新型自動化水稻插秧機(jī)未來初探

魏雨繆（中南大學(xué)）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是微利行業(yè)，每一項(xiàng)成本都會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，減少成本會直接增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利潤。目前水稻插秧機(jī)在工作時需要人員駕駛和人工續(xù)秧盤，為減少人工成本，提高插秧機(jī)作業(yè)效率，需要研發(fā)一款可自動駕駛、自動續(xù)秧的新型水稻插秧機(jī)，減少人工駕駛和續(xù)秧工作程序，從而降低種植成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)需要現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)，自動控制系統(tǒng)節(jié)省人力，可實(shí)現(xiàn)一人控制多臺農(nóng)機(jī)，未來現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)更需要標(biāo)準(zhǔn)化、程序化的專業(yè)操作技術(shù)平臺。

一、全國水稻種植情況

中國是稻作歷史最悠久、水稻遺傳資源最豐富的國家之一，在湖南省道縣壽雁鎮(zhèn)玉蟾巖遺址出土的古栽培稻標(biāo)本證實(shí)了我國稻作栽培已有1.4萬年以上的歷史。稻谷產(chǎn)業(yè)是關(guān)系國計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)，在構(gòu)建和完善糧食安全保障體系中具有重要地位。實(shí)現(xiàn)稻谷產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，對推進(jìn)糧食供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，實(shí)現(xiàn)更高層次、更高質(zhì)量、更可持續(xù)保障國家糧食安全具有重要意義。中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國，2020中國稻谷播種面積為3008萬公頃，較2019年增加了38萬公頃；產(chǎn)量為2.12億噸，較2019年增加了0.02億噸，如圖1所示。

圖1 2014-2020 年中國稻谷種植情況

二、北大荒集團(tuán)水稻插秧機(jī)工作現(xiàn)狀

以北大荒集團(tuán)為例，北大荒集團(tuán)現(xiàn)有耕地4458萬畝，每年水稻種植面積約為2200萬畝，占總播種面積的一半。水稻種植工作期在15天左右，屬于人工密集型種植業(yè)，因此在插秧季節(jié)需要大量的水稻插秧機(jī)同時作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北大荒集團(tuán)現(xiàn)有在用水稻插秧機(jī)約10.3萬臺，以6行、8行快速插秧機(jī)為主，多數(shù)配備側(cè)深施肥功能，主要以久保田、沃得、久富、洋馬、東風(fēng)井關(guān)等大眾機(jī)型為主，2020年以前國外品牌占70%以上，近幾年隨著國產(chǎn)品牌的逐漸深入，久保田和東風(fēng)井關(guān)等國外品牌的插秧機(jī)市場份額占比下降到40%左右，以沃得、久富為主的國產(chǎn)品牌約占60%，主要原因是國產(chǎn)品牌價格較低，全國銷售價格在14萬元左右的農(nóng)機(jī)，扣除財(cái)政性農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼，農(nóng)機(jī)戶實(shí)際購機(jī)價款在6萬元左右，相比久保田等國外品牌的銷售價格有較大優(yōu)惠。

目前，北大荒集團(tuán)現(xiàn)有插秧機(jī)大部分機(jī)型在插秧作業(yè)中由1名駕駛員和2名續(xù)秧人員配合完成作業(yè)，作業(yè)過程中由駕駛員完成水稻插秧機(jī)在田間的行駛和地頭轉(zhuǎn)彎，續(xù)秧人員在插秧機(jī)行駛作業(yè)中根據(jù)秧盤的進(jìn)度進(jìn)行續(xù)盤。一般1塊稻田池約15畝，可應(yīng)用多臺插秧機(jī)同時作業(yè)，傳統(tǒng)插秧方式下要配備多套人員。8行快速插秧機(jī)每天工作10小時，可插秧50畝，每臺插秧機(jī)一個來回作業(yè)需要秧苗50盤左右，插秧機(jī)斜面可存24盤，中間需要人工續(xù)秧30盤，駕駛員身邊臨時存秧30盤，作業(yè)一個來回插秧機(jī)需要停留地頭補(bǔ)秧苗。

三、研發(fā)新型自動化水稻插秧機(jī)的必要性

一是全國水稻種植面積較大，且屬于人工密集型種植業(yè)，傳統(tǒng)水稻插秧機(jī)需要人工續(xù)秧，在短暫的插秧季節(jié)里人員少、成本高，通過自動化插秧減少人工操作來降低成本，提高作業(yè)效率。

二是隨著全國人口老齡化的遞增，從事農(nóng)業(yè)種植的人員逐年減少，需要更高水平的農(nóng)業(yè)機(jī)械，因此研發(fā)全自動水稻插秧機(jī)成為未來的發(fā)展方向。

