方會敏，牛萌萌，褚幼暉，陳英凱, 2，薦世春

(1. 山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南市，250100； 2. 山東省農業(yè)科學院，濟南市，250100)

0 引言

現(xiàn)代高效農業(yè)是指以滿足市場需求和提高綜合效益為目標，采用集約化的生產方式，充分合理開發(fā)利用農業(yè)自然資源和社會經濟資源，實現(xiàn)各種生產要素的最佳配置和優(yōu)化組合，高產、優(yōu)質、高效的現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)[1-2]。旨在突破產業(yè)結構不合理、產品品質下降、生產環(huán)境制約、比較效益下降等難題，實現(xiàn)經濟、社會和生態(tài)綜合效益最佳?！渡綎|省新舊動能轉換重大工程實施規(guī)劃》將其作為重點內容進行扶持，《山東省新舊動能轉換現(xiàn)代高效農業(yè)專項規(guī)劃(2018—2022年)》更是提出了推進全程全面、高質高效“兩全兩高”農業(yè)機械化的目標。

現(xiàn)代高效農業(yè)背景下，山東省田間管理裝備的發(fā)展面臨資源與環(huán)境的雙重壓力。一方面，以除草、施藥等為代表的田間管理環(huán)節(jié)仍然存在機械化率低甚至是“無機可用”的現(xiàn)狀；另一方面，現(xiàn)有田間管理裝備精準作業(yè)能力仍然較低，使得肥藥利用率低、肥藥資源浪費，同時過量的肥藥施用嚴重威脅了生態(tài)安全。本文總結分析了國內外田間管理技術與裝備的研發(fā)現(xiàn)狀，并為山東省現(xiàn)代高效農業(yè)模式下的田間管理裝備發(fā)展提出了有效對策，以期為山東省現(xiàn)代高效農業(yè)發(fā)展進程中提升田間管理技術與裝備水平提供參考。

1 田間管理裝備研發(fā)現(xiàn)狀

縱觀農機發(fā)展水平較高的歐美地區(qū)，田間管理技術已經發(fā)展的十分成熟，相應的農機裝備涵蓋了中耕除草、追肥、施藥等作業(yè)環(huán)節(jié)。他們主張為保護土壤和水體，盡可能減少化肥與農藥施用量；在此基礎上，基于先進傳感技術和控制技術，實現(xiàn)農業(yè)生產最優(yōu)效率。歐美地區(qū)的田間管理裝備引領了高效、節(jié)能、環(huán)?，F(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展，本部分主要介紹國內外田間管理各環(huán)節(jié)的技術與裝備發(fā)展情況，其中重點介紹國外各田間管理環(huán)節(jié)的先進裝備，國內則聚焦各田間管理環(huán)節(jié)關鍵技術和產品的研發(fā)現(xiàn)狀。

1.1 產品設計與制造技術

在產品的設計制造上，國外已廣泛采用數(shù)字化設計和柔性化制造等組合技術。其中歐洲農機產品設計過程采取標準化和模塊化技術，其定制化生產和服務已成為強有力的市場競爭手段。美國某著名公司的柴油機實現(xiàn)了依據(jù)客戶定義進行產品生產；全球某農機巨頭公司的拖拉機、收獲機已實施了“個性化定制品牌戰(zhàn)略”。另外在農機系列裝備中，能夠基于一個基礎平臺組合成不同功能的產品：如某公司研制的自走式噴霧機同時具有追肥、玉米去雄的功能，在更換相應頭架、組件后完成去雄、追肥等作業(yè)，滿足不同作業(yè)需求。奧地利某公司的PS-MD系列氣動式施肥設備可以以單個零部件的形式任意組裝到各類型播種機上，進行模塊化的安裝與拆卸，從而實現(xiàn)現(xiàn)有農機具的種肥同施。意大利某公司的現(xiàn)代化側邊割草機，可以安裝在拖拉機前端或后端，無需對設備進行重新配置，增加了機器的通用性。

