徐強輝，張佳敏，鄭章榮，何紹恒，韓孟紅

（廣州市農業(yè)機械化技術推廣站，廣東 廣州 510405）

0 引言

2022 年，中央1 號文件提出“提升農機裝備研發(fā)應用水平”[1]，對未來農業(yè)機械化、智能化發(fā)展提出了更高要求。近年來，逐漸發(fā)展起來的智慧農業(yè)以智能農機裝備為基礎，數(shù)據和知識為核心要素，通過5G 網絡、農業(yè)物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術與農業(yè)機械深度融合，實現(xiàn)農業(yè)生產的數(shù)字化感知、智能化控制、精準化作業(yè)[2]，成為未來農業(yè)的發(fā)展方向，但在實際推廣應用中發(fā)現(xiàn)了一些需要解決的問題。本文就智能農機裝備在實際推廣應用中存在的問題，從實用性、適用性、可靠性角度進行思考與探索，提出提升建議，助力智能農機裝備更好運用于未來農業(yè)生產。

1 智能農機裝備的研發(fā)應用情況

習近平總書記指出：“要把發(fā)展農業(yè)科技放在更加突出的位置，大力推進農業(yè)機械化、智能化，給農業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀”[3]。在國家政策支持引導下，國內一大批有影響力的農機企業(yè)加緊布局智慧農業(yè)發(fā)展，智能農機裝備作為基礎，也得到快速研發(fā)推廣應用。

1.1 國內農機企業(yè)智能農機裝備研制情況

國內農機企業(yè)以智能農機裝備所需的智能導航、自動駕駛等關鍵技術為突破口，著力開展智能農機裝備的技術研發(fā)。其中涉及智能導航主要應用技術有：①應用衛(wèi)星導航和RTK 相位差分技術進行智能導航，配合角位移傳感器對智能農機裝備作業(yè)路徑進行實時調整，實現(xiàn)數(shù)字化精準導航，帶農機具進行無人作業(yè)時，作業(yè)精度可達±2.5 cm，②應用機器視覺的智能農機導航系統(tǒng)[4]進行智能導航，該技術除了應用衛(wèi)星導航，還可通過獲取導航路徑上的農田成像，從中提取導航線進行田間作業(yè)路徑規(guī)劃，從而在復雜農田環(huán)境中進行農機裝備的智能導航。涉及自動駕駛主要解決的關鍵技術有農機的無級變速技術及無駕駛艙農機的設計理念。首先是無極變速技術，相較于傳統(tǒng)齒輪變速傳動，無級變速技術是現(xiàn)代智能拖拉機的核心配套之一，能實現(xiàn)精細農業(yè)所要求自動駕駛、恒傳動比、恒發(fā)動機轉速、定速巡航[5]的技術指標，解決傳統(tǒng)拖拉機必需人工換檔變速的麻煩，助力滿足智能農機所需自主變速等功能需求。其次是無駕駛艙設計理念，該理念突破了傳統(tǒng)農機裝備需駕駛艙的設計極限，創(chuàng)新采用無駕駛艙拖拉機的設計理念，減小拖拉機的外形尺寸，直接減少1 名農機駕駛員的工作負荷，降低人工作業(yè)成本，提高農業(yè)生產效率。

1.2 廣州市智能農機裝備的推廣應用情況

伴隨著社會的發(fā)展，請工難、用工貴等因素持續(xù)影響農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，智能農機裝備具備智能化導航、自主化作業(yè)的功能，將有效發(fā)揮農機少人化，甚至無人化作業(yè)的優(yōu)勢，推動解決農業(yè)產業(yè)用工難題。為此，廣州市以智能農機裝備的引進示范、研發(fā)應用及推廣培訓為抓手，積極推動智能農機裝備推廣應用。

