传统植保喷药机使用现状及变量喷雾技术应用

刘 丽

（长春科技学院，吉林 长春 130600）

农业植保喷药作业是现代农业生产实现稳产高产的基本保证。现阶段，随着农业植保喷药作业现代化、机械化的发展，植保机械化作业已有效取代了传统的人工喷洒作业，大大提高了植保喷雾在农业生产中的效率和安全性。但与此同时，传统的植保喷药机存在农药用量过多、喷洒均匀度过大、环境污染严重等问题，在机械操作中并没有得到实际解决，导致目前喷洒的药物继续用于大剂量连续喷洒作业。农药的不合理使用不仅会造成药物浪费和环境污染，而且还会造成农作物质量下降等问题。变量喷雾技术是在传统的大面积植保喷雾技术的基础上发展起来的一种新型植保技术。它适合农业生产的正常运作，在节能、环保和食品安全方面发挥了积极作用。

1 传统植保喷药机使用现状

如今，中国的农药技术发展迅速。农业生产中使用的农药有200多种，可以防治大多数病虫害。然而，现阶段生产中使用的机器喷涂技术水平还比较落后。有关数据显示，我国植保机械农药平均有效使用率仅为20%～30%，而发达国家的植保机械农药总使用率超过50%，农药喷药机械使用率低给农业生产和生态建设带来了许多不利影响[1]。

1.1 性能有待提高

从我国现阶段使用的植保喷药机产品来看，农业生产大多采用结构简单的低成本产品。在设计和制造过程中缺乏对喷药合理性的研究，实际使用过程中雾化不良，药物覆盖不合理，导致喷药效果不理想，部分机具存在农药泄漏，造成了农业用地的严重污染。

1.2 机具结构设置尚需改进

近年来，随着农业生产合作经营的增多，农业经营用地面积逐渐扩大，对连片土地的喷洒效率有了更高的要求。大中型喷头比例不足，小型机具作业效率低。小型机具和宽幅机具的喷洒作业需要多次行程才能完成作业任务，不仅喷洒效率低，不利于及时防治病虫害，而且增加了喷洒失败的可能性，影响最终的植保效果。

1.3 操作不规范

手动操作对操作质量有重大影响，植保操作的喷洒过程受到驾驶员主观判断的影响。由于缺乏对病虫害程度的科学评估，直接喷洒药品会出现喷洒过量或喷洒不足等问题。同时，喷涂高度和机具的行驶速度也会对喷涂后的实际效果产生重大影响。

2 变量喷雾技术原理及其相关技术

变量喷雾技术的主要原理是分析作物的实际情况，通过计算数据调整喷雾量和喷雾方法，以最小的农药喷洒量获得最佳的防治效果。在变量喷雾技术的发展过程中，虽然在实现变量喷雾的逻辑上存在一些差异，但其组成原理和运行机理有许多相似之处。一般来说，变量喷雾技术的过程主要涉及环境信息的获取、位置信息的获取、执行动作的感知、数据处理和控制、泵体和喷嘴的控制等。利用计算机技术进行逻辑分析、信息处理和决策是变量喷雾技术运行的核心。在运行过程中，利用卫星定位系统、地理信息系统和传感器技术获取环境、位置和性能结果等信息，供计算机分析和处理。根据种植区域的实际情况，计算并修正喷洒率和喷洒位置，以便灵活调整喷洒过程。

2.1 基于变量喷雾技术喷药机简介

传统的喷洒作业将被病虫害破坏的作物程度视为对管理造成相同程度损害的对象，不能区分被害的严重程度。事实上，即使是同一种病虫草害的严重程度也不完全相同，具有明显的时空差异。因此，传统的大面积均匀喷涂方法容易造成局部区域过度喷涂。在传统的喷雾作业中农药使用率只有三分之一[2]。过量喷洒农药不仅污染了农业环境、水土，而且增加了种植成本，导致农产品农药残留率超标。通过完善的农业发展理念，以及农业生产的计算机化和自动化，开始了变量喷雾技术的研究和应用，以进一步精确应用和高效喷涂。变量喷雾技术是现代精准农业的代表，它是在原有均匀喷洒设备的基础上，结合卫星定位、扩散控制等先进技术增强的现代农业机械设备，可以根据病虫害的情况精确用药。自动喷涂设备主要由喷涂机、控制器、卫星定位装置和牵引机械组成。使用时，首先通过卫星定位病虫害的位置及其自身的位置，然后根据该地区病虫害的危害程度自动调整喷洒量，提高使用效率，尽量减少过量使用农药造成的负面影响。

