农业机械与信息技术融合发展现状与方向.pdf

2020 年12 月 第2 卷 第4 期 Dec 2020 Vol 2 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 现 状 与 方 向 陈 学 庚 1 2 温 浩 军 1 2 张 伟 荣 1 潘 佛 雏 1 赵 岩 1 2 1 石 河 子 大 学 机 械 电 气 工 程 学 院 新 疆 石 河 子 8 3 2 0 0 0 2 农 业 农 村 部 西 北 农 业 装 备 重 点 实 验 室 新 疆 石 河 子 8 3 2 0 0 0 摘 要 为 理 清 国 内 外 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 现 状 找 到 重 点 发 展 方 向 借 此 大 力 推 进 中 国 农 业 机 械 智 能 化 发 展 本 文 首 先 分 析 了 国 外 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 的 现 状 总 结 了 其 发 展 的 五 大 特 点 之 后 指 出 中 国 农 业 机 械 化 发 展 虽 然 成 效 显 著 但 仍 存 在 农 机 信 息 化 融 合 的 区 域 及 结 构 发 展 不 平 衡 企 业 和 农 民 对 农 业 机 械 信 息 化 的 认 可 度 还 不 高 基 础 研 究 与 关 键 技 术 研 究 薄 弱 农 机 作 业 信 息 系 统 管 理 水 平 不 高 且 缺 乏 统 一 标 准 等 问 题 最 后 提 出 了 中 国 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 的 方 向 包 括 促 进 智 能 感 知 技 术 发 展 与 导 航 技 术 研 究 推 进 农 业 机 械 装 备 智 能 化 构 建 农 机 智 慧 作 业 系 统 推 进 农 机 自 主 作 业 技 术 研 究 与 无 人 农 场 建 设 加 强 农 机 信 息 化 技 术 标 准 制 定 与 复 合 型 人 才 培 养 等 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 是 中 国 现 代 农 业 机 械 发 展 的 必 然 趋 势 利 用 信 息 技 术 促 进 农 业 机 械 的 发 展 能 够 最 大 化 发 挥 信 息 技 术 的 引 导 效 应 提 高 农 业 生 产 效 率 对 于 推 进 中 国 农 业 机 械 高 质 高 效 发 展 具 有 重 要 意 义 关 键 词 农 业 机 械 信 息 技 术 融 合 发 展 智 慧 作 业 系 统 无 人 农 场 智 能 感 知 导 航 中 图 分 类 号 S 1 S 2 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 2 0 0 2 S A 0 0 3 引 文 格 式 陈 学 庚 温 浩 军 张 伟 荣 潘 佛 雏 赵 岩 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 现 状 与 方 向 J 智 慧 农 业 中 英 文 2020 2 4 1 16 CHEN Xuegeng WEN Haojun ZHANG Weirong PAN Fochu ZHAO Yan Advences and progress of agricultural machineryandsensingtechnologyfusion J SmartAgriculture 2020 2 4 1 16 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 农 业 机 械 化 和 农 业 装 备 是 转 变 农 业 发 展 方 式 推 动 农 业 可 持 续 性 发 展 的 重 要 基 础 是 推 进 农 业 现 代 化 建 设 的 重 点 领 域 和 核 心 支 撑 2013 年 习 近 平 总 书 记 在 视 察 山 东 省 农 业 科 学 院 时 强 调 要 重 视 和 依 靠 农 业 科 技 进 步 大 力 推 进 农 业 机 械 化 智 能 化 给 农 业 现 代 化 插 上 科 技 的 翅 膀 1 2018 年 国 务 院 关 于 加 快 推 进 农 业 机 械 化 和 农 机 装 备 