国外农业机械与信息技术融合发展主要特点

文章来源:聚英云农 发布时间: 2022-07-19 17:59:02
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上世纪九十年代,美国、德国、日本等经济发达国家的种植业和养殖业已进入高度机械化阶段,农业机械已向自动化、信息化和智能化方向发展,在农机现代化和信息化方面拥有较好的基础和技术积淀。国外农业机械与信息技术融合发展的主要特点概括为以下五个方面。

 

国外农业机械与信息技术融合发展主要特点

  一、向数字化、自动化、信息化方向发展

 

近年来,数字信息化技术在全球农业领域应用步伐加快,农业机械化生产与信息技术深度融合,先进的农业信息智能感知技术和智能农机发展迅速。

 

美国数字农业发展建立在农业生产高度专业化、规模化、企业化的基础上,信息化技术渗透到了美国农业生产、加工、运输、销售的各个环节,直接促成了美国“精确农业”的兴起,极大程度上提高了美国农产品的国际竞争力。自20世纪90年代起,美国已开始应用卫星遥感等数字农业技术对大田作物进行生产全周期的监测与管理,在21世纪初已在大型农场中实现了“3S”技术,即遥感、地理信息系统和全球定位系统,以及网络信息服务、智能机械系统的综合应用。美国科研部门和大型农机企业已经将网络通讯、电子计算机及卫星遥感等现代信息技术应用到大型农机具上,实现拖拉机等农机的自动避障、自主作业、路径规划等自动化、智能化农业机械作业。生产机械化辅以管理信息化,越来越多的劳动力被替代下来,农业生产效率进一步提高。

 

德国大型农场均配有多样性的农业机械设备来满足生产需要,农场经营者素质普遍偏高,管理非常现代化。从德国现代农业发展的应用来看,主要集中在计算机知识模型、杂草自动识别以及病虫害的诊断监控等多项技术。德国政府对于农业机械化极其重视,农机企业也十分重视农业机械的现代化生产,比如科乐收公司拥有多条高度智能化的生产线,这些生产线上每一道工序都可通过射频识别技术进行全程追溯。随着越来越多高科技技术在农机上的应用,企业设置专门的技术培训中心对驾驶操作人员的操作技能进行培训,提高了农机设备效能的发挥。

 

日本为应对农业资源环境与劳动力短缺的困境并提高农业竞争力,重点推进现代信息与通讯技术在家庭农场作业中的应用,实现农业生产的自动化与智能化,逐步形成了较为成熟的适度规模经营型精细化农业生产模式。比如,井关农机公司(ISEKI & CO., LTD.)与政府联合研发了新型智能插秧机,这种插秧机可以通过传感器确定行驶路线,即便是遇到淤泥也能自动调整方向。此外,为了防止过量施肥影响作物品质,这种插秧机可以通过土壤电导率测量传感器检测土壤的深度及有机质含量,从而实现插秧与变量施肥同步。为解决农户精准农业技术应用成本高、农户经营分散等问题,日本农业协会为农民生产农产品进行产前、产中、产后的全程服务,并促进精准农业技术的普及与利用。

 

  二、信息技术广泛应用于农业机械设计与生产制造环节

  2.1 数字化设计

 

智能制造的关键是数字化设计与制造。数字化设计技术是指通过产品描述为基础的数字化设计平台,在产品的开发和应用过程中建立以信息技术为基础的数字化计算机产品模型,不断对开发方式持续优化,达到使设计成型的机械设备更具实用性、创新性并有效降低模型应用的一种新型产品开发技术。

 

在现代数字化设计中,产品模块化设计、虚拟仿真与虚拟实验验证、知识工程技术、基于PDM/PLM的协同设计等相关技术在国外已经开始应用。为提升新颖性与创新性,提高农机产品研发效率,国外如爱科(AGCO)、约翰迪尔(John Deere)、久保田(Kubota)等农机巨头公司在新产品开发的不同阶段普遍采用创新设计理论和方法,数字化设计技术也得到广泛应用。这些农机企业的产品开发模式也从集中式转向分布式,特别是产品全生命周期PDM管理系统和基于网络的产品描述模型的应用,逐渐建立了以PDM/PLM为支撑、结合高端工程技术的优质产品研发体系和知识积累平台。采用现代数字化设计技术不仅提高了产品技术水平,而且缩短了产品开发周期,降低了开发成本。

 

  2.2 先进制造技术

 

农业装备使用可靠性和耐用度不足是中国农业机械的薄弱环节,也是中国农业装备在国际上话语权不强的主要因素。先进制造技术在各个国家高端农机生产中的作用十分重要,是促进农机创新能力和制造水平,加快当今世界现代农业建设步伐的关键。

