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農業論文

穿越火线配置>信息技術對農業機械化水平的提升

穿越火线挂:信息技術對農業機械化水平的提升

發布時間:2018-08-03 點擊: 發布:論文代發-經典期刊網-論文發表

摘要:為適應中國現代農業建設的需要,保持中國農業機械化水平持續增長,實現中國農業可持續發展,該文提出,應將先進的信息技術融入中國農業機械的設計、制造、作業和管理等環節,使農業機械裝備實現信息化和智能化,從而整體提升農業機械化水平。文中介紹了參數化設計、基于知識工程的農機產品設計、基于產品數據管理的并行協同設計等農機產品設計的關鍵技術;柔性制造、計算機集成制造、虛擬與網絡制造等農機產品制造的關鍵技術;農情信息采集、農業機械導航、田間管理等農業機械作業的關鍵技術;農業機械管理、農業機械調度等關鍵技術。分析了這些關鍵技術信息化的不足,總結了世界各國的發展趨勢,指出了用信息技術提升中國農業機械化水平應解決的核心問題。為加強農機裝備的信息技術創新,該文建議,應突破一批智能農業裝備數字化設計技術、自動導航協調控制技術及農業裝備現場總線技術等關鍵技術;研發一批大田和設施農業生產作業系統、果園作業智能裝備和畜禽水產精準生產裝備等重大技術產品;構建一批水肥藥田間精準作業系統、畜禽水產自動飼喂系統和自動化加工生產線等農業機械精準作業系統,從而進一步用信息技術提升農業機械化水平。
關鍵詞:農業機械;信息技術;可持續發展;農業機械化;農業可持續發展;現代農業


2004年,中國頒布實施了《農業機械化促進法》,12a來,中央的支農惠農政策極大地調動了政府、企業和農民發展農業機械化的積極性,農民購機、用機熱情持續高漲,形成了推動農業機械化發展的合力,使中國農業機械化水平持續增長。2007年首次突破40%,達到42.5%;2014年達到61%[1-2]。中國提出了到2020年農業機械化水平達到70%的戰略目標,但目前中國農業機械化水平整體上仍落后于發達國家20~30a,且農機企業規模小,農機產品以中小型低端為主,高端智能機具仍主要依賴進口。
目前,中國農業發展中存在的主要問題是:
1)勞動生產率低,根據聯合國糧農組織公布的數據,2014年,中國農業勞動生產率為166.6美元/人,而美國、法國和德國分別為101249.0美元/人、59461.5美元/人和41715.0美元/人。2014年,美國、法國和德國人均勞動力負擔的耕地面積是中國的145、55和45倍,人均生產谷物和肉類分別是中國的81、39、35倍和53、21、39倍。
2)生產成本高,2012年,中國水稻產量6753kg/hm2,產值1.176萬元/hm2,總成本0.833萬元/hm2,占產值的70.79%,其中人工成本占41.33%。
3)土地產出率低,2014年,中國谷物、稻谷、小麥、玉米、大豆和甘蔗的單產世界排名分別為21、13、23、50、46、和33。
4)資源利用率低,如采用傳統方式噴施農藥,能達到作物葉片上的藥劑只有25%~50%;能沉積在病蟲害上的藥劑不足1%,能起到殺蟲作用的藥劑不足0.03%。
5)國際競爭力不強,由于中國農產品生產成本高,導致大米、小麥、玉米、大豆、糧食、糖以及牛羊肉等市場價格都高于國外產品的到岸完稅價,從而不利于中國農產品在國際市場上的競爭。中國農業機械化水平不高是導致上述問題的根本原因之一,用信息技術提高農業機械化水平是解決以上問題的重要途徑。農業機械信息化是指運用機械電子、光學物理、傳感控制、信息通訊、互聯網等現代信息技術,使農業機械更安全、更可靠、更高效地完成各項作業。相比傳統農機,智能農機具有更好的易用性、可靠性和有效性;人與機、機與物之間具有更好的交互性;可提高作業效率50%~60%;并可降低作業成本。20世紀70年代,國外開始將現代微電子技術、儀器與控制技術和信息通訊技術融入農業機械裝備,發達國家的發展歷程表明,從農業機械化,到數字化,到自動化,到智能化是農業生產的必然發展趨勢。2013年,習近平總書記在山東省農科院視察時指出:“讓農業插上穿越火线配置的翅膀”,為中國農業的發展指明了方向。