我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

寇元金，劉毅龍

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，330000，江西南昌）

1 我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化兩種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

1.1 可編程邏輯控制技術(shù)的應(yīng)用

可編程邏輯控制技術(shù)（PLC 技術(shù)）在我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，可以說(shuō)是支撐我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)。PLC 技術(shù)起源于1960年代末期，源于美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線改造項(xiàng)目，是一種專門(mén)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)環(huán)境下進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等操作的智能控制技術(shù)，能夠輕松地處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字或模擬信號(hào)，控制各類工農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。發(fā)展至今，可編程邏輯控制技術(shù)已經(jīng)滲透至我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)的方方面面，例如：農(nóng)機(jī)運(yùn)行測(cè)速與調(diào)速、農(nóng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制監(jiān)測(cè)、自動(dòng)采摘農(nóng)業(yè)機(jī)械手等。2020 年，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研人員以PLC 技術(shù)為核心研發(fā)了一款農(nóng)機(jī)行駛路線優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用定點(diǎn)步長(zhǎng)連續(xù)尋點(diǎn)規(guī)劃的方式確定農(nóng)機(jī)在田間運(yùn)行的最優(yōu)路徑[1]，并將PID算法引入農(nóng)機(jī)運(yùn)行電機(jī)控制的PLC 中，確保了農(nóng)機(jī)運(yùn)行路徑的最優(yōu)化和連續(xù)化，上述科研成果成為可編程邏輯控制技術(shù)在我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化應(yīng)用的經(jīng)典。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)的應(yīng)用

大規(guī)模農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)需要基于可靠完善的通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)的作用在于：將大規(guī)模作業(yè)的農(nóng)機(jī)設(shè)備有序地互聯(lián)在一起，通過(guò)中央處理設(shè)備可以向這些農(nóng)機(jī)設(shè)備發(fā)送統(tǒng)一的指令、進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備有序作業(yè)控制的最終目標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)是一種基于工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的總線通信技術(shù)，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)字通信和信息傳遞問(wèn)題，具有高效性、互聯(lián)性和集成性等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)和應(yīng)用大大提升了我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)的規(guī)模、通信效率和有序程度?，F(xiàn)階段，運(yùn)用于我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)的總線通信技術(shù)多種多樣，較具代表性的有CAN 總線通信技術(shù)、Profibus 總線通信技術(shù)、HART 總線通信技術(shù)等，其中，CAN 總線通信技術(shù)由于具有短幀結(jié)構(gòu)、多主方式、開(kāi)放互聯(lián)、離線性強(qiáng)等特點(diǎn)，被較為廣泛地應(yīng)用在農(nóng)機(jī)作業(yè)通信網(wǎng)的構(gòu)建中。2017 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在ISO11783 協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)并優(yōu)化了CAN 總線通信協(xié)議，研發(fā)了一款拖拉機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用CANoe 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)能夠快速建立起多臺(tái)拖拉機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)運(yùn)行更為高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的自動(dòng)控制。

2 我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能技術(shù)

智能技術(shù)的飛速發(fā)展為農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)注入了新的技術(shù)動(dòng)力。現(xiàn)階段，智能技術(shù)在全球呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的發(fā)展趨勢(shì)，主要的技術(shù)類型包括：人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用技術(shù)等。各技術(shù)都有顯著的優(yōu)勢(shì)和特性，并被逐漸引入農(nóng)機(jī)自動(dòng)化產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)際作業(yè)應(yīng)用中，陸續(xù)產(chǎn)生了一些應(yīng)用效果。例如：2020 年，江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研發(fā)了一款農(nóng)機(jī)案例學(xué)習(xí)決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備為應(yīng)用對(duì)象，運(yùn)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)采摘農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)路徑、采摘定位識(shí)別、響應(yīng)要素進(jìn)行了建模計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)果傳送給采摘設(shè)備的中心處理器，以獲得高效的學(xué)習(xí)精度，為采摘設(shè)備自適應(yīng)智能學(xué)習(xí)提供了更為精準(zhǔn)的決策依據(jù)[2]。上述案例僅是農(nóng)機(jī)智能自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)縮影，在有效解決智能技術(shù)從理論研究到實(shí)踐應(yīng)用的各類瓶頸問(wèn)題，進(jìn)一步提升智能技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行精度和響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，農(nóng)機(jī)智能自動(dòng)化發(fā)展將不斷邁向新的高度。

