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农业论文

论文发表>信息技术对农业机械化水平的提升

信息技术对农业机械化水平的提升

发布时间:2018-08-03 点击: 发布:论文代发-经典期刊网-论文发表

摘要:为适应中国现代农业建设的需要,保持中国农业机械化水平持续增长,实现中国农业可持续发展,该文提出,应将先进的信息技术融入中国农业机械的设计、制造、作业和管理等环节,使农业机械装备实现信息化和智能化,从而整体提升农业机械化水平。文中介绍了参数化设计、基于知识工程的农机产品设计、基于产品数据管理的并行协同设计等农机产品设计的关键技术;柔性制造、计算机集成制造、虚拟与网络制造等农机产品制造的关键技术;农情信息采集、农业机械导航、田间管理等农业机械作业的关键技术;农业机械管理、农业机械调度等关键技术。分析了这些关键技术信息化的不足,总结了世界各国的发展趋势,指出了用信息技术提升中国农业机械化水平应解决的核心问题。为加强农机装备的信息技术创新,该文建议,应突破一批智能农业装备数字化设计技术、自动导航协调控制技术及农业装备现场总线技术等关键技术;研发一批大田和设施农业生产作业系统、果园作业智能装备和畜禽水产精准生产装备等重大技术产品;构建一批水肥药田间精准作业系统、畜禽水产自动饲喂系统和自动化加工生产线等农业机械精准作业系统,从而进一步用信息技术提升农业机械化水平。
关键词:农业机械;信息技术;可持续发展;农业机械化;农业可持续发展;现代农业


2004年,中国颁布实施了《农业机械化促进法》,12a来,中央的支农惠农政策极大地调动了政府、企业和农民发展农业机械化的积极性,农民购机、用机热情持续高涨,形成了推动农业机械化发展的合力,使中国农业机械化水平持续增长。2007年首次突破40%,达到42.5%;2014年达到61%[1-2]。中国提出了到2020年农业机械化水平达到70%的战略目标,但目前中国农业机械化水平整体上仍落后于发达国家20~30a,且农机企业规模小,农机产品以中小型低端为主,高端智能机具仍主要依赖进口。
目前,中国农业发展中存在的主要问题是:
1)劳动生产率低,根据联合国粮农组织公布的数据,2014年,中国农业劳动生产率为166.6美元/人,而美国、法国和德国分别为101249.0美元/人、59461.5美元/人和41715.0美元/人。2014年,美国、法国和德国人均劳动力负担的耕地面积是中国的145、55和45倍,人均生产谷物和肉类分别是中国的81、39、35倍和53、21、39倍。
2)生产成本高,2012年,中国水稻产量6753kg/hm2,产值1.176万元/hm2,总成本0.833万元/hm2,占产值的70.79%,其中人工成本占41.33%。
3)土地产出率低,2014年,中国谷物、稻谷、小麦、玉米、大豆和甘蔗的单产世界排名分别为21、13、23、50、46、和33。
4)资源利用率低,如采用传统方式喷施农药,能达到作物叶片上的药剂只有25%~50%;能沉积在病虫害上的药剂不足1%,能起到杀虫作用的药剂不足0.03%。
5)国际竞争力不强,由于中国农产品生产成本高,导致大米、小麦、玉米、大豆、粮食、糖以及牛羊肉等市场价格都高于国外产品的到岸完税价,从而不利于中国农产品在国际市场上的竞争。中国农业机械化水平不高是导致上述问题的根本原因之一,用信息技术提高农业机械化水平是解决以上问题的重要途径。农业机械信息化是指运用机械电子、光学物理、传感控制、信息通讯、互联网等现代信息技术,使农业机械更安全、更可靠、更高效地完成各项作业。相比传统农机,智能农机具有更好的易用性、可靠性和有效性;人与机、机与物之间具有更好的交互性;可提高作业效率50%~60%;并可降低作业成本。20世纪70年代,国外开始将现代微电子技术、仪器与控制技术和信息通讯技术融入农业机械装备,发达国家的发展历程表明,从农业机械化,到数字化,到自动化,到智能化是农业生产的必然发展趋势。2013年,习近平总书记在山东省农科院视察时指出:“让农业插上科技的翅膀”,为中国农业的发展指明了方向。2006年和2007年的中央一号文件[6-7]明确提出:“要积极推进农业信息化、加快农业信息化建设、用信息技术装备农业,加强农村一体化的信息基础建设、启动农村信息化示范工程和创新服务模式”。2015年的中央一号文件[8]提出“强化农业科技创新驱动作用”。《中国制造2025》明确提出:“以信息化与工业化深度融合为主线,重点发展农业机械装备等十大领域,提升制造能力及核心竞争力”。根据先进国家发展农业机械化的经验,本文提出,用信息技术提升农业机械设计、制造、作业及管理水平,从而整体提升中国农业机械化水平。
