第8讲 “精细农作”发展与农业机械装备技术创新 中国农业大学精细农业研究中心 汪 懋 华 现代“精细农作”技术思想的形成与发展，实际上，已经历了近20年的孕育过程。七十年代中期到八十年代初, 田间调查方法、土壤普查、田间观察和航空摄影技术的改善，人们对农田内土壤与作物生长的差异性有了更好的了解，认识到在田间按小区条件差异进行作业管理，比按整块农田均一管理，会获得更好的经营效益。微计算机技术的发展，使得田间数据的采集与高效处理成为可能，农业机械上应用的传感器与控制技术也有了快速进步，工业化国家的农业机械进入到一个以迅速融合电子技术向机电一体化方向发展的新时期。大马力、高速、宽幅农业机械的设计，广泛引入了新材料、新工艺和微电子监控技术，农业装备设计中愈益重视操作者的安全性、舒适性、作业工况可监测和可控性的要求，农业动力与复杂农业机械结构设计也发生着重要的变化，不带电子监控功能的大中型农业机械已在发达世界农机市场中失去竞争力。八十年代后期，在农业机械机电一体化发展中，又迅速跟踪了电子信息科技的进步，其监控系统迅速趋向智能化，由单元控制发展到分布式控制，由单机作业系统向与管理决策系统集成的方向发展。电子学与信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着拖拉机和农业机械技术发展新的里程碑。通过电子学，使一些农业装备具有智能化特征和更易于相互通信，促进了支持基于信息和知识的精细农作应用的农业机械的研究与开发。迄今，电子学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下五个基本领域： 提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信； 实现节本增效和环境友好的农作：节约物质、能源消耗，降低作业成本；减少土壤、水体、动植物遭受污染； 过程的精确操作：及时获取过程信息，精确执行过程控制指令； 改善劳动者的操作条件：良好的人机接口，操作方便性、安全性、舒适性； 开发基于卫星定位系统实施精细农作的智能控制农业机械，支持农田作业的科学管理决策等。 这新一代农业机械装备技术的研究与开发，与过去十多年来基于信息技术的作物生产管理决策支持系统的研究发展等，都是近六、七年来“精细农作”技术得以进入日益广泛试验实践的重要条件。迄今支持“精细农作”的若干重要农业机械，如带产量图自动生成的用于小麦、玉米、大豆收获的谷物联合收获机，实施变量处方农作的谷物精密播种机、施肥机、施药机和灌溉设备在国外都已有若干类型的商品化产品，但仍需继续得到完善并扩大到更多的农机作业应用领域。如英、美、德等国生产的带DGPS定位系统和产量自动计量的谷物联合收获机。机器在田间收获中按秒为单位存储空间位置和对应的小区平均产量信息，经压缩后存入智能卡，再在PC机上读入智能卡数据，通过专用软件构建小区产量空间分布图，并与GIS平台相结合，进行空间图形的矢量化和聚类处理后，生成可用于指导操作的小区产量分布矢量图。英国Massey Ferguson 提供的这种联合收割机，在小区产量分布图基础上还可结合定位处方投入的成本分析直接显示小区经济效益分布图（Gross Margin Variability Map），在机器座舱内的一个虚拟化计算机LED显示屏上，可以通过触摸式键盘随意调用各种图形化可视界面和数据信息, 监控机器各部分的工况和显示获得的产量分布图。据1996年美洲Case-IH调查：北美当时约19% 的带300 hm2以上的规模化农场已经利用GPS，到2000年这一比例将达90%。1997年， 北美已有20,000台谷物康拜因安装有产量计量传感器，其中约50%带有GPS接收机可以自动生成产量分布图; 一个主要联合收割机制造商宣称，其1/3的新产品均已安装有产量传感器。这类康拜因的单产计量精度可达3%以内。在带产量传感器和DGPS的谷物康拜因技术已趋于成熟的基础上，近几年来，若干发达国家已开始了对棉花、甜菜、土豆、水稻、甘蔗、牧草、水果等收获机械产量计量传感器开展研究，在近几年的精细农业国际会议和重要刊物上已报道了有关试验研究成果，研究样机已进入试验应用。