農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

李福周 張繼福

（山東省濰坊市臨朐縣五井鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 濰坊 262603）

農(nóng)機(jī)自動(dòng)技術(shù)的有效利用，具體表現(xiàn)在農(nóng)機(jī)程序開發(fā)期間。此技術(shù)能夠有效融合氣壓科技、計(jì)算機(jī)算法、智能控制等先進(jìn)技術(shù)，以此提升農(nóng)機(jī)運(yùn)行的智能性，保證田間耕作有序性。農(nóng)機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)，可顯著降低農(nóng)民生產(chǎn)壓力，提升田間耕作的高效性，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有效進(jìn)行。為此，研究農(nóng)機(jī)自動(dòng)科技應(yīng)用情況，暢想農(nóng)機(jī)未來應(yīng)用，具有一定研究價(jià)值。

1.農(nóng)機(jī)自動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用情況

1.1 智能顯示屏

將智控技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)設(shè)備改造中，于農(nóng)機(jī)駕駛室位置裝設(shè)智能顯示屏，能夠幫助動(dòng)態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物的生長進(jìn)度。此外，在智能顯示屏中，還可以添加作物檢測程序，排查環(huán)境因素對(duì)農(nóng)作物生長形成的負(fù)面作用。利用智能顯示屏，反饋各類農(nóng)務(wù)信息，保證農(nóng)業(yè)種植的可控性，提升各項(xiàng)農(nóng)務(wù)的調(diào)節(jié)智能性，有序推進(jìn)各項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

1.2 視覺技術(shù)

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)檢工作中，積極利用視覺技術(shù)，全面評(píng)價(jià)農(nóng)產(chǎn)品性能，合理征集農(nóng)產(chǎn)品的環(huán)境特點(diǎn)，以此逐步提升農(nóng)產(chǎn)品種植工藝的完善性。視覺技術(shù)廣泛用于西方國家，此技術(shù)推廣后，采蘑菇智能程序也被研發(fā)成功。在視覺技術(shù)的支持下，機(jī)器人可準(zhǔn)確鎖定蘑菇方位，準(zhǔn)確劃分蘑菇類型，增強(qiáng)采蘑菇農(nóng)務(wù)的高效性。

1.3 自動(dòng)種植設(shè)備

農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)顯著提升了生產(chǎn)能力，智能控制程序的運(yùn)用對(duì)種苗深度、種植密度、智能施肥等參數(shù)，給出了精準(zhǔn)控制策略，以此成功替代初期機(jī)械生產(chǎn)體系。在原有的農(nóng)業(yè)種植工藝中，拖拉機(jī)設(shè)備獲得了有效應(yīng)用，并且顯著優(yōu)化了生產(chǎn)質(zhì)量，減少了人為作業(yè)量。生產(chǎn)期間，需2至3名種植人員，較高的人工需求，限制了農(nóng)機(jī)發(fā)展。借助智能技術(shù)，有效解決人工勞動(dòng)需求問題，提升智能體感、網(wǎng)絡(luò)科技的融合質(zhì)量，研發(fā)獲得自動(dòng)種植設(shè)備，全程精準(zhǔn)控制農(nóng)藝參數(shù)，無須人工操作，可減少人員勞動(dòng)量，顯著增強(qiáng)種植能效。如表1所示，是農(nóng)機(jī)深松、一般農(nóng)耕方式的對(duì)比結(jié)果。

表1 農(nóng)機(jī)深松、一般農(nóng)耕方式的對(duì)比結(jié)果

由表1對(duì)比結(jié)果可知：農(nóng)機(jī)深松的耕作深度是旋耕農(nóng)藝的2倍、蓄水量是旋耕農(nóng)藝的4倍、含水量是旋耕農(nóng)藝的1.5倍、作物產(chǎn)量是旋耕農(nóng)藝的1.15倍，可見農(nóng)機(jī)深松的耕作深度參數(shù)較大，蓄水、含水能力較強(qiáng)，作物產(chǎn)量較高，證明農(nóng)機(jī)生產(chǎn)相比人工旋耕更具優(yōu)勢。

1.4 種苗檢測

農(nóng)業(yè)播種、收割等各項(xiàng)生產(chǎn)農(nóng)藝，均可以有效利用自動(dòng)科技。種苗檢測技術(shù)的運(yùn)用，能夠基于計(jì)算機(jī)程序，動(dòng)態(tài)監(jiān)測種苗生長情況，增強(qiáng)種植管理的智能性。種苗檢測技術(shù)，可動(dòng)態(tài)反饋苗木生產(chǎn)數(shù)據(jù)，智能劃分產(chǎn)品類型，給出種植決策，以此保障產(chǎn)品成活量，獲取較高的農(nóng)藝生產(chǎn)收益。聯(lián)合氣象系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)的苗木生長情況，便于人們給出干預(yù)措施，達(dá)到增產(chǎn)增收的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。