1用信息技术提升农业机械设计水平
1.1参数化设计技术参数化设计技术是以产品需求为基础,通过参数调整实时驱动产品图元来反映设计意图的一种高效设计技术,是计算机辅助设计(computeraideddesign,CAD)的主要内容。随着信息技术的快速发展,结合人工智能技术,参数化设计理论已融合到智能设计和虚拟设计方法中,参数化设计的概念也随着信息技术的发展而不断地完善和扩展。建模是参数化设计的基础,目前,已从传统的几何建模发展到基于特征、知识和行为的综合信息建模。设计农机产品时,越是细化描述零件的结构,其设计过程相似性就越高,因此,建模时要充分考虑可重用性,设计知识重用是指重复利用设计知识、信息、规则和求解问题的过程。基于参数化的重用设计可提高设计效率、缩短设计周期、降低成本。在农业机械产品的研发中,结合知识推理,已有多种农机产品的参数化设计方法,如收获机械变速箱、农用超声雾化换能器等部件的参数化设计与应用。信息和知识工程理论推进了参数化设计技术的发展,并在农机产品创新设计中不断扩大应用,王宗彦等结合优化设计,建立综合数据管理系统,进行了优化机械结构的参数化设计。
1.2基于知识工程的农机产品设计知识是新产品竞争力的决定性因素。基于知识工程(knowledgebasedengineer,KBE)的农机产品设计是以知识为基础,通过知识表达、智能推理与决策等手段构建专家系统来进行农机产品创新的一种设计方法。知识表达的方法很多,有产生式表示法、语义网络法、框架表示法、面向对象法以及基于本体法等。基于KBE的产品设计系统能够获取、表达和综合利用知识,对不确定知识进行推理,并具有智能决策能力,特别是具有很强的对重用知识的获取与设计的决策能力。快速提取知识信息的模型、建立知识信息库及关联数据库,为设计系统提供知识决策,是缩短农机设计周期、提高产品创新和产品质量的重要途径。KBE的知识库是数字化设计的基础,知识库为数字化设计提供了支持[16]。邹湘军构建了产品设计的知识融合系统,包括标准知识、专家知识、企业经验知识和多源网络信息等。张太华等探索了基于产品知识模块本体的产品知识集成机理,给出了知识集成过程的流程图。KBE在农机产品设计理论研究中也取得一定进展,邹湘军[18]建立了水果采摘机械手机构与控制的多领域统一的知识模型,分析了水果采摘机器人的连杆机构及其运动控制。李长林[19]建立了基于知识的农机底盘设计模型,构建了快速设计平台。目前KBE技术在农机产品的创新与应用方面还有很多技术瓶颈问题有待深入探索,如农业系统工程中的多领域知识耦合与表达、农机设计中的专家知识库、农机与农艺融合知识库等。在基于网络的多领域知识与数据库中,正确选择知识进行农机产品创新是新的挑战,如何建立完善的基于知识工程的农机快速设计系统,实现产业化应用还有待进一步研究。
1.3基于产品数据管理(PDM)的并行协同设计基于产品数据管理(productdatamanagement,PDM)的并行协同设计是一种以数据库管理为基础,对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行、协同和集成设计的系统化工作模式。全球化和网络化的发展使农机产品的竞争越来越激烈,充分考虑了产品生命周期中的各种因素的协同设计方法成为创新和竞争的手段。通过建立产品数据管理系统,形成基于PDM数据资源管理系统的并行协同设计模式可大大提高农业机械产品的竞争力。国外将SmarTeam与SolidWorks,AutoCAD,UG(UnigraphicsNX)等集成,将Metaphase与I-DEAS集成,进行农机及其它产品的并行协同设计[20]。