2006年和2007年的中央一號文件[6-7]明確提出:“要積極推進農業信息化、加快農業信息化建設、用信息技術裝備農業,加強農村一體化的信息基礎建設、啟動農村信息化示范工程和創新服務模式”。2015年的中央一號文件[8]提出“強化農業科技創新驅動作用”?!噸泄圃?025》明確提出:“以信息化與工業化深度融合為主線,重點發展農業機械裝備等十大領域,提升制造能力及核心競爭力”。根據先進國家發展農業機械化的經驗,本文提出,用信息技術提升農業機械設計、制造、作業及管理水平,從而整體提升中國農業機械化水平。
1用信息技術提升農業機械設計水平
1.1參數化設計技術參數化設計技術是以產品需求為基礎,通過參數調整實時驅動產品圖元來反映設計意圖的一種高效設計技術,是計算機輔助設計(computeraideddesign,CAD)的主要內容。隨著信息技術的快速發展,結合人工智能技術,參數化設計理論已融合到智能設計和虛擬設計方法中,參數化設計的概念也隨著信息技術的發展而不斷地完善和擴展。建模是參數化設計的基礎,目前,已從傳統的幾何建模發展到基于特征、知識和行為的綜合信息建模。設計農機產品時,越是細化描述零件的結構,其設計過程相似性就越高,因此,建模時要充分考慮可重用性,設計知識重用是指重復利用設計知識、信息、規則和求解問題的過程?;誆問鬧賾蒙杓瓶商岣呱杓菩?、縮短設計周期、降低成本。在農業機械產品的研發中,結合知識推理,已有多種農機產品的參數化設計方法,如收獲機械變速箱、農用超聲霧化換能器等部件的參數化設計與應用。信息和知識工程理論推進了參數化設計技術的發展,并在農機產品創新設計中不斷擴大應用,王宗彥等結合優化設計,建立綜合數據管理系統,進行了優化機械結構的參數化設計。
1.2基于知識工程的農機產品設計知識是新產品競爭力的決定性因素?;謚豆こ蹋╧nowledgebasedengineer,KBE)的農機產品設計是以知識為基礎,通過知識表達、智能推理與決策等手段構建專家系統來進行農機產品創新的一種設計方法。知識表達的方法很多,有產生式表示法、語義網絡法、框架表示法、面向對象法以及基于本體法等?;贙BE的產品設計系統能夠獲取、表達和綜合利用知識,對不確定知識進行推理,并具有智能決策能力,特別是具有很強的對重用知識的獲取與設計的決策能力??燜傯崛≈緞畔⒌哪P?、建立知識信息庫及關聯數據庫,為設計系統提供知識決策,是縮短農機設計周期、提高產品創新和產品質量的重要途徑。KBE的知識庫是數字化設計的基礎,知識庫為數字化設計提供了支持[16]。鄒湘軍構建了產品設計的知識融合系統,包括標準知識、專家知識、企業經驗知識和多源網絡信息等。張太華等探索了基于產品知識??楸咎宓牟分都苫?,給出了知識集成過程的流程圖。KBE在農機產品設計理論研究中也取得一定進展,鄒湘軍[18]建立了水果采摘機械手機構與控制的多領域統一的知識模型,分析了水果采摘機器人的連桿機構及其運動控制。李長林[19]建立了基于知識的農機底盤設計模型,構建了快速設計平臺。目前KBE技術在農機產品的創新與應用方面還有很多技術瓶頸問題有待深入探索,如農業系統工程中的多領域知識耦合與表達、農機設計中的專家知識庫、農機與農藝融合知識庫等。在基于網絡的多領域知識與數據庫中,正確選擇知識進行農機產品創新是新的挑戰,如何建立完善的基于知識工程的農機快速設計系統,實現產業化應用還有待進一步研究。
1.3基于產品數據管理(PDM)的并行協同設計基于產品數據管理(productdatamanagement,PDM)的并行協同設計是一種以數據庫管理為基礎,對產品及其相關過程(包括設計制造過程和相關的支持過程)進行并行、協同和集成設計的系統化工作模式。全球化和網絡化的發展使農機產品的競爭越來越激烈,充分考慮了產品生命周期中的各種因素的協同設計方法成為創新和競爭的手段。通過建立產品數據管理系統,形成基于PDM數據資源管理系統的并行協同設計模式可大大提高農業機械產品的競爭力。國外將SmarTeam與SolidWorks,AutoCAD,UG(UnigraphicsNX)等集成,將Metaphase與I-DEAS集成,進行農機及其它產品的并行協同設計[20]。