三是人工成本投入較大，制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益的進(jìn)一步提升，農(nóng)業(yè)種植的微利運(yùn)營讓農(nóng)業(yè)抵御自然和市場風(fēng)險(xiǎn)的能力減弱，研發(fā)新型自動化農(nóng)業(yè)機(jī)械將成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段。

四是隨著年輕一代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者加入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，知識素質(zhì)進(jìn)一步提高，操作自動化農(nóng)業(yè)機(jī)械成為必然的發(fā)展要求。

五是自動化水稻插秧機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一人多控，不僅減少了農(nóng)業(yè)種植行業(yè)的人力投入，同時可以快速實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化。

目前，北大荒集團(tuán)農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化率已達(dá)到99.9%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)已覆蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程，在高機(jī)械化率的前提下，市場空間仍然很大，需要研發(fā)的方向便是對農(nóng)業(yè)機(jī)械提檔升級，利用標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、自動化節(jié)約人力成本，縮短非作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。

四、研發(fā)新型自動化水稻插秧機(jī)的可行性

水田面積相對旱田較固定，水田利用的農(nóng)業(yè)機(jī)型也較固定，同時作業(yè)場景相對固定，從水稻種植作業(yè)程序上看，水稻種子從工廠化浸種催芽到標(biāo)準(zhǔn)的育種大棚，秧苗盤標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，運(yùn)秧苗也可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的工廠化、立體化，自動化程度較高，再轉(zhuǎn)移到水稻插秧機(jī)上也可實(shí)現(xiàn)自動傳輸，因此研發(fā)全自動水稻插秧機(jī)可實(shí)現(xiàn)全作業(yè)過程的無縫對接。北大荒集團(tuán)得天獨(dú)厚的組織化、機(jī)械化、規(guī)模化優(yōu)勢和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)優(yōu)勢為發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)奠定了良好基礎(chǔ)，北大荒水田地塊相對較大，適合稍大型水稻插秧機(jī)作業(yè)，三江平原地勢開闊，衛(wèi)星信號接收較好，適合無人駕駛場景，同時北大荒現(xiàn)有農(nóng)機(jī)作業(yè)基礎(chǔ)較高，道路和地塊條件更優(yōu)，農(nóng)機(jī)提檔升級更易操作。

新型自動化水稻插秧機(jī)是一種全新的無人駕駛自動插秧機(jī)，插秧機(jī)本體包括行駛控制部及與行駛控制部連接的插秧部，插秧部一端設(shè)有自動續(xù)秧部，行駛控制部包括圓形轉(zhuǎn)動底盤，圓形轉(zhuǎn)動底盤上部設(shè)有自動行駛控制部及電池，圓形轉(zhuǎn)動底盤下部設(shè)有若干行駛輪，行駛輪的軸側(cè)設(shè)有電驅(qū)轉(zhuǎn)向部，圓形轉(zhuǎn)動底盤上部還設(shè)有支架，支架設(shè)有存秧部，存秧部與自動續(xù)秧部連接。行駛輪數(shù)量為4個。插秧部靠近行駛控制部的下部設(shè)有擋泥刮平板。圓形轉(zhuǎn)動底盤為360度轉(zhuǎn)動盤。當(dāng)使用時，通過行駛輪完成道路和田間行走，電驅(qū)轉(zhuǎn)向部提供直角轉(zhuǎn)向，并通過電機(jī)驅(qū)動行駛輪完成進(jìn)退行走，行駛控制部的電池固定安裝在圓形轉(zhuǎn)動底盤上，可節(jié)約機(jī)械空間。

無人駕駛基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，搭配AI智能算法，可自動控制速度、轉(zhuǎn)向，作業(yè)過程完全模擬人工操作，將機(jī)械化農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，利用先進(jìn)的測繪地理信息技術(shù)手段助推智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)空間信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)核心資源數(shù)字化、信息化。未來機(jī)械化作業(yè)面積會隨著土地流轉(zhuǎn)逐年規(guī)模化，適合新型智能化農(nóng)機(jī)作業(yè)，農(nóng)機(jī)應(yīng)用場景優(yōu)勢明顯。機(jī)械自動化相比人工有較多優(yōu)勢，機(jī)器不會疲勞，作業(yè)時間可隨時增加，受陰雨作業(yè)環(huán)境影響小，自動化無人駕駛白天黑夜均可作業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。計(jì)算規(guī)劃好作業(yè)路徑和方案，配比設(shè)定預(yù)插秧苗數(shù)量，降低續(xù)苗時間，提高作業(yè)效率，大力壓縮農(nóng)業(yè)種植時間，為搶種搶收贏得時間優(yōu)勢，盡可能降低自然風(fēng)險(xiǎn)。作業(yè)間隔縮短，會增加農(nóng)作物的生長時間，便于統(tǒng)一管理，提升統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時，自動化水稻插秧機(jī)采用電驅(qū)動和電控制，方便操作，實(shí)現(xiàn)自動化更容易，減少了機(jī)械設(shè)備的不穩(wěn)定性和不確定性，更有利于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和對話，為研發(fā)新型自動化水稻插秧機(jī)提供了可行性。另外，電控制可減少傳統(tǒng)燃料機(jī)械的維修保養(yǎng)成本，體積更小、自重更輕，方便設(shè)計(jì)傳輸控制，更適合水田作業(yè)場景。