国内在这方面的研究起步较晚,兰州大学潘敏等[21]采用事件驱动过程链EPC(event-drivenprocesschain)建模,建立了基于Internet的农机产品协同设计系统,使不同地点的设计人员同时参与设计,给出了B/S(Browser/Server,浏览器/服务器)模式的软件实现结构,基于J2EE平台实现了农机产品的协同设计。广西大学周君华[20]开发了基于PDM的甘蔗收获机械4CP集成设计平台,利用PDM集成接口,集成了甘蔗收获机设计开发中智能设计系统的专家经验知识以及CAD、计算机辅助工程(computeraidedengineering,CAE)、计算机辅助工艺设计(computeraidedprocessplanning,CAPP)、计算机辅助制造(computeraidedmanufacturing,CAM)等数据,实现了PDM系统中知识库和实例库中有关产品数据信息的搜索、查找及显示,并保证了开发过程中数据传输的一致性和安全性。国内外基于PDM数据资源管理系统的并行协同设计技术研究已取得一定进展。随着智能化的发展,对基于多智能体的网络化协同设计的功能提出了更高的要求。解决农机产品协同设计中多智能体行为决策的冲突问题仍是目前的难题。对于农机产品设计中的成本与质量的问题,应充分利用各种协同手段,建立能够满足实际需要的协同设计环境。
1.4农机产品的虚拟设计
农机产品的虚拟设计以计算机仿真技术为基础,通过三维建模与设计,逼真地模拟农机产品开发全过程,从而预测产品性能、可制造性、可维护性和可拆卸性等。虚拟设计是信息化、网络化和计算机集成制造发展的需要,其特点是产品设计过程的数字化、智能化和集成化。虚拟设计通过虚拟样机及虚拟自动装配[22]进行产品功能、性能、行为和质量分析与评价,通过跨领域和跨专业的多学科人员进行协同设计。3D打印技术的应用,促进了虚拟设计的快速发展。基于虚拟设计,建立统一规范的命名标准来描述产品的信息可提高设计信息与知识的共享和重用。国外对虚拟现实技术及其应用于产品建模和设计给予了高度重视。华盛顿州立大学和美国NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)研究院共同开发了“虚拟装配设计环境”,将虚拟现实技术应用于设计。为了实现协同性、同一性和可重用性,邹湘军等制定了用于虚拟产品设计的命名规则和标准,通过统一命名规则和行为建模,开发了水果采摘机器人虚拟设计与仿真系统。李山山等]研究了变速箱的虚拟建模与装配。王丽[27]建立了稻麦联合收割机虚拟装配的工艺知识模型,探索了知识重用与共享。虚拟设计技术对农机产品的创新设计意义重大,是农机产品设计发展的重要趋势,虚拟设计的标准化、集成化和智能化技术与理论还有待深入,虚拟设计的标准、各领域间的信息共享与重用、人机交互式等技术将是研究的重点。
2用信息技术提升农业机械制造水平中国农机制造产业的规模不断扩大,企业结构多元化、区位优势和产业集群效应日益凸显,市场需求旺盛。但农机制造技术相对落后,农机品种少、制造质量和作业性能不高,农机企业国际竞争力不强等问题仍然存在,亟需用信息技术提升农业机械制造水平。
2.1柔性制造技术(FMT)不同区域、不同作物、不同种植习惯对农机的要求不同,传统的专用生产线及大批量制造的工业生产模式难以适应现代农机制造快速响应的需求,农机产品的柔性制造技术逐渐成为主流。柔性制造技术(flexiblemanufacturingtechnology,FMT)是对各种不同形状加工对象进行程序化柔性加工的各种技术的总和,该技术集自动化技术、信息技术和加工技术于一体,适合个性化、小批量生产和新型农机产品的制造[29]。采用柔性制造技术生产农机产品具有设备利用率高、产品质量好、应变能力强、生产能力相对稳定以及生产过程运行灵活等优势,可减少设备投资70%~90%。从60年代中后期开始,发达国家先后开发了柔性制造系统(flexiblemanufacturingsystem,FMS)、柔性制造单元(flexiblemanufacturingcell,FMC)和柔性制造线(flexiblemanufacturingline,FML)。