國內在植保底盤研究方面采用高地隙方式以適應不同類型高桿作物的植保要求。某單位研發(fā)的3WZG-650型高地隙自走式噴桿噴霧機離地間隙高，適用于棉花、小麥等作物的作業(yè)。某公司的ZP9500高地隙噴霧機搭載了自動導航作業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)噴霧機在極少人工干預情況下的自動導航作業(yè)，通過對平臺的機-電-液改造，實現(xiàn)了噴霧機作業(yè)系統(tǒng)的電氣化控制；且關鍵零部件采用國際化標準設計，整機集成性高，確保零部件發(fā)揮性能，可靠耐用。廣西某公司提出由動力主模塊、功能模塊、屬具模塊組成的“模塊化多用途農業(yè)裝備產品”，通過各種模塊的靈活快速組合實現(xiàn)不同的作業(yè)功能，滿足一機多用、提高機器利用率。農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所提出以動力平臺通用化及作業(yè)部件模塊化為核心，創(chuàng)新提出了“分形而治”“動力平臺+”的茶園生產機械化發(fā)展技術模式(圖1)。

圖1 多功能茶園管理動力平臺

1.2 機械除草技術與裝備

機械除草是降低農藥使用量的有效手段之一，國外在機械除草方面廣泛應用機器視覺技術[3-4]。利用安裝在除草機械上的攝像頭獲取田間圖像信息，通過圖像處理算法識別出作物和雜草，進而驅動執(zhí)行機構進行除草作業(yè)。在此方面，已有大量產品問世，除了一些實驗室的概念產品外，也有部分公司開發(fā)了實用的市場化田間作業(yè)裝備。德國某公司研發(fā)的CULTICAM除草機立體攝像機通過雙鏡頭實現(xiàn)作物的三維信息采集，利用空間輪廓識別雜草叢(見圖2)。美國某公司致力于利用計算機視覺技術識別作物是否需要噴灑農藥或除草劑，之后由機器人進行相應施藥作業(yè)，為農民提供一種控制和預防雜草的新方法。全球某農機巨頭和法國某公司聯(lián)合研制的AutoTrac Implement Guidance能夠精確導引除草機在植株間行進，而無需鋪設移動架。德國某公司的電動式除草裝置，除了搭載基于機器視覺的雜草識別系統(tǒng)外，在末端執(zhí)行機構上采用指狀簧齒結構，在除草的同時還能從根系區(qū)域向上粉碎土壤。圖3所示的除草機器人能夠實現(xiàn)萵苣、洋蔥等苗間的精準除草。

圖2 CULTICAM 除草機立體攝像機

圖3 除草機器人

國內各高校及科研院所針對作物行識別、作物識別、避障機構等開展了大量的理論與試驗研究。南京農業(yè)大學葛艷艷等[5]基于優(yōu)化的Hough變換進行作物行的檢測，并基于機器視覺進行了中耕除草機的研制。東北農業(yè)大學韓豹等[6]提出了基于超聲波測距的苗間機械除草部件入土深度控制方法。胡煉等[7]基于2G-R-B提出了作物識別與定位方法，該方法能夠正確識別作物并提供準確的定位信息，適應不同天氣不同種類的作物，做到棉苗正確識別率為95.8%和生菜苗正確識別率為100%。陳子文等[8]提出采用里程信息和視覺信息融合的刀苗距優(yōu)化方法，設計了基于C8051F020單片機的刀苗距優(yōu)化系統(tǒng)。賈洪雷等[9]基于除草執(zhí)行部件間歇式旋轉運動的思想，設計了一種針對中耕期玉米田間使用的避苗除草裝置，該裝置平均除草率達94.7%。陳學深等[10]針對水田作業(yè)環(huán)境設計了對行液壓控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對除草部件作業(yè)路徑的避苗控制。王剛等[11]設計試驗了觸碰定位式玉米行間除草裝置，能夠定位并躲避玉米秧苗位置。但是這些研究成果目前大多處于實驗室或者小范圍試驗階段，還未進行大面積示范或應用。

