農業(yè)機械與信息技術融合發(fā)展現狀與方向

農業(yè)機械化和農業(yè)裝備是轉變農業(yè)發(fā)展方式、推動農業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要基礎，是推進農業(yè)現代化建設的重點領域和核心支撐。2018年，《國務院關于加快推進農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)轉型升級的指導意見》做出了“農業(yè)生產已從主要依靠人力畜力轉向主要依靠機械動力并進入了機械化為主導新階段”的重要判斷，指出了“當前農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)發(fā)展不平衡不充分”的突出問題，明確了“推動農機裝備產業(yè)向高質量發(fā)展轉型和推動農業(yè)機械化向全程全面高質高效升級”的總體要求?！多l(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022年）》也指出，要著力加強重點關鍵技術攻關，推動數字化、智能化等先進技術與農業(yè)機械化的深度融合，顯著提高農業(yè)機械有效供給能力，引領現代農業(yè)高質高效發(fā)展。落實上述文件精神，認真了解國外農業(yè)機械研究與應用現狀，進而找準中國農業(yè)機械化發(fā)展的攻關目標，對于推進中國農業(yè)高質高效發(fā)展具有重要意義。

當前，中國處于農業(yè)現代化建設的重要時期，對智能農機裝備的需求也在持續(xù)增長。然而國內現有農業(yè)機械裝備智能化水平低，與現在的自動化與高效率作業(yè)需求不符，不利于中國農業(yè)現代化的快速發(fā)展。未來一段時期，我國農業(yè)裝備發(fā)展面臨新機遇、新需求、新挑戰(zhàn)，農業(yè)裝備制造還有廣闊的發(fā)展空間，因此，加強農機裝備的智能化創(chuàng)新，用信息技術提升中國農業(yè)機械化水平，成為當前農業(yè)機械化發(fā)展緊迫又至關重要的任務。

信息技術的主體技術包括計算機技術、傳感技術、現代通信技術以及智能控制技術等。信息技術的發(fā)展正推動著全球經濟整體躍升和生產力的跨越式發(fā)展，助推產業(yè)鏈、供應鏈和價值鏈重塑，使之煥發(fā)新的生機與活力。農業(yè)信息技術指的是以農業(yè)科學的基本理論為基礎，以農業(yè)生產活動信息為對象，以物聯網、大數據、人工智能等為代表的信息技術應用在農業(yè)生產中，最終實現農業(yè)領域向智能化、精確化和數字化方向發(fā)展的方法。當前，中國以物聯網和大數據為主的農業(yè)信息技術應用發(fā)展迅速，由于中國農業(yè)機械化起步較晚，與信息化融合度還較低，與國外發(fā)達國家相比還存在差距。農業(yè)機械與信息技術融合是現代農業(yè)發(fā)展的必要手段，能夠提高農業(yè)資源利用效率，保障現代農業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，加速推進農業(yè)現代化的進程。

上世紀九十年代，美國、德國、日本等經濟發(fā)達國家的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)已進入高度機械化階段，農業(yè)機械已向自動化、信息化和智能化方向發(fā)展，在農機現代化和信息化方面擁有較好的基礎和技術積淀。國外農業(yè)機械與信息技術融合發(fā)展的主要特點概括為以下五個方面。

近年來，數字信息化技術在全球農業(yè)領域應用步伐加快，農業(yè)機械化生產與信息技術深度融合，先進的農業(yè)信息智能感知技術和智能農機發(fā)展迅速。

美國數字農業(yè)發(fā)展建立在農業(yè)生產高度專業(yè)化、規(guī)?；?、企業(yè)化的基礎上，信息化技術滲透到了美國農業(yè)生產、加工、運輸、銷售的各個環(huán)節(jié)，直接促成了美國“精確農業(yè)”的興起，極大程度上提高了美國農產品的國際競爭力。自20世紀90年代起，美國已開始應用衛(wèi)星遙感等數字農業(yè)技術對大田作物進行生產全周期的監(jiān)測與管理，在21世紀初已在大型農場中實現了“3S”技術，即遙感（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），以及網絡信息服務、智能機械系統(tǒng)的綜合應用。美國科研部門和大型農機企業(yè)已經將網絡通訊、電子計算機及衛(wèi)星遙感等現代信息技術應用到大型農機具上，實現拖拉機等農機的自動避障、自主作業(yè)、路徑規(guī)劃等自動化、智能化農業(yè)機械作業(yè)。生產機械化輔以管理信息化，越來越多的勞動力被替代下來，農業(yè)生產效率進一步提高。

德國大型農場均配有多樣性的農業(yè)機械設備來滿足生產需要，農場經營者素質普遍偏高，管理非常現代化。從德國現代農業(yè)發(fā)展的應用來看，主要集中在計算機知識模型、雜草自動識別以及病蟲害的診斷監(jiān)控等多項技術。德國政府對于農業(yè)機械化極其重視，農機企業(yè)也十分重視農業(yè)機械的現代化生產，比如科樂收公司（CLAAS Group）擁有多條高度智能化的生產線，這些生產線上每一道工序都可通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術進行全程追溯。隨著越來越多高科技技術在農機上的應用，企業(yè)設置專門的技術培訓中心對駕駛操作人員的操作技能進行培訓，提高了農機設備效能的發(fā)揮。

日本為應對農業(yè)資源環(huán)境與勞動力短缺的困境并提高農業(yè)競爭力，重點推進現代信息與通訊技術在家庭農場作業(yè)中的應用，實現農業(yè)生產的自動化與智能化，逐步形成了較為成熟的適度規(guī)模經營型精細化農業(yè)生產模式。比如，井關農機公司（ISEKI & CO.， LTD.）與政府聯合研發(fā)了新型智能插秧機，這種插秧機可以通過傳感器確定行駛路線，即便是遇到淤泥也能自動調整方向。此外，為了防止過量施肥影響作物品質，這種插秧機可以通過土壤電導率測量傳感器檢測土壤的深度及有機質含量，從而實現插秧與變量施肥同步。為解決農戶精準農業(yè)技術應用成本高、農戶經營分散等問題，日本農業(yè)協會為農民生產農產品進行產前、產中、產后的全程服務，并促進精準農業(yè)技術的普及與利用。