1.5 自動(dòng)收割

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中，自動(dòng)收割工藝的應(yīng)用范圍較廣。依據(jù)農(nóng)產(chǎn)品種類，可將智能收割工藝融合于收割管理平臺(tái)中。使用智能收割技術(shù)，有利于高效采摘農(nóng)產(chǎn)品，可減少人工采摘壓力，縮短收割用時(shí)，優(yōu)化勞動(dòng)支出，獲取優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，切實(shí)回避農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

1.6 自動(dòng)灌溉

自動(dòng)灌溉科技，主要借助計(jì)算機(jī)程序而開展自動(dòng)生產(chǎn)控制，有利于準(zhǔn)確測定田間含水量。此種技術(shù)，可結(jié)合農(nóng)田墑情，自動(dòng)生成添加含水量的分析數(shù)據(jù)，適合于農(nóng)田種植實(shí)況，可人為設(shè)計(jì)含水量的警告值，在含水量接近警告值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)進(jìn)行智能補(bǔ)水，保證土壤含水量的充足性。

1.7 車載監(jiān)控

車載監(jiān)控技術(shù)，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如果農(nóng)機(jī)存在故障、設(shè)備異常等問題，會(huì)給出有效解決方案，以此有效排除農(nóng)機(jī)生產(chǎn)問題，增強(qiáng)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的安全性。農(nóng)機(jī)生產(chǎn)人員可以運(yùn)用車載智能平臺(tái)，全面整合農(nóng)機(jī)生產(chǎn)資料，給出精細(xì)生產(chǎn)方案，顯著增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)效。車載技術(shù)應(yīng)用期間，有效聯(lián)合定位技術(shù)，可實(shí)時(shí)獲取農(nóng)機(jī)定位信息。

2.對(duì)比自動(dòng)灌溉、手動(dòng)灌溉的農(nóng)務(wù)效果

2.1 水生產(chǎn)率的含義

關(guān)于水生產(chǎn)率的含義有多種解釋。灌溉領(lǐng)域中，用水效率具體表示作物灌溉水量的有效性，灌溉期間消耗的水量。水利用率，具體表示作物水量不充足時(shí)，較高的水利用率，生產(chǎn)作物會(huì)擁有較強(qiáng)的生產(chǎn)能力。可采取作物水生產(chǎn)率的調(diào)節(jié)方式，間接增強(qiáng)農(nóng)作物的耐旱能力。作物生產(chǎn)量，主要使用生物量總和、種子重量等參數(shù)進(jìn)行表示。多數(shù)情況下，水生產(chǎn)率等于作物產(chǎn)量與灌溉量、蒸騰量的比值。結(jié)合水生產(chǎn)率的墑情含義，使用一種智能水位監(jiān)測程序，結(jié)合植物用水需求，智能灌溉。系統(tǒng)組成含有濕度感應(yīng)設(shè)備、傳感設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、水位控制單元。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感設(shè)備能夠依據(jù)相對(duì)濕度RH浮動(dòng)情況，相應(yīng)變動(dòng)電容參數(shù)。濕度傳感設(shè)備可視為脈沖寬度，保證系統(tǒng)連接質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)合相對(duì)濕度的變動(dòng)情況，有效調(diào)整輸出脈沖的寬度參數(shù)。針對(duì)已經(jīng)輸出的脈沖參數(shù)，可以給出濾波處理，獲取脈沖平均參數(shù)，有效調(diào)整脈沖寬度，使其轉(zhuǎn)變成直流電平。此時(shí)獲取的直流電平參數(shù)，可作為相對(duì)濕度RH的測定結(jié)果。此參數(shù)傳輸至“比較器”，結(jié)合植物水量需求，對(duì)比RH與前期設(shè)計(jì)的參數(shù)。“比較器”傳輸完成，相應(yīng)啟動(dòng)繼電器。運(yùn)行的繼電器與電動(dòng)輸水管線相連，保證植物獲取灌溉水。灌溉量參照預(yù)期水量標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 測定植物生產(chǎn)狀態(tài)

