寻找农机展上的“智能农机”元素

2019/11/22 22:01:21     党东民

  

在讲故事之前,让笔者把时间拉回到2017年5月。在举世瞩目的中国乌镇围棋峰会上,柯洁与AlphaGo(阿尔法狗)人机大战三个回合,这位人类目前排名第一的棋手虽拼尽全力最终仍以0:3告负。面对无懈可击的AlphaGo,相信全世界的观众都看到了柯洁赛后落泪的场面。“上一次它很接近人,这一次越来越接近围棋上帝了。”柯洁感叹。

不可否认,人类社会正在从数字化、网络化加速迈入智能化时代。新一代人工智能整体推进,从智慧交通、智慧医疗、智慧金融……再到智慧农业,带来更智慧化的生活和生产体验。今天,当我们享受智能社会释放的红利时,你可知道在无数“AlphaGo”的背后,其实是智能装备提供的技术支撑。

适逢2019中国国际农业机械展览会在青岛召开,请读者随笔者的文字去寻找“智能农机”的影子,探寻我国智能农机的发展之路。

研发和生产

为了叙述方便,笔者把农机暂且分为传统功能性农机和智能农机两大类。两者的不同在于,智能农机以电液控制技术为基础,集成了计算机技术和人工智能等高新技术;一个基本共识是,相对于传统农机,智能农机代表着农机制造的发展方向。实际上,当下许多农机企业正在竞相抢占智能农机这块“制造高地”。

当然,智能农机也不是让人无所适从,智能化越高,人的作用就越有限,其高级阶段就是所谓的“无人值守”。智能农机有两个类别:一是智能化农业动力机械,包括农用拖拉机、大型自走式农业机械(如联合收获机械、植保机械),在行走、操控、人机工程等方面智能化;二是智能化作业机械,包括整地机械、播种机、施肥机、排灌机械、田间管理机械等,突出在作业方面的智能化。

雷沃阿波斯是国内企业开发智能化动力机械的代表。当走进阿波斯展台,似乎还是那些熟悉的面孔:阿波斯系、欧豹系拖拉机,谷神系收割机,雷沃系植保机械等,但产品其实已脱胎换骨,其中,阿波斯1404—1L拖拉机应是雷沃家族产品智能化升级的缩影。在智能化方面,采用新一代共轨发动机,搭载自动导航驾驶系统、全球卫星定位和行走作业传感器,实现了GPS自动导航、液压自动转向、作业机具自动升降、油门开度自动调节和紧急遥控熄火等自动化功能;在作业方面,实现了自动控制精量播种、精准施肥和精密起垄等作业,直线导航精度小于1.25cm,自动对行精度小于2.5cm。与传统功能性农机不同的是,驾驶室由普通仪表盘改为人机交互的终端,通过屏幕即可调用不同部位的运行信息。

据介绍,雷沃阿波斯全系如今均可提供“智能版”产品,从耕整、播种、植保到收获,实现了各个作业环节智能无人作业全程覆盖。尤为重要的是,随着智能化进程的加快,众多创新成果应用于产品研发,加快了产品升级换代步伐。例如,采用了单纵轴流脱粒分离技术的谷神GM80籽粒机,可全区域、全时段、全作物收获;谷神CB04玉米机、谷神GE80S—H小麦机、谷神RG50S水稻机PLUS、谷神RG60水稻机等收获类产品,对轴承、割台、剥皮机、切碎器等核心零部件优化升级,其共同特点是,喂入快、收割快、运粮快、清选干净、卸粮快,产品品质和各项性能指标得到全方位提升。

中联重科应是在智能化作业机械方面持续发力的典型代表。据中联重科重机公司副总裁潘振洋介绍,早在2018年,中联重科就携手全球知名人工智能公司Landing.AI开启了转型升级战略。本次展会上,中联重科一口气发布了8款人工智能产品,包括:TE90、PL70收割机,3WP—600HA植保机,PL2304、PG2004、PS1604、AC90大型甘蔗机以及PH1204动力换挡/换向拖拉机等。笔者有幸聆听了中联重科重机公司高端农机研究所所长王保国王保国的介绍。