智能制造的關鍵是數字化設計與制造。數字化設計技術是指通過產品描述為基礎的數字化設計平臺，在產品的開發(fā)和應用過程中建立以信息技術為基礎的數字化計算機產品模型，不斷對開發(fā)方式持續(xù)優(yōu)化，達到使設計成型的機械設備更具實用性、創(chuàng)新性并有效降低模型應用的一種新型產品開發(fā)技術。

在現代數字化設計中，產品模塊化設計、虛擬仿真與虛擬試驗驗證、知識工程技術（Knowledge Based Engineer，KBE）、基于PDM/PLM（Product Data Management/Product Lifecycle Management）的協同設計等相關技術在國外已經開始應用。為提升新穎性與創(chuàng)新性，提高農機產品研發(fā)效率，國外如愛科（AGCO）、約翰迪爾（John Deere）、久保田（Kubota）等農機巨頭公司在新產品開發(fā)的不同階段普遍采用創(chuàng)新設計理論和方法，數字化設計技術也得到廣泛應用。這些農機企業(yè)的產品開發(fā)模式也從集中式轉向分布式，特別是產品全生命周期PDM管理系統(tǒng)和基于網絡的產品描述模型的應用，逐漸建立了以PDM/PLM為支撐、結合高端工程技術的優(yōu)質產品研發(fā)體系和知識積累平臺。采用現代數字化設計技術不僅提高了產品技術水平，而且縮短了產品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

農業(yè)裝備使用可靠性和耐用度不足是中國農業(yè)機械的薄弱環(huán)節(jié)，也是中國農業(yè)裝備在國際上話語權不強的主要因素。先進制造技術在各個國家高端農機生產中的作用十分重要，是促進農機創(chuàng)新能力和制造水平，加快當今世界現代農業(yè)建設步伐的關鍵。

國外農機企業(yè)特別關注產品的使用可靠性和耐用度，重點研發(fā)了農機部件的金屬材料、加工工藝以及關鍵部件的精密制造技術，用汽車生產加工的技術去制造農機具的部件和裝備。在發(fā)達國家農機企業(yè)車間內，高柔性的自動無人生產線、先進的制造產業(yè)線已成為主要生產手段，自動焊接及精密裝配機器人、精密鍛造等先進技術應用廣泛。先進的制造技術如敏捷制造、并行技術、虛擬制造技術和智能制造技術的應用可以充分保證制作過程的一致性，實現生產環(huán)節(jié)全程可追溯。智能化生產線、制造模式柔性化、制造技術的敏捷化幫助提高生產制造質量、效率和安全性，高度智能化的制造加工系統(tǒng)使得員工僅僅通過操縱軟件程序等即可輕松地完成生產加工任務。

發(fā)達國家十分注重畜牧業(yè)的發(fā)展，飼草業(yè)的經濟產值和種植面積已領先糧食作物，成為農業(yè)領域中的最大產業(yè)。發(fā)達國家的畜牧業(yè)產值占農業(yè)產值比重一般在60%以上，飼草生產機械化已經成為畜牧業(yè)產業(yè)化的重要發(fā)展方向。發(fā)達國家飼草生產的主要環(huán)節(jié)實現了全面機械化，信息技術大量應用于飼草機械，使得飼草機械的智能化程度不斷提高，處于領先地位的主要是美國、德國、法國、意大利、日本等發(fā)達國家。

圖1（a）所示的是德國Krone BiG X 1180自走式青貯飼料收獲機，配備了大功率發(fā)動機、寬幅割臺，集自動導航、石頭和金屬探測、切段長度自調和籽粒破碎等功能于一體，代表了青貯飼料收獲機的先進技術水平和未來發(fā)展趨勢［19］。BiG X 1180配置獨立式靜液壓四輪驅動，獨立的車輪懸架帶來了極大的靈活性；位于割臺中央的傳感器臂可探測兩行作物之間的距離，引導機器自動對行后沿壟前進；在割臺收割器兩側配置有距離傳感器，通過實時調整割臺位置和運動方向，確保割茬高度一致；在割臺中央的光學傳感器能測量作物水分，根據作物的不同含水量來自動調整切碎長度，實現相同壓實狀態(tài)下的同等青貯質量；6個喂入輥裝置配備有石頭和金屬探測器，遇石頭或金屬物時割臺及喂入裝置可實現自動停機，駕駛員還可以調整檢測的靈敏度；裝備產量計量系統(tǒng)，可以獲得每塊地的計量和總的收獲量并打印成文件。Easyload是Krone的自動填充系統(tǒng)，具有基于相機的3D圖像分析技術，如圖1（b）所示，可方便地對與收割機一起行走的拖車進行飼料填充，該系統(tǒng)允許操作員選擇各種填充策略，在未來，該系統(tǒng)能實現控制收割機后向拖車的自動填充［20］。飼草機械上信息化技術的應用減輕了傳統(tǒng)作業(yè)方式的勞動強度，提高了勞動生產率，是實現飼草產業(yè)現代化的基礎和保障。

圖1 Krone BiGX 1180自走式青貯飼料收獲機[21,22]

Fig.1 Krone BiGX 1180 self-propelled silage harvester

法國KUHN公司是世界著名的牧草收獲和飼喂攪拌農機生產商，現成為田間農業(yè)耕作機械、精密播種機、牧草機械、飼料攪拌機與植保機械的大型綜合性農機具制造商。KUHN的SPV系列自走式飼料攪拌機，具有取料頭下降速度的電子控制及液壓攪龍優(yōu)化管理系統(tǒng)。取料頭在青貯料堆藏表面的下降速度可以根據所裝載作物的密度進行自動調整，可以保持纖細作物的顆粒大小均勻。從機械方面來看，減小了機器結構上的應力，同時保護液壓回路以防達到壓力峰值。攪龍獨立于其他機器組件，能夠在達到所需的料位時開始攪拌，因此能夠保持青貯等纖細作物的纖維度指標，同時可以存儲并控制不同日糧的攪拌時間，從而降低了過度攪拌的風險。攪龍轉速和發(fā)動機轉速實際上由所選的模式決定，自動攪龍轉速管理能夠對油耗進行全面控制。在駕駛輔助方面，可以對功能順序進行編程，在“飼喂”模式下為駕駛員提供輔助。

