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中国农业机械化科技发展报告2015-2016年(三)
作者:    发布时间:2018-03-07 【字体:

(一)专业组工作开展情况

组织参加国际、国内全国性、区域性各类型农业机械展览会及系列主题活动,了解国内田间管理机械的总体发展现状和区域性需求;围绕植保、灌溉、施肥中耕等田间管理关键机械,针对玉米、大豆、水稻、林果业等作物的机械化生产难题,通过广泛的实地调研与深入的专题研讨,了解田间管理机械存在问题和需求,明确了全国和部分区域研究重点和技术路线;多次组织围绕田间植保、水田中耕、灌溉及精准农业为主题的国内外学术研讨、应用推广培训会,内容涵盖施药技术、农药安全性、节水灌溉技术、水稻田间管理机械化、果园田间管理机械化等问题,产学研结合,推动田间管理机械适用技术的应用推广。具体内容包括:

1.学术交流活动

参加国际国内各类专题技术研讨、各类展览展会,了解田间管理机械的先进技术与发展趋势,进一步凝练出我国田间管理机械化发展重点方向,通过学术交流,探讨合作重点,优势互补,联合攻关,达到协同创新的目标。

——2015年度

(1)2015年1月,专家组成员参加了在南京召开的农业部农机化科技创新专业组工作会议,梳理了专家组成立以来开展的工作、专业方向科研进展与取得的成效并围绕现代农业产业发展及田间管理领域的重大技术需求,提出了“十三五”及至2030年田间管理机械方向研究重点。

(2)为进一步明晰今后田间管理机械化发展的重点任务。组织田间管理组专家成员多次开展未来5-10年技术发展重点方向和“十三五”专题研讨会,组织专家参加在武汉召开的“十三五”需要解决的农机化重大技术问题座谈会,组织参加2015年农机工业技术改造工作会议暨农机工业“十三五规划”研讨会,重点围绕农机行业现状与形势、需求分析、发展目标、战略任务、实施方案、政策措施、组织实施等七个方面开展了深入讨论。

(3)组织专家参加全国农业机械及零部件展览会、第三十一届中国植保信息交流暨农药器械交易会、青岛国际农机展,通过展会了解田间管理机械发展现状和需求。

(4)针对水稻田间管理机械化,4月24日-25日,在杭州组织召开“超级稻精密育插秧与芽谷精量直播技术研究学术会议”,来自全国南方8省市40余人参会,重点讨论超级稻精密育秧、插秧和精量直播等研究现状,应用方式,以及今后的发展。

(5)针对果园植保施药技术,6月21日,组织果园高效植保机具与施药技术现场交流会议,与会专家在全国果园植保机械的需求与发展趋势、我国果园药械与施药技术、西北果园机械化现状及我国苹果产业现状与发展趋势与苹果病害防治等方面进行了充分沟通交流座谈。

(6)针对新疆地区的田间管理机械化发展, 7月-8月,组织灌溉技术方向专家赴新疆石河子参加国家自然科学基金委组织召开的第139期“双清论坛”、到新疆昌吉参加“中国棉花学会2015年会”,同与会专家一起,针对新疆膜下滴灌棉花水肥一体化、土壤盐碱化防控、耕层土壤干化及耕地质量退化、基于物联网技术的膜下滴灌水肥精准灌溉技术等进行研讨,了解棉花膜下滴灌生产全程机械化应用情况、存在问题及未来主攻方向和发展趋势,凝练提出了供基金委参考的未来3-5年建议资助的重点研究方向。11月,组织专家参与新疆地区农机装备创新发展座谈会,面向新疆棉花、西红柿、秸秆饲草等优势作物,围绕“十三五”期间新疆农机装备智能、高端、市场化的主攻方向,从科技创新的角度出发,产学研结合,推动实现大农业与畜牧业相结合,促进新疆农机装备的发展。

(7)瞄准燕麦荞麦全程机械化,8月,组织国家燕麦荞麦技术产业体系专家、大同试验站、右玉试验站站长等与农业装备产业技术创新战略联盟,共同探讨从盐碱地改造、保护性耕作、精少量免耕播种、田间植保管理、高效节水灌溉、谷物和秸秆收获以及收获后处理等产前、产中、产后全程机械化技术装备,就拟建专业团队服务于燕麦荞麦技术产业体系初步达成共识。

(8)积极开展国际学术交流,引进来走出去相结合。6月,组织参加由全国政协副主席、国家科技部万钢部长率领的中国科技代表团赴巴西利亚出席第二届中国—巴西高级别科技创新对话会议,就中巴农业装备领域技术合作的环境条件,保护性耕作、植物保护装备技术方面的合作方面进行了深入沟通。9月,组织英国哈珀亚当斯大学Simon Blackmore教授做了以“Robotic Agriculture research at Harper Adams University”为题的学术报告,介绍了微耕-精准播种-作物监测-精准中耕-选择性收获的全作物种植链精准农业机器人的理念,就农用无人机研发、农机自动导航边界识别、农业机器人发展方向等方面进行了深入探讨;组织专家参加了在美国加州伯克利市召开的中国科技部-美国农业部农业科技合作联合工作组第十三次会议,和美方节水技术负责人Steven Evett教授交流了变量喷灌机(VRI)技术及产品、农业无人机在变量喷灌机中水肥药精准喷洒GIS处方图生成应用等。10月,组织专家参加由中国科技部与比尔及梅琳达?盖茨基金会联合主办的2015大挑战年会,并负责组织、协调小农机械化分会及小型农机具展览工作,召集了国内5家行业知名企业参加了小型农机具展览,共展出适宜非洲等国家农业需求的20余台套小型农业装备,内容涵盖耕整、播种、收获、种植、植保及精准农业,展品选择有针对性且内容丰富,吸引了大批非洲参会官员、农机专家等观展,与展商沟通咨询和洽谈,推动我国的农机技术和装备走向非洲。11月,组织专家组成员参加了在加利福尼亚州长滩市举行的2015年USDA-MOST中美合作旗舰项目节水技术研讨会及美国灌溉展会,了解国际节水灌溉技术与装备研究现状;组织专家组成员访问了美国普渡大学、美国维蒙特灌溉公司,就精确变量灌溉控制技术在喷灌机的应用进行了合作交流,并参观了维蒙特灌溉公司喷灌机生产车间。

(9)积极参与国内行业协会学会各类活动,了解行业技术发展与趋势。8月,组织专家参加中国农业工程学会2015年学术年会,来自全国1100多名代表参加会议,听取了国家发改委胡恒祥巡视员、中国工程院院士汪懋华、蒋亦元、罗锡文、康绍忠、陈学庚,赵春江教授、包军教授分别作的主题报告,了解技术发展方向。11月16日-19日,组织专家参加第六届亚洲精准农业会议,会议主题是“精耕细作,减少化肥农药的施用”,来自15个国家和地区的有关科研院所、高校、学会、协会、企业等单位的领导和专家300多人出席了会议,了解精准农业发展现状与趋势。12月,组织专家参加了中国水利企业协会灌排设备企业分会2015年工作会议,重点讨论和学习农业现代化与灌溉新技术。

(10)瞄准航空植保技术发展需求。组织参加“中国农业工程农业航空分会成立大会暨农业航空植保技术”、“小麦农药使用技术研讨会”、“农用遥控飞行植保机标准研讨会”、“新型植保机械防治效果技术座谈会”、“第七届精准农业与航空施药技术国际学术研讨会”、“中国农业工程学会农业航空分会学术年会” 、“中国国际农业遥感应用技术高峰论坛”等,为农药减量施用和航空施药技术与装备的进一步发展奠定基础。为推进植保无人飞机安全技术标准的制订进程,相继组织举办了“遥控飞行植保机安全技术讨论会”、“农用遥控飞行植保机安全技术标准讨论会”、“农用飞行植保机标准研讨会”、“遥控飞行植保机标准讨论会”等会议。

(11)积极做好行业标准化工作。组织召开了全国农机标委会排灌设备和系统分技术委员会二届二次年会暨标准审查会、全国农机标委会第四届植保与清洗机械分技术委员会年会暨标准审查会,按照国家标准改革相关政策和中国制造2025对标准化工作提出的要求,结合农业部一控两减方案目标和国内排灌、植保机械现状,标委会明晰了排灌机械、植保机械标准化现状、形势和任务,以及“十三五”排灌机械、植保机械标准化工作重点,审查通过了《农林机械安全 第6部分 喷雾机和液态肥料撒布机》、《农林机械  背负式喷雾(喷粉)机 安全要求(送审稿)》、《井用潜水泵》(英文版)3项国家标准(送审稿)和《无泄漏磁力传动塑料自吸泵》、《立式自吸泵》等9项行业标准。

——2016年度

(1)积极参与农业全程全面机械化发展研究工作。1月19日,组织专家参加农业部农机化司主持的“我国农业全程全面机械化面临的新挑战”座谈会,会议主题是“十三五”期间我国农业机械化的发展方向和重大项目,30余名农机、农艺专家参加。8月21日-22日,组织专家参加中国工程院咨询项目“我国农业全程全面机械化发展面临的新挑战和应对策略”阶段性交流会,参加会议由30余人,针对实现全程全面机械化进行讨论交流。

(2)组织专家参加3月全国农业机械及零部件展览会,10月中国国际农业机械展览会,第三十二届中国植保信息交流暨农药器械交易会,让大家现场观看与体验国内外先进农机产品的优良性能,通过展会了解最新田间管理机械发展现状和需求。

(3)节水灌溉方面,3月,组织专家参加在北京国家会展中心举办的节水灌溉展,并做《我国排灌机械发展现状》报告。8月19日-21日,组织专家赴湖北武汉协助承办了“中国农业工程学会农业水土工程专业委员会第九届学术研讨会”,围绕精确灌溉装备、变量喷洒技术、低能耗多功能喷灌机组研发、应急性抗旱移动式灌溉系统、田间水肥药一体化施用技术等进行了专题讨论。9月22日-24日,参加了在山东莱芜召开的“第十次全国微灌大会”,重点围绕节水装备技术提升和水肥一体化推广开展学术交流,深入总结我国微灌发展的经验,展示微灌技术的研究成果,梳理微灌行业发展中的问题,探讨微灌行业发展的方向。10月20日-21日,组织专家参加在河南新乡由中国水利学会农村水利专业委员会与中国国家灌排委员会联合召开的2016年学术年会,围绕“理论指导与实践探索相结合,推进农村水利现代化”主题展开了研讨。12月,组织专家参加中国农机工业协会排灌分会年会,着重讨论排灌机械行业的发展及趋势;组织第三届全国节水灌溉装备与技术战略研讨会。

(4)瞄准田间管理机械精量化、信息化,10月,组织专家参加 2016“智能化精准施药、施肥”国际学术研讨会,来自美国农业部农业研究中心首席专家Dr. Zhu,与全国有关高等院校、科研院所、农机管理部门等50余名代表出席了会议。11月,组织召开第五届国际精准农业航空会议,旨在促进农业航空领域的国内外学术交流,提升我国农业航空的研究与应用水平。与会专家在会议期间就精准农业航空施药技术基础/应用基础研究、雾化喷嘴等关键部件研究及其应用、遥感和农情信息采集与分析、农业航空施药效果评估、农业航空大数据等议题展开讨论和交流。12月,组织召开2016年农业全程机械化电子监测研讨会,重点推介了“农机作业全程电子监管云服务系统” 包括深松作业、秸秆覆盖率、精量播种、玉米籽粒直收、马铃薯播种收获等子系统,能实现作业质量参数实时监测、数据显示、图像抓拍、北斗定位、远程传输、声光报警、机具识别校正等功能,已在吉林等省推广1000余台,补贴作业面积近200万亩。系统功能丰富、涵盖面广、技术领先、平台稳定,吉林省依据电子监测发放深松补贴,保障了国家补贴资金的公开透明,促进了深松作业的落实,秸秆覆盖率、玉米籽粒直收等电子监测系统更是首创,为吉林省保护性耕作等作业补贴监管提供了技术手段。

(5)国际风洞联合试验取得突破。2015-2016年期间,通过与美国农业部农业航空技术研究中心Ivan Wayne Kirk教授、美国农业部Bradley Keith Fritz博士和澳大利亚昆士兰大学Andrew John Hewitt教授合作,与田间管理机械化组的植保机械科研团队成员共同开展了“国际风洞联合试验”。试验围绕Bradley Keith Fritz博士所提供喷嘴开展,旨在验证试验结果的重复性,也是对科研条件软硬件的综合考察。经过两年多的交流合作,植保机械科研团队在充分吸取两位专家的建议,结合现有工作基础,不断优化系统关键参数,改进试验方法。最终所得试验数据与美国农业部重点实验室所得数据相符,到了专家的一致认可。通过试验进一步探明了高速气流作用下扁平雾流雾滴尺寸的动态变化规律,推进了我国航空植保雾滴谱预测模型的建立。

2.调研培训

——调研活动

(1)2015年4月,组织专家赴黑龙江富锦市立兴植保机械制造有限公司调研,了解水田自走式高地隙底盘、喷雾机现状与发展。

(2)2015年6 月,组织专家赴斯里兰卡考察当地太阳能提水项目。针对当地太阳能资源充足,解决当地农业主要集中无电偏远地区的农业灌溉问题。

(3)2015年7月,组织专家赴武威、金昌调研,开展膜下滴灌水肥药一体化高效灌溉施肥施药试验研究,论证八一农场灌溉试验示范推广站建设的可行性及必要性,并对当地灌溉施肥管理措施提出改进建议。

(4)2015年7月,专家组成员随同中国科协副主席陈章良教授带领的农业领域专家赴新疆乌鲁木齐市、石河子市、克拉玛依市及塔城市等地对节水农业的发展进行了调研,考察了新疆果业集团、新疆泓科节水设备制造有限公司、额尔齐河管理局、新疆农业科学院、克拉玛依市特色农业示范园区、西部牧业公司、新疆天业集团、塔城库鲁斯大草原管理站等单位,并进行了座谈。通过对新疆节水灌溉技术与装备发展应用的实地调研,总结我国节水灌溉机械化发展存在主要问题,即节水灌溉产品设计和研制开发能力有限、产品核心技术落后、自动化水平低、缺乏产业技术标准、设备配套性和通用性低等。节水灌溉设备生产企业数目虽然较多,但是单个企业的规模普遍较小,经济实力相对较弱,产品生产线主要引进国外设备,上市的高效节水灌溉设备生产企业很少。企业节水灌溉产品关键技术和生产工艺多不过关,适用性和市场竞争力较差,产品使用寿命低,对后期维护不重视,以次充好,仿制严重,通过低价竞争提高中标率,导致企业之间恶性竞争,产品质量达标的大中型规范化企业市场空间反而降低,阻碍市场健康发展,使该产业发展不可持续。