19世纪80年代,美国的阿里斯查默斯公司、凯斯公司和意大利的菲亚特公司开始使用FMS进行拖拉机的变速箱壳体、传动箱壳体和离合器壳体等零部件加工。目前,FMT在发达国家的年增长率达30%[30]。有关学者对FMT在制造中的各种指标进行了评价和研究,包括评估该系统的能源消耗,以降低制造成本。上个世纪90年代初,FMT在中国农机行业的应用开始起步,1985年,北京机床研究所研制出第一台用于加工直流伺服电机零件的JCS-FMS-1型柔性制造系统[。为了满足多品种变速箱体的制造,针对拖拉机制造厂金工车间的工艺平面布局,邹湘军开发了箱体加工的准柔性制造系统。华南农业大学与木材装备制造企业合作,共同研发了基于网络控制、视觉检测、机器手协同工作的多轴木材柔性复合加工中心,用该装备和机器人及视觉检测组成柔性木材加工系统。FMT用于农机产品制造可有效提高设备利用率、减少设备投资和直接工时费用,同时可提高农机产品对市场的应变能力,促进农机产品生产过程的自动化和智能化。FMT可加快农机产品的更新速度,缩短农机产品开发周期,降低农机产品制造成本,是提高中国农机企业国际竞争力的有效途径之一。因此,应加快推进FMT在农机产品制造中的应用,使农机生产朝着生产线越来越短、越来越简,设备投资和中间库存越来越少,场地利用率越来越高,生产周期越来越短,交货速度越来越快,损耗越来越小和效率越来越高的方向发展。
2.2计算机集成制造(CIM)技术计算机集成制造(computerintegratedmanufacturing,CIM)是针对激烈的市场竞争而提出的组织企业生产的方式,计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS)随计算机辅助设计和制造的发展而产生,是先进制造技术的内容。该技术集现代管理、制造、信息、自动化和系统工程等新技术为一体,通过计算机技术将分散在产品设计制造过程中各种孤立的子系统有机地集成起来。CIM系统主要由管理信息系统(managementinformationsystem,MIS)、计算机辅助设计(CAD)与辅助工艺设计(computeraidedprocessplanning,CAPP)、计算机辅助制造(computeraidedmanufacturing,CAM)、计算机辅助质量管理(computeraidedquality,CAQ)、工程数据库、网络系统等组成[35]。特别是工业4.0技术的应用,使得用软件和智能技术提升硬件功能成为未来农机企业的主要制造模式。对CIM和CIMS的研究与开发引起了世界各国的高度重视,与CIMS相关的企业管理、工程设计、系统集成及产品制造等相关技术都取得了长足发展。早在上世纪90年代初中国就将CIMS作为研究的重点,在一些研究机构和制造企业取得了一定进展,并应用于不同领域。并行工程、精良生产、敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造等许多技术与方法正不断融入先进制造技术中。CIM和CIMS在农机制造中的相关研究和应用也取得了一定进展,如利用计算机辅助设计与制造,实现了对变速箱的设计和虚拟装配、切割器虚拟样机设计,利农业工程学报(http://www.tcsae.org)2016年4用计算机图形图像技术辅助制造及自动检测,为复杂环境下制造系统的机器人提供目标三维定位坐标[36]。与发达国家相比,中国大多数农机企业在先进制造技术方面发展较慢,农机生产依然采用比较落后的制造工艺与技术装备,部分数控机床以及高端制造设备仍然依赖进口,加之中国多数农机制造企业的现代化管理理念不强,阻碍了中国农业机械化的发展与提高。为此,应加快在中国农机制造中推广CIM技术,以缩短产品生产周期,提高农机产品的性能和质量,实现科学化管理,解决农机产品“瓶颈”问题,整体提升农机产品的制造水平。
