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，借此大力推进中国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。之后指出中国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。最后提出了中国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中国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，对于推进中国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，习近平同志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，《国务院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，进而找准中国农业机械化发展的攻关目标，对于推进中国农业高质高效发展具有重要意义[4,5]。
当前，中国处于农业现代化建设的重要时期，对智能农机装备的需求也在持续增长。然而国内现有农业机械装备智能化水平低，与现在的自动化与高效率作业需求不符，不利于中国农业现代化的快速发展。未来一段时期，我国农业装备发展面临新机遇、新需求、新挑战，农业装备制造还有广阔的发展空间，因此，加强农机装备的智能化创新，用信息技术提升中国农业机械化水平，成为当前农业机械化发展紧迫又至关重要的任务。
信息技术的主体技术包括计算机技术、传感技术、现代通信技术以及智能控制技术等。信息技术的发展正推动着全球经济整体跃升和生产力的跨越式发展，助推产业链、供应链和价值链重塑，使之焕发新的生机与活力[6]。农业信息技术指的是以农业科学的基本理论为基础，以农业生产活动信息为对象，以物联网、大数据、人工智能等为代表的信息技术应用在农业生产中，最终实现农业领域向智能化、精确化和数字化方向发展的方法[7]。当前，中国以物联网和大数据为主的农业信息技术应用发展迅速，由于中国农业机械化起步较晚，与信息化融合度还较低，与国外发达国家相比还存在差距。农业机械与信息技术融合是现代农业发展的必要手段，能够提高农业资源利用效率，保障现代农业的健康可持续发展，加速推进农业现代化的进程。
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[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。
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(CLAASGroup)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(RadioFrequencyIdentification，RFID)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[10]。
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[11]。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。
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[14]，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。
2.3畜牧机械信息化发展迅速
2.3.1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[15]。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[16]。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[17,18]。
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图1(a)所示的是德国KroneBiGX1180自走式青贮饲料收获机，配备了大功率发动机、宽幅割台，集自动导航、石头和金属探测、切段长度自调和籽粒破碎等功能于一体，代表了青贮饲料收获机的先进技术水平和未来发展趋势[19]。BiGX1180配置独立式静液压四轮驱动，独立的车轮悬架带来了极大的灵活性;位于割台中央的传感器臂可探测两行作物之间的距离，引导机器自动对行后沿垄前进;在割台收割器两侧配置有距离传感器，通过实时调整割台位置和运动方向，确保割茬高度一致;在割台中央的光学传感器能测量作物水分，根据作物的不同含水量来自动调整切碎长度，实现相同压实状态下的同等青贮质量;6个喂入辊装置配备有石头和金属探测器，遇石头或金属物时割台及喂入装置可实现自动停机，驾驶员还可以调整检测的灵敏度;装备产量计量系统，可以获得每块地的计量和总的收获量并打印成文件。Easyload是Krone的自动填充系统，具有基于相机的3D图像分析技术，如图1(b)所示，可方便地对与收割机一起行走的拖车进行饲料填充，该系统允许操作员选择各种填充策略，在未来，该系统能实现控制收割机后向拖车的自动填充[20]。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。
2.3.2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[23]。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，同时保护液压回路以防达到压力峰值。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。
2.3.3犊牛饲喂机
德国Urban公司生产的CalfmomU40自动犊牛饲喂机可以自动为牛犊配制、加热饲喂的牛奶，还配置了自动添加药物系统[24]。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。
2.4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[25,26]。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。——论文作者：陈学庚1，2，温浩军1，2*，张伟荣1，潘佛雏1，赵岩1，2
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