2.2 基于变量喷雾技术喷药机技术原理

2.2.1 卫星定位

卫星定位是一个可以提供不同位置信息的变量。在变量喷洒过程中，卫星定位需要两次[3]。第一个位置是获取与位置信息相关的病虫害和杂草的空间分布信息，然后使用专家系统根据这些信息获取不同作业区域所需的喷洒剂量，并绘制喷雾处方图；第二个是确定机器和喷涂设备的位置。灌溉设备中的卫星接收器和计算机应根据处方位置和相对地图上提供的信息，从该点提取灌溉操作要求，并将信息指令传输至变量控制系统，使喷洒装置能够根据农作物病虫害的信息进行可变喷洒操作。目前，北斗技术是中国最常用的精确定位农业研究的技术。采用自主差分定位可以提高子测量层面的定位精度，完全满足我国农业生产的要求。

2.2.2 病虫害信息实时获取

获取相关病虫害实时信息的技术基础是GPS定位，获取方法主要取决于现场取样和实验室分析。现场采样要求在现场安装卫星设备，调查病虫害情况，对病虫害信息进行实时原始分析，并将该点的位置和病虫害信息输入计算机，完成病虫害信息的收集。信息处理必须辅之以地理信息系统，该系统主要根据现场监测员收集的信息建立一个空间信息数据库，包括自然条件、现状以及病虫害的演变，并根据使用要求进行图形和统计转换，为喷涂决策过程提供依据。

2.2.3 喷雾制度设置

喷雾制度应由农业决策支持系统确定。农业决策支持系统包括专家数据库和历史数据库。系统将根据收集和处理的地理信息和病虫害信息，从系统数据库中提取相关数据，制定最合理的喷雾制度，确定喷洒范围、喷洒量和喷洒时间。如果数据库有错误或实际喷洒效果不理想，也可以修改数据库和喷洒信息系统。首先，计算机将根据设备的位置比较处方图中的病虫害信息，确定设备的单位剂量，并计算单位时间内整个系统所需的流量；通过与流量计采集的数据进行比较，得出流量调节量，最终确定可变喷雾方案。

2.2.4 喷雾方案实施

喷洒决定的实施应由控制信号进行管理。控制信号是根据喷洒处方图计算出的相应流量控制信号，如设备的位置信号、喷洒压力信号、速度信号和喷洒模式。决策系统确定展开模式后，计算机控制台向伺服放大器发送展开指令信号，放大后的伺服指令控制信号传回伺服阀。伺服阀激活喷洒泵和其他执行器，根据喷洒系统中定义的流量参数执行喷洒操作[4]。此外，在喷涂作业过程中，压力传感器、空速雷达等信号采集单元将实时向控制系统传输喷涂压力、流量、设备位置、行驶速度等参数，然后计算机将实时记录灌溉操作的参数；同时，根据控制方案，执行器由返回信号控制，以调整和校正各种参数，从而执行可变喷雾。

3 变量喷雾技术运用

3.1 喷雾作物的探测与识别

3.1.1 喷雾目标形貌探测与识别

现阶段，植物形态检测技术在水果果园和花卉种植园中非常普遍。在这个地方有许多共同的差距。假设使用较为落后的连续均匀喷洒方法，会在林间隙区域喷洒大量农药，造成大量农药残留和一定的环境破坏。针对这一现象，开发了一种变喷雾技术中的三态喷雾系统，即当喷嘴朝向树木时开启，当喷嘴朝向开口区域时关闭。这个系统主要采用基于超声波的智能传感器建立目标检测系统，采用中喷、全喷和无喷三种状态的调节方案。