2.3农机产品生命周期管理技术产品生命周期是指从产品的市场需求到设计制造、售后服务、报废与回收再制造的全过程,产品生命周期闭环管理(closed-loopproductlifecyclemanagement)也称闭环PLM,是一种通过使用能补偿PLM的产品数据和信息知识,实现产品生命周期动态优化的战略商业方法。MRO(maintenance,repair&operation)是对产品进行维修、维护和操作等服务的活动。闭环PLM将现代MRO理论、网络信息技术和企业管理方法相结合,使产品制造商、用户和维修服务商在整个产品生命周期中共享产品信息。这种先进的产品管理技术使企业用最有效的方式和手段增加收入和降低成本。该技术在汽车产品、航空产品、家电产品等领域已得到推广和使用,纺织产品的PLM快速融合新工艺、质量和用户需求,完成产品的设计、制造、服务等的管理。William探讨了食品生产、制造与销售的PLM技术应用。农机产品PLM技术包括跟踪农机产品对作物的生产、收获和加工,最后至用户的全过程的安全管理,该过程包括了为农机概念设计的作物与机械属性、农机产品的设计制造、网络化销售、服务和再生资源回收等一系列的数据管理。作为新兴的物联网技术应用于产品生命周期管理,为农机产品管理提供了新的方法。目前,中国对闭环PLM的重点主要集中在阶段数据和阶段应用的管理方式,为充分发挥闭环PLM的作用,建议:
1)在农机产品生命周期的早期阶段,优化产品的需求定义、概念设计和设计验证过程,从而降低成本、提高生产力;
2)在农机产品生命周期的中期阶段,充分利用信息化技术,及时进行产品转型和改良,实现产品的创新,提高农机企业的竞争力;
3)在农机产品的后期阶段,衍生和定义产品新的用途与使用方法,为农机产品提供数字化服务与维修,减少维修成本,延长产品生命周期,使农机企业最大限度地获得利益;4)加强农机产品的报废和回收管理。
2.4面向农机制造资源管理的ERP技术农机产品具有所需物料种类繁多、生产计划复杂、物料需求计划和产品生产数据多变的特点,采用传统的管理方式难以保证物料信息的及时性和准确性。生产企业资源计划(enterpriseresourceplanning,ERP)以信息技术为基础,以系统化为管理思想,为企业决策层提供优化资源配置的决策,是农机制造企业的重要技术之一[45]。面向农机制造资源管理的ERP技术可有效管理物资的采购、储备和使用等一系列计划、组织和控制等活动进行。新疆大学刘瑞艳将ABC分类法与关键因素分析法(criticalvalueanalysis,CVA)相结合,建立农机产品物料管理系统,该系统既能根据ERP中的生产计划制定车间生产作业计划,又可根据车间作业计划及物料库存量的变化调整生产计划。用ERP技术对企业的质量检测进行定量分析,可提高企业对不确定的多因素决策能力。ERP软件正向提供良好的端口、在Internet平台上运行的方向发展。中国农机企业的物料管理还存在管理制度和思想落后的问题,导致农机企业生产能力不高、生产效率低下以及物资浪费严重。EPR技术可使农机物资实现适时、适量、适质、适价和适地的目的,可有效降低农机产品生产成本,使农机企业扩大经营管理范围,提高国际竞争力。
2.5虚拟制造与网络制造技术虚拟制造技术(virtualmanufacturingtechnology,VMT)集CAD/CAM和CAPP于一体,以实现产品设计、工艺规划、加工制造、虚拟装配、性能分析、检测,以及全生命周期的制造过程模拟,在实际制造之前对产品的功能及可制造性进行预测,具有人机交互、并行设计、分布式和网络化等特点,在工业、农业及军事等领域得到了广泛应用,VMT成为计算机集成制造的重要内容之一。1997年,通用电动机车部(generalmotorselectromotivedivision,EMD)建立了第一个完全数字化的机车样机模型,并将其并行地应用于产品分析、制造,夹模具工装和可维修性设计。网络制造(netmanufacture)是指基于虚拟现实、计算机网络和Multi-Agent等技术,利用信息技术,将分散在世界不同地区的生产设备资源、制造资源和智力资源,按照优势互补的原则灵活而迅速地组合起来,实现企业间的资源共享、优化组合和异地制造],快速推出高质量和低成本的新产品。网络为快速虚拟设计与制造提供了平台,虚拟现实及其三维可视化技术、大数据和深度学习技术提升了网络制造的能力。学者通过研究虚拟制造工艺与供应链的成本与质量的优化决策,探索虚拟制造单元中多项目标规划的修订,以解决多目标决策的冲突问题]。清华大学肖田元[55]将虚拟制造应用于轿车数字化工程。为了快速设计特殊形状齿轮,优化模型,DengJing等[56]通过网络制造技术提高了加工螺旋锥齿轮的效率和质量。陈新度等面向模具行业提出了基于制造资源网格化封装的网络化制造系统。虚拟与网络制造在以上技术中的应用,为其在农业机械制造中的应用提供了参考依据。