德國Urban公司生產的Calfmom U40自動犢牛飼喂機可以自動為牛犢配制、加熱飼喂的牛奶，還配置了自動添加藥物系統(tǒng)［24］。飼喂機上裝有質量傳感器可以對剩余奶量進行精確稱量，可以對牛犢飲用的進程進行監(jiān)測。飼喂機上先進的飼喂管理系統(tǒng)可以讓飼養(yǎng)員直觀地用電腦控制犢牛飼喂。犢牛飼喂機配備犢牛自動飼養(yǎng)軟件管理系統(tǒng)，記錄每頭犢牛的個體飼喂信息并進行數據分析，還配置了電腦式操作顯示終端，可方便進行犢牛注冊、檢查、機器設置等操作。飼喂管理系統(tǒng)具備“隨意、個體、保留”三種飼喂模式，可設置8種進料曲線飼喂方案，便于針對不同犢牛情況設置不同飼喂方案，更加貼合犢牛的生長發(fā)育。

農業(yè)機械化與信息化的融合發(fā)展有利于促進農業(yè)生產成本節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護。現代農業(yè)生態(tài)環(huán)境問題主要指人們對自然環(huán)境的干預和農業(yè)現代科技成果的應用帶來的資源浪費和環(huán)境破壞。傳統(tǒng)農業(yè)機械的作業(yè)方式智能化水平低，如施藥或施肥機械多采用不間斷恒量噴藥或施肥作業(yè)模式，造成農藥飄移和土壤板結的生態(tài)污染問題，嚴重影響到農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

上世紀八十年代以來，各個國家對資源高效利用的現代智能農業(yè)裝備愈發(fā)重視［25,26]。多類型、高精度的傳感器廣泛應用于土壤養(yǎng)分探測、變量施藥的植保機械等，已經成為現代農業(yè)機械發(fā)展的主要趨勢。

精準施肥的一個基本要求是首先要取得詳盡的土壤及作物養(yǎng)分信息。精準土壤采樣技術是獲取土壤養(yǎng)分信息的重要手段，主要將農田土壤進行網格劃分，以一個地段內各單元網格采取土壤養(yǎng)分測定值為依據，結合土壤供肥特性、農作物需肥規(guī)律和肥料田間效應，繪制農田精準施肥處方圖。

現在的精準土壤采樣方法主要有土樣化驗和土壤信息傳感器采集系統(tǒng)兩種?；谕翗踊灥氖┓始夹g主要對土壤中的有機質、pH值等進行檢測，技術人員配制出不同土壤類型的最佳施肥模式，提升耕地綜合生產能力，保障農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前美國測土配方已覆蓋了80%以上耕地面積，實現了全國范圍內養(yǎng)分綜合管理［27］。其他發(fā)達國家如以色列、英國及荷蘭等國也很重視土壤化驗施肥技術［28］。由于土樣化驗在大面積土地調查中的效率太低，于是國外研發(fā)了車載土壤電導率測量系統(tǒng)。與此同時，國外也在研發(fā)各種土壤養(yǎng)分在線實時測量傳感器。

美國Veris Technologies公司的iScan+ 多參數土壤理化性質測繪系統(tǒng)可以通過實地原位測量土壤的電導、溫度和濕度值，此系統(tǒng)適用于精準農業(yè)、土壤調查及土地利用規(guī)劃等領域。利用GPS定位和數據處理測繪軟件，繪制出土壤理化性質分布圖，全面反映土壤鹽堿度、土壤肥力、根系深度、土壤表層溫度等重要信息。通過測定土壤具體參數，了解土壤肥力信息及是否有金屬污染，為土地生產能力及產量預測提供重要依據，與GPS信息相結合可繪制田地土壤成分空間分布圖，方便制定精準施肥處方圖從而實現田間的變量施肥，對提高經濟效益以及減少環(huán)境污染等具有重要意義。

變量施藥技術是采用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、GIS或實時傳感器技術獲取農田分塊區(qū)域內病蟲草害的差異性并制定不同區(qū)域的目標施藥量，通過調節(jié)壓力或流量大小等不同控制方式實現按目標施藥量進行噴藥作業(yè)［30］。與傳統(tǒng)的大面積均勻噴施技術相比，變量噴施技術能夠提高農藥利用率、降低作業(yè)成本并減少環(huán)境污染。變量噴霧機在國外精準農業(yè)技術中應用逐漸成熟，是現代植保機械的重要發(fā)展方向。

美國、歐盟和日本等國在施藥技術上結合信息化技術可實現精密、高對靶性及定量施藥，平均農藥利用率在50%以上［31］。澳大利亞昆士蘭科技大學研發(fā)出一款自動除草和施肥的機器人——Agbot II（圖2），它身上搭載先進的機器視覺自動識別系統(tǒng)，可精確分辨雜草與作物，在雜草檢測和分類上的總體成功率超過90％［32］。Agbott II采用太陽能供電，更加有利于節(jié)能環(huán)保，節(jié)省農民預算。此外，Agbot II搭載的先進傳感器、軟件和其他電子設備可以使機器實現自動導航，對作物和雜草進行檢測和分類，并針對不同類別的雜草自動選擇機械剪除或化學施藥的方式來精確除草。除此以外，該機器人也可以用于精準施肥。在未來的版本中，該機器人還可以在執(zhí)行操作時反饋有關土壤和作物的健康以及病蟲害等數據信息。

圖2 除草施肥機器人——Agbot II[32,33]

Fig. 2 Weeding and fertilizing robot—Agbot II

農業(yè)機械裝備通過不斷改進提高再創(chuàng)新，其質量水平也不斷提升。農業(yè)機械上采用高度自動化的智能化輔助裝置，不僅可以提高田間工作效率，節(jié)約運營成本，增強駕駛員的舒適感受，而且能提高產品在國際市場上的聲譽和市場競爭力。控制智能化、操作自動化和駕駛舒適化是精準農業(yè)智能裝備發(fā)展的重要方向。