國內在這方面的研究起步較晚,蘭州大學潘敏等[21]采用事件驅動過程鏈EPC(event-drivenprocesschain)建模,建立了基于Internet的農機產品協同設計系統,使不同地點的設計人員同時參與設計,給出了B/S(Browser/Server,瀏覽器/服務器)模式的軟件實現結構,基于J2EE平臺實現了農機產品的協同設計。廣西大學周君華[20]開發了基于PDM的甘蔗收獲機械4CP集成設計平臺,利用PDM集成接口,集成了甘蔗收獲機設計開發中智能設計系統的專家經驗知識以及CAD、計算機輔助工程(computeraidedengineering,CAE)、計算機輔助工藝設計(computeraidedprocessplanning,CAPP)、計算機輔助制造(computeraidedmanufacturing,CAM)等數據,實現了PDM系統中知識庫和實例庫中有關產品數據信息的搜索、查找及顯示,并保證了開發過程中數據傳輸的一致性和安全性。國內外基于PDM數據資源管理系統的并行協同設計技術研究已取得一定進展。隨著智能化的發展,對基于多智能體的網絡化協同設計的功能提出了更高的要求。解決農機產品協同設計中多智能體行為決策的沖突問題仍是目前的難題。對于農機產品設計中的成本與質量的問題,應充分利用各種協同手段,建立能夠滿足實際需要的協同設計環境。
1.4農機產品的虛擬設計
農機產品的虛擬設計以計算機仿真技術為基礎,通過三維建模與設計,逼真地模擬農機產品開發全過程,從而預測產品性能、可制造性、可維護性和可拆卸性等。虛擬設計是信息化、網絡化和計算機集成制造發展的需要,其特點是產品設計過程的數字化、智能化和集成化。虛擬設計通過虛擬樣機及虛擬自動裝配[22]進行產品功能、性能、行為和質量分析與評價,通過跨領域和跨專業的多學科人員進行協同設計。3D打印技術的應用,促進了虛擬設計的快速發展?;諦檳饃杓?,建立統一規范的命名標準來描述產品的信息可提高設計信息與知識的共享和重用。國外對虛擬現實技術及其應用于產品建模和設計給予了高度重視?;⒍僦萘⒋笱Ш兔攔鶱IST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)研究院共同開發了“虛擬裝配設計環境”,將虛擬現實技術應用于設計。為了實現協同性、同一性和可重用性,鄒湘軍等制定了用于虛擬產品設計的命名規則和標準,通過統一命名規則和行為建模,開發了水果采摘機器人虛擬設計與仿真系統。李山山等]研究了變速箱的虛擬建模與裝配。王麗[27]建立了稻麥聯合收割機虛擬裝配的工藝知識模型,探索了知識重用與共享。虛擬設計技術對農機產品的創新設計意義重大,是農機產品設計發展的重要趨勢,虛擬設計的標準化、集成化和智能化技術與理論還有待深入,虛擬設計的標準、各領域間的信息共享與重用、人機交互式等技術將是研究的重點。
2用信息技術提升農業機械制造水平中國農機制造產業的規模不斷擴大,企業結構多元化、區位優勢和產業集群效應日益凸顯,市場需求旺盛。但農機制造技術相對落后,農機品種少、制造質量和作業性能不高,農機企業國際競爭力不強等問題仍然存在,亟需用信息技術提升農業機械制造水平。
2.1柔性制造技術(FMT)不同區域、不同作物、不同種植習慣對農機的要求不同,傳統的專用生產線及大批量制造的工業生產模式難以適應現代農機制造快速響應的需求,農機產品的柔性制造技術逐漸成為主流。柔性制造技術(flexiblemanufacturingtechnology,FMT)是對各種不同形狀加工對象進行程序化柔性加工的各種技術的總和,該技術集自動化技術、信息技術和加工技術于一體,適合個性化、小批量生產和新型農機產品的制造[29]。采用柔性制造技術生產農機產品具有設備利用率高、產品質量好、應變能力強、生產能力相對穩定以及生產過程運行靈活等優勢,可減少設備投資70%~90%。從60年代中后期開始,發達國家先后開發了柔性制造系統(flexiblemanufacturingsystem,FMS)、柔性制造單元(flexiblemanufacturingcell,FMC)和柔性制造線(flexiblemanufacturingline,FML)。