2.6农机产品的定制产品定制是信息技术在产品设计、制造、运营中的全方位应用,是产品全生命周期的一个重要环节。产品的定制分为大批量和个性化定制。大批量定制是一种集企业、客户、供应商和环境于一体,根据客户需求,以低成本、高质量和高效率提供大批量产品和服务的生产方式。20世纪初,亨利·福特和斯隆创立了大批量生产(massproduction)方式,取代了欧洲单作业生产方式企业长达若干世纪的领先地位,成为制造业的一次根本性变革。20世纪90年代,客户需求的多样化和个性化、产品生命周期的缩短以及来至世界的合作与竞争的加强,要求农机产品在创新和研发速度上具有快速反应的应变能力。因此,个性化定制成为一种新的产品订购模式,成为市场需求的一种新趋势,基于大数据的虚拟设计与制造技术成为主要设计方法,而柔性制造系统为个性化订制提供了满足市场快速响应和制造的现代化装备。中国的农机制造方式要借鉴和引用国外先进的定制技术与服务模式,应依据作物种植、收获和加工需求进行有针对性的设计。浙江工业大学胥芳以模块重构为核心,面向小型农机的大批量定制模式,建立了产品客户需求信息模型,实现了由客户需求向产品设计参数的转化。定制技术可有效地降低农机产品生产成本、缩短交货期限、全面提升农机制造能力和水平,并及时、高质量地满足农业生产对装备的特殊需求。中国的农机定制服务应努力做到:
1)在保证较低成本的同时,满足客户的个性化需求;
2)快速地对客户需求做出反应并及时提供定制化的产品和服务;
3)保证定制的产品质量。虚拟制造与网络制造在农机企业中的应用必将极大地促进农机企业的自主创新能力和竞争力,是农机产品制造的发展方向。目前对虚拟制造和网络制造的研究主要集中在制造硬件、智能技术、CAPP系统和信息交换准协议等方面,解决质量、成本和效率的冲突决策问题有待进一步深入研究。
3用信息技术提升农情信息采集、农业机械导航及作业水平
3.1农情信息采集农情信息采集是农机精准作业的前提,主要包括水、土壤和地理环境、小气候、作物生长状况和管理等信息的采集,这些要素具有信息量大、多维、非静态、不确定、不完整、稀疏性以及时空变异性强的特点,需要借助先进的信息化设备与方法。
3.1.1土壤信息采集土壤的物理环境影响农作物生长和农业机械的工作性能和能耗,为获取土壤信息,国内外学者研究了多种土壤信息采集技术与设备。国外已经开始将先进的近红外光谱检测技术应用于土壤养分检测。Kuang等利用近红处光谱技术对采集到的5个不同地点的土壤样品中的有机碳和氮素进行研究,并建立了预测模型。Krishnan等建立了相关系数达到0.873的土壤有机质预测模型。华南农业大学赵新等研制成功带全球定位系统(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)的土壤耕作阻力测量装置,采用测试刀和八角环传感器测量土壤耕作阻力,系统工作性能稳定,在实验室内平均测试精度达93.4%。中国农业大学孙宇瑞等[63]研制了车载式土壤水分、压实度集成在线测量系统,可同步实时测量土壤的水分和压实度。中国农业大学张丽楠采用纳米功能材料,制备了固态微小型硝酸根、钾离子根和磷酸根离子选择电极,改进了土壤主要养分速效检测平台,该平台检测速度快且性能稳定。浙江大学章海亮基于图像和光谱信息融合技术,综合(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)技术和嵌入式技术,研发了基于USB4000光谱仪的便携式土壤养分含量测定仪,提出了基于小波变换、无信息变量去除(uninformativevariableelimination,UVE)和连续投影算法(successiveprojectionsalgorithm,SPA)的特征波段提取方法,建立了土壤有机质和氮素检测模型,提高了土壤养分测量精度和适应能力。目前,国内的土壤信息采集技术与设备还存在一些问题,特别是还不能实现土壤养分在线实时测量,为此,应加强电子、化学、信息、机械、材料等多学科的协同创新,争取在关键技术和产品研制等方面取得重大突破。
