農業機械智能化設計技術發展研究

周 征 封俊寶

（南陽職業學院，河南 南陽 474500）

隨著科學技術的不斷發展，當前農業機械設計正從傳統的機械化模式向智能化方向發展，新產品具有智能化和網絡化的特點。以信息技術為基礎的智能化設計能夠滿足當前多樣化的生產需求，可節約勞動力資源，縮減研發周期，顯著增強產品的競爭力。智能化設計技術廣泛應用于制造業，如航空航天、汽車制造和機床等制造領域，被稱為“二十一世紀的先進制造技術”［1］。農業機械智能化設計涉及機械設計、農機農藝融合、知識管理和網絡管理協調等多領域的技術和方法［2-3］，近年來，國外農機企業競爭加劇，研發投入較高，在農業機械智能化設計方面取得了不菲的成績，如約翰迪爾（John Deere）、凱斯公司（Case Corp）、愛科集團等國外企業應用信息技術，加大智能化和信息化的研發力度，形成了較強的市場競爭力，在我國的市場份額不斷擴大。雖然我國農業機械產品規模較大，但是面對國際競爭，仍具有較大差距。究其原因在于我國幅員遼闊，種植模式多樣，且在農業機械設計上需要考慮各地的實際情況，這就導致出現農業機械種類繁多、生產規模普遍偏小的問題。

我國農業種植面積大，但是人均耕地少，對于規模化經營和農業發展帶來了不便，這就需要加速研究農業機械智能化設計技術，推動農業發展［4-5］。2015 年 5 月 19日，國務院正式印發了《中國制造2025》，文件明確指出農業機械制造業的重點是加速建立行業技術標準，推進數字化設計平臺建設，實現數字化、智能化和模塊化。為此，加快重點技術研發，持續推進農業機械向著智能化和數字化方向發展［6］。為此，在國家大力支持的背景下，有必要梳理當前農業機械設計面臨的困境，分析面向生產現實需求，提出未來農業機械智能化設計思路，為農業機械化發展奠定基礎。

1 智能化設計技術的內涵

智能化設計指的是將基于知識的工程（KBE）技術與計算機輔助設計融合，面向生產需求的一種現代化的設計方法。即設計人員應用現代信息技術，采取計算機模擬人類思維，提升設計的智能化，使設計系統能夠運用豐富的知識進行推理、模擬、決策，實現產品設計的智能化［7］。

1.1 智能化設計向多元化方向發展

隨著信息技術的發展，大數據、智能制造及虛擬現實等技術逐漸興起，智能化設計向著多元化和更高層次發展，將多種學科和專業領域結合，在網絡和分布式數據模式下，實現產品設計的集成和并行。這樣的智能化設計能夠在最大限度上滿足用戶需求，同時實現任務的合理分配。為此，未來智能化設計將以網絡與分布式數據庫融合，實現多個獨立的智能體聯合，進而實現產品設計的協同和并行。

1.2 智能化設計技術具有高效知識推理體系

從智能化設計技術的優勢看，智能化設計技術能夠形成相對完善的知識推理機制。知識推理機制的形成和應用，方面了對用戶需求和精準把握，在具體的設計過程中，如果用戶信息和需求發生變化，知識推理機制會對其進行及時調節和反饋，保障了數據的科學性和高效性，另外，知識推理機制能夠將變化的數據及時同步于數據庫，這為后續工作開展起到了積極作用［8］。

2 農業機械智能化設計的意義及原則

2.1 農業機械智能化設計的意義

農業機械智能化設計技術是將智能化設計應用在農業機械，使得農業機械符合現實生產的需求，對于農業規模化生產具有重要意義。農業在國民經濟發展中具有重要作用，是我國的基礎性產業。當前我國農業機械化在普及、生產、加工方面存在很多問題。隨著現代科技的不斷發展，農業由機械化步入信息化進程，這就需要在農業生產中充分應用信息技術，有效提升農業生產效率，發揮農業機械在農業生產中的作用。進行農業機械智能化的設計要依據用戶需求進行設計，以此提高農業生產效率和滿足生產需求。農業機械智能化的設計有助于解決當前農業機械發展存在的問題，有利于縮小與發達國家之間的差距，加速推進我國農業機械化的進程，推動農業現代化建設，進而提升農業生產效率和農戶收入。