(5)2015年6月、11月,专家组成员赴内蒙古河套灌区、鄂尔多斯市、陕西榆林等地调研了喷灌机在农场中的应用情况,通过调查,初步了解了我国喷灌机的应用现状。随着土地流转和规模化经营的推进,以大中型喷灌机为代表的机械化田间灌溉技术和装备的应用将越来越被重视,具有广阔的市场前景。机械化喷灌技术与覆膜滴灌技术比较,前者具有操作简单、无白色污染等优点,但在特别干旱的年份,容易产生灌水量不足导致作物受旱的情况发生。

(6)2015年8月,组织专家组成员参加由工信部装备工业司机械处、中国农业机械工业协会、中国农机院科技部和卓勤咨询公司等单位人员组成调研组,赴山东和安徽两省多地,对福田雷沃、中联重机等8家企业进行考察调研,并与来自山东、安徽、河南、河北、江苏、浙江、湖南等省,包括政府机构、科研院所、社会团体和农机装备制造企业在内的30多家单位进行调研座谈,通过调研进一步了解我国农机装备制造的发展情况,明确农机装备行业在研发、制造、应用方面存在的主要问题及发展瓶颈,提出了《农机装备发展行动方案》以建设公共平台、强化基础共性、推进先进制造、发展高端产品、优化产业结构和创新发展模式的重点行动等各项建设性的意见和建议。

(7)2015年10月,组织专家赴刚果金农业部交流有关新农村建设项目,其中包括新农村周边的灌溉方案的探讨。

(8)2016年2月,组织专家赴江门、肇庆两地政府主管部门、技术推广部门、行业协会、龙头企业、农民合作社、种养大户开展用户调研,实地了解田间管理机械市场需求。

(9)2016年5月,组织专家赴牡丹江综合试验站考察学习,参观综合试验站水田种植区及相关试验设备等。

(10)2016年6月-7月,组织专家赴全国各地,对水稻、玉米、小麦、棉花、大豆等主要粮食和经济作物主产区的植保机械使用情况进行了广泛调研。从调研情况来看,尽管近几年植保机械技术和产品有了长足进步,旱地高地隙自走式喷杆喷雾机、水田自走式喷杆喷雾机、植保无人机等较快发展,但是受到粮食收购价格下降、土地流转规模较小等因素的制约,目前总体上我国农业经营规模还较小,农业生产中使用的植保机械仍然存在着手动产品比重大、机动产品技术落后、新技术新装备配置率低、适用性差、安全问题严重等问题,不符合现代农业发展的需要。

(11) 2016年7月10日,在浙江惠多利农资有限公司开展关于“农药安全运输装备与系统研发”调研,并参与“农药安全运输装备与系统研发”研讨会,对项目关键技术进行研讨。

(12)2016年8月,组织专家赴新疆、甘肃调研水浇地合理耕层结构构建、适宜耕作机械、田间灌溉技术需求等。

(13)2016年11月,组织专家赴福建三明综合试验站学习考察,重点参观综合试验站育种、栽培等试验基地,并座谈了解育种过程中急需的水稻机械化。

(14)2016年12月,参加位于美国拉斯维加斯举办的灌溉展,展会上以GPS为基础的远程定位控制展品居多,体现了未来灌溉信息化发展的必然趋势。

(15)2016年12月24日,在新疆农垦科学院进行自走式高秆作物施药技术与智能化装备调研。

——培训活动

(1)2015年6月,组织专家组成员为农业部管理干部学院举办的农业部2015年万名农技推广骨干人员(农机第一期)培训班进行了“延伸产业链,提升价值链—现代农业生产全程解决方案”的专题讲座。

(2)2015年10月,组织专家组对发展中国家20余名技术人员进行了节水灌溉技术的培训,授课合计20学时。

(3)2015年9月,组织现代农业节水、节肥、节药高新技术高级研修班。邀请了院士、知名专家和一线科技研发人员,从农业节水新技术、农业节肥新技术、农业节药新技术三个专题帮助研修人员及时掌握国内外相关领域的新知识和新技术,来自全国30个省市自治区直辖市的农业委员会、农业局、农业技术推广部门、农业科研院校、农业企业、农副业基地的代表160余人参加。

(4)2015年11月,组织专家组成员为哈萨克斯坦一行20余人讲授了节水灌溉技术与装备、无人机作物需水信息监测等方面12学时课程。

(5)2015年组织参加了“泗洪小麦赤霉病、白粉病联动防治活动”、江苏溧水“农用遥控无人植保机现场培训示范会”、陕西西安“一喷三防”及“新型植保机械现场演示示范会”、江苏睢宁“现代施药技术演示现场会”、陕西千阳“双风送静电果园喷雾机示范现场会”、江苏盐城“农业技术推广中心培训班”、江苏南京“桂林市农机管理人才培训班”、江苏淮安“农作物病虫害专业化统防统治组织负责人培训班”等,累计技术指导培训超过2700人次。

(6)2016年4月,组织专家参与指导吉林大学毕业设计及卓越工程师培养项目。

(7)2016年5月到6月,依托中国农机院,组织“发展中国家农田水利自动与灌溉技术培训班”培训。本次培训是由国家商务部主办,中国农机院承办,为期28天,共有来自斯里兰卡、埃及、厄立特里亚、巴勒斯坦、约旦、赞比亚、加纳、巴基斯坦、保加利亚、南苏丹、及东帝汶11个发展中国家的29名农业技术人员参加。培训以提高灌溉设备配套使用率、灌溉效率及灌溉水利用系数为目标,重点开展农田水利田间规划培训,同时对大型机械化灌溉机具、微灌系统、泵站高效运行、田间管道输配水、渠道防渗技术、激光平地和田间管道小型施工设备关键选型技术进行深入讲解。另外,针对我国大田作物,结合现有农业灌溉制度讲解灌溉规划的范例,以及未来农田水利的发展趋势。通过培训,使学员系统地了解、掌握田间灌溉机具与辅助设备主要参数,结合中国具有较强竞争力的灌溉产品,完成简单的农田水利规划设计,为我国灌溉产品的走向世界奠定技术基础。

(8)2016年7月,组织专家组团队参加安徽省旱地高效植保机械化技术现场演示会”。共有来自安徽省农业机械技术推广总站、安徽农业大学、各市(县)农机局、农机推广站以及各植保机械生产厂家90余人参加。通过本次演示会,专家组团队研发的3WZG-650型喷雾机受到了一致好评,起到了良好的推广效果。

(9)2016年7月到9月,专家组团队研发的机具在山东济宁两河家庭农场进行了夏大豆施药作业培训,培训农户10名,机手2名。

(10)组织多家农用无人植保机生产企业、自走式喷杆喷雾机生产企业在江苏省宿迁市洪泽湖农场进行小麦赤霉病、白粉病等现场示范应用与培训,组织培训人员400人。通过作业效率、防治效果等调查,一是检验企业产品质量,二是取长补短,提升产品质量。

(11)在江苏、安徽等地进行“高效节水灌溉与装备使用技术培训”,现场安装、使用、维护等,培训 300多人。

(12)在河南郑州、湖南长沙、山东滨州、广东广州、上海等地组织开展“精准生测喷雾技术”培训6次,进行机具结构原理、操作使用、故障维修等技术培训与指导,计220人。

(13)在河南新乡龙泉村举办了“频振杀虫灯果园示范会”,对当地的果农、农机人员进行了果园害虫物理防治技术及装备的培训,计100人。

3.取得成效

一是通过田间管理工作组专家的学术交流和市场调研,针对现有产品及技术中存在的问题,团队进行了相关有针对性的研究,效果明显。二是开展相关的技术培训和成果推广应用是田间管理机械化专业组工作的职责之一,为更新拓展农业植保专业技术人才的知识,促进我国田间管理机械化人才队伍建设,通过现场指导、理论培训等形式,有效提升了广大技术人员的水平。三是专家组瞄准实际需求,凝练聚焦,针对目前田间管理机械存在的作业质量低、参数调整和对行驾驶缺乏精准监控以及田间行走稳定性差、伤苗率高等主要难题,组织行业优势单位强强联合,产学研协同联合成功申报了2017年智能农机装备专项重点研发计划 “多功能田间管理作业技术装备研发”项目,以主粮及棉花、甘蔗等经济作物规模化生产对施药、施肥、中耕、除草高效作业的需求为导向,以实现技术产品的市场化、实用化为目标,按照“田间管理农机与农艺调研—核心技术研究—关键系统装置开发—装备整机研制—田间试验考核”的总体思路,通过项目实施,重点突破作业质量监控、田间苗带精确识别、多功能自走式底盘自适应动力分配、精量施药和精量配混施肥、深泥脚水田自走式底盘防滑减阻和稳定行走等核心技术,开展多功能高地隙底盘、精量施药机械、中耕培土/除草/精量配混施肥联合作业机械、水田自走式植保机械等的产学研联合攻关,开发研制中耕、施肥、除草、施药等成套田间管理装备,通过田间试验考核,形成高效化、精细化、多功能田间管理作业技术及装备体系。

(二)各专业科技发展情况

1.专业领域科技发展动态

国外田间管理机械化技术注重环保与资源节约,向智能化、精准化、信息化 发展,实现了多作物全面全程机械化。我国田间管理机械技术总体落后,尤其是南方地区主要依靠人工或人机结合作业,存在劳动强度大、安全隐患多,作业效率低、质量难保证;现有田间管理装备的机械化、自动化和智能化水平相对落后,还不能满足农业可持续发展的要求,需要改进、创新和提高。国外采用定量喷洒/防漂技术,农药有效利用率大于50%,国内农药有效利用率30%以下,每年多消耗22多万吨农药;国外采用测土配方施肥和定量、定位施肥技术化肥有效利用率50-60%,国内化肥有效利用率30-40%,每年多消耗1000万吨化肥;国外采用激光平地/管道输水/喷、滴灌技术,灌溉用水利用率70-80%,国内灌溉用水利用率42-45,每年多消耗980亿方淡水。我国田间管理机械技术与装备存在的薄弱环节和关键问题。一是灌溉机械方面,低端产品产能过剩,高端产品依赖进口,缺少适应国情、低能耗精准化的大中小型喷灌机组。二是施药技术与机械方面,仍处于发达国家50-60年代的水平,手动喷雾器、中小型机动喷雾器、拖拉机配套喷雾机的市场占有量分别为93%、6%、1%,手动喷雾器完成78%的防治面积,只有30%左右的农药被有效利用,仅有0.1%左右可以作用于目标病虫。三是水田田间管理机械技术总体落后,主要依靠人工作业或人机结合作业,劳动强度大、安全隐患多、作业效率低、质量难保证,尤其是智能化机械相对落后。四是林果业田间管理机械多以人工为主,适用机具缺乏。我国果园种植模式多样,机械化程度低,主要依靠人工完成,作业效率低,成本高。

(1)施药技术与装备科技发展动态

① 施药技术及喷头部件研究进展

——施药技术方面,围绕提高农药利用率、减少农药使用量、改善农业生态环境的根本目标,仿形对靶喷雾、气流和静电辅助防飘喷雾、雾滴回收、基于卫星定位和导航的精准施药等低污染、安全施药技术将成为主流。美国农业部应用技术研究中心、加州大学戴维斯分校等研究机构和大学基于图像分析技术,研发施药雾滴沉积检测快速采样传感系统和数字显示系统,实现了沉积快速检测和信息显示功能;美国Trimble 公司开发了基于多源信息和可视化等技术的施药机作业信息采集和监控系统,用于测量田间植被覆盖指数进行变量施药。美国CASE 公司将脉冲宽度调节技术(PWM)用于控制变量喷雾系统,实现精量施药。国内研究起步较晚,基本上以跟踪研究为主。江苏大学开展了施药机械雾滴沉积量和分布均匀性测量方法及喷雾系统的在线探测技术的研究;中国农业大学研究了红外热像仪测温技术获取无人机喷雾沉积质量的方法,北京农业智能装备技术研究中心研发了基于利用电容传感和无线网络技术的雾滴沉积检测系统,进行雾滴沉积质量的快速采集和分析。

——喷头是植保机械的关键部件,国外特别重视对喷头的研究,美国的Spraying System、Delavan、丹麦的Hardi、德国的Lechler、法国的Desmarquest & C.E.C.S.A等著名公司生产的喷头规格齐全,种类繁多,并且根据不同的喷施对象研制许多特殊用途的喷头,如离心式转子喷头、双流喷头、低飘移喷头、不同雾锥角的实心、低量喷头及空心系列喷头和应用非常广泛的扁扇形系列喷头等。这些先进喷洒部件的开发应用,大大减少了农药的用量,提高了农药的有效利用率,并减少了环境污染。国内在此方面的研究还比较落后,尽管国内开展了一定的研究,近年来,国内的科研机构开始重视喷头基础理论研究,着力提高加工材料与工艺水平,使喷头的质量大幅提高。但与国外的研究相比,我国在喷头类型开发与不同场景下的应用研究还落后于欧美发达国家。主要表现在基础研究薄弱,喷雾技术研究相对不足,喷头、机具与农药的研究缺乏有机结合,研究偏重于在药液的物理特性、喷雾技术以及喷头布置方面。