1.3 變量施肥技術與裝備

變量施肥技術作為精準農業(yè)的關鍵組成部分，能夠按照不同地塊的養(yǎng)分水平進行不同肥料量的合理施用，提高肥料利用率并降低環(huán)境污染，目前主要的變量施肥技術包括基于處方圖和傳感器技術兩種。國外基于處方圖施肥的技術在各大農場已得到廣泛應用，隨著實時傳感技術的進步，基于傳感器的變量施肥技術逐漸發(fā)展起來。德國某公司的Crop Sensor以及美國某公司的Greenseeker均采用近紅外光譜分析技術，根據(jù)植物葉子對近紅外和紅光吸收和反射特性的區(qū)別，通過測量反射光線的類型和強度對作物生長進行評測，間接實現(xiàn)土壤中有效氮肥量的采集。英國某公司的HemiView數(shù)字植物冠層分析系統(tǒng)(圖4)通過處理影像數(shù)據(jù)文件來獲取與冠層結構有關的輻射數(shù)據(jù)，進而得到冠層的光線覆蓋狀況及直射與漫射光的分布等。另外，在線混肥技術也大幅改善了環(huán)境安全方面的一些問題，如意大利某公司的化肥在線混配系統(tǒng)，該模塊化預混系統(tǒng)安裝在泵下游的噴霧器上，減少了操作者受污染的風險。

圖4 HemiView數(shù)字植物冠層分析系統(tǒng)

國內很多高校在基于處方圖和實時傳感器技術方面積累了大量的變量施肥作業(yè)經驗，且施肥準確度可高達90%以上。陳滿等[12]設計了基于多傳感器的變量施肥控制系統(tǒng)實現(xiàn)田間精準變量施肥。金鑫等[13]基于CAN總線通信協(xié)議下的車載傳感器與PIC控制融合技術,設計了2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機，實現(xiàn)變量施肥準確率高達96%。余洪鋒等[14]提出了一種簡單實用的變量施肥方案，實現(xiàn)多種肥料按需配比、同一田塊均勻施肥、不同田塊變量施肥的功能。李欣倪等[15]基于Android平臺設計了一款包含施肥監(jiān)控APP和施肥執(zhí)行控制器的變量施肥控制系統(tǒng)，其排肥精確度的準確率為94.65%。河南農業(yè)大學袁玲合[16]設計了一種三輪高地隙中耕精量施肥機，采用電液比例控制技術，實現(xiàn)對施肥量的精確控制。東北農業(yè)大學李沐桐[17]設計了一種玉米苗期精準穴施肥機構，當靠苗裝置與玉米植株接觸時，位移擺桿激活微力放大器通過離合裝置帶動邊側施肥機構開始扎穴，完成施肥作業(yè)。國家農業(yè)信息技術研究中心研制的精準變量旋耕施肥機，主要基于田間處方圖進行變量作業(yè)；吉林大學也研制了2BDB-6大豆變量施肥播種機，但目前還未實現(xiàn)產業(yè)化推廣與應用。

1.4 精準施藥技術與裝備

噴霧機領域一直是歐洲農機公司的強項，他們注重研究藥劑在葉片上的沉積和分布規(guī)律[18]、藥劑使用對水體及人類健康的危害[19]等，通過農藥的減施和精準施用來確保對生態(tài)的最小危害。目前在噴霧機上已經廣泛應用了噴桿高度自調整技術，同時作業(yè)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經成為各主流噴霧機的標準配置。德國、法國等國家大型植保公司的植保機全部采用電子調控系統(tǒng)，控制噴桿伸縮、噴灑、壓力流速、單位面積噴灑量等各種作業(yè)參數(shù)。德國某公司的Primus系列牽引式噴霧機通過電腦控制終端實現(xiàn)全自動控制設定，全程顯示每公頃噴藥量、已噴量、噴霧壓力、行駛速度以及已噴藥的面積等。除此之外，國外公司在減少藥液漂移方面也做了大量工作。丹麥某公司的風幕式大型噴霧機舵手Master1000(圖5)采用“雙風”風幕的噴桿型式，使霧滴附著于目標表面避免飄移，從而讓霧滴在雜草上高效吸收，同時小霧滴實現(xiàn)更好的葉面覆蓋能力。德國公司的UF 1501型液壓打藥機基于噴頭控制斜面高度技術，可以實現(xiàn)每個噴頭根據(jù)其特征獲得不同的工作高度，時刻保持被噴灑試劑的最佳分布及減少漂移，在25 km/h作業(yè)速度下依舊性能優(yōu)秀。德國企業(yè)采用的自動調節(jié)噴頭組件斜面高度技術，通過自動斜面高度調節(jié)功能和噴頭自動旋轉功能的結合，使噴霧機工作在距離目標作物的最佳高度處。