2.2 農業機械智能化設計的原則

以智能化設計技術發展來看，智能化設計技術是科學技術發展的產物，是將生產中產生的數據有機整合，同時結合技術優勢，以此滿足用戶需求。從使用過程來看，智能化技術可依據用戶需求及時進行調整，以滿足生產需求。農業機械智能化設計的主要特點有以下3個。一是實現農業作業任務的合理分配。農業機械具有復雜的系統，包含種類繁多的總控系統和子項系統，利用智能化設計對農業機械重構，可滿足復雜多樣的生產需求。例如，農業機械作業過程面對多項任務時，以往緊靠總控系統可能導致數據處理的錯誤，利用智能化設計技術可有效的協調總控系統和子項系統的任務分配，在一定程度上避免了任務交叉重復現象。二是科學的歸納數據庫。傳統的農業機械設計產生的數據較多，對部分設計工作造成影響，利用智能化技術對數據分類，可便于開展設計工作。三是具備高效的知識推理體系。農業機械智能化設計的重要特征之一便是具備高效的知識推理體系，該體系的建立有助于設計人員根據農業生產的復雜性設計農業機械，如設計過程中需求變化，系統可根據需求自行調整。

3 農業機械智能化設計技術應用方向

3.1 農業生產信息采集方面

農業生產信息采集指的是在農作物全生育期進行全方位、多層次的信息采集，以綜合判斷農作物生長情況，具體包括土壤水分、肥料運籌、土壤質地、氣象數據及土壤耕作情況等。采集的數據主要用于建設農情信息數據庫，需具備完整性、多樣性和真實性的特點。采集的生產數據用于判斷作物生長情況，進而為作物生長管理提供決策，這樣的農情信息綜合決策有助于發展農業現代化。目前，我國農情信息的采集處于起步階段，還有許多技術難點未突破，在一定程度上限制了農情信息的采集和利用。但隨著科學技術的進步，智能化設計技術有了長足的發展，目前已經研發出了大量的采集農情信息設備。當前農情信息智能化設計主要集中在將智能化設計技術與地理信息系統、遙感技術、全球定位系統有機結合，實現對作物全生育期的農情信息監測，包括水肥運籌、營養診斷及病蟲害監測等。其次是作物生長的土壤墑情方面的實時監測，智能化設計技術在土壤墑情方面的檢測有助于提升檢測效率和降低相關運行設備的費用。

3.2 農業機械導航方面

農業機械導航是實現精準農業的必要前提。在社會的不斷發展過程中，自動導航技術在社會各領域得到了廣泛應用，在農業機械和科學技術不斷創新的背景下，農業機械智能化設計與導航技術的結合，可大幅度提升農作效率，降低勞動成本，提升農業作業效率，加快農業現代化和信息化的進程。目前應用于農業生產的自主型導航技術主要有視覺導航技術、GPS、全球衛星導航技術和電磁導航技術。我國的國土面積較大，在農業技術智能化設計與導航技術結合應用過程中，需考慮作業地的地理條件，這就要求農業技術智能化設計與導航技術結合，同時結合當地實際情況設計，實現兩者協調。

3.3 農業機械作業方面

農業生產要素包括“土、肥、水、種、密、保、管、工”8個方面。將農業機械應用在具體的農業生產中，在“土”方面，土壤是農作物生長的基礎，良好的土壤環境有助于種子萌發和生長。傳統改善土壤的方式是畜力耕地，其耕作深度僅12 cm，不能有效改善土壤質量，后來發展的拖拉機犁地，雖然可以在一定程度上深松土壤，但仍達不到耕作要求，長此以往土壤根層變淺，難以滿足作物根系生長需求，同時保水保肥能力變弱，影響了產量。因此，有必要推廣智能化的深松土壤機械，深松犁底層，促進作物產量形成。可有效控制耕作深度，提升耕地質量。在“肥”方面，機械化撒施提高了有機肥撒施均勻度，有效降低了勞動成本，提高了工作效率，通過農機與農藝有機結合，降低了有機肥施用成本，為農業全程綠色機械化發展奠定了基礎。在播種方面，農業智能化設計技術與播種器結合，可實現“一播全苗，一播壯苗”的效果，有效提升了播種質量。農業生產的“管”方面，重點在于機械化防治病蟲害及中耕等農藝措施，智能化機械在該領域應用具有代表性的是無人機植保。近年來，推廣節水、節藥、高效的植保無人機等現代植保機械進行作業，與傳統人工防治相比效率提高60 倍以上，為當地農業豐產豐收打下了堅實基礎。在農業生產中勞動力最密集的收獲環節，將智能化設計技術與農機、農藝結合，可大幅度降低勞動成本，減少作物收獲損失，提升作業效率。

