新時代農業裝備攻關創新路徑研究

摘要：農業裝備是新時代穩定糧食生產和推進鄉村振興的重要科技支撐。通過分析全球形勢、國內需求及問題難點，研究了我國農業裝備的攻關創新路徑，提出自主可控的發展目標，以及高性能智能化重大農業裝備攻關的重點領域，包括基礎共性技術、大田生產、農業動力、種苗、工廠化設施和智慧農業等技術或裝備，為相關科技管理部門優化研究布局提供參考。

關鍵詞：農業裝備；智能化；糧食安全；鄉村振興；創新路徑；新時代

中國分類號；S22 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）03-0005-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.001

0引言

農業裝備是轉變農業發展方式、促進農業增產增效、提高農村生產力的重要物質基礎，是實現農業農村現代化的重要科技力量。當前及未來一段時期，保障國家糧食安全，貫徹大食物觀，推進種業振興，打贏關鍵核心技術攻堅戰，全面推進鄉村振興，加快建設農業強國，對農業裝備提出了更高的新要求。本研究通過分析農業裝備的全球發展特點和我國在新時代的戰略需求，研判我國面臨的突出問題和難點，提出新時代農業裝備向高性能智能化攻關的創新路徑，旨在為相關科技管理部門及時把握產業發展態勢、優化研究布局和有關項目管理提供決策支撐。

1全球產業發展新趨勢和新特點

1.1產業總體規模不斷擴大，新興產業快速發展

近年來，全球農業裝備產業穩定在1 300億美元以上，持續保持6%～7%的增速發展。我國是世界農業裝備制造和使用大國，有1 800多家規模以上企業，總體規模達到2 800多億元，正加速向強國發展。隨著人工智能、互聯網、大數據等新興技術的滲透，無人農場、農業機器人、智慧農業等新模式、新產業方興未艾，目前全球已有近200款農業機器人不同程度地進入示范應用和產業化階段，投入商品化應用。預計到2025年，農業機器人市場將從2020年的74億美元增長到206億美元，復合年增長率將超過20%，但我國尚處于布局研究階段。

1.2技術產品加速進入高效綠色智能體系化新階段

全球農業裝備進入以信息技術為核心的新階段。農業生產作業及管理由群體向個體、達到單粒播種、單株／單只管理，生產要素投入調控精準精量；全生產環節作業更加高效，拖拉機最大動力達到514.5 kW（700 hp），播種作業速度達到18 km/h，谷物收獲機喂入量超過20 kg/s，機器人化收獲機效率提升70%以上；監測控制功能從單項向多目標、多參數和多工況的智能方向升級，控制精度超過95%；清潔能源農機等推進能源替代和節能減排，新型農用動力平臺可節省20%～40%的能源。農業裝備技術產品在育耕種管收儲運加全過程進行信息感知、定量決策、智能控制和精準投入的智能生產，實現精準化、高效化、智能化、綠色化和體系化的技術創新。

1.3大型企業加速轉型變革，產業主導優勢持續強化

全球來看，大型跨國企業長期主導產業發展。2021年，美國約翰迪爾、凱斯紐荷蘭、愛科，以及日本久保田、德國克拉斯占據產業價值鏈頂端，營業收入位居全球前列，占全球的70%左右。近年來，大型跨國企業加速智能化轉型升級，著手產業變革的技術準備。如約翰迪爾推出智能工業戰略，提出以新能源技術為核心的“The Next Leap”愿景；凱斯公司推出以精準技術為核心的“Breaking New Ground”戰略；克拉斯、約翰迪爾、凱斯公司等跨國企業為實現數據互聯，共建“365FarmNet”數據接口項目。從我國看，國內大型企業全鏈條產業布局進一步完善，自主研發能力明顯提升，積累了高端農業裝備的創制基礎。

2我國農業裝備發展戰略需求

2.1保障國家糧食安全，迫切需要“藏糧于機”