圖5 丹麥某公司的風幕式大型噴霧機

國內在霧滴分布和飄移方面也做了大量工作，但主要集中在理論研究方面。王瀟楠[20]從影響霧滴飄移的因素入手，系統(tǒng)研究分析了霧滴粒徑、霧滴運動速度、助劑溶液特性、施藥機具等因素對霧滴飄移的影響，建立了霧滴飄移能量模型。曹軍琳等[21]采用超紅算子2R-G-B與OTSU算法結合的圖像處理方法，研究葉片表面形態(tài)特征、霧滴粒徑和葉片傾角3因素對霧滴沉積分布的影響。張慧春等[22]通過研究發(fā)現(xiàn)噴霧角、霧滴速度、流量、植物類型等參數(shù)對植物、地面和大氣等不同部分農藥分配比例的影響不大，而霧滴粒徑、噴頭高度、風速、植物生長階段對植物、地面和大氣等不同部分農藥分配比例的影響顯著。呂曉蘭等[23]指出噴霧壓力對霧滴沉積無明顯影響，減小行駛速度可增加枝葉正反面霧滴的沉積，增大風機出口風速可有效增加霧滴在枝葉反面的沉積;各噴霧技術參數(shù)均對冠層內的霧滴沉積覆蓋率有顯著性影響，其影響程度由強到弱依次為采樣高度、行駛速度、風機出口風速、噴霧壓力。噴霧機上的智能化提升手段還未完全成熟，根據(jù)機具作業(yè)速度進行變量作業(yè)的噴霧機有一定的市場，但還有待進一步推廣應用。

2 山東省田間管理裝備發(fā)展存在問題及發(fā)展趨勢

田間管理環(huán)節(jié)機械化水平較低。在我國主糧和經濟作物生產中，普遍存在“重種輕養(yǎng)”的思想，整地、播種和收獲的機械化水平較高，2018年山東省主要農作物耕種收綜合機械化率超過86.53%，高出全國平均水平近20個百分點；田間管理環(huán)節(jié)的農機裝備仍存在有效供給不足、門類不全和中低端產品產能過剩并存的問題，中耕、追肥、除草、植保等機械化率較低，部分機械甚至為空白。

2.1 山東省田間管理裝備發(fā)展存在的問題

2.1.1 肥藥施用過量

我國自20世紀90年代開始大量施用化肥，2015年全國化肥總用量超過5 400萬t，是全球平均用量的3.4倍、美國的3.4倍、非洲的27倍。作為我國糧食、蔬菜和水果的重要產地之一，山東省2018年的化肥施用量達420.35萬t，高居全國第二位。從化肥施用強度來看，2016年全國平均化肥施用強度為359.1 kg/hm2，農藥施用強度10.4 kg/hm2；而山東省早在1995年化肥施用強度達到362.3 kg/hm2?；兽r藥的高強度施用對山東省土壤和生態(tài)環(huán)境造成嚴重的負面影響，制約現(xiàn)代高效農業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[24]。

