农业机械智能化发展现状及趋势

刘 辉，黄 康，徐 荣

(1．安徽广播电视大学 信息工程学院，安徽 合肥 230022；2．合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

农业机械智能化发展现状及趋势

刘 辉1,2，黄 康2，徐 荣1

(1．安徽广播电视大学 信息工程学院，安徽 合肥 230022；2．合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

阐述了传统农业机械在农业生产中出现的问题，提出农业机械向智能化转型的紧迫性。分析传统农业机械工作原理的基础上，结合现代电子通信和计算机信息技术，得出农业机械智能化的概念。研究了国内外农业机械智能化发展现状，指出了农业机械的智能化研究方向和发展趋势。

农业机械；智能化；发展趋势

当前，我国农业生产正处于向现代化转型的关键阶段，传统的农业机械在技术水平和结构形式上都很难满足农业发展的需要。主要表现在装备科技含量偏低、供需信息不对称、管理方式粗放、服务能力较差以及作业成本偏高等一系列问题[1]。因此需要对传统农业机械实行革命性改造，要以现代农业发展理念为指导，用现代科学技术装备农业机械，加速农业机械向现代化、智能化转型升级，实现农业机械供给侧结构性改革。

1 农业机械智能化发展历史背景

在农业生产过程中，传统的农业机械都是由人来操作完成的，而随着计算机技术的发展，自动化控制技术已经在现代农业机械中得到广泛应用，实现了农业生产效率大幅度提高。但是自动化控制技术仍然没有能够实现在完全没有人干预的前提下，达到农业生产各个环节的最优化。由于在农业生产过程中，可能会涉及到很多不确定的因素，仅仅依靠简单的传感检测技术和自动化控制系统是不能解决的。假如机器可以依据作物的生长情况和其他一些因素来判定如何进行某项农业生产作业，在这种情况下该机器具备了对各种信息快速处理及推理分析与决策的能力，可以认为机器是智能化的。智能化是指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术集合而成的针对某一个方面的应用，智能化的核心是智能化技术。普遍采用智能化技术，在动态的农业生产过程中，由智能化机械或智能化系统，通过电子信息技术的逻辑运算、传导、传递，发出适宜指令指挥农业机械来完成农业作业的，这样的机械可称为智能化农业机械[2]。

2 农业机械智能化发展现状

2.1 国外发展状况

图1 2015 年美国农业智能化现状

近些年来，西方发达国家一直致力于研究智能化农业机械装备，不仅将一些高新技术应用在传统农业机械上，对它们进行改造和升级，而且也针对一些特殊的农业生产环境，开发新型的智能化农业机械装备，对提高劳动生产效率起到很大的促进作用。其中应用比较广泛的有GPS全球卫星定位技术、基于农业物联网技术的大数据采集与分析和新型高性能智能化的大型拖拉机研发等。

图1是2015年美国农业智能化现状。显著特点是卫星定位技术应用非常普遍和自动驾驶应用度较高。在美国，一台安装了GPS全球定位系统的大型拖拉机，由电脑控制和卫星导航来完成田间作业，不仅不需要人工操作，而且拖拉机在作业过程中能够实现精确耕作，避免出现部分土块在耕作过程中重叠和漏耕的现象。同时机器中的计算机控制系统能够记录整个作业过程，这主要是通过安装在拖拉机上的电子器件采集的土壤数据来进行分析，实现数据交换的功能，可以在不停机的状态下一边作业，一边与农业科技信息中心进行数据的交换，并可以根据数据分析的结果，由机器自动调整工作参数，实现精准作业[3]。

斯洛文尼亚一家公司提供的田间害虫自动监测系统，这套系统主要由电子机械、无线传输、物联网和生物信息素等多项技术所组成。系统通过搭建在田间的智能虫情监测设备，可以无公害诱捕杀虫，绿色环保，同时利用GPRS/3G移动无线网路，定时采集现场图像，自动上传到远端的物联网监控服务平台。工作人员可随时远程了解田间虫情情况与变化，制定防治措施[4]。通过系统设置或远程设置后自动拍照将现场拍摄的图片无线发送至监测平台，平台自动记录每天采集数据，形成虫害数据库，可以各种图表、列表形式展现给农业专家进行远程诊断。此套系统集成了害虫诱惑捕捉、数量统计、环境参数采集、数据采集、传输和分析等多项功能，能够实现害虫的定向诱捕、分类与统计、数据报传、远程检测、自动化、智能化虫害预警，提高作物的病虫害监测防控能力。

德国芬特公司推出配置了若干个标准的电子控制单元、高性能智能化的大型拖拉机[5]。这种拖拉机的很多重要零件都采用了能够实现独立处理功能的微处理器，由安装在驾驶室的终端控制器来进行作业工况的显示和控制指令的输入。实际上，它不仅是一个能够实现独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端，也是针对农业机械特定的使用环境而专门设计的微型作业计算机。

