稳固智能农机发展的基石

本刊记者|杨阳

稳固智能农机发展的基石

本刊记者|杨阳

“信息感知与作物精细生产管控机理研究”项目的启动实施，将突破土壤及农作物信息感知、决策控制、精细生产管控等应用基础核心技术，为农机智能装备精细作业提供精测、精施、精管理论方法及技术基础，为实现现代农业全面智能化、机械化提供技术支撑。项目拟取得一批具有自主知识产权的技术成果，将促进我国智能农机装备的发展。对缩小与国外主流产品差距、支持现代农业发展、保障粮食和产业安全具有重大意义。

“墙高基下，虽得必失”。高端领域科学研究离不开稳固的基础科学理论研究作基石，我国农机装备的发展也需要夯实理论研究。“信息感知与作物精细生产管控机理研究”项目的启动实施，将突破土壤及农作物信息感知、决策控制、精细生产管控等应用基础核心技术，为农机智能装备精细作业提供精测、精施、精管理论方法及技术基础，为实现现代农业全面智能化、机械化提供技术支撑。

为农业智能化提供技术支撑

国际上，农机装备向自动化、信息化和智能化方向快速发展，信息感知技术和智能控制决策方法已广泛应用于农机耕、种、管、收作业全过程。美国、加拿大、德国等国家在耕整、种植、收获技术装备，土壤、作物信息、农机作业关键参数在线感知和精播精施智能控制决策方法等领域发展很快，形成了相对比较完善的智能农机高效作业技术体系。

一直以来，我国对智能化农机装备的基础研究重视不足，基础研究薄弱。我国现有的农机装备产品水平低，高端智能农机装备只能依靠进口，针对土壤——机器——作物系统、不同农机耕作方式等对于土壤质构和作物生长的影响机理，车载式高通量高密度动态获取作物长势信息采集等方面研究相对较弱，基础理论与智能农机装备研发不匹配，制约了我国智能农机装备的研究与应用。

受国际相关研究的影响，近年来，我国一些研究单位开始从事这方面的研究工作，随着我国农业物联网和农机信息化的发展，在土壤-机器-作物系统互作规律方面，土壤、作物信息和农机作业关键参数信息感知方面也取得了一些成果，以“农机与农艺、农机化与信息化”两个融合为核心的现代农机装备技术发展较快。

针对我国智能化农机装备的基础研究薄弱的现状，国家重点研发计划智能农机装备专项中设立了“信息感知与作物精细生产管控机理研究”项目。该项目由北京农业信息技术研究中心牵头组织实施，参加单位包括北京农业智能装备技术研究中心、中国农业大学、浙江大学、华南农业大学、南京农业大学、吉林大学、中国农业机械化科学研究院、上海交通大学、黑龙江省农业机械工程科学研究院等9家单位。其以土壤——机器——作物互作系统为研究对象，研究农机作业对土壤质构和作物生长的影响机理，研发仿生耕整、精准种植、高效收获新机构；研究作物生产过程信息感知与在线检测传感器，创新种肥水药精准投入调控方法；在农机农艺信息融合基础上，开发精播精施智能控制与决策系统，构建精播精施精准作业技术体系，为新一代智能农机装备产品创制及精准高效作业提供理论方法和技术基础。

为农机发展创新理论

“信息感知与作物精细生产管控机理研究”项目作为国家重点研发计划智能农机装备专项中的基础理论研究部分，将创新理论、研发新模型，为智能农机装备提供理论支持和方向指引。

项目将构建基于土壤——机器——作物互作的耕种收新原理、新机构，将土壤、机器、作物等生产要素进行系统化、整体化研究。项目在揭示机械化耕整和种植方式对土壤质构及作物生长影响机理的基础上，构建农机作业参数大数据分析系统；依据耕整、播种、收获作业过程土壤——机器——作物互作及优化匹配规律，创新出基于动态仿生原理的减阻脱附耕作新装置、基于土壤质构的精量播栽新机构和基于实时工况自适应调整的高效收获新机构。

项目将在农机作业环境与作物本体信息在线感知与获取取得新进展。融合土壤紧实度与电导率、土壤及作物的光谱特征与机器视觉信息在线测量数据，表征土壤质构、肥力、作物营养与长势；挖掘分析测量数据时空特征和耦合关系，采用外部参数正交化、奇异值分解、光谱分段直接转换等算法消除车速、振动、地表、光照背景等干扰信息的影响，构建高精度车载土壤质构、肥力和作物信息在线感知获取系统。

同时，项目也会创新农机精准作业管控理论，研发精播精施智能控制与决策模型，提供符合我国生产需求、可推广的智能农机装备发展新方向。项目提出农田空间变异的尺度效应和效益最优的农机作业管理分区方法；构建农机作业时间窗和耕地高度碎片化约束下的农机作业路径规划模型：基于土壤——机器——作物互作原理和大数据方法,建立精播精施智能控制与决策模型，实现农机农艺信息融合。

为农业生产提供新模式

信息感知与作物精细生产管控机理研究项目的成功实施，将突破土壤及农作物信息感知、决策控制、试验检测、精细生产管控等应用基础核心技术，为农机智能装备精细作业提供精测、精施、精管理论方法及技术基础，为实现现代农业全面智能化、机械化提供技术支撑。

项目从我国农机作业过程中土壤和作为对象互作规律不清、作业机理；原理与基础研究缺乏以及作物生产过程中信息表征不明的现状出发，开展农机作业对土壤质构及作物生长影响机理研究，揭示土壤——作物——机器系统优化自适应与系统减阻降耗、节本增效优化匹配规律，研究耕整、播种、收获等作业新原理、新机构；开展农机作业信息实时获取与精细生产管控的理论与方法研究，揭示土壤环境、作物本体信息与种、肥、水、药精细调控机理与模式；开发农机作业环境与本体信息快速获取传感器及精播精施与精准控制智能决策系统，构建高效作业智能化农业机械理论与技术基础。

目前，国外集成各类农机作业信息感知传感器、定位装置、精播精施智能决策以及末端控制于一体的智能农机装备产品进入我国市场，形成了高端农机装备产品的垄断。我国现有的农机装备产品水平低，高端智能农机装备只能依靠进口。项目的实施取得的一批具有自主知识产权的技术成果，将促进我国智能农机装备的发展。对缩小与国外主流产品差距、支持现代农业发展、保障粮食和产业安全具有重大意义。

同时，在资源环境矛盾日益激烈的今天，农业生产与生态环境保护的关系亟待协调。基于信息感知与作物精细生产管控的农业生产模式，将降低农业生产能耗5%-6%,减少化肥施用10%,有效提高肥料农药等资源利用率，改善粗放型的种植模式，降低环境污染，改善农业生态环境。