2022年，我國糧食種植面積11 833萬hm2，糧食總產量68 653萬t，其中谷物產量63 324萬t，糧食單位面積產量5 802 kg/hm2。但糧食單產水平僅為世界發達國家的83%，耕地的糧食生產潛力僅發揮50%。此外，我國糧食生產面臨災害減產和收獲損失的重大問題，每年因氣象災害導致的糧食減產超過500億k；糧食收獲、儲備和消費環節全鏈條損失率約10%，生產和收獲環節約占整體糧食浪費損失的27%，水稻、玉米和小麥平均收獲損失率超過4%，約占總損失的一半，部分玉米籽粒機械化收獲總損失率和總損傷率合計高達10%。為實現減損提質和綠色增產，發展先進高效和高適應性農業裝備勢在必行。

2.2樹立大食物觀，迫切需要設施裝備支撐

我國居民食物消費結構將跨入到植物性食物和動物性食品并重的新時代。據預測，2030年我國肉類、奶類、蛋類和水產品缺口將分別達到4 000萬、6 000萬、1 300萬和2400萬t，保障各類食物有效供給急需設施農業支撐。目前，我國設施蔬菜（含設施食用菌）供給量近190 kg/（人·年），基本實現周年充足供應；我國養殖奶牛610多萬頭，年產牛奶超過3 400萬t，奶類需要品種調劑；我國蛋類消費量基本進入平穩期，供需基本平衡。但我國設施種植、畜禽和水產養殖的機械化率僅40%左右，約80%的擠奶環節依靠人工，完全機器人化擠奶系統依賴進口，生產能力和綠色可持續發展受到制約，迫切需要加強設施裝備支撐，提高生產效率、品質及安全水平。

2.3實現全程全面機械化，迫切需要提升丘陵山區農機裝備水平

我國丘陵山區耕地面積、農作物播種面積均占全國的1/3，南方丘陵山區水田面積總體占比達51.71%，玉米、水稻、馬鈴薯和油菜產量占比分別為20%、40%、55%和58%，果品、蔬菜、中藥材和茶葉產量占比分別為60%、37%、63%和90%。2021年，我國水稻、小麥和玉米3大糧食作物綜合機械化率分別超過97%、90%和85%，但我國丘陵山區農作物耕種收綜合機械化率不足50%，西南丘陵山區僅為29%。丘陵山區具有作物特色多樣、生產農藝煩瑣、地形復雜多變、3/4的耕地坡度gt;250等特點，對生產作業裝備功能性能要求復雜多樣多變，結構上要求輕簡化、輕便化、輕量化，技術攻關和產業應用難度大，需要推進關鍵環節作業裝備“從無到有”和“從有到好”。

2.4推進種業振興，追切需要補齊裝備短板弱項

我國是育種、制種和用種大國，但不是強國，糧食作物制繁種面積近100萬hm2，種子產量近60億kg，農作物種業市場規模達到1 200億元，是世界第2大種子市場。當前，我國主要農作物種業裝備缺乏，機械化、智能化程度低，品種小區試驗與繁育機械化水平低于5%，制約種業提質增效發展。推進種業振興，機械化、智能化是必由之路，因種子生產的精細、精準等要求，種業裝備既有大田作業裝備的通用性，更有專用性和特殊性，包括了耕種管收貯運加全部生產環節，市場需求規模相當于農業裝備產業的1/3。發展從育種試驗、制繁種生產、種子加工等全鏈條的種業裝備，將進一步提高種子繁育生產效率和水平。

2.5實現農業裝備強國，迫切需要實現自主可控

我國已成為世界農業裝備制造和使用大國。2021年，農機產品生產達4200多種，拖拉機保有量2 173.06萬臺、配套農具4022.93萬部，全國農機總動力達到1078億kW，支撐全國農作物耕種收綜合機械化率達到72%，農業生產已進入機械化為主導的新階段，形成了整機多樣化，通用件、關鍵零部件和整機裝配等有效配套，科研、制造、檢測和推廣體系基本健全的產業體系。但總體上我國不是農業裝備強國，當前我國市場規模占全球的30%左右，國際貿易總量僅占全球的20%，未形成技術主動權，不占據科技創新前沿和產業優勢。在農業裝備高效化、智能化、綠色化、體系化發展的新階段，急需推進更多原創性引領性重大裝備突破，引領農業裝備產業整體提升。