②施药测试技术研究进展

——测试平台是喷雾质量评估与喷头设计的重要手段。在喷雾均匀性测试方面,国外较早开展了喷头喷雾的研究,研制了一系列的喷头性能测试台,技术不断革新,并可以分段自动测定喷雾机喷雾量分布均匀性。国内中国农业机械化科学研究院、农业部南京农业机械化研究所、黑龙江省农业机械工程科学研究院等都研制了不同的喷头性能试验台,尽管国内在自动化程度、喷杆定位准确性、数据的实时同步以及计算机的处理方面还有略微的不足,但是整体来看也基本满足试验测试需求。在飘移性评价方面,美国、德国、澳大利亚分别建有航空飘移风洞,风洞试验研究方面,美国农业部(USDA)Hoffmann、Fritz 和Lan 通过一系列喷嘴在低速风洞中测得的尺寸和流量建立了WTDISP( Wind tunnel dispersion) 模型,然后用同样的喷嘴做实际试验,得到了很好的对比结果。国内2014年7月农业部南京农业机械化研究所研究设计了国内首个植保专用低速风洞。南京林业大学茹煜等对影响航空喷施雾滴飘移行为的相关因素进行了分析,获得了雾滴在侧风作用下的飘移预测模型,通过计算可以预测雾滴在侧风作用下的飘移距离,并在风洞中进行了实验验证。华南农业大学兰玉彬团队对农业航空喷施风洞试验技术进行了总结。

——雾滴飘移检测技术方面,美国农业部(USDA)开发了一种雾滴沉积分布移动扫描系统,北京农业智能装备技术研究中心研发了一种用于航空施药的雾滴沉积传感器。农业部南京农业机械化研究所提出一种较传统检测方法更为方便的CFD模拟方法,对N-3 型无人直升机施药作业中药液的飘移情况进行分析,并通过试验对该方法处理结果进行验证。

——航空施药验证技术方面。在模型技术方面,早在20世纪70年代末到80年代初,美国林业局就开始用最初的FSCBG ( Forestservice Cramer Barry Grim)模型计算机模型来分析和预测有人机航空施药中雾滴飘移、沉积情况。美国农业部(USDA)将FSCBG模型发展成为了著名的有人机航空施药AGDISP模型,之后各国学者又对AGDISP模型进行了改进和完善。目前我国学者已经开展适用于单旋翼植保无人飞机航空施药的雾滴飘移、沉积预测模型研究,农业部南京农业机械化研究所的科研成果“基于模型的直升机航空施药飘移预测方法”获得第十八届中国专利优秀奖。航空施药作业在线评价方面。农业部南京农业机械化研究所研发的航路规划与轨迹误差分析方法,实现了农用无人机飞行作业精度的在线测试;研发的作业覆盖率与重喷漏喷率测试技术,实现了农用无人机作业质量的统计分析与评价;集成创制了基于GNSS与LBS的融合定位技术的作业效果机载监测系统、安卓APP测试软件及云管理平台,建立了包含作业质量、作业效率、劳动生产率、作业面积的等关键性指标的农用无人机施药效果综合评价体系。

③地面植保机械施药设备研究进展

欧美是世界上生产植保机械的主要国家和地区,他们的设备和技术都代表着国际最高水平。美国John-Deere、CASE、法国Hardi、德国Amazone的产品广泛采用机电液一体化技术,具有前进速度、喷雾量、喷雾压力及喷洒面积测控功能,在旱地用大型施药机械方面处于国际领先地位;日本丸山(MARUYAMA)公司、井关(ISEKI)公司生产的水田自走式喷杆喷雾机则以高强度、轻型化材料应用为代表,低表轻型自走式喷杆喷雾机发展方向。国外大中型植保机械广泛采用了以下典型技术:1)精准变量喷药技术。也称为在线变量喷药控制系统,应用了 GIS、GPS 和传感技术,大大提高了农药的使用效率,减少了对环境的污染。2)靶标识别技术。利用遥感技术和红外技术对靶标进行识别,提高了喷药的准确性。3)风幕技术。在传统的喷杆式喷雾机的喷杆上增加一个风筒,工作时,在施药方向吹强风形成风幕,增强雾滴的穿透能力,减少雾滴的漂移,提高农药的附着率,提高农药的利用率,降低农药对环境的污染。4)液压控制技术。在大中型植保机械的各个运动环节采用液压控制,利用液压马达驱动,优化整体结构,提高了机械的可靠性。

——在喷杆喷雾机研究方面,国外开展较早,国内也做了大量的试验研究工作,总的来看,相比国外,近年国内在喷杆喷雾机的研究方面论文较多。国外美国田纳西大学,俄亥俄州立大学对喷杆动态特性与喷施均匀性之间关系,喷杆的自动控制等进行了研究,近几年美国Continuum Dynamics, Inc公司,奥本大学,肯塔基大学等机构,对喷杆喷雾机流场、雾滴沉积分布、药液实时压力和流量控制、基于处方图的变量施药等方面进行了研究;意大利都灵大学使用实验台测试了喷杆高度和喷嘴类型对喷施效果的影响,波罗尼亚大学使用气流辅助式喷杆喷雾机在科罗拉多进行了马铃薯天牛防治试验;其它国外大学和研究机构包括日本带广畜产大学、塞尔维亚诺维萨德大学、英国食品与环境研究局、比利时鲁汶天主教大学等对喷雾沉积分布电脑仿真模拟,在喷杆高度、工作压力与喷雾分布、均匀性之间的关系模型,喷雾飘移对周围作业者和居民影响分析,雾滴飘移预测的二维扩散模型等方面进行了深入研究。国内中国农业机械化科学研究院对超高地隙风幕式喷杆喷雾机的施药性能和防飘移技术等进行了研究,并在玉米和大豆作物上进行了田间施药试验;山东农业大学设计研制了气流辅助式喷杆弥雾机和高地隙喷杆喷雾机,并研究了喷杆喷雾机精确对靶施药系统和喷雾工况参数对雾滴飘移的影响;江苏大学设计研制了风送式喷杆喷雾机,并对喷杆喷雾机机架的轻量化设计,机架动态特性分析与减振设计,喷杆有限元模态分析与结构优化,喷杆弹性变形分析与控制,喷杆高度及平衡在线调控系统等多方面进行了研究和试验;农业部南京农业机械化研究所在喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化,喷杆动力学仿真和试验方面进行了研究。

——在果园喷雾机的研究方面,国内外对果园喷雾机均有较多研究,国外的研究论文相对更多一些。比利时天主教鲁汶大学在果园喷雾机的CFD设计、建模、数值仿真和实验室评价等方面进行了系统研究,包括空气辅助果园喷雾机的CFD原型设计、风速风向和不同喷雾机类型CFD模拟、果树叶面对喷雾气流的建模、基于CFD的果园喷雾机实验室评估模型、不同果园类型条件下外界风与喷雾机类型对沉积分布影响的数值分析;美国华盛顿州立大学进行了空气辅助果园喷雾机的沉积和覆盖效果试验,佛罗里达大学研究了根据树叶密度调整气流强度的方法;西班牙农业研究院研究了空气辅助喷雾器液滴运动的欧拉-拉格朗日模型,莱里达大学进行了果园变量喷雾器的原型设计、实施和验证;斯洛文尼亚马里博尔大学对苹果园喷雾机喷雾飘移与喷雾传播速度进行了研究,卢布尔雅那大学研究了可变形空气辅助果园喷雾机的实时定位算法;韩国首尔大学对果园喷雾作业过程中作业者暴露风险的评价进行了研究。国内农业部南京农业机械化研究所研制了果园自走式风送喷雾机,并研究了动力底盘设计,进行了风道气流场仿真与试验;南京农业大学研制了自走式果园风送定向喷雾机和气流辅助静电果园喷雾机,进行了圆环双流道风机的设计,研究了自动对靶喷雾控制系统;山东农业大学、华南农业大学、中国农业大学等分别对在自走式果园定向和自动对靶风送喷雾机、果园在线混药型静电喷雾机、变量喷雾的果园自动仿形喷雾机进行了研究和试验,西北农林大学对果园空气辅助喷雾器不同喷嘴的雾滴沉积特性进行了试验。

④航空施药技术与装备研究进展

日本是使用无人机进行农业航空施药的典型国家,在基础理论、关键技术、作业规范、重要部件以及装备等方面做了大量研究,能适合不同作业要求,目前用于农业方面的无人直升机以雅马哈公司的RMAX系列为主。近年来我国植保无人飞机呈高速发展态势,市场已自发形成生产-销售-服务的产业链。核心关键技术与日本、德国等还有较大差距,尤其在自主飞控技术、动力与载荷匹配、作业精准和高效性等农用适应性关键技术方面亟待突破。为缩小与国外的差距,国内相关学者进行了大量研究,华南农业大学兰玉彬教授团队在无人直升机航空施药参数优化,航空喷施作业有效喷幅评定,航空喷施作业质量评价及参数优选方法等方面进行了研究,中国农业大学、江苏大学、中国农业科学院植物保护研究所等也进行了无人机航空喷施雾滴沉积与施药参数优化方面的研究。田间管理机械化专家组专家薛新宇、严荷荣研究团队于2008年开始了我国植保无人飞机在农业应用上的科研工作,研制了系列农用植保无人机,在小麦、水稻上开展了系列的白粉病、赤霉病、稻飞虱、卷叶螟等病虫害的植保无人飞机防治试验,并将总结的技术模式在江苏、黑龙江等地进行了大面积的推广,取得了良好的经济和社会效益。2014年至2015年期间,一大批新型农业航空企业迅速诞生,植保无人飞机正式进入农业生产,植保无人飞机开始纳入国家农机补贴试点,服务作业量剧增,大量银行、保险、风险投资开始涌入植保无人飞机市场,2016 年,我国载荷5 升以上的农用无人机保有量已达4869 台,超过日本位居世界第一;植保作业面积从2013 年的不足10 万亩增长至2015 年的1016 万亩;农用无人机生产企业从2010 年的不足10家增至2016 年的260 余家,无人机农业领域应用产值达5 亿元。农用无人机产品覆盖单旋翼、多旋翼、油动、电动等品种,已形成具有中国特色的新兴高新技术产业,具备了一定的国际影响力。

(2)灌溉技术与装备方向研究进展

世界淡水资源日益紧缺,而人类对粮食的需求也不断上升,淡水资源已经成为农业发展和世界粮食供应的安全威胁。要破解耕地面积有限、淡水资源紧缺和世界粮食需求上涨之间的难题,发展节水灌溉成为关键。节水灌溉是以最低限度的用水量获得最大的产量或收益,也就是最大限度地提高单位灌溉水量的农作物产量和产值的灌溉措施。当前世界各国节水灌溉的主要措施包括渠道防渗、低压管灌、喷灌、微灌等。美国的有效灌溉面积为3.83亿亩,不足我国的一半,但喷灌和微灌面积却占54.4%。以色列的灌溉面积全部采用微灌和喷灌,其中微灌占了一半以上。瑞典、英国、奥地利、德国、法国、丹麦、匈牙利、捷克、罗马尼亚等国家,喷灌和微灌面积占灌溉面积的比例都达到了80%以上。近20年来,全世界的微灌面积以平均每年33%的速度增长,总面积已达到5650万亩。其中以色列、美国、法国、澳大利亚、南非、约旦、塞浦路斯等国微灌面积占灌溉面积的比例超过了5%;美国微灌面积达1575万亩,占世界总面积的27.9%;近10年间,印度微灌面积增加了3.72倍。我国微灌面积仅占灌溉面积的0.5%左右,已落后于与我国在水资源、人口、土地面积和经济发展水平等方面相类似的印度。低压管道输水在国外也很受重视,美国有近一半的大型灌区实现了输水管道化;日本早在20世纪80年代,就有一半以上的新建农田输水网实现了管道化。在旧灌区改造中,加拿大的伯塔灌区、澳大利亚的伦马克灌区都将原有的渠系改建为地下输水管道。

①喷灌在国际范围内的应用呈持续增长趋势。

国际灌排委员会(ICID)31个成员国的喷灌面积已逾3亿亩,占这些国家总灌溉面积的12%。我国的喷灌面积目前已超过4000万亩,占有效灌溉面积的4.7%,也成为我国现代农业的标志和重要组成部分。“十五”期间,依托国家“863”等重大项目,在喷灌系统及新型管材管件与量配水关键设备及产品方面,开发出全射流系列喷头、高效低能耗轻小型移动式喷灌机组、智能化大型自走式喷灌机组等一批适合中国国情、具有自主知识产权和国际竞争力的重大节水产品与设备,国产设备市场占有率由30%提高到50%,有力地推动了我国农业现代化建设的进程。但是由于我国在这一领域起步较晚,与国外发达国家相比在理论研究和技术水平上仍存在一定差距。因此,无论从我国现代农业的发展需求还是与国际领先技术的差距来看,喷灌技术在我国还有很大的发展空间。

②微喷技术应用范围日益扩大,水肥一体化需求迫切。

目前有关低能耗低压滴灌技术与设备、以太阳能和风能等为动力提水的微灌技术、深埋地下滴灌技术及微灌系统信息化、自动化与智能化技术与产品的研究已成为国内外微灌技术领域关注的热点。随着水资源供需矛盾的不断加剧和农业施肥所引起的面源污染日益严重,改进传统地面灌溉技术、提高地面灌溉方法的灌水、施肥质量已成为现代农业、节水节肥技术的重要组成部分,其中尤以地面灌溉条件下水肥一体化技术及配套施肥装置研发需求最为迫切。

③喷滴灌系统尚不成熟。

现阶段国内外对喷滴灌系统的研究大多集中于大型灌区,对轻小型喷滴灌机组的研制尚属初步阶段。目前喷滴灌共用机组或系统一般以喷灌工况设计,滴灌减压运行,水泵、管路系统、喷头、滴灌灌水器等匹配不尽合理,首部施肥设备采用传统的压差施肥罐,过滤设备选型与配置不科学,普遍存在能耗高、首部笨重及造价高等问题。随着世界人口的增长和能源、水源危机的加剧,轻小型喷灌机组正朝着低压喷洒、降低能耗;变量技术、精准灌溉;综合利用、多种用途、系列成套、性能可靠、自动化高的方向稳步发展。注重提高装置效率减少能耗,采用轻质量材料减轻整机重量,提高机动性能,研制开发出既可用作喷灌又可用作管道输水的大流量低扬程轻小型喷灌机组。开发适应低压运行、水量分布均匀的新型均匀喷洒喷头。