2.2 虛擬自動(dòng)化技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星遙感等技術(shù)的助力下，虛擬自動(dòng)化技術(shù)體系逐漸成形。具體來(lái)說(shuō)，虛擬自動(dòng)化技術(shù)是以VR、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，并對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)整合的基礎(chǔ)上形成的一種新業(yè)態(tài)技術(shù)。它的特點(diǎn)為：能夠通過(guò)視覺(jué)建模的方法生成動(dòng)態(tài)虛擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤、反饋和遠(yuǎn)程監(jiān)控，為用戶提供全面真實(shí)的視覺(jué)和作業(yè)操作體驗(yàn)。它的優(yōu)勢(shì)在于：能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離大規(guī)模農(nóng)業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)的虛擬監(jiān)管，構(gòu)建真正的無(wú)人值守式農(nóng)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)場(chǎng)景。2020 年10 月，在福建舉辦的數(shù)字中國(guó)建設(shè)峰會(huì)上，基于虛擬自動(dòng)化技術(shù)的“福建農(nóng)業(yè)云131”系統(tǒng)正式亮相，該系統(tǒng)以VR、衛(wèi)星遙感和5G 技術(shù)為核心，能夠?qū)Υ笠?guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)農(nóng)機(jī)運(yùn)行裝備虛擬建模和現(xiàn)實(shí)生成，并將生成畫(huà)面和數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸給用戶終端，技術(shù)人員可在距離真實(shí)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十公里外觀看農(nóng)機(jī)設(shè)備作業(yè)的虛擬畫(huà)面，并進(jìn)行遠(yuǎn)程觸摸控制[3]。相信隨著虛擬自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，類似的開(kāi)發(fā)案例將越來(lái)越多。

2.3 移動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)

移動(dòng)自動(dòng)化也是農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，它以移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、云端存儲(chǔ)等自動(dòng)控制，突破了傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備體積笨重、不便于運(yùn)輸、難以進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)等弊端。現(xiàn)階段，農(nóng)機(jī)移動(dòng)自動(dòng)化發(fā)展的產(chǎn)品以功能各異的移動(dòng)式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人為代表，比較經(jīng)典的案例有德國(guó)雷肯i Qblue connect 研發(fā)的移動(dòng)拖拉機(jī)機(jī)器人、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)改進(jìn)的X-804 型無(wú)人駕駛農(nóng)業(yè)機(jī)器人、美國(guó)明尼蘇達(dá)州農(nóng)業(yè)機(jī)械公司研發(fā)的施肥機(jī)器人、英國(guó)科技人員開(kāi)發(fā)的菜田除草機(jī)器人等，上述機(jī)器人盡管功能各異，但都具有移動(dòng)作業(yè)、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能互聯(lián)等特征，逐漸被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在未來(lái)的發(fā)展中，隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的進(jìn)階，相信農(nóng)機(jī)移動(dòng)自動(dòng)化發(fā)展的腳步將越來(lái)越快。

3 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的建議

農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展前景不可小覷，為緊跟它的發(fā)展步伐，建議我國(guó)各級(jí)農(nóng)機(jī)管理、生產(chǎn)和應(yīng)用機(jī)構(gòu)對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行深入調(diào)研，并儲(chǔ)備必要的人才資源、物質(zhì)資源和應(yīng)用資源，加大對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用力度，通過(guò)循序漸進(jìn)和可持續(xù)化的建設(shè)投入，促使農(nóng)機(jī)自動(dòng)化發(fā)展應(yīng)用水平不斷提升。