傳統(tǒng)植保噴藥機使用現(xiàn)狀及變量噴霧技術(shù)應(yīng)用

劉 麗

（長春科技學院，吉林 長春 130600）

農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基本保證。現(xiàn)階段，隨著農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)現(xiàn)代化、機械化的發(fā)展，植保機械化作業(yè)已有效取代了傳統(tǒng)的人工噴灑作業(yè)，大大提高了植保噴霧在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的效率和安全性。但與此同時，傳統(tǒng)的植保噴藥機存在農(nóng)藥用量過多、噴灑均勻度過大、環(huán)境污染嚴重等問題，在機械操作中并沒有得到實際解決，導(dǎo)致目前噴灑的藥物繼續(xù)用于大劑量連續(xù)噴灑作業(yè)。農(nóng)藥的不合理使用不僅會造成藥物浪費和環(huán)境污染，而且還會造成農(nóng)作物質(zhì)量下降等問題。變量噴霧技術(shù)是在傳統(tǒng)的大面積植保噴霧技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型植保技術(shù)。它適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常運作，在節(jié)能、環(huán)保和食品安全方面發(fā)揮了積極作用。

1 傳統(tǒng)植保噴藥機使用現(xiàn)狀

如今，中國的農(nóng)藥技術(shù)發(fā)展迅速。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥有200多種，可以防治大多數(shù)病蟲害。然而，現(xiàn)階段生產(chǎn)中使用的機器噴涂技術(shù)水平還比較落后。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國植保機械農(nóng)藥平均有效使用率僅為20%～30%，而發(fā)達國家的植保機械農(nóng)藥總使用率超過50%，農(nóng)藥噴藥機械使用率低給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)帶來了許多不利影響[1]。

1.1 性能有待提高

從我國現(xiàn)階段使用的植保噴藥機產(chǎn)品來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多采用結(jié)構(gòu)簡單的低成本產(chǎn)品。在設(shè)計和制造過程中缺乏對噴藥合理性的研究，實際使用過程中霧化不良，藥物覆蓋不合理，導(dǎo)致噴藥效果不理想，部分機具存在農(nóng)藥泄漏，造成了農(nóng)業(yè)用地的嚴重污染。

1.2 機具結(jié)構(gòu)設(shè)置尚需改進

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作經(jīng)營的增多，農(nóng)業(yè)經(jīng)營用地面積逐漸擴大，對連片土地的噴灑效率有了更高的要求。大中型噴頭比例不足，小型機具作業(yè)效率低。小型機具和寬幅機具的噴灑作業(yè)需要多次行程才能完成作業(yè)任務(wù)，不僅噴灑效率低，不利于及時防治病蟲害，而且增加了噴灑失敗的可能性，影響最終的植保效果。

1.3 操作不規(guī)范

手動操作對操作質(zhì)量有重大影響，植保操作的噴灑過程受到駕駛員主觀判斷的影響。由于缺乏對病蟲害程度的科學評估，直接噴灑藥品會出現(xiàn)噴灑過量或噴灑不足等問題。同時，噴涂高度和機具的行駛速度也會對噴涂后的實際效果產(chǎn)生重大影響。

2 變量噴霧技術(shù)原理及其相關(guān)技術(shù)

變量噴霧技術(shù)的主要原理是分析作物的實際情況，通過計算數(shù)據(jù)調(diào)整噴霧量和噴霧方法，以最小的農(nóng)藥噴灑量獲得最佳的防治效果。在變量噴霧技術(shù)的發(fā)展過程中，雖然在實現(xiàn)變量噴霧的邏輯上存在一些差異，但其組成原理和運行機理有許多相似之處。一般來說，變量噴霧技術(shù)的過程主要涉及環(huán)境信息的獲取、位置信息的獲取、執(zhí)行動作的感知、數(shù)據(jù)處理和控制、泵體和噴嘴的控制等。利用計算機技術(shù)進行邏輯分析、信息處理和決策是變量噴霧技術(shù)運行的核心。在運行過程中，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和傳感器技術(shù)獲取環(huán)境、位置和性能結(jié)果等信息，供計算機分析和處理。根據(jù)種植區(qū)域的實際情況，計算并修正噴灑率和噴灑位置，以便靈活調(diào)整噴灑過程。