以山東某農(nóng)區(qū)作物為例，在開展自動(dòng)灌溉生產(chǎn)的過程中，可以利用相應(yīng)技術(shù)，測定植物的生產(chǎn)狀態(tài)。以小麥作物為例，選擇硬粒小麥品種，于播種期間，將土壤肥料用量、沙子容量的比值設(shè)置為1比3，混合后裝進(jìn)塑料瓶中。灌溉前期，采取花盆灌溉形式，持續(xù)灌溉14d。灌溉完畢，將植物劃分兩組，一組植物采取人工灌溉養(yǎng)護(hù)，二組植物采取自動(dòng)灌溉技術(shù)。設(shè)定兩種田間含水等級(jí)：40%、80%。一組農(nóng)作物間隔2d稱量一次花盆質(zhì)量，添加適當(dāng)水量，使灌溉達(dá)到預(yù)期水位，以此保證土壤含水量。二組作物，采取自動(dòng)灌溉技術(shù)，智能補(bǔ)水。試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束，測量兩組作物高度、植物鮮重、植物干重，以此判斷兩種灌溉方式的光合作用效果。

2.4 植物高度對(duì)比

如表2所示，是自動(dòng)灌溉、手動(dòng)灌溉兩種方法的小麥作物墑情對(duì)比結(jié)果。

表2 自動(dòng)灌溉、手動(dòng)灌溉兩種方法的小麥作物高度對(duì)比

由表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：手動(dòng)與智能兩種灌溉方式，整體作物高度差異不明顯。在40%含水量情況下，自動(dòng)灌溉地上植物高度較高；80%含水量時(shí)，手動(dòng)灌溉地上植物高度略高，但是不如80%含水量下兩種灌溉方法下的植物高度差異顯著。由此推斷：當(dāng)田間含水量為40%時(shí)，自動(dòng)灌溉方法能夠在減少用水的情況下使植物高度達(dá)到最高水平，而手動(dòng)灌溉方法在耗費(fèi)更多水資源的情況下也未能達(dá)到自動(dòng)灌溉方法的水平。

2.5 植物鮮重對(duì)比

如表3所示，是自動(dòng)、手動(dòng)兩種灌溉方式的植物鮮重對(duì)比結(jié)果。

表3 自動(dòng)灌溉、手動(dòng)灌溉兩種方式的小麥作物鮮重對(duì)比

由表3可知：在40%含水量情況下，自動(dòng)灌溉地上作物鮮重略高；80%含水量時(shí)，兩種灌溉方法的植物鮮重并無較大差異。由此推斷：當(dāng)田間含水量為40%時(shí)，智能灌溉技術(shù)可動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤狀態(tài)，比如溫度、含水量等情況，智能灌溉，具有較強(qiáng)的節(jié)水功能，可顯著提升灌溉效率。

2.6 對(duì)比植物干重

從植物地上、根系、整體質(zhì)量出發(fā)，逐一測量植物干重，分析植物的生長情況。40%含水與80%含水量相比，人工灌溉方式的地上作物高度較小。兩種含水量條件下，自動(dòng)灌溉養(yǎng)護(hù)的作物，地上高度并無較大差異。由此說明：自動(dòng)灌溉可有效補(bǔ)充水分，保持作物的生長能力，整體植物干重值較高，相比手動(dòng)灌溉具有一定灌溉優(yōu)勢。

2.7 光合作用分析

光合作用具體表示植物轉(zhuǎn)化成生物量的過程，轉(zhuǎn)化的生物量是判定作物經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素。光合作用分析期間，需要以40%含水量作為灌溉條件，手動(dòng)灌溉形成的綠植光合作用持續(xù)時(shí)間較短，在1000umol·m2·s-1時(shí)間點(diǎn)，開始減慢光合作用。此時(shí)自動(dòng)灌溉的作物，光合作用較為穩(wěn)定，1500umol·m2·s-1時(shí)應(yīng)保持光合作用。80%含水量的條件下，手動(dòng)灌溉會(huì)抑制光合作用，引起光合作用減退、光合速度變緩，甚至出現(xiàn)停止光合作用的情況。植物生長對(duì)水形成了較高需求，如果灌溉量減少，會(huì)相應(yīng)降低光合作用速度，從而降低作物生長能力，減少作物產(chǎn)量。如果依據(jù)作物需求，田間含水量控制視角，合理添加濕度傳感器，可有效提升節(jié)水量，增加作物光合作用。