④聚焦喷头水力性能提升喷灌均匀度。

影响喷灌均匀度的因素有:喷头结构、工作压力、布置方式、组合间距和风速等。从工作压力和结构方面总结了影响喷灌均匀度的研究现状。工作压力是喷头的基本参数,改变工作压力会引起水量分布、射程、流量等方面的变化。1984年Ali、Barefoot等试验发现,在低工作压力时,单喷头水量分布呈“环形状”分布,随着压力的升高“环形状”效应逐渐减弱。1985年马丁?弗里林豪斯登等以U64中强度喷头为试验对象,研究低工作压力对水量分布、射程等因素的影响,发现当组合间距不变时,在低工作压力下不能达到要求的均匀度。1988年倪秀才等探究多喷头喷灌均匀度,发现当风速和布置间距不变的情况下,压力越高,均匀系数越大。由上可见,工作压力越高均匀系数越大,当压力越低均匀系数越小。通过改变喷头结构提高喷头水力性能的措施主要有四种:增加副喷嘴、应用异形喷嘴、采用多股流道和添加辅助装置等,其中辅助装置包括压力流量调节机构和散水机构。虽然目前已开发出基本符合生产需求的带有副喷嘴的喷头,但是未见相关文献记载副喷嘴设计方法,也未建立副喷嘴的结构参数与喷头水力性能之间的关系。今后应加强副喷嘴仰角、副喷嘴当量出口直径、副喷嘴喷管长度及主副喷嘴尺寸配比等方面的基础研究,从而形成初步的设计方法。异形喷嘴的应用能改善喷头水量分布,提高喷灌均匀度。虽然异形喷嘴形状千奇百态,但目前大多数为矩形或者以圆形为基础的复合形状,如美国Hunter公司的型号为PGJ、PGP的升降式旋转喷头喷嘴,美国Rainbird公司的“雨帘”喷嘴等。以后应加强异形喷嘴形状与喷头水量分布之间关系的研究,逐步建立异形喷嘴设计方法。具有多股流道结构的旋转喷头将喷头水量分布发挥到极致,是一种代替折射式喷头的高均匀度高效节水低压喷灌设备。目前这种多股流道技术已被多家公司应用,如Nelson公司的中心支轴喷灌机旋转喷头A3000、B3000、S3000,Rain Bird公司的可用于升降式喷头的RN系列旋转喷嘴,Toro公司的PRN系列旋转喷嘴,Hunter公司的MP系列旋转升降喷头等。由于多股流道结构复杂,制造难度大,生产成本高,国内还未有公司应用这种多股流道技术,有待进一步开发。散水机构可分为固定式和间断式两种,间断式散水机构相对固定式散水机构,能够在不减少射程的基础上提高喷灌均匀度。但是目前还未建立这两种散水机构入水深度与水量分布、射程、均匀度等之间的关系。

⑤异形域节水节能喷灌方面。

国内外开展异形域喷灌研究的起点及已存在的知识产权几乎都在喷头的机械结构方面,已研制出多种样机,但喷洒形状不够理想,成熟的产品还未投入市场。国内对变量喷洒的理论研究具有一定的深度,采用变频调速技术实现异形域喷灌研究的控制策略的适用性还处于试验研究阶段。变量施水精确灌溉的核心之一是根据地块形状或喷洒区域形状变化的要求实现变量施水, 就是喷灌系统可以模仿灌溉地块形状或喷洒区域形状的变化, 对其喷洒湿润区域和灌溉水量进行自动调节,以实现对整个灌溉地块的均匀喷灌。可通过以下三种技术来实现:单喷头变量施水技术、多喷头组合变量施水技术以及喷灌系统变量施水技术。相对应的变量喷洒喷头的组合,以及智能型异形域节水节能喷灌系统。变量喷洒喷头通过喷头自身的结构实现非圆形喷洒域喷洒,简单方便;智能型异形域节水节能喷灌系统采用变频机组变量喷洒节能技术,通过控制普通圆形喷洒喷头来实现,喷洒形状准确,节能效果明显。管道式喷灌系统是喷灌的主要形式,分为固定式、半固定式和移动式喷灌系统。固定式系统操作方便,管理用工少,但单位面积设备投资高。半固定式、移动式系统设备利用率高,单位面积投资低,但劳动强度大,喷灌规模小。固定移动两用软管喷灌系统是一种地面软管喷灌系统,能适合各种喷灌面积规模,可以根据需要固定或移动。设备利用率高,单位面积投资低,非常适应我国农村喷灌投资低、用工少的需要,具有广阔的应用前景。同时由于其用工省、使用灵活,在美国等发达国家也已得到广泛应用。在我国还未得到大面积应用。

(3)中耕除草施肥作业技术与装备

①水田中耕与除草、施肥技术

水田除草深施肥技术与装备的发展将改变水稻除草严重依赖化学除草剂的现状,减少过量施用除草剂对环境乃至食品安全产生的负面影响。水稻除草最佳时间与施肥最佳时间大致相同,所以除草与施肥的联合作业就提高了作业效率,降低了作业能耗,进而降低了水稻生产成本。随着经济的发展和农村劳动力向城镇转移,劳动力成本将越来越高,采用机械化作业也可有效降低劳动力成本。综上,在水稻机械化生产中,除草深施肥技术是一项适应食品安全要求、符合中国农业机械化发展方向和满足省工省时的市场化经济需要的技术,根据其技术所研制的水稻除草深施肥装备也将有很好的应用前景。

当今世界水稻机械化生产采用两大栽培体系:一是以欧美为代表的水稻直播机械化栽培体系,二是以日本为代表的水稻移栽机械化栽培体系。其中,水稻移栽以延长生长期、提高产量、确保粮食成熟等优点在中国水稻生产中被广泛采用。欧、美、澳等国水稻种子主要采用机械化直播,水稻品种多为常规稻,采用大型高速直播机或飞机撒播机播种, 撒播水稻种子分布无规律,植保机具无法下田。因此,欧美国家水稻田杂草防治以化学防治为主,即应用飞机施用高效除草剂灭草,也有少数地区采用大功率、大幅宽中耕机具进行机械除草(工作速度可达12km/h)。欧美等国家施肥机械技术处于领先水平,拥有大批成型的大功率、大播幅、高效率和多功能的旱植水稻施肥机械,可同时完成施肥、耕耘和播种等作业。

亚洲国家水稻主要以移植种植为主,日本和韩国水稻机械化水平高,故为水稻机械化除草与施肥技术的发展提供了平台。日本的生研机构、井关、久保田和三菱农机和韩国的Chukam机械等企业研发了一系列适合大田作业的乘坐式水稻除草机,和同产业和株式会社美善则研发了多款适合小田块作业的手扶式水稻除草机。日本水稻除草机械有种类多、适用范围广等特点。自20世纪以来,久保田、洋马农机和八鹿铁工株式会社等机构研发了大批水稻施肥机械,能满足不同用户的需要。日本巴依克米株式会社研制的制肥、施肥成套产品,能将秸秆、杂草和树枝制成肥料还田,实现了农业可持续发展的要求。

我国对水田中耕除草机的研究最早可以追溯到20世纪50年代。随着除草剂在中国水稻生产中的广泛应用,在相当一段时间内,水田机械除草方式在我国几乎绝迹。近年来,随着人们对环保和健康的重视,减量或无化学药剂除草方式得到提倡,水田机械除草技术又被重新关注,华南农业大学、东北农业大学、南京农机化研究所和江苏云马农机制造有限公司等机构研制了新型水田除草机,但目前仍未大面积应用。我国水稻生产的最显著的特点是精耕细作、复种指数高、机械化标准化程度低在农业机械化起步迟、起点低的背景下,我国水稻施肥机械化技术的发展同样远远落后于其他技术的应用。从化肥的剂型、使用方式到施肥机械的研究开发以及施肥技术规程等各个层面都有相当大的差距。经过近年的努力,已拥有相当数量种类的自走式和悬挂式施肥机械,但在机械制造工艺方面,仍然与国际先进水平存在差距。

②旱田中耕与除草、施肥技术

中耕管理技术方面,国外从20世纪50年代就开展了机械中耕与除草、追肥技术的研究。机械除草和追肥技术的研究多集中在智能控制方面,即利用导航技术、作物识别与定位技术、精准机械执行机构实现变量、智能中耕作业。中耕施肥装备方面,欧美国家从20世纪50年代就开展了机械除草、追肥技术的研究,经过多年的研究改进,目前已经形成了一整套成熟的农机具。这些机具经过多年的生产运用,能较好地满足作业要求。目前国外的中耕机具机械、液压、气动技术联合,机电一体化程度高,机具复合作业水平高,部分机具已经实现自动化,代表性机型有John Deere 2210型松土除草机、John Deere 4730型自走式液体施肥喷药机、Case New Holland 3230液体施肥喷药机等。国内中耕除草施肥机国内已经生产多年,技术较成熟,但是大多数产品机型小,作业效率低,在高效化、自动化和精量化等方面与国外产品还存在较大差距。我国研制的中耕机具多采用单一机械技术,自动化程度不高,与大功率拖拉配套的大型中耕除草复式作业机更少。主要是表土施肥、漫撒、效果差;缺少深施肥机、更缺少有机肥施肥机。代表性机型有3ZF-6中耕追肥机,其与40~73kW轮式拖拉机配套,可通过更换不同的工作部件完成中耕(锄草破板结、深松)追肥、培土、起垄、开沟等项田间作业,基本作业行数为6行,行距可在45~75cm范围内调节,在中耕作业同时可追施颗粒化肥,肥量及作业施肥深度可在一定范围内调节。在中耕作业质量监测与评价方面,目前开展了利用仿形机构和机具姿态反算测量方法,获取多行整体耕深信息的研究。目前研究工作主要集中在采用光电传感、排肥机构转速以及电容传感方式,对肥管堵塞、排肥稳定性进行监测,中耕配混施肥作业中多通道排肥排肥状态、排肥均匀性在线获取和评价是后续研究的主要方向。中国农业大学、华南农业大学等单位进行了基于作物行扫描的机械除草装置及控制器研发,但国内田间杂草、作物的识别研究没有涉及作业机具运动及多幅图像之间的信息融合等问题,在田间作业条件下对作物及苗带的精确识别还需作进一步研究。

(4)多功能田间管理作业底盘技术

多功能、通用化的高地隙自走式底盘可搭载中耕、锄草、施肥、培土、喷雾施药、制种玉米去雄等多种田间管理通用作业装备,美国Miller 公司、意大利BARGAM 公司等国际知名企业的产品技术先进、功能多样,代表了田间管理多功能高地隙自走式底盘的发展方向。国内中国农业机械化科学研究院等单位研制的ZN1104 型多功能可变地隙动力机能够配用喷雾、中耕等多种田间作业装备,并具有功能拓展能力,填补了我国通用型多功能高地隙自走式底盘的空白。

(5)变量精准作业方面

农机变量作业是一种由信息技术支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一整套农事操作技术与管理的系统。在田间管理机械领域,根据作物的生长按需施用农业投入物,能减少水、肥、种、药的施用量,提高作业效率与质量,降低对生态环境的危害,是现代农业发展的重要方向。国外研究起步较早。将农田信息获取与3S 技术结合,考虑作物生长需求实现变量控制,开发了信息检测、分析决策系统技术与装置产品,如德、美等国家的土壤墒情、作物养分在线检测系统可指导水肥施用。变量作业控制重点研究了定位导航、工况检测、智能调控、作业质量监测等系统技术及产品。集成信息实时探测分析与决策、变量作业控制技术与系统,开发了定位导航、播量监测、播深自适应的精准定位播种机具,如美国John Deer 公司、Case 公司为代表的产品;开发了智能变量施肥机具,已商品化与市场化,以Ag Leader 公司产品为代表;变量灌溉技术方面,如美国Valmont 和Lindsay 公司的喷灌速度控制和小区变量灌溉控制系统已推广应用,以色列Netafim公司产品融合了针对不同作物种类和土壤类型灌溉优化策略的滴灌控制系统,实现了水肥一体化的精准和高效滴灌控制;美国John Deer 公司、丹麦Hardi 公司、德国Holder 公司等相继推出施药工况监测、变量施药控制系统等产品,已有50%以上的大型农场应用这些设备。国内处于研究初期,中国农机院、中国农业大学、浙江大学、北京农业智能装备技术研究中心等单位已在数字农业测控、土壤作物信息采集与肥水精量实施、植物环境信息快速感知与物联网实时监控等关键技术研究与原理样机开发等方面取得一定突破,但在处方实时决策与变量控制等方面仍存在技术瓶颈,亟待解决。目前,决策主要依靠非实时的单一信息源技术,如土壤墒情决策系统只能实现片区差异化灌溉,参数单一,控制相对滞后。精准播种尚处于探索阶段,种肥流量、播施深度、播种质量等技术仍有不足。变量施肥集中在施肥机构、管理决策以及处方图生成等局部环节上,施肥精度、变异控制和变量范围等存在不足。变量喷灌可实现分区灌溉,但只限于地标识别的分区判断,喷/滴灌系统只能依靠经验进行均一灌溉。实时喷药所需的处方图实时性、准确性与可靠性较差,变量喷施质量有待提升。

2.主要科研成果

(1)植保机械技术方向

重点开展了植保机械系列喷头研究与开发,研制出了系列扇形雾喷头系列、圆锥雾喷头系列和防飘喷头,为我国喷雾机喷头国产化奠定了基础;针对大田黄淮海地区两熟制小麦大豆田间施药需求,开展了3WZG-650型窄行距自走式大豆宽幅喷雾机的田间试验和风幕防漂移防治效果试验;针对高秆作物中后期的病虫草害防治及化控化调药剂喷洒和水田施药机械需求,研制了3WZC-1204型高地隙自走式、3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机并开展了田间试验,有效提升了农药施用的适用性、精量化、自动化水平;在植保无人飞机航空施药技术方面,组织行业优势力量,开展了低空精量施药技术、施药效果和安全性评价及施药规范标准方面的研究,支撑我国航空施药技术与装备的健康有序发展。

①植保机械系列喷头部件

针对我国植保机械用喷头缺乏的问题,以气液两相流理论为基础,与CFD仿真技术与PIV、高速摄影等先进的试验手段相结合,研究了压力雾化、沉积与飘移机理,根据最佳生物粒径理论,设计了扇形雾喷头系列、圆锥雾喷头系列和防飘喷头系列。以喷嘴耐磨性、性能一致性为目标,提高喷头混合材料属性,优化喷头加工工艺,制造系列化的植保用喷头。系列喷头已通过国家植保机械质量监督检验中心的检验,喷雾量误差率为1%(国家标准规定为10%)、喷雾角误差率为1.8%(国家标准规定为10%)。已经累计销售超过150000只,广泛应用于江苏、上海、山东、湖南、湖北、河南、河北、黑龙江、宁夏、新疆等地,安装在喷杆喷雾机、背负式喷雾机、农用无人机等植保机械上,在水稻、小麦、玉米、棉花、枸杞等农作物上累计防治面积超过400000亩次,并得到用户的广泛好评和认可,并以性价比优势正逐步打开欧美、非洲市场。