2.1 基于變量噴霧技術(shù)噴藥機簡介

傳統(tǒng)的噴灑作業(yè)將被病蟲害破壞的作物程度視為對管理造成相同程度損害的對象，不能區(qū)分被害的嚴重程度。事實上，即使是同一種病蟲草害的嚴重程度也不完全相同，具有明顯的時空差異。因此，傳統(tǒng)的大面積均勻噴涂方法容易造成局部區(qū)域過度噴涂。在傳統(tǒng)的噴霧作業(yè)中農(nóng)藥使用率只有三分之一[2]。過量噴灑農(nóng)藥不僅污染了農(nóng)業(yè)環(huán)境、水土，而且增加了種植成本，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留率超標。通過完善的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的計算機化和自動化，開始了變量噴霧技術(shù)的研究和應(yīng)用，以進一步精確應(yīng)用和高效噴涂。變量噴霧技術(shù)是現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)的代表，它是在原有均勻噴灑設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星定位、擴散控制等先進技術(shù)增強的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，可以根據(jù)病蟲害的情況精確用藥。自動噴涂設(shè)備主要由噴涂機、控制器、衛(wèi)星定位裝置和牽引機械組成。使用時，首先通過衛(wèi)星定位病蟲害的位置及其自身的位置，然后根據(jù)該地區(qū)病蟲害的危害程度自動調(diào)整噴灑量，提高使用效率，盡量減少過量使用農(nóng)藥造成的負面影響。

2.2 基于變量噴霧技術(shù)噴藥機技術(shù)原理

2.2.1 衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位是一個可以提供不同位置信息的變量。在變量噴灑過程中，衛(wèi)星定位需要兩次[3]。第一個位置是獲取與位置信息相關(guān)的病蟲害和雜草的空間分布信息，然后使用專家系統(tǒng)根據(jù)這些信息獲取不同作業(yè)區(qū)域所需的噴灑劑量，并繪制噴霧處方圖；第二個是確定機器和噴涂設(shè)備的位置。灌溉設(shè)備中的衛(wèi)星接收器和計算機應(yīng)根據(jù)處方位置和相對地圖上提供的信息，從該點提取灌溉操作要求，并將信息指令傳輸至變量控制系統(tǒng)，使噴灑裝置能夠根據(jù)農(nóng)作物病蟲害的信息進行可變噴灑操作。目前，北斗技術(shù)是中國最常用的精確定位農(nóng)業(yè)研究的技術(shù)。采用自主差分定位可以提高子測量層面的定位精度，完全滿足我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

2.2.2 病蟲害信息實時獲取

獲取相關(guān)病蟲害實時信息的技術(shù)基礎(chǔ)是GPS定位，獲取方法主要取決于現(xiàn)場取樣和實驗室分析。現(xiàn)場采樣要求在現(xiàn)場安裝衛(wèi)星設(shè)備，調(diào)查病蟲害情況，對病蟲害信息進行實時原始分析，并將該點的位置和病蟲害信息輸入計算機，完成病蟲害信息的收集。信息處理必須輔之以地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測員收集的信息建立一個空間信息數(shù)據(jù)庫，包括自然條件、現(xiàn)狀以及病蟲害的演變，并根據(jù)使用要求進行圖形和統(tǒng)計轉(zhuǎn)換，為噴涂決策過程提供依據(jù)。

