农业机械与信息技术融合发展现状与方向

　　摘要：为理清国内外农业机械与信息技术融合发展现状，找到重点发展方向，借此大力推进农业机械智能化发展，本文首先分析了国外农业机械与信息技术融合发展的现状，总结了其发展的五大特点。之后指出农业机械化发展虽然成效显著，但仍存在农机信息化融合的区域及结构发展不平衡、企业和农民对农业机械信息化的认可度还不高、基础研究与关键技术研究薄弱、农机作业信息系统管理水平不高且缺乏统一标准等问题。最后提出了农业机械与信息技术融合发展的方向，包括促进智能感知技术发展与导航技术研究、推进农业机械装备智能化、构建农机智慧作业系统、推进农机自主作业技术研究与无人农场建设、加强农机信息化技术标准制定与复合型人才培养等。农业机械与信息技术融合是现代农业机械发展的必然趋势，利用信息技术促进农业机械的发展，能够最大化发挥信息技术的引导效应，提高农业生产效率，对于推进农业机械高质高效发展具有重要意义。

　　关键词：农业机械；信息技术；融合发展；智慧作业系统；无人农场；智能感知；导航

　　1引言

　　农业机械化和农业装备是转变农业发展方式、推动农业可持续性发展的重要基础，是推进农业现代化建设的重点领域和核心支撑。2013年，习总书记总书记在视察山东省农业科学院时强调，要重视和依靠农业科技进步，大力推进农业机械化、智能化，给农业现代化插上科技的翅膀［1］。2018年，《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》做出了“农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力并进入了机械化为主导新阶段”的重要判断，指出了“当前农业机械化和农机装备产业发展不平衡不充分”的突出问题，明确了“推动农机装备产业向高质量发展转型和推动农业机械化向全程全面高质高效升级”的总体要求［2］。《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》也指出，要着力加强重点关键技术攻关，推动数字化、智能化等先进技术与农业机械化的深度融合，显著提高农业机械有效供给能力，引领现代农业高质高效发展［3］。落实上述文件精神，认真了解国外农业机械研究与应用现状，进而找准农业机械化发展的攻关目标，对于推进农业高质高效发展具有重要意义［4,5］。

　　2国外农业机械与信息技术融合发展主要特点

　　上世纪九十年代，美国、德国、日本等经济发达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［8］，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。

　　2.1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（RemoteSensing，RS）、地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）和全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS），以及网络信息服务、智能机械系统的综合应用［9］。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。

　　2.2信息技术广泛应用于农业机械设计与生产制造环节

　　2.2.1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［12］，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、虚拟仿真与虚拟试验验证、知识工程技术（Knowl‐edgeBasedEngineer，KBE）、基于PDM/PLM（ProductDataManagement/ProductLifecycleMan‐agement）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（JohnDeere）、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［13］。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。

　　2.2.2先进制造技术

　　农业装备使用可靠性和耐用度不足是农业机械的薄弱环节，也是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。

　　3农业机械化发展现状

　　3.1农业机械化发展取得显著成效

　　改革开放以来，部署实施大量农业装备科技创新项目，农业机械化水平不论从机械装备数量上还是农机装备技术上都呈现稳步提高的趋势。已成为世界第一农机生产和使用大国，实现了从主要依靠人力、畜力到主要依靠机械动力的农业生产方式转变，也正处于从传统农业到现代农业转变的关键时期。从整体上来看，的农业机械化已经得到了长足发展，农业机械化产品呈现多元化发展趋势。

　　3.1.1农业机械数量和农机作业面积大幅提高

　　已成为世界农机大国，农机工业产值世界第一，农机使用量世界第一［17］。2018年，中国农业机械总动力达到100,371.7万千瓦，在国家农机补贴政策的进一步促进下，2019年，农业机械总动力有小幅增加，至102,708万千瓦［39］。2019年，农业农村部加快推进农机化转型升级工作，全国农作物耕种收综合机械化率超过70%，提前一年实现“十三五”目标。当前，三大粮食作物——小麦、水稻、玉米的耕种收基本实现机械化作业，其综合机械化率均已超过80%［40］。全国农机装备结构持续改善，农业机械在集成技术、节本增效、推动规模经营方面的重要作用充分显现，强力支撑了主要农产品的有效供给。

　　3.1.2农机作业服务组织数量不断增长

　　2018年底，全国已有300多个示范县率先基本实现农业生产全程机械化［41］。在此基础上，各类新型主体不断涌现，服务模式不断创新，农机合作社发展迅速，数量不断增加［42］。2018年农机作业服务组织达到18.7万个，其中农机合作社7万个，全年重要农时农机服务面积累计超过400,000khm2（60亿亩），促进了小农生产和现代农业发展有机衔接［43］。全社会对农业机械化的认识不断提高［44］，“农业的根本出路在于机械化”已成为全社会的共识。

