張俊杰，張 瑋，苗俊俠，董秉灝，白 軍，王春平，高 娟

（1.五原縣綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100；2.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200241；3.五原縣農(nóng)牧業(yè)機械化服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100；4.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心義長分中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100）

農(nóng)業(yè)機械化指運用先進的農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營條件，不斷提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平、經(jīng)濟和生態(tài)效益的過程。農(nóng)業(yè)機械化極大地促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力的雙重提升，是鄉(xiāng)村振興的重要基礎(chǔ)和實現(xiàn)途徑。近年來，隨著國家強農(nóng)惠農(nóng)政策的實施，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展取得了顯著的成績。2021年，我國三大主要糧食作物水稻、玉米、小麥的耕種收綜合機械化率分別達到85%、90%、97%以上，搭載北斗、5G等技術(shù)的智能農(nóng)機投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工一線，同比增長約四成。當(dāng)前，我國處于全面推進鄉(xiāng)村振興、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的關(guān)鍵歷史時期，農(nóng)機產(chǎn)品的需求仍處于快速增長期[1]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化、精準(zhǔn)化、自動化、智能化的不斷推進，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進入了機械智能化主導(dǎo)的新階段，農(nóng)機裝備要做好機械智能化支撐，實現(xiàn)“安全多能、自動高效、精準(zhǔn)智能”[2]，推動農(nóng)業(yè)機械智能化全程、全面、高質(zhì)、高效發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)強、農(nóng)民富、鄉(xiāng)村美的中國夢。

1 智能農(nóng)機新態(tài)勢

智能農(nóng)機指的是將現(xiàn)代信息與通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制與檢測技術(shù)和行業(yè)技術(shù)匯集于農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)和應(yīng)用中。與傳統(tǒng)的單一型農(nóng)機相比，智能農(nóng)機發(fā)展通過提高作業(yè)速度、標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量，降低人工成本，提升機械智能化水平，以促進集約化、規(guī)?；?、智能化生產(chǎn)為目標(biāo)，促進農(nóng)業(yè)向以機械替代人力、以電腦替代人腦、以自主替代進口的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。

1.1 智能精準(zhǔn)化

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)由定位系統(tǒng)、土地信息采集系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等多個智能系統(tǒng)構(gòu)成，通過挖掘作物生產(chǎn)潛力和農(nóng)機作業(yè)能力、采集定位信息與環(huán)境信息等方式進行精準(zhǔn)、科學(xué)的“耕種管收”，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期等目的，可以實現(xiàn)生產(chǎn)力和生產(chǎn)資料最大化利用率，因而可以獲得更大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。例如，水果采摘機器人利用圖像傳感器，精確定位果實位置，再用自帶的剪刀手將果實從枝上完整剪下，而激光切割技術(shù)在采摘機中的應(yīng)用研究具有前景[3]。此外，智能農(nóng)機在平整地、播種、植保、表型分析、物流運輸?shù)榷喾矫婵砂l(fā)揮精準(zhǔn)作業(yè)優(yōu)勢，大大擴展了復(fù)雜農(nóng)業(yè)場景下智能農(nóng)機的作業(yè)模式[4]。

1.2 高效自動化

智能農(nóng)機自動化大致上可分為自動化監(jiān)測和自動化控制。自動化監(jiān)測主要依靠傳感器和計算機技術(shù)，可以實時記錄農(nóng)作物不同階段的生長情況和環(huán)境條件，并通過分析加以調(diào)節(jié)控制，非常便于加強種植過程中的控制與管理，例如溫室大棚監(jiān)控、節(jié)水灌溉[5]、深松智能監(jiān)測[6]等。智能農(nóng)機裝配的自動控制系統(tǒng)包含定位導(dǎo)航和傳感識別等功能，可以自動測產(chǎn)測畝，能夠自動進行復(fù)合操作，將人從繁重的勞作中解放了出來，具有質(zhì)量好、效率高、成本低、利于聯(lián)合作業(yè)等優(yōu)勢。無人駕駛農(nóng)機集定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)鏈、視覺感知、機器學(xué)習(xí)、自動駕駛等技術(shù)于一體，作業(yè)誤差為厘米級，并且穩(wěn)定性高，路徑規(guī)劃最優(yōu)，可以有效避免重播和漏播、提高土地利用率、減少作業(yè)成本[7]。在新疆，基于北斗、GPS技術(shù)的大型聯(lián)合收割機非常適合農(nóng)場種植模式，滿足了田間生產(chǎn)機械化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的需要[8]，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比可提高機采棉效率，實現(xiàn)增產(chǎn)減藥控肥目標(biāo)，提高經(jīng)濟效益。