3我國農業裝備產業面臨的突出問題和難點

3.1面臨的突出問題

3.1.1產業散、小、弱

我國農機企業規模小、集中度低，年營業收入超過50億元企業不到5家。2021年，約翰迪爾的營業收入相當于我國規模以上企業總的營業收入。另外，國內企業產品增加值率和利潤率僅為國際領先水平的50%左右，缺乏具有國際競爭力和品牌影響力的企業。

3.1.2技術產品差距突出

我國農業裝備技術產品以中小型、中低端為主，仍有超過2000種農機產品的品種空白，拖拉機、聯合收割機、植保機械和播種機械等主要農機產品平均故障間隔時間僅為國外先進水平的50%左右。在農業機器人等前沿技術方面，我國起步晚，未達商業化階段，而發達國家已開始引領技術與應用方向發展。

3.1.3產業應用不平衡和不充分

我國的丘陵山區、果蔬林茶桑草、設施農業和農產品加工等機械化率都在50%左右；與國際先進水平相比，我國農機作業效率僅為60%，水、肥和藥施用利用率僅為70%，農業數字化水平僅為23%，而收獲及產后的損失率高于國外15%以上，作物間、區域間不平衡和不充分的問題突出。

3.2主要難點

3.2.1關鍵核心技術受制于人

國內部分工況邏輯控制、高壓泵和噴嘴等共性基礎技術存在短板；標定測試技術尚處于起步階段；農機傳動技術仍以機械換擋為主，適應田間復雜工況的無級變速技術尚在攻關；農機專用的作業工況傳感、低損收獲控制等精準作業技術與國外相比控制精度差、作業效率低和可靠性不高，同時面臨農機信息安全、數據安全的風險。

3.2.2高性能零部件依賴進口

高性能農機基礎液壓系統與國際先進制造水平相比存在差距；大轉角全懸浮轉向驅動橋、輕量水田全密封驅動橋等核心部件被國外壟斷；入土作業部件、精密排種器、植保與灌溉噴頭、打捆機打結器和高性能割臺等零部件依賴進口。智能裝備、農業大數據、智慧農業發展所需的高端農業傳感器、智能控制元器件等均被國外壟斷，對外依存度高達90%。

3.2.3重大裝備自主化程度低

大型采棉機等種植業裝備、高效青貯飼草料收割機和旱作高速移栽機等高端農業裝備有80%～90%需要進口，另外，大型無級變速拖拉機、大型谷物聯合收獲機、機器人化大田生產作業裝備及果蔬采收機器人等引領性農業裝備的自主化、商業化程度低，制約我國在新一輪產業競爭中贏得主動權。

4新時代農業裝備發展目標和任務

4.1發展目標

推進農業裝備關鍵核心技術與重大產品攻關，增強重大農業裝備先進制造和應用能力，實現重大農業裝備自主可控，形成以高端重大農業裝備為引領的產業發展格局，大幅度降低關鍵核心零部件對外依存度，加快推進農機化和農機裝備轉型升級，實現高端農業裝備國產化，助力高水平科技自立自強和打贏關鍵核心技術攻堅戰。

4.2攻關重點

聚焦實現產業基礎高級化、產業鏈現代化和構建現代產業體系，圍繞打贏關鍵核心技術攻堅戰、節糧減損、種業翻身仗、黑土地保護和利用及農業綠色發展等重大需求，形成自主可控的高性能智能化農業裝備技術、產品、制造、標準、服務和數據體系，推動發展新一代農業裝備產業。

4.2.1農業裝備基礎共性智能技術

圍繞智能農業裝備的制造、運行和服務等問題，聚焦農業裝備適應性材料及其制備、傳感與測控、驅動與傳動、檢測與標準及物聯與大數據等方向，突破人土與切割部件高強耐磨材料與表面處理、仿生柔性采摘功能材料及制備等技術，突破土壤及環境智能感知與構建、動植物與農業微生物智能感知與生長調控等技術，突破高效傳動、高適應行走和作業驅動、多源動力控制等技術，突破自主導航、作業監控、精準作業、大數據與智慧管理服務、智能網聯及協同作業等智能生產技術及標準，實現傳感器、控制器和驅動器等自主化，圍繞產業鏈構建技術、標準和數據等體系，實現農業裝備產業發展方式由制造業向生產性服務業轉變，支撐農業由精細生產向智能生產轉變。