2.2.3 噴霧制度設(shè)置

噴霧制度應(yīng)由農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)確定。農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)包括專家數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)將根據(jù)收集和處理的地理信息和病蟲害信息，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，制定最合理的噴霧制度，確定噴灑范圍、噴灑量和噴灑時間。如果數(shù)據(jù)庫有錯誤或?qū)嶋H噴灑效果不理想，也可以修改數(shù)據(jù)庫和噴灑信息系統(tǒng)。首先，計算機將根據(jù)設(shè)備的位置比較處方圖中的病蟲害信息，確定設(shè)備的單位劑量，并計算單位時間內(nèi)整個系統(tǒng)所需的流量；通過與流量計采集的數(shù)據(jù)進行比較，得出流量調(diào)節(jié)量，最終確定可變噴霧方案。

2.2.4 噴霧方案實施

噴灑決定的實施應(yīng)由控制信號進行管理。控制信號是根據(jù)噴灑處方圖計算出的相應(yīng)流量控制信號，如設(shè)備的位置信號、噴灑壓力信號、速度信號和噴灑模式。決策系統(tǒng)確定展開模式后，計算機控制臺向伺服放大器發(fā)送展開指令信號，放大后的伺服指令控制信號傳回伺服閥。伺服閥激活噴灑泵和其他執(zhí)行器，根據(jù)噴灑系統(tǒng)中定義的流量參數(shù)執(zhí)行噴灑操作[4]。此外，在噴涂作業(yè)過程中，壓力傳感器、空速雷達等信號采集單元將實時向控制系統(tǒng)傳輸噴涂壓力、流量、設(shè)備位置、行駛速度等參數(shù)，然后計算機將實時記錄灌溉操作的參數(shù)；同時，根據(jù)控制方案，執(zhí)行器由返回信號控制，以調(diào)整和校正各種參數(shù)，從而執(zhí)行可變噴霧。

3 變量噴霧技術(shù)運用

3.1 噴霧作物的探測與識別

3.1.1 噴霧目標形貌探測與識別

現(xiàn)階段，植物形態(tài)檢測技術(shù)在水果果園和花卉種植園中非常普遍。在這個地方有許多共同的差距。假設(shè)使用較為落后的連續(xù)均勻噴灑方法，會在林間隙區(qū)域噴灑大量農(nóng)藥，造成大量農(nóng)藥殘留和一定的環(huán)境破壞。針對這一現(xiàn)象，開發(fā)了一種變噴霧技術(shù)中的三態(tài)噴霧系統(tǒng)，即當噴嘴朝向樹木時開啟，當噴嘴朝向開口區(qū)域時關(guān)閉。這個系統(tǒng)主要采用基于超聲波的智能傳感器建立目標檢測系統(tǒng)，采用中噴、全噴和無噴三種狀態(tài)的調(diào)節(jié)方案。

3.1.2 噴霧目標密度探測與識別

在目標噴灑中，重點是作物形態(tài)的檢測。但是隨著研究的深入，如果只考慮操作的形態(tài)，噴灑對象就不能充分反映出來，當農(nóng)作物具有差不多的體積時，農(nóng)作物的密度也會對噴灑效果產(chǎn)生影響。許多國內(nèi)外專家逐漸研究農(nóng)作物的密度。基于此，國外公司開發(fā)了一種基于超聲波的智能傳感器[5]。傳感器采用單頭信號收發(fā)系統(tǒng)，有效探測距離在兩米之內(nèi)。然而，該傳感器探測范圍也會受制于農(nóng)作物目標的表面特性和超聲波入射角的限制。因此，超聲波的智能傳感器還可以自定義設(shè)置靈敏度，利用這一功能可以抵消農(nóng)作物目標特性帶來的誤差，以獲得關(guān)于農(nóng)作物物體密度的相關(guān)情況。

3.1.3 噴霧目標病蟲害探測與識別

說到檢測技術(shù)，經(jīng)常想到遠程空間檢測和機載有害生物檢測技術(shù)[6]。然而，通過使用衛(wèi)星遙感和航空探測技術(shù)獲得的有關(guān)作物害蟲的大多數(shù)信息都是大規(guī)模信息，適合管理決策的范圍，不適用于實時可變量噴灑。近年來，隨著噴藥技術(shù)的不斷進步，以及對不同農(nóng)田實時噴灑的需求，田間害蟲檢測技術(shù)和害蟲分析方法的研究實現(xiàn)了長足的發(fā)展[7]。這些新興技術(shù)主要是利用工業(yè)攝像機和光譜儀的結(jié)合來實時收集農(nóng)作物病蟲害信息，并通過機器學習、深度學習等人工智能算法分析所采集的圖像和光譜信息，以便分類和鑒定作物病害。