1.3 可靠安全化

數(shù)字制造技術(shù)不僅可模擬農(nóng)機作業(yè)環(huán)境和作業(yè)過程，提高農(nóng)機設(shè)計效率，還可以仿真機械加工、零件裝配、運動仿真等過程，優(yōu)化工藝，提高農(nóng)機產(chǎn)品質(zhì)量[9]。智能農(nóng)機的傳感器可以實時監(jiān)控農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境，根據(jù)采集的信息調(diào)整自身以確保機具處于正常的工作狀態(tài)。當(dāng)機具在工作中出現(xiàn)錯誤、遺漏、故障時，可通過報警器及時提醒作業(yè)人員對問題進行診斷和處理。

1.4 多功能化

傳統(tǒng)農(nóng)機功能單一，使用率偏低，要完成一系列農(nóng)活只能不斷地購買新機器，購機成本大。智能農(nóng)機可以實現(xiàn)一機多用，實現(xiàn)一臺機具作業(yè)于不同階段、不同作物，完成多項不同工作。例如一臺智能果園管理主機就能帶旋耕、打草、開溝、施肥、回填、打藥、起壟、推土和運輸九種屬具，一臺機器就能包攬全部農(nóng)活。此外，智能農(nóng)機配置的大馬力發(fā)動機、液壓升降系統(tǒng)使屬具操作更流暢連貫，具有體型小巧、通過性好等優(yōu)點。多功能智能農(nóng)機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。一是避免了機具的重復(fù)購置，緩解了農(nóng)業(yè)種植戶在這項投入中的經(jīng)濟壓力；二是提高農(nóng)機在不同地形、不同作物、不同作業(yè)模式下的適應(yīng)性；三是有助于簡化作業(yè)過程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率。

2 智能農(nóng)機的轉(zhuǎn)型升級路徑

農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨“誰來種、怎樣種”的關(guān)鍵問題，智能農(nóng)機、智慧農(nóng)業(yè)提供了很好的答案，也提供了重要的途徑。同傳統(tǒng)農(nóng)機相比，智能農(nóng)機完成了從傳統(tǒng)制造向智能服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)變。農(nóng)民輕松作業(yè)，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

2.1 智能設(shè)計升級

由于我國農(nóng)機的前兩代技術(shù)體系都是依靠技術(shù)引進，缺乏自主的創(chuàng)新技術(shù)能力和基礎(chǔ)技術(shù)研究，導(dǎo)致我國農(nóng)機產(chǎn)業(yè)“大而不強”。我國復(fù)雜的地形地貌與氣候特征導(dǎo)致農(nóng)作物地域化、作業(yè)方式多樣化，因此對農(nóng)業(yè)裝備需求多元化。而實際上我國農(nóng)機種類少，低水平重復(fù)現(xiàn)象嚴(yán)重。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于第三代農(nóng)機創(chuàng)新技術(shù)將傳統(tǒng)的農(nóng)機從機械控制帶到了“機械、控制、通信、計算”融合的新階段，智能農(nóng)機升級的核心思維是在農(nóng)業(yè)機械上搭載物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)和新能源技術(shù)，根據(jù)區(qū)域生產(chǎn)特點進行個性化智能農(nóng)機定制，助力智慧農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)。農(nóng)機的智能化重點圍繞綜合控制芯片、微型控制操作系統(tǒng)、智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)、“人機分離”的無人駕駛、農(nóng)機大數(shù)據(jù)系統(tǒng)五大類核心信息部件技術(shù)進行研發(fā)。我國拖拉機創(chuàng)新技術(shù)體系斷代劃分如表1所示[10]。

