智能農機發展方向及轉型升級探析

張俊杰，張 瑋，苗俊俠，董秉灝，白 軍，王春平，高 娟

（1.五原縣綠色產業發展中心，內蒙古 巴彥淖爾 015100；2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241；3.五原縣農牧業機械化服務中心，內蒙古 巴彥淖爾 015100；4.內蒙古河套灌區水利發展中心義長分中心，內蒙古 巴彥淖爾 015100）

農業機械化指運用先進的農業機械裝備技術，改善農業生產經營條件，不斷提高農業的生產技術水平、經濟和生態效益的過程。農業機械化極大地促進了農業生產效率和生產力的雙重提升，是鄉村振興的重要基礎和實現途徑。近年來，隨著國家強農惠農政策的實施，我國農業機械化發展取得了顯著的成績。2021年，我國三大主要糧食作物水稻、玉米、小麥的耕種收綜合機械化率分別達到85%、90%、97%以上，搭載北斗、5G等技術的智能農機投入農業生產加工一線，同比增長約四成。當前，我國處于全面推進鄉村振興、加快農業農村現代化的關鍵歷史時期，農機產品的需求仍處于快速增長期[1]。隨著農業規模化、精準化、自動化、智能化的不斷推進，我國農業生產進入了機械智能化主導的新階段，農機裝備要做好機械智能化支撐，實現“安全多能、自動高效、精準智能”[2]，推動農業機械智能化全程、全面、高質、高效發展，實現農業強、農民富、鄉村美的中國夢。

1 智能農機新態勢

智能農機指的是將現代信息與通信技術、計算機網絡技術、智能控制與檢測技術和行業技術匯集于農業機械的生產和應用中。與傳統的單一型農機相比，智能農機發展通過提高作業速度、標準、質量，降低人工成本，提升機械智能化水平，以促進集約化、規模化、智能化生產為目標，促進農業向以機械替代人力、以電腦替代人腦、以自主替代進口的發展方向轉變。

1.1 智能精準化

精準農業由定位系統、土地信息采集系統、遙感監測系統、農業專家系統、智能化農機系統、環境監測系統等多個智能系統構成，通過挖掘作物生產潛力和農機作業能力、采集定位信息與環境信息等方式進行精準、科學的“耕種管收”，達到增產、改善品質、調節生長周期等目的，可以實現生產力和生產資料最大化利用率，因而可以獲得更大的經濟和生態效益。例如，水果采摘機器人利用圖像傳感器，精確定位果實位置，再用自帶的剪刀手將果實從枝上完整剪下，而激光切割技術在采摘機中的應用研究具有前景[3]。此外，智能農機在平整地、播種、植保、表型分析、物流運輸等多方面可發揮精準作業優勢，大大擴展了復雜農業場景下智能農機的作業模式[4]。

1.2 高效自動化

智能農機自動化大致上可分為自動化監測和自動化控制。自動化監測主要依靠傳感器和計算機技術，可以實時記錄農作物不同階段的生長情況和環境條件，并通過分析加以調節控制，非常便于加強種植過程中的控制與管理，例如溫室大棚監控、節水灌溉[5]、深松智能監測[6]等。智能農機裝配的自動控制系統包含定位導航和傳感識別等功能，可以自動測產測畝，能夠自動進行復合操作，將人從繁重的勞作中解放了出來，具有質量好、效率高、成本低、利于聯合作業等優勢。無人駕駛農機集定位導航、數據鏈、視覺感知、機器學習、自動駕駛等技術于一體，作業誤差為厘米級，并且穩定性高，路徑規劃最優，可以有效避免重播和漏播、提高土地利用率、減少作業成本[7]。在新疆，基于北斗、GPS技術的大型聯合收割機非常適合農場種植模式，滿足了田間生產機械化、規模化、標準化的需要[8]，與傳統生產方式相比可提高機采棉效率，實現增產減藥控肥目標，提高經濟效益。

1.3 可靠安全化

數字制造技術不僅可模擬農機作業環境和作業過程，提高農機設計效率，還可以仿真機械加工、零件裝配、運動仿真等過程，優化工藝，提高農機產品質量[9]。智能農機的傳感器可以實時監控農機作業狀態和作業環境，根據采集的信息調整自身以確保機具處于正常的工作狀態。當機具在工作中出現錯誤、遺漏、故障時，可通過報警器及時提醒作業人員對問題進行診斷和處理。

1.4 多功能化

傳統農機功能單一，使用率偏低，要完成一系列農活只能不斷地購買新機器，購機成本大。智能農機可以實現一機多用，實現一臺機具作業于不同階段、不同作物，完成多項不同工作。例如一臺智能果園管理主機就能帶旋耕、打草、開溝、施肥、回填、打藥、起壟、推土和運輸九種屬具，一臺機器就能包攬全部農活。此外，智能農機配置的大馬力發動機、液壓升降系統使屬具操作更流暢連貫，具有體型小巧、通過性好等優點。多功能智能農機在農業生產中發揮著越來越重要的作用。一是避免了機具的重復購置，緩解了農業種植戶在這項投入中的經濟壓力；二是提高農機在不同地形、不同作物、不同作業模式下的適應性；三是有助于簡化作業過程，提高農業生產的工作效率。