实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械, 如安装有DGPS定位系统及处方图读入装置的，可自动选择种子类型（二选一）、按处方调节播量的小麦精密播种机，自动施肥、施药机，可控喷水量的喷灌机均已有部分商品化产品，并在继续完善之中。 迄今“精细农业”在发达国家也不过五、六年的应用试验历史，部分支持技术手段还不十分成熟，有待不断研究完善，相关的应用基础研究还比较薄弱。“精细农作”应用实践可根据不同国家、不同地区的社会、经济条件，围绕提高生产、节本增效、保护环境的目标，采用不同的技术组装方式，逐步提高作物生产管理的科学化与精细化水平。其中，建立一个完整的精细农作技术体系，需要有多种技术知识和先进技术装备的集成支持，这为农业机械工程师提供了进行技术创新的机遇。研究适于不同国家的农业机械装备、种植特点、适于不同作物和更为精确的上述各环节的智能化技术，仍然是农业机械工程师面临的挑战。“精细农作”的示范试验研究已成为应用信息高新技术实现农业机械技术创新的重要切入点。如下若干课题可以作为推动科技创新的优先领域： GPS、GIS在农业机械田间导航、作业面积计量、引导定位作业和空间数据定位采样中的应用及软件开发研究； 用于与作物收获机械配套的产量传感技术与带产量图自动生成系统软件开发研究； 实施定位处方农作和控制的施肥、施药、浇水、精播、栽植的移动作业机械研究； 自走式农田土壤、病虫草害、作物苗情定位信息采集机械装备开发研究； 大中型拖拉机和自走型农业机械智能化技术状态实时诊断、监控与显示装置开发研究； 农机作业信息高效处理、存储、传输、通信技术及其总线与接口的标准化； GPS、GIS 有关技术国产化、产业化和用于支持农业机械社会化服务的规划、组织、调度与辅助管理决策支持系统的研究； 采用上述智能化联合收割机支持“易地收割”，实施机群科学调度与管理的技术经济效果研究；在引进技术消化、吸收基础上加快国产联合收割机的智能化装备技术的自主开发； 研究试验带GPS接收机的智能化节水灌溉机械、植保机械和播种机械，尽快形成国产化的自主产品，为农机社会化服务体系提供新一代技术装备。 由于作物生产受到众多因素的集合影响，当今作物生产的精细管理还是以对小区产量分布特征信息的分析为基础来制定处方管理决策。作物产量是许多因素综合影响形成的结果和评价种植管理水平的基础。因而获取农田小区作物产量及其空间分布的差异性信息是实践精细农作的关键。有了收获机械产量计量设备和小区产量分布图生成系统，农户既可以根据自己的经验知识，分析产出和小区产量差异的原因，选择经济适用的对策，在现实可行条件下采取适当措施实施调控；也可以根据技术经济发展的条件，利用先进的科技手段或智能化变量处方农业机械实现生产过程的自动调控。研究“精细农作”体系中的产量实时计量和产量图自动生成技术，需要解决如下的科学技术问题： 流量传感器的计量精度、稳定性、通用性、标定简便性的进一步改善； 产量计量中同时获得收获产品含水量、收获机的实际割幅和前进速度信息； 生成产量分布图需要的空间分辨率不大于收获机械工作幅宽的DGPS定位系统； 针对不同收获机械建立谷物由割台至流量测量点的谷物运移过程模型，以校正产量分布信息的动态误差； 研究采集的定位数据和产量数据编码格式与快速存储传输方式。这些数据通常都是存储在软盘或IC智能卡中，能一次存储至少一个作业班内的全部数据，然后再传入PC机进行处理和生成产量分布图； 开发PC上进行产量分布图生成的软件，含文件结构、数据结构、误差校正、数据图形化、显示方式等。 谷物联合收获机电子装置，包括谷物产量自动计量和产量图自动生成技术，是当代农机研究的一个重要方向，也应是我国农机装备机电一体化、信息化研究的优先发展方向之一。对于提高农机作业信息化意识，促进作物生产科学管理，支持改善易地收获和农机社会化服务的科学技术水平，都有十分重要的现实意义和示范作用，应是世纪之交我国农机技术创新的重要课题。