2.1.2 高端植保裝備缺乏

目前廣大農戶在病蟲害防治過程使用的藥械仍以背負式噴霧機為主，其防治面積達60%～70%，這些藥械存在嚴重的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象。大型噴桿式噴霧機雖然產品功能與設計上已較成熟，但裝備智能化程度低，精確感知與精準作業(yè)能力差，噴施過程中農藥分布不均勻，導致農藥施用過量，從而致使土壤重金屬含量超標，對山東省食品安全提出了新的挑戰(zhàn)[25]。

2.1.3 農機資源未得到高效利用

由于受到土地經營模式、地勢樣貌、農作物生產規(guī)模等限制，農業(yè)生產仍然存在生產規(guī)模小，不同地區(qū)的氣候條件、種植習慣存在差異，部分地區(qū)大型農業(yè)機械難以規(guī)模化作業(yè)而小型農機功能單一等問題。自然因素、生產規(guī)模和種植習慣上的復雜性使得“無機可用”與“有機不能用”并存，大量功能相似的單功能專用機具重復設計，農機的設計、生產、管理資源未得到高效利用。

2.2 山東省田間管理裝備發(fā)展趨勢

現(xiàn)代高效農業(yè)背景下，環(huán)境友好和資源節(jié)約是田間管理技術與裝備發(fā)展需要考慮的兩個現(xiàn)實問題，其關鍵在于實現(xiàn)肥藥資源的精準供給和農機資源高效利用。因此，在田間管理全環(huán)節(jié)的關鍵基礎理論和核心技術突破基礎上，通過“以機代藥”和智能化技術實現(xiàn)田間管理環(huán)節(jié)的精確感知、精準作業(yè)、智能管控；通過模塊化設計實現(xiàn)田間管理裝備設計、生產、使用、退役全過程的高質高效；并進一步結合現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網等先進技術手段將田間管理裝備作業(yè)過程納入到智能農業(yè)互聯(lián)網平臺，構建全新高可靠農機大數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)全農藝環(huán)節(jié)的高質高效，是應對當前山東省現(xiàn)代高效農業(yè)模式下田間管理裝備發(fā)展的有效對策。

2.2.1 基于模塊化設計的田間管理裝備研發(fā)模式

通過裝備設計模式的創(chuàng)新實現(xiàn)由傳統(tǒng)的“專機專用”“一機多用”向“一機N用”轉變，實現(xiàn)田間管理裝備設計、生產、使用、退役全過程的高質高效。基于模塊化設計的田間管理裝備研發(fā)模式(圖6)。

圖6 田間管理裝備模塊化設計示意圖

通過對田間管理作業(yè)裝備的“拆解—重構”，實現(xiàn)“按需組裝”，解決傳統(tǒng)專機專用模式帶來的農機利用率低以及重復設計問題，以及傳統(tǒng)片面追求多功能化帶來的機械主體部分笨重復雜、制造成本高、可靠性低、價格昂貴、功能冗余，以及農民對功能需求與價格需求矛盾問題。同時有助于擴大生產批量和降低制造成本，提高設計效率、生產效率、裝備利用率，有助于產品的售后服務、維修和產品的多樣化及更新?lián)Q代，實現(xiàn)農機裝備的回收再利用，節(jié)本增效。

2.2.2 基礎理論和核心技術突破

在田間管理技術與裝備領域，雖然已進行了一些基礎理論研究；但歐美國家一直致力研究的各種減藥省藥理論，包括防飄移理論、霧滴最佳大小及均勻性相關理論等還未突破。同時，部分理論研究成果也未得到合理運用，如霧滴在葉片上的沉積規(guī)律還未完全用于提高霧滴在葉片正反面的沉積率。除此之外，一些制約裝備發(fā)展與提升的技術還亟待突破。如為了減少操作人員接觸農藥發(fā)生中毒事故，在線自動混藥技術的研究與應用將大幅降低施藥作業(yè)人員的傷亡率；采取藥液回收循環(huán)技術可將飄移或散失在非作物上的部分藥液進行回收再利用，一方面提高農藥利用率，另一方面減少對人體和動物等的傷害；智能行間除草技術的應用能夠最大限度的降低作業(yè)時的人為誤差因素，提高作業(yè)效率。