3.1.2 喷雾目标密度探测与识别

在目标喷洒中，重点是作物形态的检测。但是随着研究的深入，如果只考虑操作的形态，喷洒对象就不能充分反映出来，当农作物具有差不多的体积时，农作物的密度也会对喷洒效果产生影响。许多国内外专家逐渐研究农作物的密度。基于此，国外公司开发了一种基于超声波的智能传感器[5]。传感器采用单头信号收发系统，有效探测距离在两米之内。然而，该传感器探测范围也会受制于农作物目标的表面特性和超声波入射角的限制。因此，超声波的智能传感器还可以自定义设置灵敏度，利用这一功能可以抵消农作物目标特性带来的误差，以获得关于农作物物体密度的相关情况。

3.1.3 喷雾目标病虫害探测与识别

说到检测技术，经常想到远程空间检测和机载有害生物检测技术[6]。然而，通过使用卫星遥感和航空探测技术获得的有关作物害虫的大多数信息都是大规模信息，适合管理决策的范围，不适用于实时可变量喷洒。近年来，随着喷药技术的不断进步，以及对不同农田实时喷洒的需求，田间害虫检测技术和害虫分析方法的研究实现了长足的发展[7]。这些新兴技术主要是利用工业摄像机和光谱仪的结合来实时收集农作物病虫害信息，并通过机器学习、深度学习等人工智能算法分析所采集的图像和光谱信息，以便分类和鉴定作物病害。

3.2 变量喷雾智能控制技术

3.2.1 喷雾压力智能调节

通过调节喷射压力来控制流量是最原始的可以改变喷射变量的流量控制技术，习惯称之为压力调节。随着喷雾流量的增加，喷雾液滴的分布范围将越来越大，粒径缩小的趋势将显而易见，这将增加液滴的速率和液滴的动能。在达到常规喷淋量之前，能耗将低于正常值，降低能耗[8]。此外，变压喷涂对雾化特性影响较大，控制和调节范围较小，工作调节原理简单，易于维护，可大规模推广应用，同时解决问题，以降低农作物种植的相关造价。

3.2.2 喷雾喷头智能调节

通常使用的喷嘴内部结构简单，结构固定，维护方便。然而，由于市场需要，这种简单的结构往往导致水流不能根据实际需要改变。因此，有必要对可变喷嘴进行研究。顾名思义，变量，变的是喷水的流量。可以认为，控制方向、流量和内部结构更为复杂。主要是根据水流的压力，增加两个折叠的金属片来改变水流[9]。在此基础上，在双极孔喷嘴中引入监控恒流核心，设计了一种具有双跟踪装置的可变喷嘴。

4 变量喷雾技术应用优势

首先，操作流程的合理性得到了显著提高。采用可变喷涂技术的植保机具配备了先进的定位和控制系统。机具运行时调整行驶路线、行驶速度、喷洒量和喷洒高度是非常合理的。有效地改善了作业过程中的重喷、少喷等问题，植保作业效果显著，农药的有效使用率有了显著提高。变速喷洒技术充分利用控制农药喷洒量、高雾化喷洒、靶向喷洒、静电喷洒等技术，使农药充分发挥作用。据统计，采用相当可变的喷洒技术，农药的有效使用率可达三分之二，也能保证其在喷药中的残留较少。由于采用多传感器检测和控制，有效地改善了机械和植保工具工作过程中的堵塞和雾化不良等问题[10]。同时，植保机械和工具制造的整体结构和质量得到显著改善，有效减少了因故障而罢工的现象。有效地改善了喷药过程中的环境破坏问题，通过使用可变喷雾技术，单位面积农药的使用量显著减少，大大减少了农药喷洒造成的环境污染问题，大大改善了机具运行中的泄漏和渗漏现象。为了科学和生态的目的，化学设施的保护进程正在发展。

5 结语

近年来，我国各级政府和有关农业主管部门加强对农药使用的管理，提出了在农业生产过程中合理、高效使用药品的新要求。拥有可变喷洒技术特点的植保喷药机械可以很好地满足农业生产的需要，科学使用农药进行合理喷洒，有利于提高食品安全，减少农业植保喷药作业所带来的生态环境破坏。可变喷洒植保喷药机的推广应用必将助推我国农业朝现代化、机械化、智能化方向迈进，为乡村振兴战略助力。