4.2.2大田生產智能機器人化作業裝備

圍繞大幅提高規模化、集約化和丘陵山區糧食作物和經濟作物生產效率和水平，強化人工智能、機器人、智能制造等技術與農業裝備融合，重點突破多地貌姿態自適應、行走與轉向驅動及控制、寬幅高效與多功能作業等技術，突破農業場景理解與感知、地圖實時構建、路徑動態規劃、多機協同操控和多任務協同作業等自主作業技術，突破總線操控、作業工況和作業質量智能檢測、作業參數智能調控等技術，突破精細整地、高速栽植、精量播種、定位除草、節水灌溉、精準施肥施藥和減損收獲等技術，研制大田耕種管收生產智能機器人化作業裝備，不斷提升裝備適應性、可靠性和智能化水平，推進由機械化、智能化向機器人化發展。

4.2.3高效及新能源智能農業動力裝備

圍繞高效、節能和綠色等發展需求，聚焦大型化、多功能和新能源等發展方向，重點突破大功率柴油機節能及能量智能管理、橡膠履帶行走系統、全動力換擋、無級變速傳動和全工況電液懸掛提升等技術，突破柴電混合、純電動、氫能動力、甲烷動力和太陽能等新型綠色能源動力系統適配和應用技術，突破智能總線控制與通訊標準化、高精度自動作業導航、田間作業路徑自動規劃、動力與機具協同調控和集群作業等智能操控技術，開發柴電混合動力系統、能量及熱管理系統、智能傳動系統、低速發電機及大扭矩電動機等高性能零部件和系統，研制大型履帶、柴電混動、大型電動等高效綠色拖拉機、機器人化動力平臺，以及丘陵山地、水田和設施園藝等多功能動力平臺。

4.2.4種苗智能化生產作業裝備

種子繁育、種苗生產是農業生產的關鍵環節，是推進種業做大做強的重要支撐。面向水稻、小麥、玉米等糧食作物種子生產，重點突破農作物表型鑒定、育種小區播種、父母本精量播種、授粉與去雄、高凈度測產收獲、品質檢測、精細分選和智能干燥等技術攻關，研制高通量表型平臺、精準育種播種裝備、玉米去雄與水稻高效授粉裝備、高凈度測產收獲裝備、種子精細分選和品質檢測裝備。面向水稻工廠化育秧、蔬菜園藝種苗生產，重點突破種子高質處理、自動化精量精密播種、育苗基質綠色消毒滅菌、育苗環境光溫水氣熱調控、水肥施用精準配比與調控、種苗生長監測、智能化補苗和智慧管理等關鍵技術，創制種苗精量播種成套設備、種苗生產智慧管控系統等工廠化商品種苗智能生產裝備。著力形成全鏈條種業裝備技術及產品體系，滿足高效高質制繁種生產需求，提高種業生產能力、水平和質量。

4.2.5工廠化設施種養智能裝備

圍繞設施農業高效高質、綠色低碳等發展需求，聚焦工廠化、智能化和可控化等發展方向，重點突破水肥自動比例混合、基于作物長勢和需水量的水肥施用決策與控制、水肥一體化精準施用、作業遠程監測與控制等關鍵核心技術，突破畜禽水產個體及群體生命與健康信息采集、生產精細監測及智能巡檢、精量飼喂及投料、畜禽產品智能采集等關鍵核心技術，突破光溫水氣環境智能調控、生產精細管控等系統技術，開發節能綠色工廠化、立體化種養設施，研制園藝精細生產智能裝備、植物工廠立體栽培及采收設備、分級分群精細飼養設備、養殖防疫消毒智能設備、單元式/轉盤式擠奶機器人，推進設施種養機械化向智能化、無人化方向發展。