在稳压防滴阀方面,攻克了稳压防滴技术,重点研究稳压防滴系统中的稳压调压阀装置,有效降低喷雾器工作过程中的压力幅动,喷雾器防滴阀装置,有效减少启闭喷头喷雾时造成的雾滴滴漏,实现喷头稳压调压功能一体化,解决我国小型喷雾器作业压力不稳定、喷量不均匀以及停止作业后药液下滴等技术性难题;中国农业大学开发了基于LABVIEW的压力供液系统检测平台,实现在线实时测试流量和压力,有效提高喷雾参数测试自动化水平。稳压防滴阀通过与其他植保机械部件的技术集成,实现稳定、精确和安全的喷雾作业,并在主要农作物产区进行试验示范。

在喷头模型方面,通过对常用农用植保喷嘴的测试分析,提出了扇形雾喷嘴的三个特征参数(喷嘴终端形状、喷雾角和流量)和锥形雾喷嘴的三个特征参数(雾型分布状态、雾锥角和流量)可作为喷嘴型谱数据库的关键字段,解决了扇形雾喷嘴、锥形雾喷嘴的型谱构成问题,建立了不同系列喷嘴的型谱模型。

②3WZC-1204型高地隙自走式喷杆喷雾机

针对高秆作物中后期施药作业需求,开展了桁架伸缩式机架、静液压驱动技术、简易防滑技术、驾驶室升降技术、气液减振技术等关键技术研究,集成研制出自走作业方式、桁架伸缩式超高地隙机架、轮距可调、可升降式驾驶室、药箱两侧分置、液压四轮驱动、四轮转向、中型动力配置的3WZC-1204型高地隙自走式喷杆喷雾机。喷雾机的离地间隙高,通过性能好,行走稳定,作业效率高,适用于玉米、甘蔗、棉花等高秆和中耕作物进行杀虫剂、杀菌剂、除草剂以及催熟脱叶剂、增产增糖剂、叶面肥料等的喷洒,防治农作物病虫害,促进作物生长,特别是在高秆作物中后期的病虫草害防治及化控化调药剂喷洒方面,具有普通喷雾机不可比拟的优势。2015年4月,通过了由中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定,技术水平处于国内领先。

③3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机

针对水田施药作业需求,开展了静液压传动装置与机械传动相结合的喷雾机行走驱动系统和基于作业速度的自动变量喷雾系统研究,完成了四轮驱动、四轮转向、高地隙、喷杆前置向后折叠、配有驾驶室的3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机样机试制和田间适应性试验。试验结果表明,3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机的轮距与水稻种植行距相适应,分禾对行行走效果良好,对水稻植株的压损少,可以满足水稻生产中后期病虫害防治要求。

④3WZG-650型高地隙喷雾机

针对两熟制地区农艺制度复杂、农机农艺融合困难、机械化配套性不高的现状,开展两熟制小麦/大豆机械化施药技术研究,优化改进3WZG-650型高地隙自走式喷杆喷雾机,在安徽阜阳试验示范基地进行夏大豆喷药试验。

加装风幕系统后,在山东省济宁市大张庄村进行了对比试验,测试不同型号喷嘴、不同施药压力下,有无风幕系统对雾滴在作物冠层中的穿透性和沉降效果。试验结果表明,加装风幕系统后,能够有效防止雾滴飘移,增加雾滴在大豆植株灌层中的穿透性,提高叶片背面雾滴附着率。

⑤两熟制小麦/玉米喷杆喷雾机研制

开展两熟制小麦/玉米机械化施药技术研究,开发设计了具有地隙高低可变、轮距宽窄可调、田间通过性能好、作业效率高、作业幅宽和喷雾高度可调等功能,并且能够随作业速度在线调整喷雾量,进行变量施药,保证均匀喷施的自走式精准变量喷雾机,2015年在冬小麦除草剂喷施效果方面进行了性能检测,并在河北赵县、任县、顺平、深州和武邑县的相关农业机械服务专业合作社进行了技术推广和应用示范,2016年在玉米播后除草剂喷施效果和玉米蚜虫防治效果方面进行了性能检测,并在河北任县农机服务专业合作社进行了技术推广和应用示范,具有重要的实用价值。

⑥植保无人飞机航空施药技术

田间管理机械专家组团队在“十二五”期间,在公益性行业科研专项项目、农业部行业标准制定和修订项目等的支持下,团队系统地开展了航空施药飘移控制技术研究、自适应变量施药技术研究、植保无人机高精度自动导航技术研究、施药一体化操控技术研究等,建立了低空低量精准施药技术体系,实现农药靶标定向沉积,提高了农药有效利用率;在无人机高浓度低量施药效果和安全性评价方面,团队进行了高浓度剂型筛选研究、环境安全评估研究,并研发了手机端APP,实现快捷、直观显示施药效果,科学指导航空施药和量化评估作业质量;根据作物种植模式、不同生育期病虫害发生规律,确定不同防治时期、不同病虫害植保无人飞机喷施方案与喷施要求,制定与不同作物、不同病虫害、不同机型配套的喷施作业技术规范;团队根据我国现有植保无人飞机的类型以及目前行业发展的技术水平,在型号编制、技术要求、检测方法等方面做了详细要求,制订我国首个植保无人飞机行业标准《植保无人飞机质量评价技术规范》,规范行业发展,为政府监管、第三方检测提供了依据。

(2)灌溉技术方向

重点围绕低压均匀喷洒喷头、智能型灌溉系统、喷滴灌两用机组、大型喷灌技术集成和升级、区域性灌溉技术研究及系列设备的开发研制等几方面开展了技术研究和装备开发工作。

①首次研制出低压均匀喷洒喷头

针对喷灌系统能耗高、喷头压力范围小、低压下喷洒性能较差等难题,采用喷头内部流道CFD数值模拟与外流场水滴运动力学计算的新方法,创新设计了特殊流道、异型喷嘴、散水齿等关键结构。首次研发成功新型低压均匀喷洒喷头,突破了现有喷头低压喷洒均匀性较差的行业难题,降低了喷灌系统能耗。完成了喷头的系列化设计及生产,进行了田间应用及示范,与国外Nelson喷头相比,低压下组合均匀性提高27%。完成了喷头的系列化设计及生产,进行了田间应用及示范。

a.开发出系列低压均匀喷洒喷头产品。研究出新型喷头驱动原理,设计了特殊流道、异型喷嘴、喷头散水盘及散水齿新结构,该喷头结构简单,工作稳定,改善了低压时的喷洒水力性能,提高了喷洒均匀性。b.开展了喷头流道数值模拟及关键结构的设计与优化。对低压旋转式喷头流道进行结构优化设计,采用CFD软件,数值正交优化设计方法,模拟研究喷头流道旋转驱动力变化规律,首次设计出特殊流道结构及相对应的异形喷嘴,并对结构尺寸进行了优化,得到喷头转动性能稳定,既保证了喷洒射程,又解决了低压下均匀性差的难题。采用正交试验的优化设计方法,研究低压旋转式喷头散水盘结构尺寸对水力性能的影响规律,优化散水齿结构。对散水齿齿数对水量分布的影响进行试验研究,采用动态水量分布的新概念及计算方法,总结散水齿齿数对水量分布的影响规律,研究结果降低了喷头工作压力,并实现了低压均匀喷洒。C.进行了产品水力性能研究。对系列低压均匀喷洒喷头进行了水力性能试验研究,掌握了不同工况下的性能参数,通过对水量分布的计算,得到喷头的组合喷洒均匀性。与国外Nelson喷头相比,低压下组合均匀性提高,实现了低压均匀喷洒,突破了现有喷头低压喷洒均匀性较差的行业难题,降低了喷灌系统能耗。

表1 系列化低压均匀喷洒喷头性能参数表


产品型号

LPS3.6

LPS4.0

LPS4.4

LPS4.8

喷嘴直径(mm)

3.6

4.0

4.4

4.8

工作压力(kPa)

200

225

250

275

流量(m3/h)

0.718

0.903

1.157

1.333

末端水滴直径(mm)

4

4.5

4

3.5

转速(min/r)

1.40

1.50

1.09

1.02








②智能型异形域喷灌系统研制

异形域喷洒喷头可广泛应用于整齐规则的矩形农田、草坪,也可用于不规则区域及不规则地势的灌溉。传统的异形域喷头通过调节喷头入口处压力或改变喷头喷射仰角的方法来实现变域喷洒,但会造成能量消耗大或喷头灌溉均匀度下降,且当前变域喷洒喷头只能实现矩形和三角形等规则形状的喷洒域,而较难实现不规则形状的喷洒域。智能型异形域喷灌系统采用现代电力电子技术和变流变压运行理论,不仅能根据不同地形的几何参数生成控制模型,对喷灌系统水泵机组的运行实行节能控制,提高系统的能源利用率,而且由于提高了喷灌组合间距,减少了单位面积的喷头数量,也降低了机组的配套功率。

a.发明了变域喷洒喷头起落点精确控制机构,能够使喷头在完成一次喷洒后,准确降落在某一确定位置,再次喷洒时能够从某一确定位置开始,从而解决了变域喷头启动位置不一致导致的系统无法同步调节的问题,为变域喷洒系统的自动控制奠定了基础。b.分析了闭环和开环控制的优缺点,并采用开环方式,研制了变域喷洒智能控制器,根据喷洒域形状的边界方程和喷头试验所得的射程和控制频率的关系,自动生成控制曲线,实验结果表明,但由于采用开环控制,喷头压力响应稍滞后于控制信号,且喷头实际压力与理论控制压力有一定的失真,但基本不影响喷洒域形状,能较好地实现不同喷洒形状的控制要求。C.构建了24个喷头的变域喷洒系统,采用CR10-4型号的水泵机组作为动力装置,考虑变域喷洒时泵机组效率下降和变频器效率,正方形喷洒时的机组效率比圆形喷洒时节省了44.6%,体现了变域喷洒系统节能的效果。

③喷滴灌两用精确灌溉机组

a.喷滴灌两用自吸喷灌泵

针对我国喷灌自吸泵效率低、自吸时间较长等主要缺点,通过理论分析、数值模拟和试验研究,在国内外首次研究出喷滴灌两用自吸泵,泵的效率达61.0%,自吸时间59s,综合技术指标居国际领先水平。

表2 喷滴灌两用泵与国内外同类产品技术经济指标对照表

对比项目

标准

规定值

国内同类

产品

国外同类

产品

本项目

技术指标

对比结果

自吸方式

-

外混式

自吸

外混式

自吸

射流式自吸

国内外领先

效率

56%

50%-57%

53%-62%

61%

比国标提高5%

重量

-

22kg

-

18kg

降低18%

自吸时间/5m

100s

120s-150s

100s-140s

59s

缩短41s

b.喷滴灌两用精确灌溉机组 
首次推导出基于迭代法的水泵与管路工况一致性水力计算方法,提出轻小型喷滴灌两用灌溉机组两工况设计方法;建立了轻小型喷滴灌两用灌溉机组优化数学模型,提出遗传算法优化设计方法。轻小型多功能灌溉机组可以在多个工况下高效率的运行,适应不同田块的要求。采用喷滴灌两用自吸泵、两工况设计及遗传算法优化配置,与标准泵额定工况设计相比,机组单位能耗降低16.1%-16.9%。喷灌均匀度为80.0%-80.7%,滴灌均匀度91.6%-93.6%。

表3  国内外同类技术综合比较

泵型号

系统

类型

数量

扬程

m

流量

(m3·h-1)

效率

%

能耗kW·h/(m3·hm2)

能耗合计kW·h/(m3·hm2)

能耗降低

50ZB-30

喷灌

滴灌

5

21

30.0

10

56.0

0.191

0.405

 

0.215

50ZB-25

喷灌

34

27.7

13.01

56.0

0.176

0.337

16.9 %

滴灌

7

23.0

16.14

57.3

0.161

50ZB-25

喷灌

6

29.5

12.3

53.8

0.195

0.340

16.1 %

滴灌

44

20.1

18.04

55.6

0.145

采用本研究成果,只要是在高效区范围内,可以任意配置机组,都可以满足机组喷滴灌共用工况及灌水要求。喷滴灌两用机组可以采用许多喷头与滴灌带的组合方式,以满足不同田块的要求,并且能够高效运行,而传统机组及传统设计方法,只能在额定工况下工作,机组适应能力较差,而且能耗较高。所开发的轻小型多功能灌溉机组成果总体上达到国际先进水平。

④研制了移动与固定两用软管喷灌系统

为提高轻小型移动式喷灌机组管道及喷头连接、移动的便捷性,实现移动固定多目标喷灌,开发了一种快速连接管件和一种喷灌用喷头及管道固定装置。对喷灌机组分别配置15PY、20PY喷头时的机组运行工况进行测量,当机组采用10×15PY配置时,试验中各喷头工作压力非常稳定,喷灌均匀系数为Cu=80.1%。