产 业 转 型 升 级 的 指 导 意 见 做 出 了 农 业 生 产 已 从 主 要 依 靠 人 力 畜 力 转 向 主 要 依 靠 机 械 动 力 并 进 入 了 机 械 化 为 主 导 新 阶 段 的 重 要 判 断 指 出 了 当 前 农 业 机 械 化 和 农 机 装 备 产 业 发 展 不 平 衡 不 充 分 的 突 出 问 题 明 确 了 推 动 农 机 装 备 产 业 向 高 质 量 发 展 转 型 和 推 动 农 业 机 械 化 向 全 程 全 面 高 质 高 效 升 级 的 总 体 要 求 2 乡 村 振 兴 战 略 规 划 2018 2022 年 也 指 出 要 着 力 加 强 重 点 关 键 技 术 攻 关 推 动 数 字 化 智 能 化 等 先 进 技 术 与 农 业 机 械 化 的 深 度 融 合 显 著 提 高 农 业 机 械 有 效 供 给 能 力 引 领 现 代 农 业 高 质 doi 10 12133 j smartag 2020 2 4 202002 SA003 收 稿 日 期 2020 02 11 修 订 日 期 2020 06 30 基 金 项 目 国 家 棉 花 产 业 技 术 体 系 项 目 CARS15 25 作 者 简 介 陈 学 庚 1947 男 研 究 员 中 国 工 程 院 院 士 研 究 方 向 为 农 业 生 产 机 械 化 和 残 膜 污 染 治 理 E mail chenxg130 通 讯 作 者 温 浩 军 1971 男 研 究 员 研 究 方 向 为 农 业 生 产 机 械 化 及 其 自 动 化 电 话 13709932276 E mail 547273950 Vol 2 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 高 效 发 展 3 落 实 上 述 文 件 精 神 认 真 了 解 国 外 农 业 机 械 研 究 与 应 用 现 状 进 而 找 准 中 国 农 业 机 械 化 发 展 的 攻 关 目 标 对 于 推 进 中 国 农 业 高 质 高 效 发 展 具 有 重 要 意 义 4 5 当 前 中 国 处 于 农 业 现 代 化 建 设 的 重 要 时 期 对 智 能 农 机 装 备 的 需 求 也 在 持 续 增 长 然 而 国 内 现 有 农 业 机 械 装 备 智 能 化 水 平 低 与 现 在 的 自 动 化 与 高 效 率 作 业 需 求 不 符 不 利 于 中 国 农 业 现 代 化 的 快 速 发 展 未 来 一 段 时 期 我 国 农 业 装 备 发 展 面 临 新 机 遇 新 需 求 新 挑 战 农 业 装 备 制 造 还 有 广 阔 的 发 展 空 间 因 此 加 强 农 机 装 备 的 智 能 化 创 新 用 信 息 技 术 提 升 中 国 农 业 机 械 化 水 平 成 为 当 前 农 业 机 械 化 发 展 紧 迫 又 至 关 重 要 的 任 务 信 息 技 术 的 主 体 技 术 包 括 计 算 机 技 术 传 感 技 术 现 代 通 信 技 术 以 及 智 能 控 制 技 术 等 信 息 技 术 的 发 展 正 推 动 着 全 球 经 济 整 体 跃 升 和 生 产 力 的 跨 越 式 发 展 助 推 产 业 链 供 应 链 和 价 值 链 重 塑 使 之 焕 发 新 的 生 机 与 活 力 6 农 业 信 息 技 术 指 的 是 以 农 业 科 学 的 基 本 理 论 为 基 础 以 农 业 生 产 活 动 信 息 为 对 象 以 物 联 网 大 数 据 人 工 智 能 等 为 代 表 的 信 息 技 术 应 用 在 农 业 生 产 中 最 终 实 现 农 业 领 域 向 智 能 化 精 确 化 和 数 字 化 方 向 发 展 的 方 法 7 当 前 中 国 以 物 联 网 和 大 数 据 为 主 的 农 业 信 息 技 术 应 用 发 展 迅 速 由 于 中 国 农 业 机 械 化 起 步 较 晚 与 信 息 化 融 合 度 还 较 低 与 国 外 发 达 国 家 相 比 还 存 在 差 距 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 是 现 代 农 业 发 展 的 必 要 手 段 能 够 提 高 农 业 资 源 利 用 效 率 保 障 现 代 农 业 的 健 康 可 持 续 发 展 加 速 推 进 农 业 现 代 化 的 进 