1.2.1 水稻智能農機裝備的推廣應用情況

近年來，廣州市聚焦水稻機械化種植、烘干中心建設等技術短板，持續(xù)開展智能農機裝備的引進試驗示范推廣工作。水稻種植方面，積極引進了水稻智能插秧機械化技術、無人飛機播種技術、智能精量穴播種技術、智能旱穴直播技術等，補齊水稻種植環(huán)節(jié)智能農機裝備短板。其中，一鍵掉頭智能輔助駕駛系統(tǒng)在水稻高速插秧機中得到廣泛應用，該技術借助智能導航及RTK 相位差分技術與角位移傳感器實時配合，實現(xiàn)水稻智能插秧機的數(shù)字化導航、無人駕駛、自主作業(yè)，因其作業(yè)質量高、作業(yè)軌跡筆直已成為智能農機裝備應用的典型案例，如圖1 所示。水稻烘干中心建設方面，廣州市積極推動水稻烘干中心建設，其中廣州市和稻豐公司建設的水稻智能烘干中心，實現(xiàn)水稻從收割到烘干、加工的全過程智能化、自動化生產，烘干、加工過程“零損失”，實現(xiàn)糧食顆粒歸倉。

圖1 水稻智能精量穴直播機和智能旱穴直播機

1.2.2 蔬菜智能農機裝備的研發(fā)應用情況

廣州市除了積極引進試驗推廣2～8 行蔬菜移栽機械外，還通過“產學研推用”深度融合機制，在總結引進蔬菜移栽機械試驗經驗基礎上，與華南農業(yè)大學、廣州綠翔機電有限公司聯(lián)合改裝出一款適合遲菜心移栽的全自動缽體苗蔬菜移栽機械，如圖2所示，該機在PLC 和步進電機的智能控制下，帶動X、Y、Z 軸進行立體精準定位，配合4 爪“仿人工”夾持器，能夠實現(xiàn)蔬菜移栽機械的自主取投苗、自主種植，補齊蔬菜移栽環(huán)節(jié)智能農機裝備的短板。

圖2 蔬菜全自動缽體苗移栽機械

1.2.3 果園智能農機裝備的推廣應用情況

除了大規(guī)模推廣技術較成熟的農用無人飛機植保技術外，還積極引進示范推廣荔枝采摘機器人、除草機器人，其中荔枝采摘機器人[6]，如圖3 所示，運用人工智能算法，10 s 內可實現(xiàn)荔枝的自主識別、定位、切斷及采摘，還能進行采摘路徑的自主規(guī)劃、自主避障。

圖3 荔枝采摘機器人

2 對廣州智能農機裝備推廣應用的思考

為提升智能農機裝備研發(fā)應用水平，廣州市在積極引進智能農機裝備的同時，廣泛開展智能農機裝備的試驗示范，從試驗示范中不斷總結智能農機裝備的優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)智能農機裝備在大規(guī)模推廣應用中存在適用性、實用性、可靠性等方面的不足。

2.1 智能農機應用存在“多與少”的落差

從目前試驗推廣智能農機裝備的情況看，智能農機裝備能夠實現(xiàn)自動導航、無人駕駛、自主作業(yè)等功能，減少農機手勞動強度，但要實現(xiàn)農田智能農機裝備的無人自主精準作業(yè)、安全高效智能駕駛，仍存在5G 網絡信號覆蓋不足、智能農機智能化程度不高等問題，導致智能農機裝備型號、種類與應用條件不匹配，在推動智能農機廣泛應用上存在“多與少”的落差。

2.2 智能農機應用存在“快與慢”的時間差

隨著農業(yè)無人飛機、智能拖拉機、農業(yè)無人車等智能農機裝備快速應用于農業(yè)現(xiàn)代化生產中，在智能農機裝備快速應用與農業(yè)生產農藝要求需要緩慢適應中存在“快與慢”的時間差，即，農機農藝有機融合方面存在不足，缺乏成熟可復制的應用場景，影響著智能農機裝備的廣泛推廣應用。