4.2.6農業智慧生產技術及系統裝備

面向未來農業發展，聚焦大田種植、畜禽養殖、設施園藝和水產養殖等智慧、無人生產，以智能計算、人工智能和新一代信息等為技術支撐，突破農業生命對象、復雜環境和工況下多源多類多元數據智能計算、并行計算、數字孿生、邊緣計算、仿真模擬和農情預測理解等大數據技術，突破認知感知、智能裝備、算法模型、機器學習和自動對話等人機物高度融合技術，突破信息感知、協同互聯、智能作業、全鏈管控和自主決策等一體化管控技術，構建共享開放的農業智慧大腦，構建智能感知、自主決策、精準作業和智慧管理為基礎的未來生產技術及裝備體系。

5措施建議

5.1打造農業裝備國家戰略科技力量

推進農業裝備領域全國重點實驗室、國家技術創新中心、國家工程研究中心及國家工程技術研究中心等國家級創新基地平臺建設和運行發展，打造開放共享的高水平協同創新平臺，推動基礎性、緊迫性、戰略性、關鍵性和原創性重大科技創新。聚焦大型企業，持續提升企業技術創新和產業鏈集成能力，打造原創技術策源地和現代產業鏈鏈長，培育具有國際競爭力的科技型領軍企業和專精特新企業。強化研發方向戰略布局，提升科研院所和高校基礎共性技術創新能力，推進組織化、體系化的研發創新，打造高水平科研院所和高校，培養科技創新人才，推動創新技術向現實生產力轉化。

5.2建立新型農業裝備協同攻關體系

深化產業上中下游融通、政產學研用緊密結合，聚焦“4個面向”，瞄準事關農業裝備產業發展和安全的重點領域，謀劃全局性、戰略性和前瞻性的攻關方向，推進創新力量布局體系化，系統布局推進重大攻關任務。發揮農業裝備產業技術創新戰略聯盟等新型技術創新組織作用，強化重大攻關項目和政策引導，推動相關領域優勢的產學研單位、產業鏈上中下游單位組建攻關聯合體，構建核心層、緊密層和生態層“3層聯動”體系化的攻關模式，高效配置項目、資金、人才和基地等資源，強化與農業、信息、人工智能、材料與制造等跨領域跨學科協同攻關，形成關鍵核心技術攻關強大合力。

5.3推進科技與產業融通發展

強化科技、產業與金融的良性循環，推進重大科技成果產業化轉化，促進信息、生物、新材料和先進制造等技術與農業裝備融合，構建自主可控的技術標準和數據體系，加速新產業、新業態和新模式發展，智能技術變革推進產業數字化、數字產業化，實現農業裝備智能化、產業高端化發展，構筑產業新動能、新優勢，培育形成引領性的農業裝備產業和產業集群。深化產業鏈與創新鏈融合，強化農業裝備科技創新、產業布局與國家農業科技園區、國家農業高新技術產業示范區、國家現代農業示范區及農業主產區等銜接聯動，推進農業裝備研發、應用、推廣和產業化一體化。推進農業裝備科技創新國際合作交流，強化與國際組織、區域組織等合作交流，推動發起智慧農業、綠色農機等重要國際創新議題，結合優勢特色強化“一帶一路”沿線國家、周邊國家、發達國家等雙邊、多邊科技產業合作，推動“走出去、引進來”，也為發展中國家推進農業機械化智能化樹立典范，提供全新借鑒。

6結束語

目前全球農業裝備產業呈現出總體規模不斷擴大、新興產業快速發展，技術產品加速進入高效綠色智能體系化新階段，大型企業加速轉型變革、產業主導優勢持續強化的新特點，而我國農業裝備產業還面臨散、小、弱，技術產品差距突出，產業應用不平衡、不充分等問題，關鍵核心技術受制于人、高性能零部件依賴進口、重大裝備自主化程度低等難點急需突破。農業裝備作為新時代穩定糧食生產和推進鄉村振興的重要科技支撐，當前及未來一段時期的發展，需要打造農業裝備國家戰略科技力量、建立新型農業裝備協同攻關體系、推進科技與產業融通發展，以實現高水平科技自立自強和打贏關鍵核心技術攻堅戰。