程 2 国 外 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 主 要 特 点 上 世 纪 九 十 年 代 美 国 德 国 日 本 等 经 济 发 达 国 家 的 种 植 业 和 养 殖 业 已 进 入 高 度 机 械 化 阶 段 农 业 机 械 已 向 自 动 化 信 息 化 和 智 能 化 方 向 发 展 8 在 农 机 现 代 化 和 信 息 化 方 面 拥 有 较 好 的 基 础 和 技 术 积 淀 国 外 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 的 主 要 特 点 概 括 为 以 下 五 个 方 面 2 1 向 数 字 化 自 动 化 信 息 化 方 向 发 展 近 年 来 数 字 信 息 化 技 术 在 全 球 农 业 领 域 应 用 步 伐 加 快 农 业 机 械 化 生 产 与 信 息 技 术 深 度 融 合 先 进 的 农 业 信 息 智 能 感 知 技 术 和 智 能 农 机 发 展 迅 速 美 国 数 字 农 业 发 展 建 立 在 农 业 生 产 高 度 专 业 化 规 模 化 企 业 化 的 基 础 上 信 息 化 技 术 渗 透 到 了 美 国 农 业 生 产 加 工 运 输 销 售 的 各 个 环 节 直 接 促 成 了 美 国 精 确 农 业 的 兴 起 极 大 程 度 上 提 高 了 美 国 农 产 品 的 国 际 竞 争 力 自20 世 纪90 年 代 起 美 国 已 开 始 应 用 卫 星 遥 感 等 数 字 农 业 技 术 对 大 田 作 物 进 行 生 产 全 周 期 的 监 测 与 管 理 在21 世 纪 初 已 在 大 型 农 场 中 实 现 了 3S 技 术 即 遥 感 Remote Sensing RS 地 理 信 息 系 统 Geographic Information System GIS 和 全 球 定 位 系 统 Global Positioning System GPS 以 及 网 络 信 息 服 务 智 能 机 械 系 统 的 综 合 应 用 9 美 国 科 研 部 门 和 大 型 农 机 企 业 已 经 将 网 络 通 讯 电 子 计 算 机 及 卫 星 遥 感 等 现 代 信 息 技 术 应 用 到 大 型 农 机 具 上 实 现 拖 拉 机 等 农 机 的 自 动 避 障 自 主 作 业 路 径 规 划 等 自 动 化 智 能 化 农 业 机 械 作 业 生 产 机 械 化 辅 以 管 理 信 息 化 越 来 越 多 的 劳 动 力 被 替 代 下 来 农 业 生 产 效 率 进 一 步 提 高 德 国 大 型 农 场 均 配 有 多 样 性 的 农 业 机 械 设 备 来 满 足 生 产 需 要 农 场 经 营 者 素 质 普 遍 偏 高 管 理 非 常 现 代 化 从 德 国 现 代 农 业 发 展 的 应 用 来 看 主 要 集 中 在 计 算 机 知 识 模 型 杂 草 自 动 识 别 以 及 病 虫 害 的 诊 断 监 控 等 多 项 技 术 德 国 政 府 对 于 农 业 机 械 化 极 其 重 视 农 机 企 业 也 十 分 重 视 农 业 机 械 的 现 代 化 生 产 比 如 科 乐 收 公 司 CLAASGroup 拥 有 多 条 高 度 智 能 化 的 生 产 线 这 些 生 产 线 上 每 一 道 工 序 都 可 通 过 射 频 识 别 Radio Frequency Identification RFID 技 术 进 行 全 程 追 溯 随 着 越 来 越 多 高 科 技 技 术 在 农 机 上 的 应 用 企 业 设 置 专 门 的 技 术 培 训 中 心 对 驾 驶 操 2陈 学 庚 等 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 现 状 与 方 向 Vol 2 No 4 作 人 员 的 操 作 技 能 进 行 培 训 提 高 了 农 机 设 备 效 能 的 发 挥 10 日 本 为 应 对 农 业 资 源 环 境 与 劳 动 力 短 缺 的 困 境 并 提 高 农 业 竞 争 力 重 点 推 进 现 代 信 息 与 通 讯 技 术 在 家 庭 农 场 作 业 中 的 应 用 实 现 农 业 生 产 的 自 动 化 与 智 能 化 逐 步 形 成 了 较 为 成 熟 的 适 