國外著名農機企業(yè)產品大多采用基于ISO 11783的ISOBUS農用機械串行控制和數據通信標準總線技術，此標準詳細規(guī)定了智能農機的控制系統(tǒng)網絡整體架構、功能ECU（Electronic Control Unit）、CAN（Controller Area Network）總線通信及任務控制器結構等?？偩€技術的發(fā)展實現了農業(yè)機械控制器之間的信息共享，為農機裝備的控制智能化提供了重要基礎。科樂收公司的自動轉向系統(tǒng)GPS PILOT配有集成10.4英寸的觸摸屏和雙頻接收器的S10終端，還具有操作自動轉向系統(tǒng)、可控制接入ISOBUS的機具等功能。約翰迪爾公司的ISOBUS TIM（拖拉機工具管理）系統(tǒng)可以同ISOBUS設備結合控制拖拉機自動轉向。該系統(tǒng)為即插即用模塊，可在多臺機器上移植使用，也可對現有系統(tǒng)進行升級。

在植保機械的控制智能化方面，加拿大NORAC公司設計了一種能使噴桿根據地形輪廓自動進行調整的UC5噴桿控制系統(tǒng)。其裝載的超聲波傳感器可對高度變化迅速做出反應，可在復雜地形作業(yè)中保持噴桿的離地高度，使噴頭維持在最佳的噴灑位置進行均勻施藥，減少農藥在噴藥過程中的漂移。UC5控制系統(tǒng)的識別模式有三種，分別為土壤模式、農作物模式和混合模式。三種模式可隨時切換來感應土壤面或農作物高度，自動進行噴桿高度調整。此外，系統(tǒng)包含主動旋轉角度控制組件，使得噴霧機在變化多端的地形上駕駛，旋轉和控制中心部分也會增加兩翼的起升速度。這個控制系統(tǒng)有效降低了駕駛者的工作壓力和疲勞程度，當在不平坦的農場地形上噴藥時，可不用注重地形的實時變化，從而將更多精力放在噴藥工作和安全作業(yè)上，大大提高了工作效率和作業(yè)安全性。

目前，農業(yè)裝備的衛(wèi)星導航技術起到了作業(yè)過程中的輔助駕駛作用，能減輕操作員疲勞，使得操作變得自動化。約翰迪爾AutoTrac自動導航系統(tǒng)可以安裝在各種農機裝備上進行田間作業(yè)，比如用于整地、播種、施藥、收獲等作物全周期的田間作業(yè)，起到按壟作業(yè)或走直線的效果，提高了操作便利性。最新StarFire6000接收器使用的SF3衛(wèi)星差分信號精度為±2.5 cm，兼容GPS、GNSS（Global Navigation Satellite System）和北斗等全球導航系統(tǒng)，與載波相位差分技術（Real-time Kinematic，RTK）設置基站方式相比，SF3信號不僅不需要RTK基站等基礎設施的投入，不受無線電和網絡局限，并且內置地形補償模塊，可以確保坡地作業(yè)時的準確性，特別契合跨區(qū)作業(yè)需求。SF3衛(wèi)星差分信號對作業(yè)路徑有存儲功能，可實現一年內作業(yè)路徑可重復。系統(tǒng)對越過遮蓋區(qū)域后的信號搜索能力很強，能在通過遮蓋區(qū)域后快速恢復信號狀態(tài)，此外自動導航系統(tǒng)還采用多衛(wèi)星跟蹤來保障信號的穩(wěn)定性，配合iTEC Pro轉向路徑規(guī)劃模塊，可使作業(yè)車輛在最大轉彎速度下實現最小轉彎路徑規(guī)劃。衛(wèi)星導航技術的快速發(fā)展極大促進了現代農機裝備的操作自動化，衛(wèi)星導航提供的輔助駕駛功能大大提高了作業(yè)效率與作業(yè)質量。

經濟作物收獲機械采棉機的技術發(fā)展是技術難點，約翰迪爾CP690自走式打包采棉機（圖3）目前可實現不停機作業(yè)、邊采摘邊打包的功能。該采棉機采用ProDrive自動換擋變速箱和防打滑系統(tǒng)等來確保田間作業(yè)時穩(wěn)定的前后牽引力。駕駛室多功能控制桿采用模塊化設計，一觸式操作即可實現棉包卸載。這種采棉機加注液體1次（柴油、清洗液和潤滑脂）可以不間斷工作12小時，1分鐘內從采摘模式切換到運輸模式，輔助勞動少，實現了采棉機的連續(xù)作業(yè)，效率提高了20%~30%。此外，采棉機配備RowSense對行行走系統(tǒng)，能自動控制機器田間作業(yè)轉向，不僅使得行距中心線與采摘頭中心線對齊，保證采棉機準確按照播種路線行走，還有利于黃昏和夜間的對行采摘作業(yè)，減輕人的疲勞強度。CP690棉花采收機標配籽棉含水量實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，濕度傳感器安裝在棉花打包器上，在棉花打包過程中連續(xù)測量籽棉的濕度，駕駛員能通過濕度傳感器采回的含水率數據實時調整軋棉效率，有助于保證棉花打包的質量。采棉機整車智能化、信息化水平高，監(jiān)測控制系統(tǒng)可實現智能控制、自動監(jiān)測、故障自診斷和危險報警等諸多功能，有效保證了棉花采收質量和作業(yè)效率。

圖3 約翰迪爾-CP690自走式打包采棉機

Fig. 3 John Deere-CP690 self-propelled baling cotton picker

國外大型農機企業(yè)的市場營銷理念在逐漸變化，從以往通過產品推銷的傳統(tǒng)方式過渡到注重解決客戶問題的營銷理念上來。注重農業(yè)裝備的駕駛舒適化已經成為國外農機企業(yè)關注的重點之一。德國菲茨曼農機公司（Fritzmeier Group）設計一種個性化的駕駛室需要三年左右的時間，其中包括一年半的安全測試和性能試驗時間。測試項目包括頂棚抗擠壓安全、振動舒適性能測試等，測試期間對采集的數據進行數據記錄與分析，不斷優(yōu)化設計方案。國外的部分拖拉機，如紐荷蘭TL-A系列輪式拖拉機、挑戰(zhàn)者MT系列履帶拖拉機等駕駛室地板鋪設加厚覆蓋層，駕駛室內部采用吸音、隔熱材料，能有效隔離室外溫度并降低噪音，駕駛室噪聲均達到75 dB（A）上下，已經接近汽車標準。拖拉機駕駛室大多寬敞明亮，駕駛員在工作時可擁有更大方位的視角，帶有減震器的懸掛式座椅可調整，為駕駛員提供一個安全、舒適的作業(yè)環(huán)境。駕駛室內操作面板和操控桿均勻分布在駕駛員的兩側，操縱配置更加合理，使駕駛員可根據不同體型及駕駛習慣調節(jié)位置。除踏板外，駕駛員兩側有多功能操縱桿、水杯座及折疊式副座等，副座多有安全防護裝置等。