 

国外农机企业特别关注产品的使用可靠性和耐用度,重点研发了农机部件的金属材料、加工工艺以及关键部件的精密制造技术,用汽车生产加工的技术去制造农机具的部件和装备。在发达国家农机企业车间内,高柔性的自动无人生产线、先进的制造产业线已成为主要生产手段,自动焊接及精密装配机器人、精密锻造等先进技术应用广泛。先进的制造技术如敏捷制造、并行技术、虚拟制造技术和智能制造技术的应用可以充分保证制作过程的一致性,实现生产环节全程可追溯。智能化生产线、制造模式柔性化、制造技术的敏捷化帮助提高生产制造质量、效率和安全性,高度智能化的制造加工系统使得员工仅仅通过操纵软件程序等即可轻松地完成生产加工任务。

 

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  三、畜牧机械信息化发展迅速

 

  3.1 饲草生产机械

 

发达国家十分注重畜牧业的发展,饲草业的经济产值和种植面积已领先粮食作物,成为农业领域中的最大产业。发达国家的畜牧业产值占农业产值比重一般在60%以上,饲草生产机械化已经成为畜牧业产业化的重要发展方向。发达国家饲草生产的主要环节实现了全面机械化,信息技术大量应用于饲草机械,使得饲草机械的智能化程度不断提高,处于领先地位的主要是美国、德国、法国、意大利、日本等发达国家。

 

饲草机械上信息化技术的应用减轻了传统作业方式的劳动强度,提高了劳动生产率,是实现饲草产业现代化的基础和保障。

 

  3.2 饲料加工机械化

 

法国KUHN公司是世界著名的牧草收获和饲喂搅拌农机生产商,现成为田间农业耕作机械、精密播种机、牧草机械、饲料搅拌机与植保机械的大型综合性农机具制造商。KUHN的SPV系列自走式饲料搅拌机,具有取料头下降速度的电子控制及液压搅龙优化管理系统。取料头在青贮料堆藏表面的下降速度可以根据所装载作物的密度进行自动调整,可以保持纤细作物的颗粒大小均匀。从机械方面来看,减小了机器结构上的应力,同时保护液压回如一方达到压力峰值。搅龙独立于其他机器组件,能够在达到所需的料位时开始搅拌,因此能够保持青贮等纤细作物的纤维度指标,同时可以存储并控制不同日粮的搅拌时间,从而降低了过度搅拌的风险。搅龙转速和发动机转速实际上由所选的模式决定,自动搅龙转速管理能够对油耗进行全面控制。在驾驶辅助方面,可以对功能顺序进行编程,在“饲喂”模式下为驾驶员提供辅助。

 

  3.3 犊牛饲喂机

 

德国Urban公司生产的Calfmom U40自动犊牛饲喂机可以自动为牛犊配置、加热饲喂的牛奶,还配置了自动添加药物系统。饲喂机上装有质量传感器可以对剩余奶量进行精确称量,可以对牛犊饮用的进程进行监测。饲喂机上先进的饲喂管理系统可以让饲养员直观地用电脑控制犊牛饲喂。犊牛饲喂机配备犊牛自动饲养软件管理系统,记录每头犊牛的个体饲喂信息并进行数据分析,还配置了电脑式操作显示终端,可方便进行犊牛注册、检查、机器设置等操作。饲喂管理系统具备“随意、个体、保留”三种饲喂模式,可设置8种进料曲线饲喂方案,便于针对不同犊牛情况设置不同饲喂方案,更加贴合犊牛的生长发育。

 

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  四、注重资源节约和环境保护,信息化促进农业可持续发展

 

农业机械化与信息化的融合发展有利于促进农业生产成本节约和生态环境保护。现代农业生态环境问题主要指人们对自然环境的干预和农业现代科技成果的应用带来的资源浪费和环境破坏。传统农业机械的作业方式智能化水平低,如施药或施肥机械多采用不间断恒量喷药或施肥作业模式,造成农药飘移和土壤板结的生态污染问题,严重影响到农业的可持续发展。

 

上世纪八十年代以来,各个国家对资源高效利用的现代智能农业装备愈发重视。多类型、高精度的传感器广泛应用于土壤养分探测、变量施药的植保机械等,已经成为现代农业机械发展的主要趋势。

 

  4.1 土壤养分探测

 

精准施肥的一个基本要求是首先要取得详尽的土壤及作物养分信息。精准土壤采样技术是获取土壤养分信息的重要手段,主要将农田土壤进行网格划分,以一个地段内各单元网格采取土壤养分测定值为依据,结合土壤供肥特性、农作物需肥规律和肥料田间效应,绘制农田精准施肥处方图。