度 规 模 经 营 型 精 细 化 农 业 生 产 模 式 11 比 如 井 关 农 机 公 司 ISEKI CO LTD 与 政 府 联 合 研 发 了 新 型 智 能 插 秧 机 这 种 插 秧 机 可 以 通 过 传 感 器 确 定 行 驶 路 线 即 便 是 遇 到 淤 泥 也 能 自 动 调 整 方 向 此 外 为 了 防 止 过 量 施 肥 影 响 作 物 品 质 这 种 插 秧 机 可 以 通 过 土 壤 电 导 率 测 量 传 感 器 检 测 土 壤 的 深 度 及 有 机 质 含 量 从 而 实 现 插 秧 与 变 量 施 肥 同 步 为 解 决 农 户 精 准 农 业 技 术 应 用 成 本 高 农 户 经 营 分 散 等 问 题 日 本 农 业 协 会 为 农 民 生 产 农 产 品 进 行 产 前 产 中 产 后 的 全 程 服 务 并 促 进 精 准 农 业 技 术 的 普 及 与 利 用 2 2 信 息 技 术 广 泛 应 用 于 农 业 机 械 设 计 与 生 产 制 造 环 节 2 2 1 数 字 化 设 计 智 能 制 造 的 关 键 是 数 字 化 设 计 与 制 造 数 字 化 设 计 技 术 是 指 通 过 产 品 描 述 为 基 础 的 数 字 化 设 计 平 台 在 产 品 的 开 发 和 应 用 过 程 中 建 立 以 信 息 技 术 为 基 础 的 数 字 化 计 算 机 产 品 模 型 12 不 断 对 开 发 方 式 持 续 优 化 达 到 使 设 计 成 型 的 机 械 设 备 更 具 实 用 性 创 新 性 并 有 效 降 低 模 型 应 用 的 一 种 新 型 产 品 开 发 技 术 在 现 代 数 字 化 设 计 中 产 品 模 块 化 设 计 虚 拟 仿 真 与 虚 拟 试 验 验 证 知 识 工 程 技 术 Knowl edge Based Engineer KBE 基 于 PDM PLM ProductData Management ProductLifecycle Man agement 的 协 同 设 计 等 相 关 技 术 在 国 外 已 经 开 始 应 用 为 提 升 新 颖 性 与 创 新 性 提 高 农 机 产 品 研 发 效 率 国 外 如 爱 科 AGCO 约 翰 迪 尔 John Deere 久 保 田 Kubota 等 农 机 巨 头 公 司 在 新 产 品 开 发 的 不 同 阶 段 普 遍 采 用 创 新 设 计 理 论 和 方 法 数 字 化 设 计 技 术 也 得 到 广 泛 应 用 这 些 农 机 企 业 的 产 品 开 发 模 式 也 从 集 中 式 转 向 分 布 式 特 别 是 产 品 全 生 命 周 期PDM 管 理 系 统 和 基 于 网 络 的 产 品 描 述 模 型 的 应 用 逐 渐 建 立 了 以 PDM PLM 为 支 撑 结 合 高 端 工 程 技 术 的 优 质 产 品 研 发 体 系 和 知 识 积 累 平 台 13 采 用 现 代 数 字 化 设 计 技 术 不 仅 提 高 了 产 品 技 术 水 平 而 且 缩 短 了 产 品 开 发 周 期 降 低 了 开 发 成 本 2 2 2 先 进 制 造 技 术 农 业 装 备 使 用 可 靠 性 和 耐 用 度 不 足 是 中 国 农 业 机 械 的 薄 弱 环 节 也 是 中 国 农 业 装 备 在 国 际 上 话 语 权 不 强 的 主 要 因 素 先 进 制 造 技 术 在 各 个 国 家 高 端 农 机 生 产 中 的 作 用 十 分 重 要 是 促 进 农 机 创 新 能 力 和 制 造 水 平 加 快 当 今 世 界 现 代 农 业 建 设 步 伐 的 关 键 国 外 农 机 企 业 特 别 关 注 产 品 的 使 用 可 靠 性 和 耐 用 度 14 重 点 研 发 了 农 机 部 件 的 金 属 材 料 加 工 工 艺 以 及 关 键 部 件 的 精 密 制 造 技 术 用 汽 车 生 产 加 工 的 技 术 去 制 造 农 机 具 的 部 件 和 装 备 在 发 达 国 家 农 机 企 业 车 间 内 高 柔 性 的 自 动 无 人 生 产 线 先 进 的 制 造 产 业 线 已 成 为 主 要 生 产 手 段 自 动 焊 接 及 精 密 装 配 机 器 人 精 密 锻 造 等 先 进 技 术 应 用 广 泛 先 进 的 制 造 技 术 如 敏 捷 制 造 并 行 技 术 