3.2 變量噴霧智能控制技術(shù)

3.2.1 噴霧壓力智能調(diào)節(jié)

通過調(diào)節(jié)噴射壓力來控制流量是最原始的可以改變噴射變量的流量控制技術(shù)，習慣稱之為壓力調(diào)節(jié)。隨著噴霧流量的增加，噴霧液滴的分布范圍將越來越大，粒徑縮小的趨勢將顯而易見，這將增加液滴的速率和液滴的動能。在達到常規(guī)噴淋量之前，能耗將低于正常值，降低能耗[8]。此外，變壓噴涂對霧化特性影響較大，控制和調(diào)節(jié)范圍較小，工作調(diào)節(jié)原理簡單，易于維護，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，同時解決問題，以降低農(nóng)作物種植的相關(guān)造價。

3.2.2 噴霧噴頭智能調(diào)節(jié)

通常使用的噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)固定，維護方便。然而，由于市場需要，這種簡單的結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致水流不能根據(jù)實際需要改變。因此，有必要對可變噴嘴進行研究。顧名思義，變量，變的是噴水的流量。可以認為，控制方向、流量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。主要是根據(jù)水流的壓力，增加兩個折疊的金屬片來改變水流[9]。在此基礎(chǔ)上，在雙極孔噴嘴中引入監(jiān)控恒流核心，設(shè)計了一種具有雙跟蹤裝置的可變噴嘴。

4 變量噴霧技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

首先，操作流程的合理性得到了顯著提高。采用可變噴涂技術(shù)的植保機具配備了先進的定位和控制系統(tǒng)。機具運行時調(diào)整行駛路線、行駛速度、噴灑量和噴灑高度是非常合理的。有效地改善了作業(yè)過程中的重噴、少噴等問題，植保作業(yè)效果顯著，農(nóng)藥的有效使用率有了顯著提高。變速噴灑技術(shù)充分利用控制農(nóng)藥噴灑量、高霧化噴灑、靶向噴灑、靜電噴灑等技術(shù)，使農(nóng)藥充分發(fā)揮作用。據(jù)統(tǒng)計，采用相當可變的噴灑技術(shù)，農(nóng)藥的有效使用率可達三分之二，也能保證其在噴藥中的殘留較少。由于采用多傳感器檢測和控制，有效地改善了機械和植保工具工作過程中的堵塞和霧化不良等問題[10]。同時，植保機械和工具制造的整體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量得到顯著改善，有效減少了因故障而罷工的現(xiàn)象。有效地改善了噴藥過程中的環(huán)境破壞問題，通過使用可變噴霧技術(shù)，單位面積農(nóng)藥的使用量顯著減少，大大減少了農(nóng)藥噴灑造成的環(huán)境污染問題，大大改善了機具運行中的泄漏和滲漏現(xiàn)象。為了科學和生態(tài)的目的，化學設(shè)施的保護進程正在發(fā)展。

5 結(jié)語

近年來，我國各級政府和有關(guān)農(nóng)業(yè)主管部門加強對農(nóng)藥使用的管理，提出了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中合理、高效使用藥品的新要求。擁有可變噴灑技術(shù)特點的植保噴藥機械可以很好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，科學使用農(nóng)藥進行合理噴灑，有利于提高食品安全，減少農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)所帶來的生態(tài)環(huán)境破壞。可變噴灑植保噴藥機的推廣應(yīng)用必將助推我國農(nóng)業(yè)朝現(xiàn)代化、機械化、智能化方向邁進，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略助力。