改革開放以來，國家部署實施大量農業(yè)裝備科技創(chuàng)新項目，中國農業(yè)機械化水平不論從機械裝備數量上還是農機裝備技術上都呈現穩(wěn)步提高的趨勢。中國已成為世界第一農機生產和使用大國，實現了從主要依靠人力、畜力到主要依靠機械動力的農業(yè)生產方式轉變，也正處于從傳統(tǒng)農業(yè)到現代農業(yè)轉變的關鍵時期。從整體上來看，中國的農業(yè)機械化已經得到了長足發(fā)展，農業(yè)機械化產品呈現多元化發(fā)展趨勢。

中國已成為世界農機大國，農機工業(yè)產值世界第一，農機使用量世界第一［17］。2018年，中國農業(yè)機械總動力達到100,371.7萬千瓦，在國家中央農機補貼政策的進一步促進下，2019年，中國農業(yè)機械總動力有小幅增加，至102,708萬千瓦［39］。2019年，農業(yè)農村部加快推進農機化轉型升級工作，全國農作物耕種收綜合機械化率超過70%，提前一年實現“十三五”目標。當前，三大糧食作物——小麥、水稻、玉米的耕種收基本實現機械化作業(yè)，其綜合機械化率均已超過80%［40］。全國農機裝備結構持續(xù)改善，農業(yè)機械在集成技術、節(jié)本增效、推動規(guī)模經營方面的重要作用充分顯現，強力支撐了主要農產品的有效供給。

2018年底，全國已有300多個示范縣率先基本實現農業(yè)生產全程機械化［41］。在此基礎上，各類新型主體不斷涌現，服務模式不斷創(chuàng)新，農機合作社發(fā)展迅速，數量不斷增加［42］。2018年中國農機作業(yè)服務組織達到18.7萬個，其中農機合作社7萬個，全年重要農時農機服務面積累計超過400,000 khm2（60億畝），促進了小農生產和現代農業(yè)發(fā)展有機銜接［43］。全社會對農業(yè)機械化的認識不斷提高［44］，“農業(yè)的根本出路在于機械化”已成為全社會的共識。

種植和收獲機械化是中國農作物生產中突出的薄弱環(huán)節(jié)，如水稻的插秧、拋栽和直播環(huán)節(jié)、玉米的籽粒直收和馬鈴薯的收獲破損率高、棉花機采損失率偏高等。“主要農作物生產全程機械化推進行動”實施以來，企業(yè)、高校、科研院所等都在不斷加大薄弱環(huán)節(jié)機械化新技術和新機具的研發(fā)力度，積極探索主要農作物的機械化生產模式，取得了顯著成效。水稻機械化播種和插秧種植面積持續(xù)提高，東北地區(qū)和江蘇水稻種植基本實現機械化；玉米柔性揉搓式脫粒機理和關鍵脫粒機構研發(fā)進度加快，籽粒直收試驗示范開始起步；馬鈴薯的改良聯合收獲機械穩(wěn)步推進，主產區(qū)各單項環(huán)節(jié)機械化作業(yè)已經具備較高水平；棉花生產全程機械化水平加速提升，采棉機摘錠生產等關鍵技術、制造工藝取得突破，一批國產采棉機開始批量生產，適宜全程機械化生產的機采棉模式逐步成熟并得到較快推廣。

農機農藝的融合主要是為了創(chuàng)造高效的農業(yè)機械化作業(yè)體系，通過農藝指導農機發(fā)展方向，再由農機作業(yè)實現農藝的相關要求。近年來，各級農業(yè)管理部門加強對農機農藝結合工作的實施，不僅強化了農業(yè)機械對于農藝的改進，還要求農藝技術向著標準化、科學化方向發(fā)展，有效促進了農機與農藝技術相互推動的協調發(fā)展，既確保了農業(yè)耕種制度與農業(yè)機械相匹配，又確保了農業(yè)機械滿足農藝技術的種植和收獲要求。

以中國棉花主產地新疆地區(qū)為例，基于棉花主產區(qū)的氣候土壤特點，實現高效機械化生產為目標，新疆建立了特色鮮明的棉花生產全程機械化技術體系，突破了棉花生產全程機械化農機農藝融合關鍵技術。如圖4所示，研發(fā)出耕整地、精量播種、高效噴藥、機械采收等關鍵技術裝備，自主開發(fā)了種床整備、立體噴施植保、高效籽棉貯運等農藝技術措施。農藝與農機的深度融合，形成了特色鮮明的棉花生產全程機械化技術體系，顯著提升了棉花生產水平。該技術體系在新疆應用面積超過了80%，帶動了中國棉花生產整體水平進一步提升。

圖4 棉花生產全程機械化技術體系示意圖

Fig. 4 Mechanized technology system for the whole process of cotton production

進入新世紀以來，國內科研院所、高校和一些企業(yè)密切跟蹤國外智能農機裝備的發(fā)展趨勢在智能農業(yè)動力機械、智能裝備控制與導航技術、農機裝備智能化設計與驗證關鍵技術、農機智能作業(yè)管理關鍵技術等環(huán)節(jié)進行了專門的研究工作，形成了一批較為成熟的技術和產品，并通過關鍵技術的集成和示范應用取得了一定的成效。部分技術迭代成熟實現應用，投入農業(yè)生產，提高了機械化作業(yè)質量和工作效率。例如，廣州中海達衛(wèi)星導航技術股份有限公司農機智能終端采用一體化設計，采用其獨有的Smart Heading 等多項專利技術，可以顯示駕駛數據并實現對農機駕駛的操控，用戶界面具有作業(yè)數據顯示、導航模式調整等功能。