虚 拟 制 造 技 术 和 智 能 制 造 技 术 的 应 用 可 以 充 分 保 证 制 作 过 程 的 一 致 性 实 现 生 产 环 节 全 程 可 追 溯 智 能 化 生 产 线 制 造 模 式 柔 性 化 制 造 技 术 的 敏 捷 化 帮 助 提 高 生 产 制 造 质 量 效 率 和 安 全 性 高 度 智 能 化 的 制 造 加 工 系 统 使 得 员 工 仅 仅 通 过操纵软件程序等即可轻松地完成生产加工任务 2 3 畜 牧 机 械 信 息 化 发 展 迅 速 2 3 1 饲 草 生 产 机 械 发 达 国 家 十 分 注 重 畜 牧 业 的 发 展 饲 草 业 的 经 济 产 值 和 种 植 面 积 已 领 先 粮 食 作 物 成 为 农 业 领 域 中 的 最 大 产 业 15 发 达 国 家 的 畜 牧 业 产 值 占 农 业 产 值 比 重 一 般 在60 以 上 饲 草 生 产 机 械 化 已 经 成 为 畜 牧 业 产 业 化 的 重 要 发 展 方 向 16 发 达 国 家 饲 草 生 产 的 主 要 环 节 实 现 了 全 面 机 械 化 信 息 技 术 大 量 应 用 于 饲 草 机 械 使 得 饲 草 机 械 的 智 能 化 程 度 不 断 提 高 处 于 领 先 地 位 的 主 要 3Vol 2 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 是 美 国 德 国 法 国 意 大 利 日 本 等 发 达 国 家 17 18 图1 a 所 示 的 是 德 国KroneBiG X 1180 自 走 式 青 贮 饲 料 收 获 机 配 备 了 大 功 率 发 动 机 宽 幅 割 台 集 自 动 导 航 石 头 和 金 属 探 测 切 段 长 度 自 调 和 籽 粒 破 碎 等 功 能 于 一 体 代 表 了 青 贮 饲 料 收 获 机 的 先 进 技 术 水 平 和 未 来 发 展 趋 势 19 BiGX1180 配 置 独 立 式 静 液 压 四 轮 驱 动 独 立 的 车 轮 悬 架 带 来 了 极 大 的 灵 活 性 位 于 割 台 中 央 的 传 感 器 臂 可 探 测 两 行 作 物 之 间 的 距 离 引 导 机 器 自 动 对 行 后 沿 垄 前 进 在 割 台 收 割 器 两 侧 配 置 有 距 离 传 感 器 通 过 实 时 调 整 割 台 位 置 和 运 动 方 向 确 保 割 茬 高 度 一 致 在 割 台 中 央 的 光 学 传 感 器 能 测 量 作 物 水 分 根 据 作 物 的 不 同 含 水 量 来 自 动 调 整 切 碎 长 度 实 现 相 同 压 实 状 态 下 的 同 等 青 贮 质 量 6 个 喂 入 辊 装 置 配 备 有 石 头 和 金 属 探 测 器 遇 石 头 或 金 属 物 时 割 台 及 喂 入 装 置 可 实 现 自 动 停 机 驾 驶 员 还 可 以 调 整 检 测 的 灵 敏 度 装 备 产 量 计 量 系 统 可 以 获 得 每 块 地 的 计 量 和 总 的 收 获 量 并 打 印 成 文 件 Easyload 是Krone 的 自 动 填 充 系 统 具 有 基 于 相 机 的3D 图 像 分 析 技 术 如 图1 b 所 示 可 方 便 地 对 与 收 割 机 一 起 行 走 的 拖 车 进 行 饲 料 填 充 该 系 统 允 许 操 作 员 选 择 各 种 填 充 策 略 在 未 来 该 系 统 能 实 现 控 制 收 割 机 后 向 拖 车 的 自 动 填 充 20 饲 草 机 械 上 信 息 化 技 术 的 应 用 减 轻 了 传 统 作 业 方 式 的 劳 动 强 度 提 高 了 劳 动 生 产 率 是 实 现 饲 草 产 业 现 代 化 的 基 础 和 保 障 2 3 2 饲 料 加 工 机 械 化 法 国KUHN 公 司 是 世 界 著 名 的 牧 草 收 获 和 饲 喂 搅 拌 农 机 生 产 商 现 成 为 田 间 农 业 耕 作 机 械 精 密 播 种 机 牧 草 机 械 饲 料 搅 拌 机 与 植 保 机 械 的 大 型 综 合 性 农 机 具 制 造 商 23 KUHN 的 SPV 系 列 自 走 式 饲 料 搅 拌 机 具 有 取 料 头 下 降 速 度 的 电 子 控 制 及 液 压 搅 龙 优 化 管 理 系 统 取 料 头 在 青 贮 料 堆 藏 表 面 的 下 降 速 度 