3.1.2作物长势信息采集作物长势信息是指作物生化参数(叶绿素含量、作物水分胁迫和营养缺素胁迫等)和理化参数(如根茎原位形态、叶面积指数(leafareaindex,LAI)等)。作物长势信息采集对作物营养状况的诊断与分析、调控作物生长以及预测作物产量都具有重要意义。国外通过NOAA-AVHRR、SPOTVGT、MODIS等低空遥感数据进行区域尺度LAI反演;通过LandsatTM、CBERSCCD、SPOT-5等中高空分辨率遥感数据进行农田尺度遥感监测[66-67]。中国农业大学张锋等基于光谱技术及无线传感器网络设计了一种车载式4波段多光谱作物冠层指数检测装置,
4个光谱检测传感器作为网络路由节点实时测量归一化植被指数(normalizeddifferencevegetationindex,NDVI)值,并将测得值与GNSS数据结合,得出NDVI分布图,从而预测作物营养空间分布图,为变量施肥提供决策依据。南京农业大学朱洪芬[69]基于地面遥感数据与航天遥感图像,结合作物生长监测与作物管理知识模型,建立了作物生长监测与诊断系统,该系统可直接监测小麦与水稻的生长特征、生理参数、产量与品质指标,实现了作物生长过程的信息实时获取、及时诊断与动态调控,实现了作物长势与诊断的精确化与数字化。遥感技术可快速、准确、实时、无损地获取农田作物生长环境和生长情况的信息,已成为农作物长势监测的热点技术。当前,应加强神经网络、小波理论、模糊数学、专家系统、认知科学等新科学方法在遥感数字图像处理中的应用,加强地理信息系统与遥感技术的结合。
3.1.3作物病虫害信息采集农作物病虫害在中国农业生产中造成了巨大的损失。目前,中国的农作物病虫害监测主要依靠人工田间调查、田间取样等传统方式,耗时、费力,且存在代表性差、时效性差和主观性强等弊端,难以适应大范围的病虫害实时监测和预报。光谱监测是目前先进的作物病虫害监测技术。Baker等采用近红外光谱分析技术对麦粒中被金小蜂寄生米象幼虫和蛹的识别准确率分别达到90%和100%。Maghirang等采用近红外光谱分析技术对麦粒中害虫的小、中、大型幼虫及活蛹的识别率分别达到63%、84%、93%、94%。华南农业大学[72-73]采用基于光谱、可见光图像和电子鼻等多种异质传感器对稻飞虱虫害的监测方法进行了研究。通过具有最早始变日的光谱波段和光谱特征量,结合其对稻飞虱虫害的敏感度,可在虫量达到峰值前7个测量虫日分辨出受害组稻株与对照组之间的显著差异;通过分形维特征、纹理特征和角点数量特征等3类图像特征值,对4个不同虫害等级的分级识别准确率可达到89%。采用电子鼻获取稻飞虱虫害发生后早期和若虫始见前期的稻株气体挥发物,采用概率神经网络分级识别算法对5个不同的分级识别的最高准确率可达到95.83%。华南农业大学研究成功配备多光谱相机、热成像仪等设备的水稻信息获取低空遥感平台,用于水稻病虫害及长势信息的快速获取。利用遥感技术能够快速获取大面积的空间连续地表信息。但病虫害遥感监测技术受农田环境的复杂性影响,监测结果精度难以保证,必须将农学和植保经验知识与遥感信息和模型进行有效地结合,充分挖掘遥感技术在作物病害监测方面的潜力。
4用信息技术提升农业机械管理及调度水平