19世紀80年代,美國的阿里斯查默斯公司、凱斯公司和意大利的菲亞特公司開始使用FMS進行拖拉機的變速箱殼體、傳動箱殼體和離合器殼體等零部件加工。目前,FMT在發達國家的年增長率達30%[30]。有關學者對FMT在制造中的各種指標進行了評價和研究,包括評估該系統的能源消耗,以降低制造成本。上個世紀90年代初,FMT在中國農機行業的應用開始起步,1985年,北京機床研究所研制出第一臺用于加工直流伺服電機零件的JCS-FMS-1型柔性制造系統[。為了滿足多品種變速箱體的制造,針對拖拉機制造廠金工車間的工藝平面布局,鄒湘軍開發了箱體加工的準柔性制造系統?;嚇┮蕩笱в肽靜淖氨鋼圃炱笠島獻?,共同研發了基于網絡控制、視覺檢測、機器手協同工作的多軸木材柔性復合加工中心,用該裝備和機器人及視覺檢測組成柔性木材加工系統。FMT用于農機產品制造可有效提高設備利用率、減少設備投資和直接工時費用,同時可提高農機產品對市場的應變能力,促進農機產品生產過程的自動化和智能化。FMT可加快農機產品的更新速度,縮短農機產品開發周期,降低農機產品制造成本,是提高中國農機企業國際競爭力的有效途徑之一。因此,應加快推進FMT在農機產品制造中的應用,使農機生產朝著生產線越來越短、越來越簡,設備投資和中間庫存越來越少,場地利用率越來越高,生產周期越來越短,交貨速度越來越快,損耗越來越小和效率越來越高的方向發展。
2.2計算機集成制造(CIM)技術計算機集成制造(computerintegratedmanufacturing,CIM)是針對激烈的市場競爭而提出的組織企業生產的方式,計算機集成制造系統(computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS)隨計算機輔助設計和制造的發展而產生,是先進制造技術的內容。該技術集現代管理、制造、信息、自動化和系統工程等新技術為一體,通過計算機技術將分散在產品設計制造過程中各種孤立的子系統有機地集成起來。CIM系統主要由管理信息系統(managementinformationsystem,MIS)、計算機輔助設計(CAD)與輔助工藝設計(computeraidedprocessplanning,CAPP)、計算機輔助制造(computeraidedmanufacturing,CAM)、計算機輔助質量管理(computeraidedquality,CAQ)、工程數據庫、網絡系統等組成[35]。特別是工業4.0技術的應用,使得用軟件和智能技術提升硬件功能成為未來農機企業的主要制造模式。對CIM和CIMS的研究與開發引起了世界各國的高度重視,與CIMS相關的企業管理、工程設計、系統集成及產品制造等相關技術都取得了長足發展。早在上世紀90年代初中國就將CIMS作為研究的重點,在一些研究機構和制造企業取得了一定進展,并應用于不同領域。并行工程、精良生產、敏捷制造、虛擬制造、智能制造、綠色制造等許多技術與方法正不斷融入先進制造技術中。CIM和CIMS在農機制造中的相關研究和應用也取得了一定進展,如利用計算機輔助設計與制造,實現了對變速箱的設計和虛擬裝配、切割器虛擬樣機設計,利農業工程學報(//www.tcsae.org)2016年4用計算機圖形圖像技術輔助制造及自動檢測,為復雜環境下制造系統的機器人提供目標三維定位坐標[36]。與發達國家相比,中國大多數農機企業在先進制造技術方面發展較慢,農機生產依然采用比較落后的制造工藝與技術裝備,部分數控機床以及高端制造設備仍然依賴進口,加之中國多數農機制造企業的現代化管理理念不強,阻礙了中國農業機械化的發展與提高。為此,應加快在中國農機制造中推廣CIM技術,以縮短產品生產周期,提高農機產品的性能和質量,實現科學化管理,解決農機產品“瓶頸”問題,整體提升農機產品的制造水平。