相比起發(fā)達國家，國內目前尚缺乏成熟的產品，雖然國內學者一直在進行智能農機裝備的研究開發(fā)，但精度、可靠性、多環(huán)境下的適應性較差等問題使得國內離大面積推廣使用還有差距。

通過多農機作業(yè)情況的實時監(jiān)控與記錄，及時獲得農業(yè)大數據，建立農情數據庫。天津、吉林等地建立了深松作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，對農業(yè)生產環(huán)節(jié)機械化作業(yè)的實時監(jiān)控，利用全球衛(wèi)星定位技術、計算機網絡技術、物聯網技術和服務平臺，實現對農機具作業(yè)質量監(jiān)管與跨區(qū)作業(yè)調度。黑龍江七星、紅星等農場陸續(xù)建立了農機作業(yè)管理信息系統(tǒng)，實現了遠程的農機作業(yè)路徑跟蹤定位、農機作業(yè)視頻監(jiān)控、機車統(tǒng)一調度指揮、機車維護與保養(yǎng)和網絡視頻會議等。

近年來，中國農機作業(yè)質量快速提升。針對各地作物種植類型和農機需求類型的不同，國內農機企業(yè)不斷推進農機裝備創(chuàng)新，研發(fā)適合不同地區(qū)農業(yè)和農民需要，先進適用的各類農機。農機和農藝融合、系統(tǒng)化研究、全程機械化的創(chuàng)新理念逐步被廣泛接受。

以中國新疆地區(qū)棉花生產全程機械化技術為例。1979年，新疆石河子墾區(qū)棉花種植引進了地膜覆蓋技術，通過與不鋪地膜種植試驗對比，棉花可以增產35%。雖然地膜種植模式大幅提高了增產效益的，但人工作業(yè)效率低的問題導致地膜種植模式難以大面積推廣，亟須研發(fā)先進適用的地膜植棉機械。通過鋪膜播種機的創(chuàng)新研發(fā)，實現了從成果到產品的轉化，系列產品迅速得到推廣應用，新疆兵團皮棉平均單產由1982年的579 kg/hm2 發(fā)展到1994年的1230 kg/hm2。20世紀90年代后期，在棉花地膜種植的基礎上，新疆生產建設兵團提出了基于機采棉條件下，植棉全程水肥調控的膜下滴灌、精量播種栽培新農藝，為此研發(fā)了一次作業(yè)即能完成種床整理、鋪管鋪膜、精量播種、種孔覆土等8道工序的新機具，達到了播量精確、播深一致、株距均勻、適應機采和高密度的農藝技術要求（圖5）。2003年，機具通過省部級科研成果鑒定，整體達到了國際先進水平。棉花膜下滴灌精量播種技術與裝備在新疆全面推廣，皮棉平均單產進一步發(fā)展到2014年的2335.5 kg/hm2。

圖5 不同類型的膜下滴灌精量播種機

Fig. 5 Different types of precision seeder for drip irrigation under film

近年來，新疆以機械化采收為主線，集成種子處理、種床整備、精量播種、脫葉催熟、機械收獲和儲運加工等關鍵技術，建立棉花生產全程機械化技術體系，實現規(guī)模化推廣應用。新疆兵團農業(yè)生產機械化與信息化相結合，特別是在棉花生產各個環(huán)節(jié)中實施以“精細耕整地、精準播種、精準施肥、精準灌溉、精準田間生態(tài)監(jiān)測、精細收獲”為主要技術內容的精準作業(yè)系統(tǒng)，提高自動化與智能化作業(yè)水平、作業(yè)質量和勞動生產率，實現棉花生產的提質增效。2018年，全國棉花種植面積5.0285×107 hm2，其中新疆3.737×107 hm2，占全國比例達到74.3%，表明新疆已成為中國最大的優(yōu)質棉生產基地。

中國農業(yè)機械化發(fā)展雖然取得了顯著進步，但國家實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，推進農業(yè)農村現代化，對農業(yè)機械化提出了新的更高層次的要求。綜合分析，中國農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)發(fā)展還不平衡、不充分，一些深層次的矛盾和問題亟待解決［51］，智能化與信息化水平還很低，與發(fā)達國家相比還存在明顯差距。主要表現在以下四方面。

一是農機信息化融合的區(qū)域及結構發(fā)展不平衡。農機信息不同于國外農機發(fā)達的國家，中國地域遼闊，農業(yè)生產區(qū)域復雜多樣，地理環(huán)境差異、農作物種類的多樣性及種植模式的差別決定了對農業(yè)機械裝備需求的多樣性。比如，很多丘陵地區(qū)受地勢形貌的影響，很難進行規(guī)?；臋C械生產與采集，農業(yè)信息化的發(fā)展缺乏必要條件，導致全國農機信息化發(fā)展出現區(qū)域不協調的情況。整體表現為，農業(yè)機械信息化水平西部地區(qū)落后于東部地區(qū)，山地丘陵地區(qū)落后于平原生產地區(qū)；作物種植業(yè)的農機信息化水平較高，而畜牧業(yè)、漁業(yè)、農產品初加工的設施農業(yè)信息化程度較低；小馬力中低端機具多，大馬力高端智能化農機少；單一功能作業(yè)技術多，集成配套的機具作業(yè)技術較少；小規(guī)模自用型農機戶較多，大規(guī)模專業(yè)化服務組織較少。

二是企業(yè)和農民對農業(yè)機械信息化的認可度還不高。目前中國農民勞作方式主要以家庭為單位，農業(yè)生產模式仍以家庭聯產承包責任制為主，類似于國外大農場的生產模式仍處于發(fā)展階段，導致目前中國高度自動化、信息化的農業(yè)機械設備無用武之地。由于許多農機企業(yè)和部分地區(qū)農業(yè)管理者過度追求眼前效益，對農業(yè)機械信息化所帶來的長遠發(fā)展認識不到位，沒有認識到中國農機走“智能化、信息化”的發(fā)展道路是中國農機發(fā)展的未來趨勢，忽視了信息技術的應用可以大幅提高傳統(tǒng)農機作業(yè)效率的巨大優(yōu)勢，種種原因導致價格更高的信息化農機設備目前在我國普及率不高。