 

现在的精准土壤采样方法主要有土样化验和土壤信息传感器采集系统两种。基于土样化验的施肥技术主要对土壤中的有机质、pH值等进行检测,技术人员配置出不同土壤类型的最佳施肥模式,提升耕地综合生产能力,保障农业的可持续发展。目前美国测土配方已覆盖了80%以上耕地面积,实现了全国范围内养分综合管理。其他发达国家如以色列、英国及荷兰等国也很重视土壤化验施肥技术。由于土样化验在大面积土地调查中的效率太低,于是国外研发了车载土壤电导率测量系统。与此同时,国外也在研发各种土壤养分在线实时测量传感器。

 

美国Veris Technologies公司的iScan+ 多参数土壤理化性质测绘系统可以通过实地原位测量土壤的电导、温度和湿度值,此系统适用于精准农业、土壤调查及土地利用规划等领域。利用GPS定位和数据处理测绘软件,绘制出土壤理化性质分布图,全面反映土壤盐碱度、土壤肥力、根系深度、土壤表层温度等重要信息。通过测定土壤具体参数,了解土壤肥力信息及是否有金属污染,为土地生产能力及产量预测提供重要依据,与GPS信息相结合可绘制田地土壤成分空间分布图,方便制定精准施肥处方图从而实现田间的变量施肥,对提高经济效益以及减少环境污染等具有重要意义。

 

  4.2 变量施药

 

变量施药技术是采用全球导航卫星系统、GIS或实时传感器技术获取农田分块区域内病虫草害的差异性并制定不同区域的目标施药量,通过调节压力或流量大小等不同控制方式实现按目标施药量进行喷药作业。与传统的大面积均匀喷施技术相比,变量喷施技术能够提高农药利用率、降低作业成本并减少环境污染。变量喷雾机在国外精准农业技术中应用逐渐成熟,是现代植保机械的重要发展方向。

 

美国、欧盟和日本等国在施药技术上结合信息化技术可实现精密、高对靶性及定量施药,平均农药利用率在50%以上。澳大利亚昆士兰科技大学研发出一款自动除草和施肥的机器人——Agbot II,它身上搭载先进的机器视觉自动识别系统,可精确分辨杂草与作物,在杂草检测和分类上的总体成功率超过90%。Agbott II采用太阳能供电,更加有利于节能环保,节省农民预算。此外,Agbot II搭载的先进传感器、软件和其他电子设备可以使机器实现自动导航,对作物和杂草进行检测和分类,并针对不同类别的杂草自动选择机械剪除或化学施药的方式来精确除草。除此以外,该机器人也可以用于精准施肥。在未来的版本中,该机器人还可以在执行操作时反馈有关土壤和作物的健康以及病虫害等数据信息。

 

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  五、向控制智能化、操作自动化和驾驶舒适化方向发展

 

农业机械装备通过不断改进提高再创新,其质量水平也不断提升。农业机械上采用高度自动化的智能化辅助装置,不仅可以提高田间工作效率,节约运营成本,增强驾驶员的舒适感受,而且能提高产品在国际市场上的声誉和市场竞争力。控制智能化、操作自动化和驾驶舒适化是精准农业智能装备发展的重要方向。

 

  5.1 控制智能化

 

国外著名农机企业产品大多采用基于ISO 11783的ISOBUS农用机械串行控制和数据通信标准总线技术,此标准详细规定了智能农机的控制系统网络整体架构、功能ECU、CAN总线通信及任务控制器结构等。总线技术的发展实现了农业机械控制器之间的信息共享,为农机装备的控制智能化提供了重要基础。科乐收公司的自动转向系统GPS PILOT配有集成10.4英寸的触摸屏和双频接收器的S10终端,还具有操作自动转向系统、可控制接入ISOBUS的机具等功能。约翰迪尔公司的ISOBUS TIM(拖拉机工具管理)系统可以同ISOBUS设备结合控制拖拉机自动转向。该系统为即插即用模块,可在多台机器上移植使用,也可对现有系统进行升级。

 

在植保机械的控制智能化方面,加拿大NORAC公司设计了一种能使喷杆根据地形轮廓自动进行调整的UC5喷杆控制系统。其装载的超声波传感器可对高度变化迅速做出反应,可在复杂地形作业中保持喷杆的离地高度,使喷头维持在最佳的喷洒位置进行均匀施药,减少农药在喷药过程中的漂移。UC5控制系统的识别模式有三种,分别为土壤模式、农作物模式和混合模式。三种模式可随时切换来感应土壤面或农作物高度,自动进行喷杆高度调节节节整。此外,系统包含主动旋转角度控制组件,使得喷雾机在变化多端的地形上驾驶,旋转和控制中心部分也会增加两翼的起升速度。这个控制系统有效降低了驾驶者的工作压力和疲劳程度,当在不平坦的农场地形上喷药时,可不用注重地形的实时变化,从而将更多精力放在喷药工作和安全作业上,大大提高了工作效率和作业安全性。