⑤区域性灌溉技术研究与设备研发

a.开展了水浇地合理耕层构建指标试验研究

针对北方地区水浇地耕层逐渐变浅,犁底层不断加厚、土壤蓄水保水及缓冲能力差、土壤三相比不协调、农机农艺融合度低、作物水肥资源利用率降低和产量不稳等问题,在对不同区域主要土壤作物高产稳产的耕层指标进行研究分析的基础上,开展了深松方式(深松深度、幅度、时机、周期)对水浇地主要土壤耕层理化性状、水肥利用效率和作物产量的影响,初步明确了有利于构建水浇地合理耕层的深松方式和技术指标,提出了有利于保持水浇地合理耕层结构、作物高产稳产的适宜灌溉模式和技术指标(灌水方式、灌水时间、灌水频次、灌水定额),为水浇地土壤合理耕层构建配套机具的改进与研发提供了重要试验依据。

b.盐碱地植棉水盐调控与高效用水技术试验研究

在滨海盐碱区的中重度盐碱地,开展了盐碱地植棉水盐调控与高效用水技术的试验研究,给出了播前淡水造墒压盐的适宜时间(播前5-7天),灌水定额为40-60m3/亩;提出了“深松(深30-35cm)蓄雨淋盐、V(微)沟(深10-12cm,沟中播种)积雨避盐、滴灌(干旱时补灌15 m3/亩)补墒驱盐、覆膜保墒抑盐”的水盐调控技术模式,为盐碱地植棉田间作业机械的研发和改进提供了技术参考。

c.研制了工厂化大棚育苗的水肥药一体化施用的灌溉系统

针对现代农业快速发展,建设可满足各种育苗要求的专用育苗大棚的需求,综合考虑雾化效果、灌水均匀度、水肥药施用一体化等因素,将首部过滤、施肥、施药装置集成于一体,研发了一种适用于工厂化大棚育苗的水肥药一体化施用的灌溉系统,并在麦后移栽棉花育苗和蔬菜育苗中进行了示范应用。经测试,该系统操作简单方便,成本低,省工省力,且喷洒稳定,雾化效果好,水量分布均匀,可有效解决工厂化育苗水肥药施用的费时费力问题。对移栽机在免耕、翻耕等各种土壤条件下的移栽质量和移栽效率进行了检验,针对放苗孔鸭嘴结构、覆土刮铲形状、移栽机各部分受力特性要求等向厂家提供了改进意见。为了解决传统地面灌地区移栽后及时浇灌活苗水的问题,集成车载可快速安装与拆卸的移动式管带微喷灌溉系统,极大地提高了灌溉效率和移栽苗的成活率。

d.应急性抗旱设备

——研发出了应急性抗旱灌溉设备,包括:移动提水车、小型灌溉机和配套的快速连接件等系列产品。其中,优化改进的提水泵车供水流量大,整体组合更为合理、更加趋于轻小型化,移动灵活、运行可靠,且配套不同动力的柴油机和电机,选择灵活、方便,可以有效解决农田附近没有电力能源和电网而无法驱动水泵抽水、旱情严重时供水流量小的问题,并达到有效缓解和快速处理因突发性农田旱情,从而提高农田的应急抗旱能力。

——设计出了一种新型、环保、自带移动动力的小型灌溉机,可充分利用农业干旱发生时太阳光照强、气温高的自然条件优势,保证在采用有限的灌溉水量以重力小管出流的灌溉模式对作物进行线型的移动式局部灌溉过程中,确保灌水车移动灵活、方便,从而有效地实现应急抗旱的功效,并具有较高的灌水均匀度;同时研发出了过水旋转接头、输水万向连接件、快速连接管件和自闭式快速接头4种配套产品,实现了输水管路方便、快速的安装、连接和拆卸。

——研发出了一种轻简化移动式滴灌应急抗旱装置,该装置主要功能是在灌溉过程中机车可以自动行走,将灌溉水输送至田间滴灌管(带);灌溉完毕机车自动收卷管路,降低了滴灌管带铺收的劳动强度。

⑥大型喷灌机技术集成和升级成效显著

“大型自走喷灌装备技术集成升级研究与开发”项目,瞄准水资源紧缺对农业喷灌技术的精准化、自动化、系列化与产业化的紧迫需求,通过项目实施提高农业灌溉用水有效利用系数,对推进农业现代化、建设综合节水型社会、促进水资源可持续利用、保障国家水资源安全和粮食安全具有重要作用和意义。一是研制了平移式喷灌机直线导向系统,基于GPS,确定机组的定位与行走路径,主机控制器将机组行走实时位置信息与设定机组行走路径比较,判定行走方向误差,实现行走纠偏控制,解决直线导向系统和机组跨间行走协作等问题;二是研制圆形喷灌机方田四角喷洒系统,研制末端喷洒控制系统和末端增压泵,解决圆形喷灌机方田四角灌溉问题,提高机组有效灌溉面积;三是研制出了低压阻尼控制喷头,通过流体CFD计算模拟和室内外试验,研究流道结构、转速、压力等因素对喷头水力性能的影响机理,开展阻尼控制喷头流道结构参数优化设计,研制低压阻尼控制喷头;研制出了基于作物需要水信息的大型喷灌机远程监测与控制系统,研究基于无线网络的大型喷灌机远程监测与智能控制、喷灌机群间的远程监测与智能控制、田间土壤水分与风速等环境信息监测技术和系统,实现实时监测及灌溉决策。

⑦开发了系列设备与系统,缓解西北地区百姓饮水和农牧业用水问题。

“精确喷灌技术与产品”项目,瞄准轻小型喷灌机组功能单一、不能实现变量喷洒,自动化控制水平较低等问题及低能耗精确喷灌系统需求,应用光、电、控制以及流体机械等相关学科的基础理论和最新研究成果进行多学科交叉研究和创新,研制出了1种高比转速多工况自吸喷灌泵,比转速高于150;开发了1种固定移动两用软管喷灌系统,变频异形域喷灌系统,喷滴灌两用灌溉机组,灌水均匀系数0.8以上,能耗降低5%-10%;开发多功能轻小型灌溉机组1-2种,装置效率提高5%以上,系统成本降低10%以上,喷灌均匀度大于80%。制定《多功能轻小型灌溉机组操作规程》和《多功能轻小型灌溉机组技术规范》各1套;开发出了1 套高效智能的太阳能抽水灌溉系统;示范应用面积2000亩。研制出了变量低能耗喷头3-4 种,射程2-15m,工作压力0.15-0.30MPa,流量0.5-3.5m3/h;研制出高均匀度变量施肥装置1 套,肥料均匀度提高20%,获得变量精准灌溉施肥决策软件 1 套,提出喷灌水肥高效利用模式2-3 套,示范应用面积3000 亩,示范区的水分利用率提高10%以上,肥料利用效率提高5%-10%,作物水分生产效率提高0.2kg/m3;制定技术标准1 件;获发明专利6-8 件,取得软件著作权3 项,发表学术论文50-60 篇,培养博士、硕士研究生15-20名。形成了产、学、研有机结合的节水灌溉装备与系统的研发基地与生产基地,极大地促进我国光伏产业及节水灌溉等相关行业技术水平的发展。

(3)施肥中耕技术方向

重点开展了变量施肥、步进式轻型和乘坐式行间除草、稻田自动避苗中耕除草、插秧机测深施肥技术与装备研究与开发,在广东、浙江、吉林和宁夏及黑龙江等地进行了田间试验,推广应用效果良好。

①变量施肥技术研究

a.土壤变量施肥处方决策技术

提出了产量分布、土壤养分、作物冠层养分多参数融合的变量施肥处方图定制方法,开发了精准农业决策支持系统,为变量施肥机具提供作业处方图,实现氮、磷、钾的变量施用,避免了变量施肥受土壤化验难的瓶颈束缚,为研究查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异、优化使用化肥、农药、水、种子投入等提供了技术和装备支撑。

b.氮磷钾智能配方施肥技术与机具

突破了称重法肥料流量反馈控制技术、三种肥料在线配比施肥技术,研究开发了变量配肥施肥机具。保证施肥机具在田间作业过程中能根据土壤的养分情况,实时准确选择施肥量与氮磷钾配肥比,其技术特点是:

基于称重法肥料流量反馈控制技术。施肥控制系统实时采集称量传感器测得的肥料重量值,以及出料口处悬挂式力传感器测得的肥料流量值,并通过串口反馈给车载计算机,车载计算机根据计算理论肥料流量值与测得的实际流量值的差异,实时变步长修正肥箱上的伺服电机施肥量,实现反馈式控制,达到精准施肥的目的。

三种肥料在线配比施肥技术。车载计算机根据要求分析出此处N、P、K三种不同肥料所需施肥比列和总施肥量,变量配肥施肥控制系统能够独立控制任一个肥箱上的伺服电机,改变排肥轴转速,即实现三种肥料的变量配肥。

结合GPS技术,按需精准施肥技术。根据车载GPS提供车辆位置信息,按照施肥处方图定点按需进行变量施肥,达到精准施肥、合理施肥,减少环境污染的目的。

c.水稻氮素诊断与药肥变量作业装备

研究了多种光谱通道下的水稻冠层图像的处理算法,成功分割水稻冠层与背景后,对水稻的颜色特征进行提取,并与叶绿素计读数进行了相关性分析,建立了水稻氮含量检测的分析模型,研制了水稻药肥一体化变量施用装备第一轮样机,该样机幅宽50m,行驶速度小于3km/h ,车轮可实现原地转向和纵向行走,可选择遥控或自动导航方式自动行走,可实现灌溉、施肥、喷药一体化集成作业。

②研制了步进式轻型和乘坐式行间除草机具,并进行整机田间示范试验。

研制了两行水田中耕除草机4台(套),研制了7行和19行宽幅乘坐式中耕除草机各1种机型,在广东、浙江、吉林和宁夏等地进行水稻中耕除草试验,建立示范点2个,完成机械化中耕除草作业200余亩。

a.两行步进式水田中耕除草机研制

研制了QSC-2型步进式水稻中耕除草机4台,其中3台在浙江、吉林和宁夏等地进行水稻中耕除草试验,效果良好。2015年4月25日在广东省肇庆综合试验站进行了QSC-2型步进式水田中耕除草机田间试验,完成机械化中耕除草作业10余亩。结果表明,QSC-2型步进式水田中耕除草机除草作业效果良好,除草率与伤苗率均达到田间机械要求。

b.宽幅乘坐式中耕除草机研制

为了提高生产率,有效地利用现有高速插秧机底盘的功率,研制了7行和19行宽幅乘坐式中耕除草机。

7行乘坐式宽幅除草机田间试验

2015年4月24日在广东省肇庆综合试验站进行了7行乘坐式除草机田间除草机作业初步测试和的田间试验。结果表明,乘坐式水田除草机该机在泥脚较软,杂草高度较小时作业效果理想,在较硬的田块作业效果不佳。存在作业行数太少,在小地块地头转弯次数频繁,造成地头压苗,影响整机效率等问题。

19行乘坐式宽幅除草机田间试验

试制了一种19行宽幅乘坐式行间除草机,该机由乘坐式插秧机底盘提供动力,采用4个双作用液压缸控制可调支架并保持平衡,通过螺旋刀齿除草轮旋转与土壤及杂草作用进行除草。2015年8月17日与8月20日分别在广东省肇庆综合试验站(肇庆市鼎湖区坑口大旗山)、江门综合试验站(江门市新会区三江镇新江6队),进行了19行乘坐式除草机田间除草作业试验。

试验结果表明:前进速度相同情况下随着除草轮入土深度的增大,除草率先上升后下降,同样情况下,伤苗率有所上升。除草轮深度相同的情况下,随着前进速度增加,除草率先上升后下降,同样情况下,伤苗率基本保持不变。综合除草率和伤苗率的指标考量,乘坐式宽幅行间除草机适合在草量多,杂草较低(20cm以下)的水田中除草,并且在前进速度为0.6m/s,除草轮深度为10cm时除草作业质量较好。根据综合田间实验结果得除草机除草率平均值为84.5%,伤苗率为4%,基本满足水稻田机械除草的作业质量要求。

③研发稻田自动避苗中耕除草技术与装备,以及稻田施药喷雾技术与装备。

研制除草轮角度与位置均可实时调节的7行乘坐式除草机1台、改制轻简底盘追肥机与喷雾机1台,在广东省江门、肇庆综合试验站分别进行了除草试验,建立示范点2个。

7行乘坐式自动避苗除草机研制

插秧时,由于地形、机手操作等原因会造成苗带弯曲,给后续的除草作业带来一定困难(操作不当造成伤苗,同时极大影响作业效率)。为解决上述问题设计了除草轮角度与位置均可实时调节的除草机架。2016年8月20日与26日,该机分别在广东省肇庆综合试验站(肇庆市农业科学研究所)与江门综合试验站(江门市新会区三江镇新江6队)进行了初步测试与试验。试验结果表明,该机结构稳定,性能良好,机械与控制功能均达到预期,即拥有良好的除草与避苗功能。但该机控制部分响应不够灵敏,需进一步研究优化,示范应用面积100余亩。

研制轻简底盘与追肥机和喷雾机

2016年8月,根据田间管理轻简型地盘的需要,改制出轻简底盘与追肥机和喷雾机1台。初步试验表明,喷雾性能良好,但转向、轮距调节、后轮、施肥等部件还需要优化修改。6月17日,邀请华南农业大学农业航空团队在肇庆水稻田进行航拍试验,为进一步研发植保机械作准备。

④插秧机施肥装置研究与开发

针对黑龙江农垦总局建三江管局对水稻侧深施肥技术的需求农艺要求,重点开展排肥机构、排肥驱动机构、送肥装置、清肥机构、泥浆开沟机构以及施肥装置与不同插秧机型底盘匹配等方面研究,开发插秧机配套的施肥装置,分别在中国农大上庄试验站和黑龙江省阿城区黑龙江省农垦科学院试验地、黑龙江省农垦红兴隆管理局友谊农场11分场进行了现场田间作业试验考核,在技术成熟后对建三江管局现有插秧机进行改造、加装侧深施肥装置,实现插秧同步施肥作业,同时兼有肥料堵塞报警功能,满足了水田机械化生产向环境友好型、资源节约型方向发展的要求。

(4)精准农业技术方向

精准农业技术承载着节本、增产、增效、农业可持续发展的重任,是现代农业发展的方向,田间管理机械专家组成员团队围绕农业信息精测、变量作业精施、系统精准管理三大关键技术,开展了作物生长信息对肥料的需求、作物虫害识别等基础技术研究,并集成信息技术开展智能管理系统研究,支撑水肥药科学施用,提高利用率,加快农业生产发展方式转变。

①植物信息探测技术及装备,探索能快速实时感知

瞄准植物生态信息感知计算机视觉与图像处理、遥感、光谱分析、传感器技术,开展了研究和试验工作。

a.杂草识别技术与装备

采集大量田间典型杂草数据,扩充了前期构建的植物识别方法库PDM-Lib,建立了节骨草、灰菜、灰质、曲麦菜、兰花菜、水败草和豆菜等典型杂草图谱库。分析研究了玉米及其伴生杂草的可见光波段植物的光谱特性,得到基于虚拟光谱的区分杂草和玉米植株的物草分割线(Line of Segmentation Crop and weed,简称SCW-Line)。研究提出了基于株心的玉米田间杂草识别方法,能快速的识别玉米田间杂草,识别准确率超过80%。提出了基于多特征的玉米田间杂草识别方法、基于HU不变距的行内杂草识别方法、基于多特征模板匹配的行内杂草识别方法,能够快速、有效地识别杂草信息,指导对靶喷药,提高了变量喷药机具田间实施的实时性。研制了智能杂草识别系统,经试验,在工作速度为5km/h时,系统识别的准确率为95%,误识率为13%。由于杂草与大豆重叠生长,在大豆田应用的错误率仍较大,有待深化研究。