三是基礎研究與關鍵技術研究薄弱，農機信息化水平含量低。國內缺乏對農業(yè)機械化領域長期系統(tǒng)的研究與技術集成，關鍵技術與智能機具不足［52］，尚未形成完善的以信息技術為基礎的全程機械化技術模式和高度智能化的機器配置系統(tǒng)。中國農機長期依靠引進、消化、吸收國外農機技術，導致核心技術匱乏且缺乏基礎技術研究和自主創(chuàng)新技術能力。特別是高端機具配套的液壓驅動系統(tǒng)、總線及控制系統(tǒng)嚴重依賴進口，國產高端信息化農機產品可靠性較低，產品故障率高，平均無故障時間均低于發(fā)達國家；作業(yè)效果難以保障，漏播、漏藥、糧食收獲損失大；安全環(huán)保性能差，產品服務體系不完善等，這些因素導致智能化農機不能實現大面積長期穩(wěn)定的田間作業(yè)。此外，農業(yè)信息化專業(yè)的技術人員的欠缺、企業(yè)創(chuàng)新能力不足也是發(fā)展信息技術與農業(yè)機械化結合發(fā)展的重要阻力，導致中國農業(yè)機械與信息化的融合難以短時間內快速推進。

四是農機作業(yè)信息系統(tǒng)管理水平不高且缺乏統(tǒng)一標準，各地無法實現數據共享與多地區(qū)的聯合統(tǒng)一調度。近年來，國內的農機信息化管理與遠程調度發(fā)展雖然取得了明顯進步，但是依然存在管理體制不完善、信息平臺建設缺乏統(tǒng)一指導與規(guī)劃、缺少政府宏觀管理等問題［53］。各地區(qū)自行建設或引進的信息系統(tǒng)平臺各有特色，難以實現數據共享和多地的聯合調度，不能大范圍應用與推廣；智能農機裝備與信息管理平臺的網絡通訊和信息接口標準不統(tǒng)一，沒有實現接口、功能和界面的標準化，可移植性和系統(tǒng)兼容性差，導致農機裝備與信息系統(tǒng)平臺的協同性也較差。

現代農業(yè)機械裝有大量用來感知作業(yè)環(huán)境和機具本身作業(yè)狀態(tài)信息的傳感器。傳感器采集的信息對于機具田間作業(yè)的質量極為重要。智能感知信息是智能農業(yè)裝備精準作業(yè)的關鍵，對于如何提高智能感知技術的精準度、可靠性和實時性問題是亟待解決的難題。

圍繞農業(yè)精細生產需求，開發(fā)基于先進傳感器、物聯網技術及智能決策等智能感知技術，開展監(jiān)測土壤溫濕度、耕作阻力及有機質含量、作物詳細養(yǎng)分信息的高精度檢測采集技術研究，同時研發(fā)對作物長勢、農田病蟲草害等的作物信息感知傳感器，形成基于農作物生產過程監(jiān)測的精細生產調控系統(tǒng)；開發(fā)基于信息傳感控制的耕整深度可調、精準播種、精量施肥與施藥的精準耕整地與植保控制體系，提高植保作業(yè)的自動化和智能化水平，奠定農機作業(yè)與先進農藝技術協調融合的理論基礎。

目前農機衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展相對成熟，可提供全天時、全氣候條件下的位置導航信息，但農機作業(yè)環(huán)境復雜，磁場、極端天氣和復雜地形都會造成導航信號不同程度的丟失，所以開發(fā)多信息融合的導航系統(tǒng)是提高智能農機不間斷作業(yè)穩(wěn)定性的關鍵。發(fā)展集GNSS、慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）和機器視覺導航系統(tǒng)融合的高端導航系統(tǒng)是推進未來無人農機復雜場景作業(yè)的重點。

推進以信息技術為基礎的智能化、自動化農機裝備的設計制造，實現信息化和智能化農機裝備升級，適應現代農業(yè)發(fā)展對先進適用農業(yè)機械的要求，來提高中國現代農業(yè)裝備有效供給能力和國際競爭力。

一是推進智能化、自動化農機裝備的設計制造。全面提升農機信息化設計水平，推行產品模塊化設計、知識工程技術為基礎的現代數字化設計；建立先進的產品試驗檢測平臺，縮短新產品研發(fā)周期，降低企業(yè)的研發(fā)費用、試制費用和田間測試費用，從而有效提高農機產品的質量；要構建以產品設計、精密制造、面向不同銷售對象和服務等環(huán)節(jié)的現代產業(yè)信息平臺；采用先進的制造技術和工藝，推行并行工程、虛擬制造、智能制造等先進制造技術，提高加工效率，提高現代智能農機的零部件和整機的精密制造水平。

二是對智能農業(yè)裝備進行信息化、智能化升級。首先是智能農業(yè)動力機械。利用多源信息融合技術、衛(wèi)星自動導航技術、計算機總線通信技術、人機工程技術等來提高農用拖拉機、大型自走式農業(yè)機械的操控性、機動性和人員作業(yè)舒適性［54］。開發(fā)拖拉機的動力換檔和無級變速箱、電子控制分置式液壓懸掛、電液提升器與懸浮式轉向驅動橋等技術，研制全動力換檔、無級變速傳動、四輪制動等系列大型拖拉機，為現代農業(yè)多樣化生產提供綠色高效動力。特別是丘陵地區(qū)的農業(yè)機械發(fā)展要注重機具的地形適應能力，研發(fā)具有地面仿形功能的主動懸架，提高機具在山地作業(yè)的安全性。其次是智能化田間作業(yè)機械，開展現代農業(yè)裝備參數信息獲取與控制智能一體化，包括提升耕整地機械、播種機、施肥機、收獲機械等作業(yè)機械的智能化。精準農業(yè)的智能化田間作業(yè)裝備能大幅提高化肥和農藥的利用率，比如耕整機械裝備可以結合土壤信息感知技術，在耕整地階段進行全方位、多參數地感知土壤信息，建立土壤信息處方圖；變量噴霧機能提高農藥利用率，減少污染，保護生態(tài)環(huán)境；智能化施肥機械可以在施肥過程中根據作物密度、土壤肥力等參數控制施肥量，提高肥料利用率。