4.1农业机械管理随着农业机械化水平的不断提高以及农业机械保有量的不断增加,农机管理已经成为现代农业发展的重要内容,农机信息化管理对农业现代化发展具有重要意义。美国普度大学研制的大型计算机程序CROPBUGDET可为农户提供农业机械化经营管理服务和最佳种植方案。英国西尔索研究所开发了一套包括成本核算、机器选择及配套、田间作业计划等的农业机械管理软件。丹麦的Sorensen等开发了重点用于制订作物田间种植和作业计划的决策支持系统。黑龙江八一农垦大学建立了七星农场农机管理网络信息系统、友谊农场精准农业信息系统、富锦市现代农机管理信息系统以及北大荒精准农业农机管理信息系统,这些系统配备液晶拼接大屏幕,实现了农机作业GPS跟踪定位、农机作业视频监控、语音对讲调度、农机管理数据库、短信群发、网络视频会议和农机视频培训等。通过物联网将人、机、物连接,实现了农场信息化管理。中国的农机信息化管理发展速度还比较慢,存在缺乏统一规划,管理体制不完善,管理系统相对落后和维护成本过高等问题,亟待加强研究,特别是要加快研究一批适合中国国情的农业机械管理软件,形成完善的农业机械管理系统。
4.2农业机械调度农业机械调度是指调度中心在农机作业前录入作业机具、人员、地块等信息,作业时根据农机作业地点,科学地组织和优化作业路径,并将作业指令下达给作业人员和机具,通过GNSS通信导航系统指引和调度,使农业机械在最短的时间内到达作业地点。GNSS技术是用信息技术提升农业机械管理水平的核心技术。GNSS技术应用于农业机械调度系统始于1995年,美国在联合收割机上安装GPS实现了农机具的自动驾驶。随后,在英国、德国以及日本等发达国家也陆续开始采用GNSS技术进行农机监测、管理与调度。据美国普度大学数据调查,美国已有90%以上的农场使用了GPS设备;2005年-2009年,欧洲GNSS农机精密控制产品年销量从4.2万台增加至10.5万台,增长率达26%,应用普及率达6%。美国天宝公司设计的ConnectedFarm系统是目前世界上最先进的农机调度系统。中国20a前开始引进、消化和改进国外农机监测和调度系统与技术。2010年,北京大学和海南北斗星通信息服务有限公司联合渭南鹏程农民专业合作社,研发了农机调度专用终端,开展了面向经纪人模式的收割机监控与调度试点。至2012年,中国共引进GPS自动导航和驾驶系统约1600台(套),主要用于黑龙江以及新疆生产建设兵团等大型农场。目前,黑龙江农垦总局的大型农场大都采用了GNSS监控调度农机作业。GNSS技术是用信息技术提升农业机械管理水平的核心技术。中国的农机管理与农机调度技术虽然取得了长足的发展,但是依然存在手段缺乏科学性、作业质量差、效率低、难以应急处理安全事故以及缺少政府宏观管理等问题,当务之急是要坚持先进适用和因地制宜的原则,根据各地农业生产和农机作业特点,研制一批实用性强、效率高、操作简单、维修方便的农业机械管理与调度系统。
5结论
农业可持续发展是中国现代农业建设面临的重要任务与挑战,提高农业机械化水平是促进农业可持续发展的重要手段。人类已经进入了“互联网+”和“大数据”的信息化时代,农业机械信息化是提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率,提高农机作业质量、经济效益和农机企业竞争力的重要措施,信息化是加快发展农机装备的必由之路,用信息技术提升农业机械化水平是建设现代农业的重要战略需要。中国在农业机械信息化方面取得了一定进展,但仍然存在一些亟待解决的问题,仍需从以下方面努力:
1)利用参数化设计、虚拟设计等信息技术提升农机产品创新设计能力;
2)利用计算机集成制造、柔性制造等信息技术解决农机制造中的质量、成本和效率问题;3)在农业机械自动导航的关键技术方面取得重大突破,提升农业机械作业水平;
3)加强GNSS技术在农机管理方面的应用,研究一批适合于中国国情的农业机械管理系统和实用性强、效率高、操作简单、维修方便的农业机械调度系统,提升农业机械管理水平。为大力加强农机装备信息技术创新,进一步用信息化技术提升农业机械化水平,达到实现农业可持续发展的长远目标,建议:
1)突破一批关键技术,如智能装备数字化设计技术、自动导航协调控制技术及农业装备现场总线技术等;
2)研发一批重大的技术产品,如大田和设施农业生产智能装备、果园作业智能装备以及畜禽水产精准生产装备等;
3)构建现代农机精准作业系统,如水肥药田间精准作业系统、畜禽水产自动饲喂系统以及自动化加工生产线等。
 
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