2.3農機產品生命周期管理技術產品生命周期是指從產品的市場需求到設計制造、售后服務、報廢與回收再制造的全過程,產品生命周期閉環管理(closed-loopproductlifecyclemanagement)也稱閉環PLM,是一種通過使用能補償PLM的產品數據和信息知識,實現產品生命周期動態優化的戰略商業方法。MRO(maintenance,repair&operation)是對產品進行維修、維護和操作等服務的活動。閉環PLM將現代MRO理論、網絡信息技術和企業管理方法相結合,使產品制造商、用戶和維修服務商在整個產品生命周期中共享產品信息。這種先進的產品管理技術使企業用最有效的方式和手段增加收入和降低成本。該技術在汽車產品、航空產品、家電產品等領域已得到推廣和使用,紡織產品的PLM快速融合新工藝、質量和用戶需求,完成產品的設計、制造、服務等的管理。William探討了食品生產、制造與銷售的PLM技術應用。農機產品PLM技術包括跟蹤農機產品對作物的生產、收獲和加工,最后至用戶的全過程的安全管理,該過程包括了為農機概念設計的作物與機械屬性、農機產品的設計制造、網絡化銷售、服務和再生資源回收等一系列的數據管理。作為新興的物聯網技術應用于產品生命周期管理,為農機產品管理提供了新的方法。目前,中國對閉環PLM的重點主要集中在階段數據和階段應用的管理方式,為充分發揮閉環PLM的作用,建議:
1)在農機產品生命周期的早期階段,優化產品的需求定義、概念設計和設計驗證過程,從而降低成本、提高生產力;
2)在農機產品生命周期的中期階段,充分利用信息化技術,及時進行產品轉型和改良,實現產品的創新,提高農機企業的競爭力;
3)在農機產品的后期階段,衍生和定義產品新的用途與使用方法,為農機產品提供數字化服務與維修,減少維修成本,延長產品生命周期,使農機企業最大限度地獲得利益;4)加強農機產品的報廢和回收管理。
2.4面向農機制造資源管理的ERP技術農機產品具有所需物料種類繁多、生產計劃復雜、物料需求計劃和產品生產數據多變的特點,采用傳統的管理方式難以保證物料信息的及時性和準確性。生產企業資源計劃(enterpriseresourceplanning,ERP)以信息技術為基礎,以系統化為管理思想,為企業決策層提供優化資源配置的決策,是農機制造企業的重要技術之一[45]。面向農機制造資源管理的ERP技術可有效管理物資的采購、儲備和使用等一系列計劃、組織和控制等活動進行。新疆大學劉瑞艷將ABC分類法與關鍵因素分析法(criticalvalueanalysis,CVA)相結合,建立農機產品物料管理系統,該系統既能根據ERP中的生產計劃制定車間生產作業計劃,又可根據車間作業計劃及物料庫存量的變化調整生產計劃。用ERP技術對企業的質量檢測進行定量分析,可提高企業對不確定的多因素決策能力。ERP軟件正向提供良好的端口、在Internet平臺上運行的方向發展。中國農機企業的物料管理還存在管理制度和思想落后的問題,導致農機企業生產能力不高、生產效率低下以及物資浪費嚴重。EPR技術可使農機物資實現適時、適量、適質、適價和適地的目的,可有效降低農機產品生產成本,使農機企業擴大經營管理范圍,提高國際競爭力。
2.5虛擬制造與網絡制造技術虛擬制造技術(virtualmanufacturingtechnology,VMT)集CAD/CAM和CAPP于一體,以實現產品設計、工藝規劃、加工制造、虛擬裝配、性能分析、檢測,以及全生命周期的制造過程模擬,在實際制造之前對產品的功能及可制造性進行預測,具有人機交互、并行設計、分布式和網絡化等特點,在工業、農業及軍事等領域得到了廣泛應用,VMT成為計算機集成制造的重要內容之一。1997年,通用電動機車部(generalmotorselectromotivedivision,EMD)建立了第一個完全數字化的機車樣機模型,并將其并行地應用于產品分析、制造,夾模具工裝和可維修性設計。網絡制造(netmanufacture)是指基于虛擬現實、計算機網絡和Multi-Agent等技術,利用信息技術,將分散在世界不同地區的生產設備資源、制造資源和智力資源,按照優勢互補的原則靈活而迅速地組合起來,實現企業間的資源共享、優化組合和異地制造],快速推出高質量和低成本的新產品。網絡為快速虛擬設計與制造提供了平臺,虛擬現實及其三維可視化技術、大數據和深度學習技術提升了網絡制造的能力。學者通過研究虛擬制造工藝與供應鏈的成本與質量的優化決策,探索虛擬制造單元中多項目標規劃的修訂,以解決多目標決策的沖突問題]。清華大學肖田元[55]將虛擬制造應用于轎車數字化工程。為了快速設計特殊形狀齒輪,優化模型,DengJing等[56]通過網絡制造技術提高了加工螺旋錐齒輪的效率和質量。陳新度等面向模具行業提出了基于制造資源網格化封裝的網絡化制造系統。虛擬與網絡制造在以上技術中的應用,為其在農業機械制造中的應用提供了參考依據。