2.2 国内发展状况

目前，我国农业机械多种产品产量已经跃居世界第一，成为名副其实的农机制造大国，但是我们整体的制造水平还不高，在农业机械领域还处于国际农机产业的中下游，特别是在智能农业机械方面，差距比较明显，智能化机具的种类很少，农业机械智能化程度比较低。当前在精细化农业装备和谷物联合收获机方面有一定的应用和研究。

智能化施肥播种机，是在研究条播机的基础上进行升级改造的。通过改变播种机槽轮的转速来实现变量投放种子和化肥的目的。主要有RTK-GPS、田间计算机、变量控制器、伺服电机和播种机组成。它的主要工作原理是：把数据卡(包含施肥处方图形信息)插入田间计算机中，当播种机行驶在田间的过程中，机器上的计算机能够把GPS的位置信息和施肥处方图形信息相比对，获取当前位置的播种量和施肥量，同时田间计算机也向伺服电机发出控制指令，伺服电机带动槽轮转动，从而实现控制播种量的目的[6]。其工作原理如图2所示。

图2 智能化施肥播种机系统控制框图

图3 产量检测系统组成框图

谷物联合收割机在田间工作过程中，一次可以完成谷类作物的收割、脱粒、分离茎杆、清除杂余等工序。由于在联合收割机安装了产量检测系统，能够及时获取精确的产量分布数据、谷物湿度分布情况和田间海拔高程分布状态。其产量的检测及成图系统主要由RTK-GPS、传感器和田间计算机(PFA)所组成[7]。其中，传感器主要有谷物流量传感器、前进速度传感器、割幅宽度传感器、谷物湿度传感器和割台高度传感器等。组成如图3所示。

目前我国“智能化”农机的市场推广情况不容乐观，主要的原因是大家是只盯住了眼前利益。而且，这可能与国家的农机补贴政策有直接关系。国家现在只是补贴在某个机型上，而很少补贴在新技术上，靠企业自身的力量，毕竟身单力薄，推广起来就很慢。况且，因为新产品在研发和推广上的费用比较高，产品最后的市场报价就比较高，导致用户不容易接受“智能化”的农机产品。

3 农业机械智能化发展趋势

3.1 农业传感器

想要实现农业机械的智能化控制，就要实时监测农业装备的工作情况，采集农业工作过程中的相关数据，及时地发现问题并做出判断和处理，而且能够精准地对农作物的生物学性状做出评价，所以传感器技术就显得非常重要。目前，随着科技的不断发展，物联网、云计算的应用推广，也带动着农业传感器的技术水平的不断提升，农业传感器在农业生产中得到一定范围的普及，如采用谷物湿度传感器对谷物的湿度进行实时检测，采用温度传感器精确地测量粮食烘干和储存过程中的实时温度，等等。在土壤养分与微量元素、土壤重金属与有机污染物等大面积、低成本速测传感器研制方面也相继进行了开展。出现了检测温室大棚温度、湿度和CO2的光纤传感器[8]，用于检测牛奶中病原体是否存在的MEMS微电子传感器等新型传感器技术。但是与发达国家相比我国农用传感器种类还比较少，在覆盖面、适用性等方面还有很大的提升空间。

3.2 人机交互

由于微电子和计算机技术的迅速发展，小型化、微型化芯片广泛应用，在现代农业机械领域，自动监测和自动控制技术已经普及，在组成显示装置和监控设施中采用了大量形式多样的传感器和功能强大的微处理器。由于自动控制的需要，在农机装备上安装电子监控装置，这种情况下驾驶员操作更为简便，可以依据面板显示的数据，适时调整农机作业的负荷和作业快慢，使得整个农业机组能在良好的工况下运转。同时根据显示的数据也可以实时掌握整个农机设备的运行情况，一旦机器出现故障时能够及时做出适当的调整，保证作业的质量。另外，由于采用多种先进传感技术用以采集各种数据，数据经过数学模型分析、运算和处理，完成诸如作业范围、产量计算、统计和友好的人机界面显示等一系列智能化功能。

3.3 农业机器人

当今农业生产的日趋工业化、规模化和精准化，而作为农业工程领域的科研重点，农业机器人的研究与开发已经成为热点。农业机器人属于特种机器人范畴，是一种兼有四肢行动、信息感知能力及可重复编程功能的柔性自动化或半自动化智能化农业装备，集成了传感器技术、监测技术、通讯技术及精密机械技术等多种前沿科学技术[9]。农业机器人在育秧、移苗、嫁接和农产品收获等方面均已得到了一定的应用，并且在提高农业生产效率、改变传统农业生产模式、解决农业劳动力不足以及实现农业的规模化、多样化和精细化等方面表现出了极大的亮点。虽然现阶段农业机器人在农业生产过程中还存在着一些问题，但是随着不断加强农业标准化生产，不断推进互联网技术在农业领域的应用，未来的农业生产将会出现一种“互联网”+“机器人”+“标准化”全新的模式。