可 以 根 据 所 装 载 作 物 的 密 度 进 行 自 动 调 整 可 以 保 持 纤 细 作 物 的 颗 粒 大 小 均 匀 从 机 械 方 面 来 看 减 小 了 机 器 结 构 上 的 应 力 同 时 保 护 液 压 回 路 以 防 达 到 压 力 峰 值 搅 龙 独 立 于 其 他 机 器 组 件 能 够 在 达 到 所 需 的 料 位 时 开 始 搅 拌 因 此 能 够 保 持 青 贮 等 纤 细 作 物 的 纤 维 度 指 标 同 时 可 以 存 储 并 控 制 不 同 日 粮 的 搅 拌 时 间 从 而 降 低 了 过 度 搅 拌 的 风 险 搅 龙 转 速 和 发 动 机 转 速 实 际 上 由 所 选 的 模 式 决 定 自 动 搅 龙 转 速 管 理 能 够 对 油 耗 进 行 全 面 控 制 在 驾 驶 辅 助 方 面 可 以 对 功 能 顺 序 进 行 编 程 在 饲 喂 模 式 下 为 驾 驶 员 提 供 辅 助 2 3 3 犊 牛 饲 喂 机 德 国Urban 公 司 生 产 的Calfmom U40 自 动 犊 牛 饲 喂 机 可 以 自 动 为 牛 犊 配 制 加 热 饲 喂 的 牛 奶 还 配 置 了 自 动 添 加 药 物 系 统 24 饲 喂 机 上 装 有 质 量 传 感 器 可 以 对 剩 余 奶 量 进 行 精 确 称 量 可 以 对 牛 犊 饮 用 的 进 程 进 行 监 测 饲 喂 机 上 先 进 的 饲 喂 管 理 系 统 可 以 让 饲 养 员 直 观 地 用 电 脑 控 制 犊 牛 饲 喂 犊 牛 饲 喂 机 配 备 犊 牛 自 动 饲 养 软 件 管 理 系 统 记 录 每 头 犊 牛 的 个 体 饲 喂 信 息 并 进 行 数 据 分 析 还 配 置 了 电 脑 式 操 作 显 示 终 端 可 方 便 进 行 犊 牛 注 册 检 查 机 器 设 置 等 操 作 饲 喂 管 理 系 统 具 备 随 意 个 体 保 留 三 种 饲 喂 模 式 可 设 置8 种 进 料 曲 线 饲 喂 方 案 便 于 针 对 不 同 犊 牛 情 况 设 置 不 同 饲 喂 方 案 更 加 贴 合 犊 牛 的 生 长 发 育 2 4 注 重 资 源 节 约 和 环 境 保 护 信 息 化 促 进 农 业 可 持 续 发 展 农 业 机 械 化 与 信 息 化 的 融 合 发 展 有 利 于 促 进 农 业 生 产 成 本 节 约 和 生 态 环 境 保 护 现 代 农 业 生 态 环 境 问 题 主 要 指 人 们 对 自 然 环 境 的 干 预 和 农 业 a 饲 料 收 获 机 b 与 拖 车 协 作 的 饲 料 填 充 图1 KroneBiGX1180 自 走 式 青 贮 饲 料 收 获 机 21 22 Fig 1 KroneBiGX1180self propelledsilageharvester 4陈 学 庚 等 农 业 机 械 与 信 息 技 术 融 合 发 展 现 状 与 方 向 Vol 2 No 4 现 代 科 技 成 果 的 应 用 带 来 的 资 源 浪 费 和 环 境 破 坏 传 统 农 业 机 械 的 作 业 方 式 智 能 化 水 平 低 如 施 药 或 施 肥 机 械 多 采 用 不 间 断 恒 量 喷 药 或 施 肥 作 业 模 式 造 成 农 药 飘 移 和 土 壤 板 结 的 生 态 污 染 问 题 严 重 影 响 到 农 业 的 可 持 续 发 展 上 世 纪 八 十 年 代 以 来 各 个 国 家 对 资 源 高 效 利 用 的 现 代 智 能 农 业 装 备 愈 发 重 视 25 26 多 类 型 高 精 度 的 传 感 器 广 泛 应 用 于 土 壤 养 分 探 测 变 量 施 药 的 植 保 机 械 等 已 经 成 为 现 代 农 业 机 械 发 展 的 主 要 趋 势 2 4 1 土 壤 养 分 探 测 精 准 施 肥 的 一 个 基 本 要 求 是 首 先 要 取 得 详 尽 的 土 壤 及 作 物 养 分 信 息 精 准 土 壤 采 样 技 术 是 获 取 土 壤 养 分 信 息 的 重 要 手 段 主 要 将 农 田 土 壤 进 行 网 格 划 分 以 一 个 地 段 内 各 单 元 网 格 采 取 土 壤 养 分 测 定 值 为 依 据 结 合 土 壤 供 肥 特 性 农 作 物 需 肥 规 律 和 肥 料 田 间 效 应 绘 制 农 田 精 准 施 肥 处 方 图 