2.6農機產品的定制產品定制是信息技術在產品設計、制造、運營中的全方位應用,是產品全生命周期的一個重要環節。產品的定制分為大批量和個性化定制。大批量定制是一種集企業、客戶、供應商和環境于一體,根據客戶需求,以低成本、高質量和高效率提供大批量產品和服務的生產方式。20世紀初,亨利·福特和斯隆創立了大批量生產(massproduction)方式,取代了歐洲單作業生產方式企業長達若干世紀的領先地位,成為制造業的一次根本性變革。20世紀90年代,客戶需求的多樣化和個性化、產品生命周期的縮短以及來至世界的合作與競爭的加強,要求農機產品在創新和研發速度上具有快速反應的應變能力。因此,個性化定制成為一種新的產品訂購模式,成為市場需求的一種新趨勢,基于大數據的虛擬設計與制造技術成為主要設計方法,而柔性制造系統為個性化訂制提供了滿足市場快速響應和制造的現代化裝備。中國的農機制造方式要借鑒和引用國外先進的定制技術與服務模式,應依據作物種植、收獲和加工需求進行有針對性的設計。浙江工業大學胥芳以??櫓毓刮誦?,面向小型農機的大批量定制模式,建立了產品客戶需求信息模型,實現了由客戶需求向產品設計參數的轉化。定制技術可有效地降低農機產品生產成本、縮短交貨期限、全面提升農機制造能力和水平,并及時、高質量地滿足農業生產對裝備的特殊需求。中國的農機定制服務應努力做到:
1)在保證較低成本的同時,滿足客戶的個性化需求;
2)快速地對客戶需求做出反應并及時提供定制化的產品和服務;
3)保證定制的產品質量。虛擬制造與網絡制造在農機企業中的應用必將極大地促進農機企業的自主創新能力和競爭力,是農機產品制造的發展方向。目前對虛擬制造和網絡制造的研究主要集中在制造硬件、智能技術、CAPP系統和信息交換準協議等方面,解決質量、成本和效率的沖突決策問題有待進一步深入研究。
3用信息技術提升農情信息采集、農業機械導航及作業水平
3.1農情信息采集農情信息采集是農機精準作業的前提,主要包括水、土壤和地理環境、小氣候、作物生長狀況和管理等信息的采集,這些要素具有信息量大、多維、非靜態、不確定、不完整、稀疏性以及時空變異性強的特點,需要借助先進的信息化設備與方法。
3.1.1土壤信息采集土壤的物理環境影響農作物生長和農業機械的工作性能和能耗,為獲取土壤信息,國內外學者研究了多種土壤信息采集技術與設備。國外已經開始將先進的近紅外光譜檢測技術應用于土壤養分檢測。Kuang等利用近紅處光譜技術對采集到的5個不同地點的土壤樣品中的有機碳和氮素進行研究,并建立了預測模型。Krishnan等建立了相關系數達到0.873的土壤有機質預測模型?;嚇┮蕩笱д孕碌妊兄瞥曬Υ蚨ㄎ幌低常╣lobalnavigationsatellitesystem,GNSS)的土壤耕作阻力測量裝置,采用測試刀和八角環傳感器測量土壤耕作阻力,系統工作性能穩定,在實驗室內平均測試精度達93.4%。中國農業大學孫宇瑞等[63]研制了車載式土壤水分、壓實度集成在線測量系統,可同步實時測量土壤的水分和壓實度。中國農業大學張麗楠采用納米功能材料,制備了固態微小型硝酸根、鉀離子根和磷酸根離子選擇電極,改進了土壤主要養分速效檢測平臺,該平臺檢測速度快且性能穩定。浙江大學章海亮基于圖像和光譜信息融合技術,綜合(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)技術和嵌入式技術,研發了基于USB4000光譜儀的便攜式土壤養分含量測定儀,提出了基于小波變換、無信息變量去除(uninformativevariableelimination,UVE)和連續投影算法(successiveprojectionsalgorithm,SPA)的特征波段提取方法,建立了土壤有機質和氮素檢測模型,提高了土壤養分測量精度和適應能力。目前,國內的土壤信息采集技術與設備還存在一些問題,特別是還不能實現土壤養分在線實時測量,為此,應加強電子、化學、信息、機械、材料等多學科的協同創新,爭取在關鍵技術和產品研制等方面取得重大突破。