3.4 精准农业

实时地掌握作物生长状况及土壤中水分、养分含量的多少，根据作物不同的生长阶段、不同的生长条件按需提供养分和水分，这就是精准农业的核心。同时还可以在研究作物生长过程中有关信息参数的基础上，建立合理的数学模型，通过模型数据分析能够对农业生产做出一定的预期判断，这样可以通过采取相应的改善措施，规避生产风险，降低生产成本，提高土地利用效率。当然，这一切都离不开智能化的农业机械装备、计算机信息采集和处理等技术的支撑[10]。因此，在我国的农业机械装备上应用人工智能技术和信息技术也将是农业现代化发展的必然趋势。

3.5 农业机械管理信息化

农业机械智能化管理，主要由农业机具配置、机具状态、智能化实时调度所组成。发挥好农业机械在农业生产中的作用，是一个庞大的系统工程。在一个农场、一片区域乃至全国形成一个高效的管理网络，进行信息采集、传递、存储和状态分析，根据作物的生长情况、气候变化情况，采取合理的调度措施，真正发挥农业机械的使用效率。通过建立农场办公室计算机与移动作业机械的无线通信，能够与作业机械实现数据的交换，建立完善的农机管理信息系统，使农场管理调度中心计算机可以直接调用读取各个田间作业机械智能终端存储的作业数据，存入农场计算机的数据库中[11]。与移动作业机相比，农场计算机具有强大的信息存储、信息处理、专家知识库和管理决策支持等特点，通过对传感器采集的数据进行分析处理以后，能够制定详细的作业计划和农事操作方案。

4 结论

二十一世纪的农业生产离不开智能化农业机械装备，当然智能化农机装备离不开现代先进的电子通信和计算机信息技术，没有先进的电子通信和计算机信息技术支撑，智慧农业机械如无源之水。智能化农业机械在现代农业生产中的地位越来越重要，不仅可以大幅度降低农业生产成本，在资源利用和环境保护等方面发挥着越来越大的优势，也在作物生长环境与生长状态的智能化识别、诊断和作物生长需求的定量模型等方面发挥着不可或缺的作用。

[1] 刘 昊，许天瑶.我国智能化农业机械发展概况[J].农业工程，2016，6(6)：7-8 .

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[3] 晓 琳，徐丹华.从Agritechnica 2011看世界农机行业发展趋势[J].农业工程，2012，2(1):8-13.

[4] W Zhao ， C Cheng ， C Song ， H Zhou ， L Xu Design of a Remote Automatic Monitoring System for Pest [J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2012(7):23-27.

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[6] 刘 学，曹卫彬，刘姣娣，等.RTKGPS系统在智能化农业机械装备中的应用[J].农机化研究，2007，9(9)：182-184.

[7] 薛 臻，赵 湛，王 秀.联合收获机智能化研究现状及发展趋势[J].农机科技推广，2015(6)：50-53．.

[8] 谷龙龙，王 权，陶 伟，等.基于ZigBee技术的农业智能感知系统的设计与实现[J].安徽农业科学，2015(13):342-345.

[9] 姬江涛，郑治华，杜蒙蒙，等.农业机器人的发展现状及趋势[J]农机化研究，2014(2)：4-9.

[10] 韩永峰，李学营，鄢新民，等.精准农业的技术体系及其在我国的发展现状[J].河北农业科学，2010，14(3):146-149.

[11] 郗洪林，郎忠权，裴 莉.农机管理中的信息化应用及探索[J].农业开发与装备，2015(11)：37-41.

(编辑：严佩峰)

Status and Trends of Intelligent Development of Agricultural Machinery

LIU Hui1,2,HUANG Kang2,XU Rong1

(1.Information and Engineering College,Anhui Open University,Hefei 230022,China；2.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

It described the problems of traditional agricultural machinery in agricultural production,put forward the urgency of transformation of agricultural machinery to intelligent.It concluded the concept of intelligent agricultural machinery,based on the working principle of traditional agricultural machinery,combined with modern electronic communications and computer information technology.Studying on the development status of intelligent agricultural machinery domestic and abroad,it pointed out the research direction and development trend of intelligent agricultural machinery.

agricultural machinery；intelligent；development trend

2017-07-01

安徽广播电视大学青年教师基金项目“农作物秸秆饲料加工机械化技术研究”(qn15-29).

刘 辉(1982—)，男，安徽寿县人，讲师，硕士，研究方向:农业工程.

S23

A

2095-8978(2017)03-0086-04