 

  5.2 操作自动化

 

目前,农业装备的卫星导航技术起到了作业过程中的辅助驾驶作用,能减轻操作员疲劳,使得操作变得自动化。约翰迪尔AutoTrac自动导航系统可以安装在各种农机装备上进行田间作业,比如用于征地、播种、施药、收获等作物全周期的田间作业,起到按垄作业或走直线的效果,提高了操作便利性。最新StarFire6000接收器使用的SF3卫星差分信号精度为±2.5 cm,兼容GPS、GNSS(Global Navigation Satellite System)和北斗等全球导航系统,与载波相位差分技术(Real-time Kinematic,RTK)设置基站方式相比,SF3信号不仅不需要RTK基站等基础设施的投入,不受无线电和网络局限,并且内置地形补偿模块,可以确保坡地作业时的准确性,特别契合跨区作业需求。SF3卫星差分信号对作业路径有存储功能,可实现一年内作业路径可重复。系统对越过遮盖区域后的信号搜索能力很强,能在通过遮盖区域后快速恢复信号状态,此外自动导航系统还采用多卫星跟踪来保障信号的稳定性,配合iTEC Pro转向路径规划模块,可使作业车辆在最大转弯速度下实现最小转弯路径规划。卫星导航技术的快速发展极大促进了现代农机装备的操作自动化,卫星导航提供的辅助驾驶功能大大提高了作业效率与作业质量。

 

经济作物收获机械采棉机的技术发展是技术难点,约翰迪尔CP690自走式打包采棉机目前可实现不停机作业、边采摘边打包的功能。该采棉机采用ProDrive自动换挡变速箱和防打滑系统等来确保田间作业时稳定的前后牵引力。驾驶室多功能控制杆采用模块化设计,一触式操作即可实现棉包卸载。这种采棉机加注液体1次(柴油、清洗液和润滑脂)可以不间断工作12小时,1分钟内从采摘模式切换到运输模式,辅助劳动少,实现了采棉机的连续作业,效率提高了20%~30%。此外,采棉机配备RowSense对行行走系统,能自动控制机器田间作业转向,不仅使得行距中心线与采摘头中心线对齐,保证采棉机准确按照播种路线行走,还有利于黄昏和夜间的对行采摘作业,减轻人的疲劳强度。CP690棉花采收机标配籽棉含水量实时动态监测系统,湿度传感器安装在棉花打包器上,在棉花打包过程中连续测量籽棉的湿度,驾驶员能通过湿度传感器采回的含水率数据实时调整轧棉效率,有助于保证棉花打包的质量。采棉机整车智能化、信息化水平高,监测控制系统可实现智能控制、自动监测、故障自诊断和危险报警等诸多功能,有效保证了棉花采收质量和作业效率。

 

  5.3 驾驶舒适化

 

国外大型农机企业的市场营销理念在逐渐变化,从以往通过产品推销的传统方式过渡到注重解决客户问题的营销理念上来。注重农业装备的驾驶舒适化已经成为国外农机企业关注的重点之一。德国菲茨曼农机公司(Fritzmeier Group)设计一种个性化的驾驶室需要三年左右的时间,其中包括一年半的安全测试和性能试验时间。测试项目包括顶棚抗挤压安全、振动舒适性能测试等,测试期间对采集的数据进行数据记录与分析,不断优化设计方案。国外的部分拖拉机,如纽荷兰TL-A系列轮式拖拉机、挑战者MT系列履带拖拉机等驾驶室地板铺设加厚覆盖层,驾驶室内部采用吸音、隔热材料,能有效隔离室外温度并降低噪音,驾驶室噪声均达到75 dB(A)上下,已经接近汽车标准。拖拉机驾驶室大多宽敞明亮,驾驶员在工作时可拥有更大范围的视角,带有减震器的悬挂式座椅可调整,为驾驶员提供一个安全、舒适的作业环境。驾驶室内操作面板和操控杆均匀分布在驾驶员的两侧,操纵配置更加合理,使驾驶员可根据不同体型及驾驶习惯调节位置。除踏板外,驾驶员两侧有多功能操纵杆、水杯座及折叠式副坐等,副座多有安全防护装置等。

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