3.1.2作物長勢信息采集作物長勢信息是指作物生化參數(葉綠素含量、作物水分脅迫和營養缺素脅迫等)和理化參數(如根莖原位形態、葉面積指數(leafareaindex,LAI)等)。作物長勢信息采集對作物營養狀況的診斷與分析、調控作物生長以及預測作物產量都具有重要意義。國外通過NOAA-AVHRR、SPOTVGT、MODIS等低空遙感數據進行區域尺度LAI反演;通過LandsatTM、CBERSCCD、SPOT-5等中高空分辨率遙感數據進行農田尺度遙感監測[66-67]。中國農業大學張鋒等基于光譜技術及無線傳感器網絡設計了一種車載式4波段多光譜作物冠層指數檢測裝置,
4個光譜檢測傳感器作為網絡路由節點實時測量歸一化植被指數(normalizeddifferencevegetationindex,NDVI)值,并將測得值與GNSS數據結合,得出NDVI分布圖,從而預測作物營養空間分布圖,為變量施肥提供決策依據。南京農業大學朱洪芬[69]基于地面遙感數據與航天遙感圖像,結合作物生長監測與作物管理知識模型,建立了作物生長監測與診斷系統,該系統可直接監測小麥與水稻的生長特征、生理參數、產量與品質指標,實現了作物生長過程的信息實時獲取、及時診斷與動態調控,實現了作物長勢與診斷的精確化與數字化。遙感技術可快速、準確、實時、無損地獲取農田作物生長環境和生長情況的信息,已成為農作物長勢監測的熱點技術。當前,應加強神經網絡、小波理論、模糊數學、專家系統、認知科學等新科學方法在遙感數字圖像處理中的應用,加強地理信息系統與遙感技術的結合。
3.1.3作物病蟲害信息采集農作物病蟲害在中國農業生產中造成了巨大的損失。目前,中國的農作物病蟲害監測主要依靠人工田間調查、田間取樣等傳統方式,耗時、費力,且存在代表性差、時效性差和主觀性強等弊端,難以適應大范圍的病蟲害實時監測和預報。光譜監測是目前先進的作物病蟲害監測技術。Baker等采用近紅外光譜分析技術對麥粒中被金小蜂寄生米象幼蟲和蛹的識別準確率分別達到90%和100%。Maghirang等采用近紅外光譜分析技術對麥粒中害蟲的小、中、大型幼蟲及活蛹的識別率分別達到63%、84%、93%、94%?;嚇┮蕩笱72-73]采用基于光譜、可見光圖像和電子鼻等多種異質傳感器對稻飛虱蟲害的監測方法進行了研究。通過具有最早始變日的光譜波段和光譜特征量,結合其對稻飛虱蟲害的敏感度,可在蟲量達到峰值前7個測量蟲日分辨出受害組稻株與對照組之間的顯著差異;通過分形維特征、紋理特征和角點數量特征等3類圖像特征值,對4個不同蟲害等級的分級識別準確率可達到89%。采用電子鼻獲取稻飛虱蟲害發生后早期和若蟲始見前期的稻株氣體揮發物,采用概率神經網絡分級識別算法對5個不同的分級識別的最高準確率可達到95.83%?;嚇┮蕩笱а芯砍曬ε潯付喙餛紫嗷?、熱成像儀等設備的水稻信息獲取低空遙感平臺,用于水稻病蟲害及長勢信息的快速獲取。利用遙感技術能夠快速獲取大面積的空間連續地表信息。但病蟲害遙感監測技術受農田環境的復雜性影響,監測結果精度難以保證,必須將農學和植保經驗知識與遙感信息和模型進行有效地結合,充分挖掘遙感技術在作物病害監測方面的潛力。
4用信息技術提升農業機械管理及調度水平