现 在 的 精 准 土 壤 采 样 方 法 主 要 有 土 样 化 验 和 土 壤 信 息 传 感 器 采 集 系 统 两 种 基 于 土 样 化 验 的 施 肥 技 术 主 要 对 土 壤 中 的 有 机 质 pH 值 等 进 行 检 测 技 术 人 员 配 制 出 不 同 土 壤 类 型 的 最 佳 施 肥 模 式 提 升 耕 地 综 合 生 产 能 力 保 障 农 业 的 可 持 续 发 展 目 前 美 国 测 土 配 方 已 覆 盖 了80 以 上 耕 地 面 积 实 现 了 全 国 范 围 内 养 分 综 合 管 理 27 其 他 发 达 国 家 如 以 色 列 英 国 及 荷 兰 等 国 也 很 重 视 土 壤 化 验 施 肥 技 术 28 由 于 土 样 化 验 在 大 面 积 土 地 调 查 中 的 效 率 太 低 于 是 国 外 研 发 了 车 载 土 壤 电 导 率 测 量 系 统 与 此 同 时 国 外 也 在 研 发 各 种 土 壤 养 分 在 线 实 时 测 量 传 感 器 美 国VerisTechnologies 公 司 的iScan 多 参 数 土 壤 理 化 性 质 测 绘 系 统 可 以 通 过 实 地 原 位 测 量 土 壤 的 电 导 温 度 和 湿 度 值 此 系 统 适 用 于 精 准 农 业 土 壤 调 查 及 土 地 利 用 规 划 等 领 域 29 利 用 GPS 定 位 和 数 据 处 理 测 绘 软 件 绘 制 出 土 壤 理 化 性 质 分 布 图 全 面 反 映 土 壤 盐 碱 度 土 壤 肥 力 根 系 深 度 土 壤 表 层 温 度 等 重 要 信 息 通 过 测 定 土 壤 具 体 参 数 了 解 土 壤 肥 力 信 息 及 是 否 有 金 属 污 染 为 土 地 生 产 能 力 及 产 量 预 测 提 供 重 要 依 据 与GPS 信 息 相 结 合 可 绘 制 田 地 土 壤 成 分 空 间 分 布 图 方 便 制 定 精 准 施 肥 处 方 图 从 而 实 现 田 间 的 变 量 施 肥 对 提 高 经 济 效 益 以 及 减 少 环 境 污 染 等 具 有 重 要 意 义 2 4 2 变 量 施 药 变 量 施 药 技 术 是 采 用 全 球 导 航 卫 星 系 统 Global Navigation Satellite System GNSS GIS 或 实 时 传 感 器 技 术 获 取 农 田 分 块 区 域 内 病 虫 草 害 的 差 异 性 并 制 定 不 同 区 域 的 目 标 施 药 量 通 过 调 节 压 力 或 流 量 大 小 等 不 同 控 制 方 式 实 现 按 目 标 施 药 量 进 行 喷 药 作 业 30 与 传 统 的 大 面 积 均 匀 喷 施 技 术 相 比 变 量 喷 施 技 术 能 够 提 高 农 药 利 用 率 降 低 作 业 成 本 并 减 少 环 境 污 染 变 量 喷 雾 机 在 国 外 精 准 农 业 技 术 中 应 用 逐 渐 成 熟 是 现 代 植 保 机 械 的 重 要 发 展 方 向 美 国 欧 盟 和 日 本 等 国 在 施 药 技 术 上 结 合 信 息 化 技 术 可 实 现 精 密 高 对 靶 性 及 定 量 施 药 平 均 农 药 利 用 率 在50 以 上 31 澳 大 利 亚 昆 士 兰 科 技 大 学 研 发 出 一 款 自 动 除 草 和 施 肥 的 机 器 人 Agbot II 图2 它 身 上 搭 载 先 进 的 机 器 视 觉 自 动 识 别 系 统 可 精 确 分 辨 杂 草 与 作 物 在 杂 草 检 测 和 分 类 上 的 总 体 成 功 率 超 过90 32 Agbott II 采 用 太 阳 能 供 电 更 加 有 利 于 节 能 环 保 节 省 农 民 预 算 此 外 Agbot II 搭 载 的 先 进 传 感 器 软 件 和 其 他 电 子 设 备 可 以 使 机 器 实 现 自 动 导 航 对 作 物 和 杂 草 进 行 检 测 和 分 类 并 针 对 不 同 类 别 的 杂 草 自 动 选 择 机 械 剪 除 或 化 学 施 药 的 方 式 来 精 确 除 草 除 此 以 外 该 机 器 人 也 可 以 用 于 精 准 施 肥 在 未 来 的 版 本 中 该 机 器 人 还 可 以 在 执 行 操 作 时 反 馈 有 关 土 壤 和 作 物 的 健 康 以 及 病 虫 害 等 数 据 信 息 