現在國內各地區(qū)的農機作業(yè)信息管理系統(tǒng)復雜多樣，無法實現數據共享與多地的聯合統(tǒng)一調度。對各地區(qū)信息管理平臺與智能農機裝備的接口進行標準化統(tǒng)一，增強監(jiān)控終端和操作系統(tǒng)的可移植性，統(tǒng)籌規(guī)劃建立全國統(tǒng)一的農業(yè)機械化作業(yè)管理系統(tǒng)。運用“互聯網+”平臺，圍繞農機作業(yè)耕、種、管、收等核心環(huán)節(jié)，通過車載GPS、攝像頭和多種作業(yè)狀態(tài)檢測傳感器，實現多機型、多時段、多地域的遠程作業(yè)路徑跟蹤定位，作業(yè)視頻監(jiān)控、農機農業(yè)生產情況等的實時監(jiān)測，機車統(tǒng)一指揮調度、機具信息管理、機手管理等。標準化農機作業(yè)信息管理系統(tǒng)的大面積推廣，使得各地農機部門采用信息化手段快速科學地對農業(yè)機具進行調度，有效促進了閑置農機的應用，由此提高農機利用率，降低農業(yè)機械化的運營成本。通過農機作業(yè)大數據系統(tǒng)，將農機和農藝融合起來形成耕種管收全生態(tài)鏈的信息感知大數據系統(tǒng)，滿足現代農業(yè)健康、綠色、精準和高效的需求。

此外，推行建立農業(yè)機具數據庫、農機作業(yè)離線數據庫和農機政務信息資源庫，生成農業(yè)裝備作業(yè)處方圖來指導農機裝備進行智能化作業(yè)，為農業(yè)機械化大數據分析利用做好準備。建設農場管理遠程咨詢系統(tǒng)、農場咨詢系統(tǒng)和涉農技術中心網站等能為農民獲取信息服務提供重要載體，提高農民技術水平和信息選擇能力。

無人農場是新一代信息技術、智能裝備技術與先進農藝深度融合的產物，也是未來農場的發(fā)展方向。目前搭載衛(wèi)星導航系統(tǒng)的輔助駕駛農業(yè)裝備是現代農業(yè)裝備的主流，隨著農業(yè)信息化和智能化的發(fā)展，開展對無人農機路徑規(guī)劃及導航決策、自主避障、多機協同作業(yè)技術的研究是未來無人農機自主作業(yè)的關鍵。

無人農場的關鍵技術在于智能感知、智能導航與智能決策等方面。農業(yè)裝備的作業(yè)環(huán)境是復雜的非結構化環(huán)境，農機自主作業(yè)對裝備的信息感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)有更高的要求。設計結合農機自身傳感器對作業(yè)環(huán)境信息進行路徑規(guī)劃的算法，解決導航決策的魯棒性和抗干擾性，開發(fā)多機協同作業(yè)任務分配算法，為農機的自主作業(yè)奠定技術基礎。利用衛(wèi)星遙感、無人機拍照、車載多功能傳感器等技術實現作物土壤探測、農作物長勢與病蟲害等信息的實時動態(tài)監(jiān)測。依托無人農場智慧管理云平臺，通過信息化手段，實現農業(yè)機械裝備的生產指揮調度和生產要素的全面管理。農業(yè)生產和管理的全程無人化，能大大提高勞動生產效率，改善人力勞作的農業(yè)模式。

為加快信息化技術在農業(yè)機械上的應用，建議依托聯盟、學/協會等團體和組織，建立對農業(yè)智能裝備領域常用術語和技術標準、安全標準、服務標準等相關標準體系；對農機裝備上的智能監(jiān)控終端、編寫數據接口規(guī)范、無線通訊協議等農機裝備的共性通用技術標準，優(yōu)先集中發(fā)布實施。

大力建設現代農業(yè)綜合示范基地，多鼓勵國內外大型農機企業(yè)入駐，對農機信息化產業(yè)鏈中關鍵技術的研發(fā)給予資金支持，促進行業(yè)的快速技術革新。加強對農業(yè)機械管理人員的培訓和專業(yè)技術指導，可以有效地加快農業(yè)機械信息化的建設，重點培養(yǎng)適合農業(yè)機械化信息建設的專業(yè)性人才，從而全面促進農業(yè)機械化生產的自動化和智能化水平。

發(fā)達國家的農業(yè)現代化進程都伴隨著農業(yè)機械化的快速發(fā)展，從農業(yè)機械化開始實行到基本實現農業(yè)現代化要經歷20~30年的時間。目前發(fā)達國家的農機產品需求向著成套化、自動化和精準智能化方向發(fā)展。

中國農業(yè)機械化發(fā)展已經呈現出農作物薄弱環(huán)節(jié)機械化快速推進、農機農藝快速融合、智能裝備研發(fā)穩(wěn)步推進及農業(yè)機械信息化發(fā)展等新的特點，但與發(fā)達國家的發(fā)展相比，國內農機的技術性、效率性、持續(xù)性等方面沒有達到現代農業(yè)發(fā)展的需要，農業(yè)機械與信息技術融合不足，總體仍存在一些不平衡、不充分的問題。

中國地形地貌復雜，種植結構多樣，農業(yè)人口眾多，目前的農業(yè)發(fā)展方向是既要精細化耕作保證糧食安全，又要借助高效農機降低農業(yè)成本。信息技術作為現代農業(yè)發(fā)展的新動力，對轉變農業(yè)機械化發(fā)展方式有重要推動作用。農業(yè)機械與信息技術融合是今后中國現代化農業(yè)建設和發(fā)展的重點，中國應不斷提高農業(yè)機械信息化發(fā)展的能力和水平，促進農業(yè)機械與信息技術的進一步融合，推進農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)轉型升級，將其作為推進農業(yè)農村現代化建設的重要內容。通過農業(yè)機械與信息技術的高度融合，形成規(guī)?；⒓s化的生產模式，使信息化成為推動農業(yè)機械效益增長的重要手段，推進農業(yè)增產、農民增收。

作者：陳學庚、溫浩軍、張偉榮、潘佛雛、趙巖

來源：智慧農業(yè)

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