表1 我國拖拉機創(chuàng)新技術(shù)體系斷代劃分

2.2 基礎(chǔ)平臺升級

基于新能源技術(shù)和信息技術(shù)融合，首先對智能農(nóng)機的基礎(chǔ)平臺進行完善升級。主要包括大馬力動力系統(tǒng)提升、新型清潔能源替代燃油驅(qū)動、輪轂電機擴展架構(gòu)實現(xiàn)分布式控制、低轉(zhuǎn)速大扭矩減速器設(shè)計與材料選型實現(xiàn)穩(wěn)定控制、電控液壓控制實現(xiàn)精量作業(yè)、大馬力數(shù)控底盤滿足無人智能駕駛要求等[4]。另外，開發(fā)專業(yè)化遠程管理平臺，集成農(nóng)機基礎(chǔ)信息、農(nóng)機作業(yè)實時監(jiān)測、農(nóng)機調(diào)度、農(nóng)田基本信息、作物基本信息、作業(yè)訂單、農(nóng)機補貼等信息，為政府管理部門、合作社、農(nóng)機手、農(nóng)戶、農(nóng)機企業(yè)協(xié)同服務(wù)提供多方位技術(shù)支撐[11]。

2.3 智能制造升級

智能化農(nóng)機制造技術(shù)是指將智能制造技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)機設(shè)計和制造中，提高農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的智能水平。隨著計算機技術(shù)、信息化技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)機制造行業(yè)中先進制造技術(shù)快速發(fā)展，有成組技術(shù)、敏捷制造、并行工程、快速成型技術(shù)、虛擬制造技術(shù)以及智能制造技術(shù)[12]。這些智能技術(shù)為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造帶來了積極的作用，如生產(chǎn)設(shè)備和外界進行信息交互、實現(xiàn)大數(shù)據(jù)下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化工藝流程、提高產(chǎn)品設(shè)計精度、大幅降低工作人員勞動強度[7]。當(dāng)前智能化農(nóng)機制造技術(shù)廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械制造中，在提高農(nóng)機制造效率、農(nóng)機設(shè)備性能質(zhì)量等方面發(fā)揮著巨大的作用。

2.4 智能檢測升級

智能檢測從檢測方法、檢測標(biāo)準(zhǔn)等方面提出新的要求，可提升面向農(nóng)機裝備零部件和整機的安全性、環(huán)境適應(yīng)性、設(shè)備可靠性以及可維修性等的試驗測試準(zhǔn)確性和鑒定能力。原始農(nóng)機設(shè)備狀態(tài)檢測是人工鑒別分析，檢測時間長，結(jié)果具有主觀性。之后，構(gòu)建了包含大量領(lǐng)域?qū)＜抑R和經(jīng)驗的專家知識庫，通過規(guī)則匹配推理出農(nóng)機設(shè)備狀態(tài)，提高了檢測效率，在基層農(nóng)機監(jiān)管工作中實用性強[13]，但構(gòu)建過程復(fù)雜，檢測正確率低。近年來，出現(xiàn)了許多基于計算機數(shù)據(jù)挖掘、人工智能的檢測方法，如通過支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對農(nóng)機設(shè)備狀態(tài)變化特點進行仿真計算，能自動檢測出農(nóng)機設(shè)備狀態(tài)，具有正確率高、速度快、實時性好等特點[14]。

2.5 智能作業(yè)升級

智能農(nóng)機作業(yè)升級主要面向“耕種管收”全過程環(huán)節(jié)展開，提高作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率。通過使用衛(wèi)星導(dǎo)航、智能控制等技術(shù)，按照規(guī)劃路線自動進行深松、整地、起壟、播種、插秧等基礎(chǔ)作業(yè)；通過使用農(nóng)用飛機、植保無人機、智能噴霧機實施噴灑農(nóng)藥、除草等管理措施；通過圖像識別、智能感知等技術(shù)對土壤肥力、病蟲害情況進行實時監(jiān)控，精準(zhǔn)水肥藥一體化，實現(xiàn)高效自動測產(chǎn)的智能化聯(lián)合收割。加快側(cè)深施肥、精準(zhǔn)施藥、節(jié)水灌溉、免耕播種、秸稈還田、殘膜回收等綠色智能農(nóng)機裝備推廣應(yīng)用[15]，推進智能農(nóng)機節(jié)能減排，助力綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3 小結(jié)

隨著新興技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化水平不斷提高。智能農(nóng)機裝備具有精準(zhǔn)化、自動化、安全化、多功能化等優(yōu)勢，發(fā)展趨勢大好，升級途徑廣泛多樣?，F(xiàn)代化智能型農(nóng)機的轉(zhuǎn)型升級必將給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和機械行業(yè)帶來深遠而廣闊的前景。本研究所述要點涵蓋了農(nóng)機設(shè)計、制造、應(yīng)用的生命過程和發(fā)展重點，以期為智能農(nóng)機的推廣應(yīng)用提供參考。