研制了智能杂草识别系统,主要由智能控制器(包括CPU、控制主板、摄像头、LED光源和外壳)、安装支架、喷头总成(包括电磁阀、喷头、辅助件)等组成。经试验,在工作速度为5km/h时,系统识别的准确率为95%,误识率为13%。错误率较大的主要原因是杂草与大豆重叠生长,导致难以识别。

b.病虫害识别技术

——建立了棉田棉铃虫、棉蚜、红蜘蛛等主要害虫危害的叶片、花蕾、棉铃、茎秆等部位所表现症状的颜色、形状和纹理参数的数据库,筛选了具有旋转、比例、平移不变性(RST不变性)的对比参数。建立了棉田单株棉苗标准样本在苗期、蕾期、花铃期的形态特征参数数据库,与从田间单株棉苗中提取的形态特征进行比较分析,从而确定该棉苗的大小与健壮程度。根据棉苗的虫害特征数据库和棉苗带大小的判定结果,建立了智能决策算法,建立了虫害类型与喷药量以及药剂种类的模型。研究了虫害分布信息的自动检测方法,设计了害虫危害棉苗的叶片所表现症状的特征提取方法,虫害探测模型预测相关系数 ≥80%,虫害探测单帧检测时间≤1s。

——研究了棉田虫害等级识别方法,如果pa小于5%为无虫害;pa在5%-10%为1级虫害;pa在11%-15%为2级虫害;pa在16%-25%为3级虫害;pa在25%-35%为4级虫害;pa在35%-50%为5级虫害;pa在50%-70%为6级虫害;pa大于70%为7级虫害。研制了固定式棉田虫情和苗情自动探测装置,可实现远程自动调节相机拍摄角度与范围的功能。采用嵌入式CDMA无线视频远程监控技术,实现全天候24小时监测,并可进行异地监测。

——研究了棉苗自动检测方法,设计了基于形态特征的棉苗大小的自动判别方法。棉田大小的基本特征包括棉带覆盖度(苗带宽度)、棉苗覆盖度(单株棉苗宽度)、棉叶尺寸特征(单个棉叶面积和棉叶周长)、棉叶形态特征(单个棉叶矩形度、叶形比和圆形度等)。苗带宽度检测准确率≥90%,苗带宽度单帧检测时间≤500ms。

c.作物养分探测技术与装备

——利用MPA傅里叶变换型近红外光谱仪测定番茄叶片的积分球漫反射光谱,研究了番茄苗水分、氮素以及叶绿素之间的近红外光谱定量关系模型,采用偏最小二乘回归算法建立了光谱数据与植物生化组分信息的定量分析模型;研究了基于AOTF高光谱成像和近红外特征光谱的番茄苗氮含量快速测定方法,比较分析了竞争自适应重加权采样法(CARS)、蒙特卡罗无信息变量消除法(MCUVE)、向后间隔偏最小二乘法(BiPLS )和组合间隔偏最小二乘法(SiPLS)4种特征波长挑选方法,筛选与番茄苗氮含量相关的特征光谱,定性分析作物营养状况,为按需精准施肥提供理论支持。

——研制了基于AOTF的可调光谱成像装置,采用AOTF进行电调谐滤光,进行凝视式光谱成像,能同时获得被观测对象丰富的空间维和光谱维信息。以大豆为研究对象,使用基于AOTF多光谱成像系统获取了不同生育期农作物冠层或叶片的反射光谱数据,并结合化学分析的方法得到了作物的生理生化参数,研究了不同施肥条件下作物的光谱特征变化及其与植株氮素和钾素营养状况的相关关系,建立了多光谱诊断作物营养的模型。采用倒高斯光学模型(IG模型)来拟合红边光谱反射率,一阶微分后得到红边振幅,建立红边参数Dλred估测氮素含量的S函数模型;利用660nm敏感波段处的吸收深度预测大豆钾素含量。采用连续去除法提取光谱吸收深度这一特征参数,考察其和大豆钾素含量的反演关系,建立非线性回归方程,平均误差为24.37%,满足精度要求。

d.作物需水信息无人机多光谱监测系统

针对传统田间试验的监测技术,存在监测范围小、实时监测难等问题;卫星遥感监测技术存在容易受到天气影响、监测时空分辨率低等问题,研究开发了低空无人机航测感知系统。系统包括无人机、可见光与多光谱航拍系统、农业信息感知模型及应用软件。系统在内蒙古河套灌区、杨凌等地进行了多次飞行测试,飞行平稳可靠。建立水肥诊断模型,模型精度高,可直接指导精量灌溉施肥。该系统可为作物水肥空间遥感信息提供了一种低空智能化监测平台。

②农机作业状态参数测试技术及装备,提升作业质量

突破了田间复杂工况下农机作业状态参数测试方法与技术,优化了运动参数、测控机器状态,面向耕、种、管、收等作业环节,开发了农田土壤中致损性异物、作业区隐蔽性人畜、工作部件机械性破坏、收获作业异性夹带物和火灾隐患检测等安全性和可靠性监测传感器及其检测系统;开发了滑转率、空间动态载荷、运动参数、作业状态和质量参数等农用动力机械作业监测传感器及其检测系统;开发了系列化种肥流量、堵漏、播施作业深度等施肥播种机械监测传感器及其检测系统,研究移栽机械手抓取与钵苗运动特性检测方法;开发了作业状态、作业速度、喷雾流量、喷雾压力、喷杆作业状态、喷头堵塞、喷杆位置高低、药液体积等植保机械监测传感器及其检测系统检测;开发了收获损失率、籽粒破损率、籽粒含水率和秸秆抛撒均匀性等收获机械等监测传感器及其检测系统。开发了农用动力、施肥播种、植保和收获等系列化新型传感器及检测系统,累计销售相关传感器1230余套,提升了我国农机智能测试技术推广应用、增加农机产品使用安全性;显著提升了农机作业效率和作业质量,提高了种药肥苗的利用效率,减少了农资过量投入造成的污染。

③构建了主要粮食作物全程信息化精准作业装备体系,助力农业生产方式转变。

构建了主要粮食作物全程信息化精准作业装备体系,实现了国产精准农业装备智能化技术从无到有的重大技术跨越。开展了全方位农业装备智能化技术系统研究,开发了自动导航定位系统、作业监控系统、土壤样本快速分析系统、联合收割机智能测控系统、智能杂草识别系统、小麦和玉米免耕变量施肥播种机、智能化自动变量配肥施肥和圆盘抛撒施肥机、大型平移式变量喷灌机、智能化自动对靶除草机、大型智能化变量喷药机、自动导航智能化插秧机等,涵盖耕整地、播种、施肥、灌溉、中耕、植保、收获环节的精准农业智能变量作业装备新产品13种。在新疆、东北、西北、华北等主要粮食产区,针对小麦、玉米开展了整个作业生产周期的智能装备应用示范,系列化精准农业智能化作业装备,具有测量准确、控制精确、适应广泛等突出特点,应用效果显示,节省人力60%,节水30%-50%、节肥25%-45%、省药20%-35%,增收30%以上,进一步提高了信息获取、变量测控、系统管理与装备一体化技术的实用化,带动了我国农业装备技术跨越升级和产品结构调整,促进了信息化、机械化、先进农艺、智能管理的融合,支撑了农业生产由传统粗放经验型向精测、精施、精管、高效作业方式转变。

④构建了现代农业全程机械化云服务平台,引领整体解决方案实施。

围绕农机作业育、耕、种、管、收、运、储等核心环节,以标准为引领,运用现代传感、物联网、信息化技术为农机装上千里眼和顺风耳,构建了集农机定位跟踪、作业监管、远程调度、运维管理、数据分析、补贴结算、信息发布、农事管理等功能于一体的现代农业全程机械化云服务平台。通过安装在农机上的移动智能监控终端,获取农业机械工况与位置、作物即时产量、目标图像等信息;通过移动通信网络向中心平台实时报送农机获取的相关信息;中心服务平台根据作物生长情况,编制不同阶段农机作业计划,并对农机的工作状态进行远程监测与故障预警;通过统计分析,进行驾驶员、农机作业等绩效分析,根据作业面积与种植作物种类等进行费用结算。该平台是当前我国“互联网+农机”智能化实际融合的先例,通过吉林省、山西省、辽宁省、山东省、河南省、内蒙古自治区、等农业、农机管理部门的应用,通过以此平台为核心技术演化的盐碱地综合治理与高效利用科研平台、农机与车辆远程调度系统平台、水肥一体化精准施用系统平台、设施蔬菜与畜禽工厂养殖环境智能监控系统平台等的不同区域、不同农场与合作社和用户推广应用,不断完善和优化了技术链集成、装备链配套、物质链循环、运营链经济、决策链智慧的全程机械化作业整体解决方案,引领现代农业朝向绿色可持续发展。

⑤“精准农业智能化变量作业装备技术开发与应用”项目,获2016年度中国机械工业科学技术奖一等奖。

针对农业机械化、规模化生产过程土壤养分测不快、粮食产量测不准、田间杂草认不清、农资施用控不精、施用装备对不准、作业效率跟不上、工况测控无系统、田间管理低效率、集群作业难满足的精准作业难题,突破农业信息精测、变量作业精施、系统精准管理三大关键技术,构建基于土壤养分-粮食产量的全程精准作业装备技术体系,实现水肥种药科学施用,提高利用率,加快农业生产发展方式转变。通过精准变量技术装备的推广应用,节水、节肥、节种、节药效果显著,推动了农业粗放作业向精准作业转变。

⑥科技支撑计划 “精准肥水药作业装备系统研制及应用”课题,集成精准变量控制技术与装备,有效提升了水肥药精量化施用水平。

突破了基于多遥感作业处方图的肥料、水分、农药精准变量控制关键技术,构建了精准作业装备作业参数远程动态监测与实时传输系统,实现了与即时服务与会商系统的交互通讯与远程作业管理,研制成功了机组长度260米的大型中心支轴式精准变量喷灌机、3WQ-3000型牵引式精准变量喷杆喷雾机、3WGZ-500型自走式果园自动对靶喷雾机,2015年4月,精准肥水药作业装备通过了中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定, 达到国际先进水平。

(5)果园田间管理机械方向

针对果园农机农艺融合度不深、传统栽培模式制约机械化作业装备应用和发展的现状,围绕传统果园机械化紧迫需求,重点研制了风送果园静电喷雾机、果园多功能作业管理机;针对现代标准化果园,通过调研确定了适合机械化标准果园作业要求的各机具参数和总体方案以及果园管控系统与果园信息管理平台的总体框架。

①3WQ-400型双风送果园静电喷雾机研制

针对果园施药机械需求,集成双气流辅助风送喷雾技术和仿形静电喷雾技术,研制出的双风送果园静电喷雾机,荷电雾流不仅穿透性强,而且雾流荷电量高、不易衰减,到达作物靶标前的雾滴附着力强,大大提高了荷电雾滴在植物表面的附着率和穿透性,以及叶背面等隐蔽部位的药液沉积量,并且雾滴飘移少,适用于冠层低矮、稠密、湿度大的设施果园等喷洒化学药剂,防治病虫草害,是现代果园高穿透低量施药的理想机具。

②3GZ-60型果园多功能作业管理机

为全面提升果园机械化管理作业整体水平提供一种先进的技术和装备,提高果园作业机械化防治水平,减少劳动力消耗。管理机采用履带式底盘,设计了多功能联合作业平台,结构紧凑,具有良好的通过性;设计了动力分配系统,将发动机输出的动力分别用于行走及作业,通过相应的动力输出接口,保证果园管理机配套工作部件的运转,如旋耕、植保、粉碎等。枝条粉碎机采用电机驱动,并通过对枝条特性的研究来优化结构,以满足低功耗、高效率的粉碎,可根据不同作业要求,挂载不同的工作部件,保证机具作业形式多样,实用性强、操作简单。

③标准化果园机械化栽培体系与关键装备的研制与示范

针对北京郊区果园农机农艺融合度不深、传统栽培模式制约机械化作业装备应用和发展的现状,以提升首都农机装备产业化技术水平与装备供给能力为目标,启动实施了“果园机械化栽培体系与关键装备的研制与示范”课题,通过广泛调研,在平谷、通州优选了总面积约1800亩的2个示范基地,确定了适合机械化标准果园作业要求的各机具参数和总体方案以及果园管控系统与果园信息管理平台的总体框架,为下一步研发果园自走式通用型底盘动力和作业装备,构建集花果管理及品质监测、病虫害监控与防治于一体的标准果园机械化作业装备体系和智能控制系统,基于物联网技术的果园自走式通用型动力和作业装备信息管理平台的搭建奠定了基础,支撑实现果园生产主要环节机械化和管理的标准化、精细化,全面提升首都果树产业的农机装备水平。

——在充分调研的基础上,确定了适合机械化标准果园作业要求的机具参数,完成了作业机具方案设计。

——果园管控系统与果园信息管理平台开发

果园管控系统主要是包括果园根系管理、果园冠层管理、花果管理及品质监测、病虫害监控与防治,以实现果园农机装备的最优化管理。构建基础为传感器系统的设计布局、无线通讯与互联网技术。传感器系统用来感知测取果园根系、果园冠层、花果以及病虫害等信息,并利用移动通信技术和互联网技术对其进行可靠传送,采用基于互联网的浏览器/服务器三层网络结构,实现底层控制网络与Internet的集成,既可实现获取现场的信息数据和发送控制指令,又能实现果园农机装备最优化管理。果园根系管理采用植物根系原位监测系统,果园冠层管理采用作物冠层分析仪,花果管理主要采用高光谱遥感技术,品质监测在这里主要是采用机器视觉技术,病虫害监测与防治系统主要分为视频监视和环境监测两部分。果园信息采集平台,采集果园信息,通过远程数据传输,将信息发送至远程监控中心,在管理平台上进行数据存储与处理,生成WEB页面,实现水果生产信息化管理。

