系統(tǒng)當中，拖拉機便能夠結合GPS系統(tǒng)的指示進行自動行駛，前方還會開展紅外線持續(xù)掃射，從而避免撞上障礙物[7]。

3.3 在播種機械中的應用

精準播種已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機械需要重點研究的內(nèi)容，主要指的是在實際開展播種作業(yè)時，保證種子間能夠始終處于一個合理的間距以及能夠?qū)崿F(xiàn)適量播種等，從而保證農(nóng)作物可以在最大程度上有效攝取陽光、水分以及礦物質(zhì)，并且可以對土地等資源進行充分利用，切實提高農(nóng)作物實際產(chǎn)量。現(xiàn)階段，播種機一般均為純機械式結構，實際工作方式是依照一定時間間隔合理地排出種子，以此達到種子間距一致的目的。對于排出種子的具體時間間隔，能夠結合機械設備實際行走的速度進行設定，但由于機械作業(yè)過程中有著一定的不穩(wěn)定性，所以容易出現(xiàn)單次無法排出種子或者是單次排種過多等問題。面對這一情況，可在播種機當中裝設智能攝像頭，借助神經(jīng)網(wǎng)絡有效地對種子實際拋灑過程開展分析工作，比如實時記錄排種過程、有效標識未播或者是多播種子的具體位置以及編號等，可以替代人工識別，進一步減少勞動成本。此外，一些智能播種機械設備，還能夠借助探測裝置有效獲取土壤信息，再借助算法有效計算出最佳的播種密度，同時自動開展播種作業(yè)，美國研發(fā)設計的機器人Prospero是此類智能播種機械設備中的代表[8]。

3.4 在收獲機械中的應用

通過將人工智能技術應用于收獲機械當中，可以實現(xiàn)對小麥、水稻以及玉米等一系列農(nóng)作物的智能化收割，可進一步減少人工勞動量，提高收獲效率以及質(zhì)量。在實際收獲作業(yè)時，谷物脫粒、分離以及清選檢測等作業(yè)內(nèi)容，屬于收獲機開展收獲作業(yè)時的重點步驟，直接關系著收獲質(zhì)量的高低，通過應用人工智能技術可實現(xiàn)對這些作業(yè)內(nèi)容的智能化管控[9]。例如，對于小麥收獲機而言，需要先借助割臺來有效地對小麥開展收割作業(yè)，再借助滾筒轉速調(diào)節(jié)以及凹版間隙調(diào)節(jié)等合理地對小麥開展脫粒、分離還有清選作業(yè)。此時收獲機本身的行駛速度以及割臺高度還有滾筒轉速等一系列參數(shù)都可以對脫粒、分離以及清選工作成效產(chǎn)生決定性的影響。對此，可在收獲機作業(yè)倉內(nèi)合理裝設智能攝像頭，其可借助神經(jīng)網(wǎng)絡，達到對小麥脫粒作業(yè)情況的實時檢測，然后借助深度學習方法，快速地計算出最為適宜的行駛速度、割臺高度以及滾筒轉速等，然后及時對這些參數(shù)做出調(diào)整，從而保證能夠?qū)⒆魑飶氐资斋@干凈[10]。

此外，借助對人工智能技術的合理應用還能夠促使收獲機械自主結合收獲作物的差異來智能化開展行駛速度、割臺高度以及滾筒轉速等方面的調(diào)整工作，以此滿足不同作物的實際收獲需求[11-12]。例如，智能果木采摘機械便能夠自主完成蘋果以及葡萄等多種水果的采摘工作，而且能夠根據(jù)水果種類的不同調(diào)整收獲方式以及速度。再如，美國研發(fā)的一款智能化蘋果采摘機械，能夠在不破壞蘋果樹以及蘋果的基礎上，實現(xiàn)1 s 有效采摘1 個蘋果。這款機械借助攝像裝置來有效獲取果樹的照片，再借助圖片識別技術來智能化地定位一系列適合進行采摘的蘋果，再通過機械手臂以及真空管道開展采摘活動，過程中基本不會對果樹以及蘋果造成任何損傷。

3.5 在管養(yǎng)機械中的應用

現(xiàn)階段，人工智能技術在各類農(nóng)業(yè)管養(yǎng)機械當中也開始得到廣泛應用，并且取得了良好成效。通過在農(nóng)業(yè)機器人當中裝設天氣監(jiān)視器以及高光譜熱成像相機或者是脈沖激光傳感器等，可以實時動態(tài)地獲取一系列農(nóng)作物莖葉實際生長直徑、所在區(qū)域土壤含水率以及氣溫還有葉片面積等多種數(shù)據(jù)信息，并且可以實時將信息上傳至計算機系統(tǒng)，分析和判斷農(nóng)作物是否缺肥、缺水等，并自動化地操控噴灌設備或者是滴灌設備等開展適當?shù)乃使ぷ鳌＠纾绹邪l(fā)的BlueRiver 農(nóng)用機器人便能夠借助電腦圖像識別等相關技術和算法，來有效地判斷出農(nóng)田當中哪些作物需要進行除草、灌溉以及施肥、打藥等等，同時這些數(shù)據(jù)信息在傳至計算機之后，還可以打造對應作物的3D 模型，從而精準地預判此類作物的發(fā)育情況或者產(chǎn)量等。

4 結語

綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)技術、云計算技術以及物聯(lián)網(wǎng)技術等一系列高新技術的迅猛發(fā)展，人工智能時代已經(jīng)迅速到來，在這一時代背景下，各類人工智能技術將會在社會上各個領域得到普及和運用[13-15]。通過將此項技術應用到農(nóng)業(yè)機械領域，可大幅度提高農(nóng)業(yè)機械的智能化以及自動化水平，有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的勞動力投入以及經(jīng)濟投入，并且可大幅度提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，助推鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。