3.4 精準農業方面

精準農業是指根據田間各經營單位的環境條件和作物產量的時空差異，對各種農藝措施進行精確、準確的調整，以獲得最高的產量和最大的經濟效益，同時保護農業生態環境、土地等農業自然資源。精準農業是當前及未來農業發展的方向，在農業機械智能化設計技術的落地方面，就需要考慮當下及未來農業的需求。精準農業將現代計算機技術與傳統農業融合，進行農業種植過程的精準決策，在生產過程中及時有效地收集農業大數據，計算機根據農業生產特點進行有效的資源匹配，進而制訂出科學合理的農業種植和管理方案，避免傳統農業的盲目性。

4 農業機械智能化設計技術未來發展方向

目前，我國已成為農業機械生產和使用大國，農業已由傳統的精耕細作轉變為機械化和智能化生產，有效地提升了生產效率。以智能化為代表的現代農業機械成為了先進的生產力工具，農業無人機、智能收獲機、農田管理智能化系統等發展較為迅速。相關研究表明，未來農業機械智能化設計主要集中在自動駕駛拖拉機、農業機器人和無人機［9］。為實現上述目標，當前我國農業機械智能化設計可著重從以下幾個方面入手。

4.1 農業機械差異化、個性化設計

我國區域遼闊，各地種植作物不同，且種植模式多樣，對于農業機械的需求存在差異。為此，未來的農業機械智能化設計要因地制宜，結合適合區域的機械設備，為區域量身定做農業機械，以滿足多樣化的需求，同時加強農業機械生產企業與農戶之間的聯系，建設相關數據庫，分析農戶需求，使農業機械設計更加科學化。

4.2 農業機械智能化設計建模智能化技術

農業機械產品設計建模涉及機械產品使用生命周期、機械產品信息和機械組件共享等因素，實現農業機械的實用性和精準性是農業機械智能化設計建模智能化的方向。目前，適用于我國農情的農業機械建模技術有計算機輔助設計和本體建模等，這些建模技術可有效銜接農業智能化設計和生產環節，對農業機械智能化生產模式起到了優化和改善作用。未來農業機械智能化設計建模技術必然是以機械生命周期設計為基本要求，使農業機械產品更加智能化。

4.3 智能化管理系統

智能化管理系統指的是將現代信息技術和機械化裝備結合并應用于農業生產方面的高效、智能化的生產系統。任何事物的發展不是孤立的，要形成產業鏈，就要形成一個完整的系統。我國農機發展方向應是智能農機系統，智能農機系統是由復雜的農機加上感知、決策、控制形成智能農機，但是目前還未形成完整的系統。構建智能農機系統，必須與大數據、云平臺、物聯網相結合。智能化的管理系統能夠面對復雜的農業生產情況做出綜合決策，如在何時進行農事操作及管理，以及在作物生長中對農業信息進行有效的加工和處理，并對后期生長進行預測，人們可根據智能化的管理系統對農事活動及時作出調整，進而提升生產效率。

4.4 多層次協同仿真技術

農業現代化進程的加速和精細農業及信息農業的發展，對農業生產的田間管理和農業機械性能提出了新的要求，農業機械的仿真分析也從單一領域向著多領域協同發展，柔性建模技術、多學科協同、人機交互等成為了優化農業機械性能、加強智能化設計的熱點研究領域。從農業生產的系統性看，土壤、作物和機械系統協同發展成為了當前智能化設計考慮的重點和難點，構建起三者的協同理論并應用于實踐是當前農業機械智能化設計的必由之路。

5 結語

農業機械智能化設計是一個系統工程，在農業機械智能化設計、農業機械導航、機械作業等方面有著廣泛應用。智能化設計技術與農機、農藝結合，可大幅度降低勞動成本，提升作業效率。在實際的農業生產中，需不斷加強基礎研究，設計適合區域種植模式的農業機械，以智能化管理系統促進精細農業發展，構建起多層次協同仿真技術，促進農業機械智能化技術發展。