　　3.2科技创新在促进区域农业机械化高质高效发展的作用突显

　　近年来，农机作业质量快速提升。针对各地作物种植类型和农机需求类型的不同，国内农机企业不断推进农机装备创新，研发适合不同地区农业和农民需要，先进适用的各类农机。农机和农艺融合、系统化研究、全程机械化的创新理念逐步被广泛接受。

　　4农业机械与信息技术融合发展方向

　　4.1促进智能感知技术发展与导航技术研究

　　现代农业机械装有大量用来感知作业环境和机具本身作业状态信息的传感器。传感器采集的信息对于机具田间作业的质量极为重要。智能感知信息是智能农业装备精准作业的关键，对于如何提高智能感知技术的精准度、可靠性和实时性问题是亟待解决的难题。

　　4.2向农业机械装备智能化方向推进

　　推进以信息技术为基础的智能化、自动化农机装备的设计制造，实现信息化和智能化农机装备升级，适应现代农业发展对先进适用农业机械的要求，来提高现代农业装备有效供给能力和国际竞争力。

　　一是推进智能化、自动化农机装备的设计制造。全面提升农机信息化设计水平，推行产品模块化设计、知识工程技术为基础的现代数字化设计；建立先进的产品试验检测平台，缩短新产品研发周期，降低企业的研发费用、试制费用和田间测试费用，从而有效提高农机产品的质量；要构建以产品设计、精密制造、面向不同销售对象和服务等环节的现代产业信息平台；采用先进的制造技术和工艺，推行并行工程、虚拟制造、智能制造等先进制造技术，提高加工效率，提高现代智能农机的零部件和整机的精密制造水平。

　　二是对智能农业装备进行信息化、智能化升级。首先是智能农业动力机械。利用多源信息融合技术、卫星自动导航技术、计算机总线通信技术、人机工程技术等来提高农用拖拉机、大型自走式农业机械的操控性、机动性和人员作业舒适性［54］。开发拖拉机的动力换档和无级变速箱、电子控制分置式液压悬挂、电液提升器与悬浮式转向驱动桥等技术，研制全动力换档、无级变速传动、四轮制动等系列大型拖拉机，为现代农业多样化生产提供绿色高效动力。特别是丘陵地区的农业机械发展要注重机具的地形适应能力，研发具有地面仿形功能的主动悬架，提高机具在山地作业的安全性。其次是智能化田间作业机械，开展现代农业装备参数信息获取与控制智能一体化，包括提升耕整地机械、播种机、施肥机、收获机械等作业机械的智能化。精准农业的智能化田间作业装备能大幅提高化肥和农药的利用率，比如耕整机械装备可以结合土壤信息感知技术，在耕整地阶段进行全方位、多参数地感知土壤信息，建立土壤信息处方图；变量喷雾机能提高农药利用率，减少污染，保护生态环境；智能化施肥机械可以在施肥过程中根据作物密度、土壤肥力等参数控制施肥量，提高肥料利用率。

　　5总结

　　发达的农业现代化进程都伴随着农业机械化的快速发展，从农业机械化开始实行到基本实现农业现代化要经历20~30年的时间［47］。目前发达的农机产品需求向着成套化、自动化和精准智能化方向发展。

　　农业机械化发展已经呈现出农作物薄弱环节机械化快速推进、农机农艺快速融合、智能装备研发稳步推进及农业机械信息化发展等新的特点，但与发达的发展相比，国内农机的技术性、效率性、持续性等方面没有达到现代农业发展的需要，农业机械与信息技术融合不足，总体仍存在一些不平衡、不充分的问题。

　　地形地貌复杂，种植结构多样，农业人口众多，目前的农业发展方向是既要精细化耕作保证粮食安全，又要借助高效农机降低农业成本。信息技术作为现代农业发展的新动力，对转变农业机械化发展方式有重要推动作用。农业机械与信息技术融合是今后现代化农业建设和发展的重点［55］，应不断提高农业机械信息化发展的能力和水平，促进农业机械与信息技术的进一步融合，推进农业机械化和农机装备产业转型升级，将其作为推进农业农村现代化建设的重要内容。通过农业机械与信息技术的高度融合，形成规模化、集约化的生产模式，使信息化成为推动农业机械效益增长的重要手段，推进农业增产、农民增收。

　　参考文献：

　　[1]刘明霄.习总书记:给农业插上科技的翅膀[EB/OL].(2013-11-28)[2020-01-11].

　　[2]政府网.关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见[EB/OL].(2018-12-29)[2020-01-11].

　　[3]新华网.印发《乡村振兴战略规划(2018－2022年)》[EB/OL].(2018-09-26)[2020-01-12].

　　[4]张桃林.在2019年全国农业机械化工作会议上的讲话（摘要）[J].农机化学报,2019,40(3):1-6.

　　ZHANGT.Speechatthenationalconferenceonagri‐culturalmechanizationin2019(abstract)[J].JournalofChineseAgriculturalMechanization,2019,40(3):1-6.

　　陈学庚1，2，温浩军1，2*，张伟荣1，潘佛雏1，赵岩1，2