3.智慧農(nóng)機(jī)應(yīng)用的未來發(fā)展

3.1 墑情智能分析

未來，結(jié)合農(nóng)機(jī)應(yīng)用情況，應(yīng)提高田間墑情分析的智慧性。對(duì)此，可以建立精準(zhǔn)分區(qū)、智能灌溉的數(shù)據(jù)模型，給出更精確的補(bǔ)水方案。可使用SPAC平臺(tái)，深入探究水分傳輸思想。參照作物根系的實(shí)際特點(diǎn)，準(zhǔn)確獲取土壤墑情，給出明確澆灌方案，提升灌溉精準(zhǔn)性。結(jié)合各類作物的生長條件，整合各類含水量的種植結(jié)果，逐步獲取最佳的灌溉決策，以此順應(yīng)作物生長需求。自動(dòng)灌溉科技的運(yùn)用，依賴于全面的土壤墑情分析。研發(fā)人員可結(jié)合土壤墑情，設(shè)定精準(zhǔn)調(diào)控項(xiàng)目，從土壤成分、酸堿值、含水量等方面，逐一建立墑情管理指標(biāo)，以此保證灌溉決策的精確性，切實(shí)構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，獲取優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物，積極防控水肥流失問題。

3.2 收菜機(jī)器人

積極研發(fā)多種智慧機(jī)器人，從行走路線、設(shè)備定位、動(dòng)作調(diào)節(jié)、作物抓取、作物切割等視角，進(jìn)行收菜機(jī)器人研發(fā)。現(xiàn)有的智能技術(shù)，能夠持續(xù)進(jìn)行作物收割。未來智慧型收菜機(jī)器人，應(yīng)智能分析作物的成熟度，智能收割農(nóng)作物，防止未成熟作物提早收割問題，增強(qiáng)收菜智慧性。此技術(shù)研發(fā)時(shí)，可增加作物成熟度分析程序，對(duì)作物外觀大小、外表色彩進(jìn)行智能判斷，以此構(gòu)建智慧型收菜程序，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3.3 國企研發(fā)和私企研發(fā)同步進(jìn)行

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)必須投入大量的時(shí)間、精力、資金，這樣才能完成對(duì)各種不同類型農(nóng)業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)和銷售等工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)測自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化、農(nóng)產(chǎn)品裝檢機(jī)械化、農(nóng)業(yè)管理精準(zhǔn)化目標(biāo)。私企受限于資金和研發(fā)回報(bào)率等因素，因此研發(fā)力度有限，相對(duì)而言，國企可以投入更多時(shí)間、精力、資金對(duì)生產(chǎn)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)產(chǎn)品裝檢、農(nóng)業(yè)管理等類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)。因此未來農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)必將由國企主導(dǎo)研發(fā)工作，國企和私企共同合作，相互依存相互發(fā)展。

3.4 實(shí)現(xiàn)圖像感知技術(shù)應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)圖像感知技術(shù)逐步成熟，將圖像感知技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中，可強(qiáng)化機(jī)械設(shè)備使用功能，能夠推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。在圖像識(shí)別功能作用下，種植戶能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物的生長情況，科學(xué)控制農(nóng)作物灌溉量和施肥量。農(nóng)業(yè)灌溉期間，依托傳感器和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物自動(dòng)灌溉，并根據(jù)溫度/濕度傳感器反饋的信息，掌握農(nóng)作物當(dāng)前生長態(tài)勢及水分需求，合理調(diào)整土壤溫度和濕度，為農(nóng)作物生長創(chuàng)造良好的環(huán)境條件。在節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用下，有效優(yōu)化水資源配置體系，切實(shí)提高水資源的農(nóng)務(wù)利用率，解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉水量大、水資源浪費(fèi)問題。圖像感知技術(shù)支持下，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物病蟲害的防控，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長的精細(xì)化管理，降低人工管理難度，保證農(nóng)作物的生長品質(zhì)，助推現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

未來智慧農(nóng)業(yè)體系構(gòu)建時(shí)，需增強(qiáng)圖像感知技術(shù)應(yīng)用的智慧性，從節(jié)水、施肥、防病害等視角，逐一針對(duì)農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行分析，給出未來3天至5天內(nèi)可能發(fā)生的作物危害，便于作物管理員及時(shí)作出防范處理，消除環(huán)境因素帶來的不利因素。比如，智能墑情分析系統(tǒng)聯(lián)合氣象觀測平臺(tái)，分析未來幾日內(nèi)的天氣狀況，結(jié)合作物生產(chǎn)情況，給出田間管理決策，以此增強(qiáng)墑情分析的預(yù)測能力。

4.結(jié)論

綜上所述，農(nóng)機(jī)自動(dòng)科技的合理開發(fā)、規(guī)范應(yīng)用，是國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要選擇。智能生產(chǎn)視域下，自動(dòng)灌溉、智能收割等應(yīng)用，逐漸增加了農(nóng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其全面融合農(nóng)務(wù)生產(chǎn)，成為農(nóng)務(wù)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿Γ帿@取優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能性。在未來，將會(huì)智慧分析墑情，給出農(nóng)業(yè)決策，構(gòu)建自動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，以此建立智慧農(nóng)業(yè)，切實(shí)推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展。