——开展了机具的田间性能试验与考核。

开沟施肥机的试验

进行了开沟施肥机的开沟试验。开沟圆盘刀的转速为540rmp,经测试开沟深度为40cm,开沟宽度为25cm。

风机试验

在土壤植物机器系统技术国家重点实验室风机试验台上分别进行了转速分为960,1450,2000,2200转/分钟的风机试验。根据试验结果绘出风机曲线从而确定风机叶轮形式和转速。最终选用8叶片轴流风机作为高穿透性风送系统的风机。

仿靶喷药系统试验

对果树分上中下三段探测控制,通过对不同果树形态进行探测,得出准确的判断,提供给喷雾控制系统。喷雾控制系统接收到对靶系统的信号后,迅速作出判断,决定上中下三段的喷头同时喷射,还是下或下、中各自喷射,通过调整喷头和探测器的工作参数和位姿,使之喷雾有效面积更大,非有效喷雾面积尽可能地小。探测器与喷头安装位置与覆盖面如图所示,试验时,以人工靶标和实物靶标进行不同的靶标识别间距和识别距离的试验,靶标识别间距≤0.5m,探测距离2m有稳定信号,控制系统反应迅速。

农药利用率试验测定

开展喷雾机在自动对靶系统打开和关闭状态下,利用率的对比测定。试验果园长度158米,地势平坦;果树品种为红富士,行距4米,株距1.5米,树龄5年,树高3-3.5米,属于细纺锤形树冠,树高比较均匀。喷雾液体为罗丹明(Rhodamine,一种红色的荧光示踪剂)的水溶液,浓度0.4%,喷雾压力1.0MPa。试验时测定了果园常用的动力喷雾机配用手持式可调喷枪的农药利用率,作为对照。试验期间气温30℃-32℃,风速1-1.5m/s。试验前,先计数单棵果树的叶片总数量,用叶面积仪测定了单棵果树的叶面积总和,用植物冠层分析仪测定了果树的叶面积指数(LAI)。试验时,在果树的上、中、下3层及左右两侧个两个行内布置雾滴采集卡,采样果树数量为6棵。喷雾后,用蒸馏水将采集卡采集到的荧光剂洗下,用荧光检测仪测出该采集卡的荧光物质量,根据果树叶子总面积计算沉积在果树叶面上的荧光物质量及喷出的荧光物质量总量,计算出农药有效利用率。

在树上不同高度、地面上分别布置多组测试纸,多组测试纸,喷雾前后对雾滴分布做了拍照记录。

④中美国际合作“酿酒葡萄生产机械化关键技术装备合作研发”项目初步形成了适合于我国酿酒葡萄生产模式和要求的机械化作业装备体系。

项目对酿酒葡萄专用自走式多功能底盘、整形部件、剪枝部件、风送式施药部件、采摘与集运部件、埋藤与取土部件、自动避障系统等关键部件装置进行了研究,突破了底盘四轮同步液压驱动控制、多柔性出风管的风送式精准施药控制、双支撑中枢振动果实采摘、自动避障控制、多位姿往复式整形切割等核心技术,研制出具有多路液压动力输出和作业装备搭载功能的多功能自走式底盘及与之配套的葡萄收获机、喷雾机、整形机、剪枝机,以及与轮式拖拉机配套的葡萄埋藤机、葡萄藤出土机共7种酿酒葡萄生产机械化关键装备,经田间试验取得了良好的效果,对于解决我国酿酒葡萄生产成本高、作业效率低的主要难题,促进我国酿酒葡萄行业的健康发展起到了积极作用。

(6)制种玉米田间管理关键装备研制与开发

针对我国玉米制种生产设备严重缺乏,制种过程主要依靠人工方法完成,劳动强度大,生产效率低,用工贵,成本高的现状,基于中美国际合作“玉米规模化制种关键技术装备合作研发”项目和科研院所专项资金“制种玉米去雄关键技术与装备”项目,研制出了制种玉米成套关键装备。一是突破了玉米雄穗柔性夹持抽取、玉米雄穗高效切割、工作部件液压同步驱动、单元智能仿形等关键核心技术,集成目标识别、电液智能控制、自动仿形技术,研制出了智能仿形去雄装置,满足制种玉米不同作业期不同地块、植株整体高度不一致机械化去雄的要求,保证了切顶和抽穗位置的准确性,集成研制出3QXZ-6型制种玉米去雄机,填补了国内空白,其主要技术指标达到国际先进水平。二是突破了玉米制种精密播种、苗中后期低污染安全施药等核心技术,研制了玉米制种专用精密播种机、高地隙自走式多功能底盘及与之相配套的适合玉米生长中后期病虫害防治的高效施药机、父本切除机,填补了国内玉米制种生产机械化的空白,已于2016年通过了科技成果鉴定。

3.专业领域科技发展趋势

发达国家农机装备朝着以信息技术为核心的智能化与先进制造方向发展,呈现高效率、自动化、精准化、智能化发展趋势。纵观国内外田间作业管理技术装备,融合传感器技术、网络技术、“3S”技术、液压技术等现代科学技术、体现出“看得清”、“识得准”、“施得精”、“变得快”、“高效化”特点和优势的作业质量在线监控、苗带精确识别、多功能高地隙底盘自动对行辅助驾驶、精量施药和精量配混施肥、在线精确混药、中耕除草部件精确对行及高速响应等先进技术,将是今后发展的方向。

(1)植保机械技术方向

未来施药技术与装备发展趋势为:1)向信息化方向发展。 欧美等许多发达国家已经将计算机应用到植保机械上,利用 RS技术监测病虫草害,GPS 技术向植保机械提供定位和导航,GIS 技术建立地理信息库,实时采集有害生物的动态资料,及时准确的做出预警。2)向着自动化、智能化方向发展。现代科技发展迅速,计算机和单片机被大量使用在植保机械自身及其设计和制造过程中,推动了自动化和智能化的发展。植保机械通过电子控制系统满足了在线监测和调整的需要,降低了劳动强度,改善了工作环境,提高了作业效率。例如,利用操作面板,控制各电磁阀动作,调整单位时间内施药机械对单位面积农作物的喷药量。利用自动对靶技术,将采集到的图像和计算机图像库中的信息比较,分辨是否为靶标,然后决定是否喷药。3)向着绿色安全方向发展。化学防治是目前防治病虫草害的主要方法,但是农药对生态环境有较大的污染,长期以来备受各国专家的指责,所以世界各国都在大力发展绿色安全的植保机械。随着农村城镇化进程的深入和农村劳动力短缺问题的不断加剧,农业生产的主体由传统的个体经营逐步向种田大户、家庭农场、合作社等规模化经营方式转变,我国施药装备正在从低效、落后、劳动强度大、安全性差的手动植保机械向高效、先进、安全的机动植保机械转变、高地隙自走式喷杆喷雾机、水田自走式喷杆喷雾机、自主飞控的植保无人机、多功能果园管理作业装备和适用于丘陵山地的田间管理作业装备将逐步得到大规模应用。

(2)节水灌溉技术与装备

喷灌技术的研究趋势是喷灌系统多目标利用和变量喷洒。在设备研发方面,降低能耗、实现灌溉施肥的精量控制是喷灌技术研发的重点,3S、计算机模拟、微电子、新材料等高新技术的大量应用成为喷灌技术发展的一大亮点。通过对喷灌系统、轻小型喷灌机组、喷头装置和其它关键设备的创新优化设计,开发新一代低能耗精确喷灌设备。

(3)施肥中耕技术方向

国外的中耕作业装备已有160 多年的发展历史,技术成熟。欧美国家的中耕作业装备机型大、作业速度快、工效高,并采用电子摄像机监视作业状况、自动调行、自动避让、自动调节耕深等先进技术,目前正进一步正朝着基于机器视觉的低伤苗率除草和精量配混施肥技术方向发展。

(4) 精准农业技术方向

国外农机装备正向操作自动化、控制智能化向提升作业精细水平发展。面对具有生命和生物活性的动植物作业对象,要满足生长和生理特性需求,要创造良好的生产、生存和生态环境,不仅完成替代人畜力劳动的简单功能,还具有感知、判断、处理等仿生思维与决策能力,实现精细化作业。电子与光学、传感与控制、信息与通讯等现代技术支撑,中央处理、总线等电子技术应用,自动导航、机器视觉与数字信息感知、智能决策等系统集成,已完成了从单向监控功能向多目标、多参数智能控制的过渡,进入基于动植物最佳生理、生长活动指征指导机器行为的新阶段,基于网络知识的管理系统,已实现了机群效能的有序、高效作业,突破“耳听、眼观、鼻闻、手感”的限制,作业效率提高50%-60%,农业灌溉水利用系数达到0.7-0.9,航空植保亩可节省农药20%以上,精准施药的农药利用率达到60%以上,氮肥有效利用率达到50%-55%。我国农机装备针对作业对象的机理、原理、互作规律等基础研究不足,保障性能的信息感知、过程监控等瓶颈亟待解决,核心部件和高端产品仍依赖进口,农机作业效率不高,农业投入品施用粗放,经饲果牧等生产机械严重缺乏,全程全面机械化技术体系尚未形成。土壤养分、作物养分在线检测技术的突破、农机智能化装备的商品化开发以及多源信息融合决策与农机变量装备的系统化应用是现代农业发展需求的必然趋势,迫切需要研发适合我国农艺农机融合的智能信息获取与分析决策系统,开发配套农机变量作业的执行机构、关键装置与控制系统,面向种肥水药作业环节形成实用化产品,满足现代农业生产安全、高效、精准和生态的需求。

(三)专业领域研究重点建议

“十三五”期间是确保我国粮食安全、实施“调结构—转方式”,提升可持续发展能力和推进现代农业发展的关键时期。田间管理机械专业组将围绕农业部农业绿色发展五大行动实施,针对田间管理作业技术升级需求,结合国家重点研发计划“化肥农业减施增效综合技术研发”、“粮食丰产增效科技创新”、“智能农机装备”等重点专项实施以及现代农业产业技术体系工作开展,组织遴选集成北斗导航作业、精量变量水肥药施用控制、中耕作业质量监控及远程管理等一批创新研发的信息化、智能化先进技术,应用提升田间管理机械技术水平和作业性能,组织开展田间管理作业技术装备选型优化,并组织开展区域性适应性试验以及推广示范,构建完善的田间管理作业技术及装备体系及模式。

1.专业领域研究重点内容

(1)农田综合信息智能监测系统技术研究,搭建基于物联网信息技术的农田综合信息智能监测系统。小麦、玉米、水稻、马铃薯、棉花等大田主要作物的土壤养肥、作物生长信息以及病虫害信息实时监测、预警、诊断检测技术集成植物、化学、昆虫及机械的智能检测田间管理系统。

(2)高效节水智能喷灌机械化研究,突破土壤水分探测与作物最佳生长的关系模型分析技术、基于多传感器融合的喷灌控制技术,研发实时土壤水分探测与分析、自动导航控制系列喷灌装备。

(3)统防统治高效环保机械化施药技术研究,搭建高效、及时、快速、立体防治体系。规模高效的无人飞行平台;灵活轻便的水田多功能运载平台;机动快速旱田高效、环保型装备,水田旱田和果园、烟草等。

(4)丰产节肥机械化施用技术研究,集成深施肥、固体、液体施用、变量施用系列施肥播种装备。开展不同类型土壤、不同作物施肥量、肥料类型、施用方式分析,有机肥对改良土壤的作用机理和效果研究,分析沟施、撒施、测深施等施用方式对作物增产效能的影响和固态、液态、气雾等不同肥料存在方式对环境的影响,基于北斗的影响作物产量信息获取技术,优化施肥量、土壤墒情、病虫害、降水分布、基温及产量分布关系的专家系统。

(5)智能机械化中耕除草技术研究,研制变量中耕施肥除草机。突破土壤养分快速检测、植物营养检测、杂草识别技术,开展专家智能决策系统研究;根据土地产量、土壤养分含量及作物对营养成分的需求情况、杂草分布等,进行变量施肥、中耕除草培土、株间杂草喷药等,开展除草剂对靶施用系统研究;研制适宜高速作业、减少伤苗的行间除草、培土、变量施肥部件。

(6)作物丰产工程机械化作业装备配套与应用示范。针对我国规模化、区域适用性农机农艺融合发展需求,重点开展区域性水、肥、种、药等高效机械施用与作物生长协调作用融合技术研究,重点在渤海粮仓、丘陵山地、农牧交错区、黄淮海棉区、东北玉米带、华北平原小麦、旱塬杂粮作物等区域开展不同农艺技术要求的机械化高产栽培、精准高效作业等配套技术与装备试验示范与优化,形成标准化机械作业体系。提供现代农业产业整体解决方案,实现技术流、资金流、信息流协调统一。

2.专业组重点建议

(1)农机农艺相结合,传统机型优化升级提效率,研制新产品适合需求推全面。一方面,智能精益高效化,提升水平。加强机电技术与现代液压、仪器与控制、现代微电子和信息等高新技术融合,强化动植物生产性能、疫病形态表征信息的获取和大数据解析、智能决策技术研究开发高附加值具有精细作业能力的农业装备;另一方面,面向需求,增加品种。持续完善粮食作物生产田间管理机械化装备体系,加快经济作物(纤维植物、果品、蔬菜、油料、糖料、能源作物)装备技术的研究开发,重点解决林果业、丘陵山地、水田田间管理机械化作业。

(2)加强我国农田田间管理措施与方法。我国农业田间管理机械化落后,农业部也未建立衡量田间机械化水平指标,建议从农业田间管理角度,增加田间管理机械化水平指标统计,以便快速发展田间管理机械化。

(3)增强技术交流合作。结合工作组自身特点不断深入与国内知名专家交流合作,同时加强与国内外实力雄厚的农机装备企业的合作,推动农业装备现代化、智能化、绿色化发展,为农业装备走出国门,开拓海外市场奠定基础。

(4)推进融合型装备和技术研发应用。推进智能农机装备研发、农机化薄弱环节技术创新,填空白补短板。建立“研发-集成-应用-再研发”的循环创新应用机制,发挥现代农业产业技术体系专家作用,研究完善技术体系。


提交人:辽宁省农机化信息网 马林阳       责任编辑:辽宁省农机化信息网 马林阳
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