五、新型自動化水稻插秧機(jī)的發(fā)展前景

根據(jù)傳統(tǒng)插秧機(jī)在工作中需要人工駕駛和人工續(xù)秧盤的實(shí)際情況，為減少人工成本，提高插秧機(jī)作業(yè)效率，需要研究開發(fā)出一款無人駕駛可直角轉(zhuǎn)向的電驅(qū)動自動化水稻插秧機(jī)，從而減少人工駕駛和人工續(xù)秧盤工作程序，降低種植成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間，自主研發(fā)具有知識產(chǎn)權(quán)的新型農(nóng)機(jī)，關(guān)鍵是找準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植的機(jī)械需求，利用新的技術(shù)改善現(xiàn)有農(nóng)機(jī)作業(yè)的不足之處，充分發(fā)揮自動化、智能化、無人化、新能源化的技術(shù)優(yōu)勢研發(fā)新型機(jī)械，適應(yīng)市場需求。現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)需要現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)，面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者老齡化、人工短缺的現(xiàn)實(shí)問題，自動控制系統(tǒng)能節(jié)省人力，可實(shí)現(xiàn)一人控制多臺農(nóng)機(jī)，未來現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)更需要年輕化、標(biāo)準(zhǔn)化、程序化的專業(yè)操作技術(shù)人員。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)已覆蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程，新的研發(fā)方向是對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行提檔升級，利用新能源化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、自動化等技術(shù)手段節(jié)約人力成本，縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步完善、自動控制系統(tǒng)的快速進(jìn)步、5G技術(shù)的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械更應(yīng)順應(yīng)時代潮流，滿足新時代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的需求。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新特點(diǎn)和新需求，研發(fā)創(chuàng)造更多適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新型農(nóng)機(jī)，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者老齡化、人工短缺的現(xiàn)實(shí)問題，讓農(nóng)業(yè)的粗放經(jīng)營、非標(biāo)準(zhǔn)化、零散化變成歷史，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步變成標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)車間，提升規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化效益，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得簡單。

本文探索的新型自動化水稻插秧機(jī)包括電驅(qū)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向底盤、插秧系統(tǒng)、自動續(xù)秧系統(tǒng)、臨時存秧苗系統(tǒng)等部分，從而實(shí)現(xiàn)智能化、自動化插秧目的，在實(shí)施過程中提高了工作效率，功能性強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)上具有一定的創(chuàng)新性。

六、新型自動化水稻插秧機(jī)的效益分析

以北大荒集團(tuán)為例，每年水稻種植面積為2200萬畝，水稻種植工作期在15天左右，屬于人工密集型種植業(yè)，因此在插秧季節(jié)需要大量的水稻插秧機(jī)同時作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北大荒集團(tuán)現(xiàn)擁有水稻插秧機(jī)10.3萬臺，在水稻插秧實(shí)際工作中，水稻插秧機(jī)由1名駕駛員和2名續(xù)秧盤人員共同配合才能完成水稻插秧工作。特別是在春季大面積插秧期間，人員較為缺乏，駕駛員每人每天300元、續(xù)秧人員每人每天300元左右，直接增加了種植成本，按照每天插秧50畝估算，人工成本就是900元，每畝人工成本18元，僅北大荒集團(tuán)2200萬畝水稻，種植完初步保守估算駕駛員和續(xù)秧盤人員的人工成本就高達(dá)近3.96億元。農(nóng)業(yè)是微利行業(yè)，每一項(xiàng)成本都會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，減少成本會直接增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的利潤。研發(fā)新型自動化插秧機(jī)，以8行為例，一次可帶秧苗50盤，可實(shí)現(xiàn)1個來回不間斷作業(yè)，1天可節(jié)省時間2小時，提高作業(yè)面積到60畝。如果將研發(fā)的無人駕駛自動續(xù)秧水稻插秧機(jī)全面推廣，每年能為北大荒集團(tuán)水稻插秧節(jié)約人工成本近3.96億元，每畝至少可增收18元。數(shù)據(jù)顯示，近5年來我國水稻播種面積整體維持在3000萬公頃以上，截至2020年，我國水稻播種面積為3008萬公頃，同比增長1.3%，無人駕駛自動插秧機(jī)面向全國推廣，可為中國水稻種植業(yè)節(jié)省一筆不小的人工成本。因此，發(fā)展現(xiàn)代化、自動化、智能化、無人化、新能源化的水稻插秧機(jī)是未來的主流，而且發(fā)展前景巨大。