2.3 智能農機應用存在“增與減”的壓力差

未來，農業(yè)無人機、智能拖拉機等智能農機裝備將大量應用在農業(yè)生產一線，其高度智能化、自動化、高速度等特征給農業(yè)生產帶來方便的同時，也存在極大安全隱患，如何下好農機管理“先手棋”，提升對智能農機裝備的管理能力是眼下農機管理部門迫切需要解答的命題，智能農機不斷增加的現(xiàn)實情況，與管理農機能力存在下行風險方面存在“增與減”的壓力差。

3 對廣州智能農機裝備推廣應用的探索

逐步發(fā)展完善智能農機裝備，提升智能農機裝備的適用性、實用性、可靠性，更好發(fā)揮智能農機裝備在農業(yè)生產中的作用，成為廣大農機推廣人員的共識。為此，本文從提升智能農機裝備性能、豐富應用場景及進行智能化管理等命題入手，提出智能農機裝備的提升改進思路。

3.1 探索提高智能農機的適用性

為提升智能農機裝備的智能化程度，提出以下解決方案。①在農田中添加微元素，解決農田、丘陵山區(qū)5G 網絡覆蓋面差，影響智能農機裝備正常開展作業(yè)的問題。②對智能農機進行微改造，從而提高農機裝備的智能化程度，積極解決智能農機適用性不足的問題。

3.1.1 為高標農田添加微元素

目前，我市農田機械化水平穩(wěn)步提升，有部分大型農業(yè)產業(yè)園區(qū)應用了智能農機裝備，相對應建設了5G 網絡基站，5G 擁有低延時、低功耗、高速率的特點[7]，但在農田、丘陵山區(qū)5G 網絡覆蓋率仍較低。為此，提出在高標農田中添加5G 移動基站的方案，如圖4 所示。

圖4 5G 移動基站模型圖

通過對比試驗，如表1 所示。智能農機裝備在5G 移動基站的輔助下，能夠克服外部大棚墻壁的遮攔及高壓線、高強度網絡等不良因素影響，獲得穩(wěn)定的移動網絡信號，改善智能農機裝備進行智能作業(yè)所需的網絡信號源，提升了5G 網絡的覆蓋面，提高智能農機裝備的適用性。

表1 不同試驗元素下對網絡信號的影響

3.1.2 對農機進行微改進

我市丘陵山區(qū)、農田作業(yè)條件較復雜性，極易在爬坡、下田時，在無人駕駛狀態(tài)下發(fā)生翻車風險，本文從智能農機的微小處著眼探索提升農機裝備的智能化程度并進行試驗。

通過智能拖拉機下田爬坡試驗并查閱相關資料，發(fā)現(xiàn)拖拉機上坡極限翻傾角為40～50°，下田極限翻傾角為52～62°[8]，即拖拉機重力線超過車輪著地點時極易發(fā)生翻車風險。

為提升智能農機裝備的可靠性，圍繞智能拖拉機智能作業(yè)，重點進行極限重力分析，針對性嘗試微改造試驗，改進方案為：實時自主改變智能拖拉機的重心[9]，如圖5 所示，利用在智能拖拉機前置位兩側增加降溫水箱及后置位兩側加裝的作物灑水箱方式，通過陀螺儀組成智能拖拉機姿態(tài)傳感裝置，自主控制電機，形成陀螺儀+電機總成，開展前后水箱質量的自主調配，利用姿態(tài)傳感裝置感應車身狀態(tài)，在車輪即將達到翻車極限重力點前自主啟動電機抽水，把質量配置到質量較輕一側，實現(xiàn)智能拖拉機質量點的自主調配，達到降低拖拉機翻車極限翻傾角，防止智能拖拉機翻車的作用。

圖5 智能拖拉機重心自主調節(jié)示意圖

3.2 探索提升智能農機的實用性

隨著智能農機裝備的快速研發(fā)應用，迫切需要收集智能農機與農藝、農時及農作物的共同特點，形成智能農機裝備的使用標準，形成標準化、可復制、可推廣的智能種植方案，降低智能農機應用“快與慢”的時間差。