2 5 向 控 制 智 能 化 操 作 自 动 化 和 驾 驶 舒 适 化 方 向 发 展 农 业 机 械 装 备 通 过 不 断 改 进 提 高 再 创 新 其 质 量 水 平 也 不 断 提 升 农 业 机 械 上 采 用 高 度 自 动 化 的 智 能 化 辅 助 装 置 不 仅 可 以 提 高 田 间 工 作 效 5Vol 2 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 率 节 约 运 营 成 本 增 强 驾 驶 员 的 舒 适 感 受 而 且 能 提 高 产 品 在 国 际 市 场 上 的 声 誉 和 市 场 竞 争 力 控 制 智 能 化 操 作 自 动 化 和 驾 驶 舒 适 化 是 精 准 农 业 智 能 装 备 发 展 的 重 要 方 向 2 5 1 控 制 智 能 化 国 外 著 名 农 机 企 业 产 品 大 多 采 用 基 于ISO 11783 的ISOBUS 农 用 机 械 串 行 控 制 和 数 据 通 信 标 准 总 线 技 术 此 标 准 详 细 规 定 了 智 能 农 机 的 控 制 系 统 网 络 整 体 架 构 功 能 ECU Electronic Control Unit CAN Controller Area Network 总 线 通 信 及 任 务 控 制 器 结 构 等 总 线 技 术 的 发 展 实 现 了 农 业 机 械 控 制 器 之 间 的 信 息 共 享 为 农 机 装 备 的 控 制 智 能 化 提 供 了 重 要 基 础 34 科 乐 收 公 司 的 自 动 转 向 系 统GPS PILOT 配 有 集 成10 4 英 寸 的 触 摸 屏 和 双 频 接 收 器 的S10 终 端 还 具 有 操 作 自 动 转 向 系 统 可 控 制 接 入ISOBUS 的 机 具 等 功 能 约 翰 迪 尔 公 司 的ISOBUSTIM 拖 拉 机 工 具 管 理 系 统 可 以 同ISOBUS 设 备 结 合 控 制 拖 拉 机 自 动 转 向 该 系 统 为 即 插 即 用 模 块 可 在 多 台 机 器 上 移 植 使 用 也 可 对 现 有 系 统 进 行 升 级 在 植 保 机 械 的 控 制 智 能 化 方 面 加 拿 大 NORAC 公 司 设 计 了 一 种 能 使 喷 杆 根 据 地 形 轮 廓 自 动 进 行 调 整 的UC5 喷 杆 控 制 系 统 35 其 装 载 的 超 声 波 传 感 器 可 对 高 度 变 化 迅 速 做 出 反 应 可 在 复 杂 地 形 作 业 中 保 持 喷 杆 的 离 地 高 度 使 喷 头 维 持 在 最 佳 的 喷 洒 位 置 进 行 均 匀 施 药 减 少 农 药 在 喷 药 过 程 中 的 漂 移 UC5 控 制 系 统 的 识 别 模 式 有 三 种 分 别 为 土 壤 模 式 农 作 物 模 式 和 混 合 模 式 三 种 模 式 可 随 时 切 换 来 感 应 土 壤 面 或 农 作 物 高 度 自 动 进 行 喷 杆 高 度 调 整 此 外 系 统 包 含 主 动 旋 转 角 度 控 制 组 件 使 得 喷 雾 机 在 变 化 多 端 的 地 形 上 驾 驶 旋 转 和 控 制 中 心 部 分 也 会 增 加 两 翼 的 起 升 速 度 这 个 控 制 系 统 有 效 降 低 了 驾 驶 者 的 工 作 压 力 和 疲 劳 程 度 当 在 不 平 坦 的 农 场 地 形 上 喷 药 时 可 不 用 注 重 地 形 的 实 时 变 化 从 而 将 更 多 精 力 放 在 喷 药 工 作 和 安 全 作 业 上 大 大 提 高 了 工 作 效 率 和 作 业 安 全 性 2 5 2 操 作 自 动 化 目 前 农 业 装 备 的 卫 星 导 航 技 术 起 到 了 作 业 过 程 中 的 辅 助 驾 驶 作 用 能 减 轻 操 作 员 疲 劳 使 得 操 作 变 得 自 动 化 约 翰 迪 尔AutoTrac 自 动 导 航 系 统 可 以 安 装 在 各 种 农 机 装 备 上 进 行 田 间 作 业 比 如 用 于 整 地 播 种 施 药 收 获 等 作 物 全 周 期 的 田 间 作 业 起 到 按 垄 作 业 或 走 直 线 的 效 果 提 高 了 操 作 便 利 性 最 新StarFire6000 接 收 器 使 用 的SF3 卫 星 差 分 信 号 精 度 为 2 5 c