2 智能農機的轉型升級路徑

農業發展面臨“誰來種、怎樣種”的關鍵問題，智能農機、智慧農業提供了很好的答案，也提供了重要的途徑。同傳統農機相比，智能農機完成了從傳統制造向智能服務型制造的轉變。農民輕松作業，應用科學技術指導農業生產，創造更大的經濟效益。

2.1 智能設計升級

由于我國農機的前兩代技術體系都是依靠技術引進，缺乏自主的創新技術能力和基礎技術研究，導致我國農機產業“大而不強”。我國復雜的地形地貌與氣候特征導致農作物地域化、作業方式多樣化，因此對農業裝備需求多元化。而實際上我國農機種類少，低水平重復現象嚴重。我國農業生產由于第三代農機創新技術將傳統的農機從機械控制帶到了“機械、控制、通信、計算”融合的新階段，智能農機升級的核心思維是在農業機械上搭載物聯網、移動通信、云計算、大數據、人工智能等信息技術和新能源技術，根據區域生產特點進行個性化智能農機定制，助力智慧農業、綠色農業。農機的智能化重點圍繞綜合控制芯片、微型控制操作系統、智能網聯系統、“人機分離”的無人駕駛、農機大數據系統五大類核心信息部件技術進行研發。我國拖拉機創新技術體系斷代劃分如表1所示[10]。

表1 我國拖拉機創新技術體系斷代劃分

2.2 基礎平臺升級

基于新能源技術和信息技術融合，首先對智能農機的基礎平臺進行完善升級。主要包括大馬力動力系統提升、新型清潔能源替代燃油驅動、輪轂電機擴展架構實現分布式控制、低轉速大扭矩減速器設計與材料選型實現穩定控制、電控液壓控制實現精量作業、大馬力數控底盤滿足無人智能駕駛要求等[4]。另外，開發專業化遠程管理平臺，集成農機基礎信息、農機作業實時監測、農機調度、農田基本信息、作物基本信息、作業訂單、農機補貼等信息，為政府管理部門、合作社、農機手、農戶、農機企業協同服務提供多方位技術支撐[11]。

2.3 智能制造升級

智能化農機制造技術是指將智能制造技術應用到農機設計和制造中，提高農業機械產品的智能水平。隨著計算機技術、信息化技術的發展，農機制造行業中先進制造技術快速發展，有成組技術、敏捷制造、并行工程、快速成型技術、虛擬制造技術以及智能制造技術[12]。這些智能技術為農業機械設計制造帶來了積極的作用，如生產設備和外界進行信息交互、實現大數據下的生產數據和生產質量監控、優化工藝流程、提高產品設計精度、大幅降低工作人員勞動強度[7]。當前智能化農機制造技術廣泛應用到農業機械制造中，在提高農機制造效率、農機設備性能質量等方面發揮著巨大的作用。

2.4 智能檢測升級

智能檢測從檢測方法、檢測標準等方面提出新的要求，可提升面向農機裝備零部件和整機的安全性、環境適應性、設備可靠性以及可維修性等的試驗測試準確性和鑒定能力。原始農機設備狀態檢測是人工鑒別分析，檢測時間長，結果具有主觀性。之后，構建了包含大量領域專家知識和經驗的專家知識庫，通過規則匹配推理出農機設備狀態，提高了檢測效率，在基層農機監管工作中實用性強[13]，但構建過程復雜，檢測正確率低。近年來，出現了許多基于計算機數據挖掘、人工智能的檢測方法，如通過支持向量機、神經網絡等方法對農機設備狀態變化特點進行仿真計算，能自動檢測出農機設備狀態，具有正確率高、速度快、實時性好等特點[14]。

2.5 智能作業升級

智能農機作業升級主要面向“耕種管收”全過程環節展開，提高作業質量與作業效率。通過使用衛星導航、智能控制等技術，按照規劃路線自動進行深松、整地、起壟、播種、插秧等基礎作業；通過使用農用飛機、植保無人機、智能噴霧機實施噴灑農藥、除草等管理措施；通過圖像識別、智能感知等技術對土壤肥力、病蟲害情況進行實時監控，精準水肥藥一體化，實現高效自動測產的智能化聯合收割。加快側深施肥、精準施藥、節水灌溉、免耕播種、秸稈還田、殘膜回收等綠色智能農機裝備推廣應用[15]，推進智能農機節能減排，助力綠色農業發展。

3 小結

隨著新興技術的發展，農業機械化水平不斷提高。智能農機裝備具有精準化、自動化、安全化、多功能化等優勢，發展趨勢大好，升級途徑廣泛多樣。現代化智能型農機的轉型升級必將給農業產業和機械行業帶來深遠而廣闊的前景。本研究所述要點涵蓋了農機設計、制造、應用的生命過程和發展重點，以期為智能農機的推廣應用提供參考。