4.1農業機械管理隨著農業機械化水平的不斷提高以及農業機械保有量的不斷增加,農機管理已經成為現代農業發展的重要內容,農機信息化管理對農業現代化發展具有重要意義。美國普度大學研制的大型計算機程序CROPBUGDET可為農戶提供農業機械化經營管理服務和最佳種植方案。英國西爾索研究所開發了一套包括成本核算、機器選擇及配套、田間作業計劃等的農業機械管理軟件。丹麥的Sorensen等開發了重點用于制訂作物田間種植和作業計劃的決策支持系統。黑龍江八一農墾大學建立了七星農場農機管理網絡信息系統、友誼農場精準農業信息系統、富錦市現代農機管理信息系統以及北大荒精準農業農機管理信息系統,這些系統配備液晶拼接大屏幕,實現了農機作業GPS跟蹤定位、農機作業視頻監控、語音對講調度、農機管理數據庫、短信群發、網絡視頻會議和農機視頻培訓等。通過物聯網將人、機、物連接,實現了農場信息化管理。中國的農機信息化管理發展速度還比較慢,存在缺乏統一規劃,管理體制不完善,管理系統相對落后和維護成本過高等問題,亟待加強研究,特別是要加快研究一批適合中國國情的農業機械管理軟件,形成完善的農業機械管理系統。
4.2農業機械調度農業機械調度是指調度中心在農機作業前錄入作業機具、人員、地塊等信息,作業時根據農機作業地點,科學地組織和優化作業路徑,并將作業指令下達給作業人員和機具,通過GNSS通信導航系統指引和調度,使農業機械在最短的時間內到達作業地點。GNSS技術是用信息技術提升農業機械管理水平的核心技術。GNSS技術應用于農業機械調度系統始于1995年,美國在聯合收割機上安裝GPS實現了農機具的自動駕駛。隨后,在英國、德國以及日本等發達國家也陸續開始采用GNSS技術進行農機監測、管理與調度。據美國普度大學數據調查,美國已有90%以上的農場使用了GPS設備;2005年-2009年,歐洲GNSS農機精密控制產品年銷量從4.2萬臺增加至10.5萬臺,增長率達26%,應用普及率達6%。美國天寶公司設計的ConnectedFarm系統是目前世界上最先進的農機調度系統。中國20a前開始引進、消化和改進國外農機監測和調度系統與技術。2010年,北京大學和海南北斗星通信息服務有限公司聯合渭南鵬程農民專業合作社,研發了農機調度專用終端,開展了面向經紀人模式的收割機監控與調度試點。至2012年,中國共引進GPS自動導航和駕駛系統約1600臺(套),主要用于黑龍江以及新疆生產建設兵團等大型農場。目前,黑龍江農墾總局的大型農場大都采用了GNSS監控調度農機作業。GNSS技術是用信息技術提升農業機械管理水平的核心技術。中國的農機管理與農機調度技術雖然取得了長足的發展,但是依然存在手段缺乏科學性、作業質量差、效率低、難以應急處理安全事故以及缺少政府宏觀管理等問題,當務之急是要堅持先進適用和因地制宜的原則,根據各地農業生產和農機作業特點,研制一批實用性強、效率高、操作簡單、維修方便的農業機械管理與調度系統。
5結論
農業可持續發展是中國現代農業建設面臨的重要任務與挑戰,提高農業機械化水平是促進農業可持續發展的重要手段。人類已經進入了“互聯網+”和“大數據”的信息化時代,農業機械信息化是提高土地產出率、資源利用率和勞動生產率,提高農機作業質量、經濟效益和農機企業競爭力的重要措施,信息化是加快發展農機裝備的必由之路,用信息技術提升農業機械化水平是建設現代農業的重要戰略需要。中國在農業機械信息化方面取得了一定進展,但仍然存在一些亟待解決的問題,仍需從以下方面努力:
1)利用參數化設計、虛擬設計等信息技術提升農機產品創新設計能力;
2)利用計算機集成制造、柔性制造等信息技術解決農機制造中的質量、成本和效率問題;3)在農業機械自動導航的關鍵技術方面取得重大突破,提升農業機械作業水平;
3)加強GNSS技術在農機管理方面的應用,研究一批適合于中國國情的農業機械管理系統和實用性強、效率高、操作簡單、維修方便的農業機械調度系統,提升農業機械管理水平。為大力加強農機裝備信息技術創新,進一步用信息化技術提升農業機械化水平,達到實現農業可持續發展的長遠目標,建議:
1)突破一批關鍵技術,如智能裝備數字化設計技術、自動導航協調控制技術及農業裝備現場總線技術等;
2)研發一批重大的技術產品,如大田和設施農業生產智能裝備、果園作業智能裝備以及畜禽水產精準生產裝備等;
3)構建現代農機精準作業系統,如水肥藥田間精準作業系統、畜禽水產自動飼喂系統以及自動化加工生產線等。
 
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