2.2.3 精確感知、精準作業(yè)與智能管控

基于智能化的精確感知與精準控制技術是實現(xiàn)節(jié)肥、節(jié)藥的有效手段。為所有作業(yè)裝備配備控制屏，控制屏通過總線技術可與多種型號的拖拉機相連，實現(xiàn)機具作業(yè)過程智能控制。駕駛員不僅能夠實時了解機具作業(yè)狀態(tài)，及時排除機具故障，還可以利用實時傳感信息進行作業(yè)。融合測速傳感器、測距傳感器、壓力傳感器等信號，為噴霧量的自適應調節(jié)提供依據(jù)；基于壓力傳感器、流量傳感器等信號，對肥藥在線實時配混狀態(tài)進行監(jiān)測與控制；融合多傳感器技術，對機具作業(yè)狀態(tài)、累計作業(yè)面積、異常狀態(tài)等進行監(jiān)測與調整，實現(xiàn)智慧田間管理作業(yè)。

2.2.4 云服務平臺接入與農機大數(shù)據(jù)構建

運用現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網、信息化技術實現(xiàn)農機從機械化到智能化的跨越，將田間管理過程的除草、施肥、施藥等環(huán)節(jié)涉及的作業(yè)監(jiān)控、定位跟蹤、運維管理等納入智能農業(yè)互聯(lián)網平臺，借助5G傳輸技術構建全新高可靠農機大數(shù)據(jù)?；谄脚_信息，可實現(xiàn)農機信息、位置跟蹤信息、作業(yè)過程監(jiān)控信息等的實時獲??；進行農機作業(yè)任務申請、作業(yè)計劃發(fā)布、作業(yè)進度查詢等任務發(fā)布與管理；儲存的機具作業(yè)信息可供多級監(jiān)管部門進行作業(yè)質量監(jiān)督與作業(yè)補貼發(fā)放，為管理部門和用戶提供一條龍無障礙服務；土壤養(yǎng)分信息和作物冠層信息及產量數(shù)據(jù)可為后續(xù)變量播種施肥提供決策支持。

3 結論

立足山東省現(xiàn)代高效農業(yè)發(fā)展，在總結國內外田間管理主要環(huán)節(jié)裝備研發(fā)現(xiàn)狀基礎上，指出肥藥資源的精準供給和農機資源的高效利用是山東省高效農業(yè)模式下田間管理裝備發(fā)展面臨的兩大關鍵問題，進一步提出了山東省高效農業(yè)模式下田間管理裝備的發(fā)展對策。

1) 提出基于模塊化設計的田間管理裝備研發(fā)模式。通過對田間管理作業(yè)裝備的“拆解—重構”，實現(xiàn)“按需組裝”，可解決傳統(tǒng)專機專用模式帶來的農機利用率低以及重復設計問題，創(chuàng)新實現(xiàn)農機裝備全生命周期的高效利用。

2) 通過“以機代藥”和智能化技術實現(xiàn)基本增效。田間管理環(huán)節(jié)的精確感知、精準作業(yè)、智能管控。進一步突破田間管理全環(huán)節(jié)的關鍵基礎理論和核心技術，通過機械除草技術和智能化技術實現(xiàn)精確感知作物需求，進而智能管控作業(yè)過程、精準施用肥藥資源，在保證農藝需求的條件下減少資源浪費，實現(xiàn)節(jié)本增效。

3) 田間管理全環(huán)節(jié)信息納入智能農業(yè)互聯(lián)網云平臺，構建農機大數(shù)據(jù)。進一步結合現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網等先進技術手段將田間管理裝備作業(yè)過程納入到智能農業(yè)互聯(lián)網平臺，實時獲取和監(jiān)管作業(yè)過程；構建全新高可靠農機大數(shù)據(jù)，為作物生長提供決策支持，從而實現(xiàn)全農藝環(huán)節(jié)的高質高效。