以絲苗米智能插秧機械化技術為例，為保障智能插秧機高效有序開展無人插秧作業(yè)，通過開展多次水稻機械化育秧及智能插秧作業(yè)試驗，摸清適合水稻智能插秧機開展無人插秧作業(yè)的共性指標。在多次試驗中發(fā)現(xiàn)智能插秧機在進行無人插秧作業(yè)情況下存在農田平整度不足、智能農機抓地困難、在原地打滑等現(xiàn)象，影響智能插秧機高速插秧作業(yè)，需對農田進行微改造。

針對“稻菜輪作”“稻蕉輪作”地塊，多次開展試驗，如圖6 所示，對智能插秧機發(fā)生抓地困難、原地打滑等進行水田宜機化改造，用水稻秸稈深埋平田改善水田作業(yè)條件[10]的方式，形成農機農藝有機融合方案，即，把收割完的水稻秸稈圍成“一”字形或香蕉桿，在稻田平整地前，用水田秸稈深埋平田機，把水稻秸稈置于壟溝處，并用泥沙壓實，進行農機農藝有機融合的試驗嘗試，既起到有機物填埋發(fā)酵增強土壤肥力、節(jié)本增效作用，又起到平整水田的作用，形成了一個農田實用性改造的典型案例。

圖6 智能插秧機開展自主插秧試驗

3.3 探索提升智能農機的可靠性

為提升對智能農機裝備的智能管理能力，下好智能農機裝備技術推廣應用的“先手棋”。積極推動智能農機裝備信息化服務平臺的建設。①在重點產業(yè)園區(qū)，探索建設小型信息化服務平臺，總結建設經驗。②引入生產智能農機裝備的重點企業(yè)，不斷拓寬平臺功能。

3.3.1 服務平臺的微建設

為探索智能農機裝備信息化服務平臺的建設經驗，提出在從化區(qū)絲苗米產業(yè)園開展智能農機數(shù)據管理平臺的建設嘗試，如圖7 所示。現(xiàn)已開展平臺的建設工作，建成后，產業(yè)園將實現(xiàn)對農機裝備，特別是智能農機裝備的智能化管理，實現(xiàn)農機運行與作業(yè)質量、軌跡的實時監(jiān)控。

圖7 智能農機數(shù)據管理平臺

3.3.2 服務數(shù)據的微拓展

通過廣泛調研，吸引智能農機企業(yè)進駐，積極拓展農機的實時調度、線上技術服務和維修指導等功能。最終實現(xiàn)建設一個信息化服務平臺，利用平臺上一次完成智能農機裝備的線上智能管理、安全監(jiān)理、技術推廣、運用指導、農機作業(yè)監(jiān)測和基礎信息數(shù)據互聯(lián)互通等功能，降低智能農機裝備的管理難度、提升技術推廣服務成效。

4 結語

農業(yè)現(xiàn)代化生產，涉及的技術眾多，場景繁雜，智能農機裝備需要提升的地方還很多，現(xiàn)代信息技術與農業(yè)生產經營深度融合，需要解決“兩融合”“兩適應”的長期難題，未來能夠解決農業(yè)生產難題的智能農機在實際推廣應用中具備內生性力量。政府應從頂層規(guī)劃著手引導智能農機系統(tǒng)化、標準化發(fā)展，在實際試驗示范中制定完善的應用規(guī)劃，以高端農業(yè)裝備應用水平為導向，建立起廣大農戶與智能農機創(chuàng)新企業(yè)的溝通橋梁，用政策、技術實踐經驗引導智能農機龍頭企業(yè)進行資源集成和創(chuàng)新，高起點推動農機智能化、智慧化發(fā)展，同時建立推動智能農機裝備廣泛應用的行業(yè)標準。