TE90、PL70智能小麦机整机搭载了AI处理器、控制器、传感器等智能元器件,通过在割台、脱离、粮仓等部位的摄像头,可在作业中实时采集作物倒伏、密度、潮湿度等信息,由机器实时做出自动调整作业速度、割台升降幅度、脱粒滚筒转速等操作,遇故障发出警报,实现了从智能识别、智能判断到智能调整的全流程智能化。

3WP—600HA无人智能植保机,拥有国内首创前置喷药、撒肥一体式垂直升降架;搭载变量喷洒系统,通过喷杆上的视觉摄像头,实时感知杂草和病虫害等信息,由处理器计算最佳喷药方案,自动控制电控喷头精准施药,减少了农药浪费和环境污染;如选装自动驾驶系统,可实现基于路径规划的导航和无人驾驶植保作业。

最具有现实意义的产品是,智能烘干机械或者叫智能烘干工程。由于粮食烘干中的粉尘排放非常严重,国家对烘干企业空气洁净度和噪声标准有严格要求。由中联重科智能烘干机械打造的智能烘干工程,集成了自动控制技术、软件技术、通信技术、数据库技术、专家系统等技术手段,能有效控制烘干设备运行产生的粉尘排放和噪声污染,确保达到国家环保标准。

纵观本次展会,笔者看到的是,智能农机发展远比想象的要快,尤其在当前农机工业世纪大转型中,不论企业大小,智能化已经变成一种自觉行动。蒙力农牧业机械有限公司是近年来涌现出来的打捆机新锐,据白俊河总经理介绍,蒙力机械用了三年时间全部淘汰了传统圆捆机,配套链条、轴承等基础件与国际等效,对捡拾器、喂入系统、成型室、卸草装置重新优化设计,增加了防堵塞装置,下定决心打了一场产品升级战役,因为不升级没有出路。

据了解,蒙力机械全系四种规格打捆机都已过渡为“智能版”,机手只要通过显示屏,即可监视或控制上草卸草两个单元的工作流程,如果标配或选配物联网装置,就可在线监测打捆机作业参数,远程控制停机开机,实现真正意义上的“无人值守”。白俊河说,“智能版”打捆机具有高效率、高智能、高密度和高性价比优势。尤其在大地块作业,传统打捆机更是不可比拟。白俊河说,2019年“智能版”打捆机产销量占比达90%,现在只有少部分用户还需要传统产品。

最后,说到智能农机的研发和生产,无论如何也绕不开“农业机器人”这个话题。农机行业专家高元恩曾经说过,农业机械最终将被机器人替代,中国工程院院士赵春江也有过类似表述。由此可见农业机器人所占的重要地位。

广义说,农业机器人是一种特殊的“智能农机”。在这个意义上,农用无人机、无人驾驶拖拉机、智能养殖饲喂设备、智能温室等无人值守的智能农机,都可以看作是农业机械器人一种特殊形式,但这显然不是农业机器人研发的终极目标。其实,农业机器人应是智能农机的高级形态。由于农业生产的复杂性和特殊性,在许多领域即便是智能农机也可能无法企及。如,施肥机器人,会依据不同土壤肥情适量施肥;葡萄园机器人,可以完成修剪藤蔓、剪除嫩芽、监控土壤指标和藤蔓健康状况等工作,取代种植园工人;育苗机器人,由机器人自主感应秧盘生长状况,并按照设定地点等参数把秧苗移动到目的地;挤奶机器人,替代人工完成挤奶工作并检测奶质;牧羊机器人,能代替传统的牧羊人。

早在几千年前,不论是诸葛亮的木牛流马,还是犹太传说中的泥土巨人,或是希腊神话中的青铜巨人泰洛斯(Taloas),人类就渴望制造一种像人一样的机器,将人类从繁重的劳动中解脱出来。到了现代社会,以美国和日本为代表的机器人强国,在国际上处于技术领先地位,其基础雄厚、技术先进、适应性强,已经推出带有视觉、力觉的第二代机器人,从工业拓广到农、林、牧、渔,甚至在寻常百姓家,机器人的种类之多、应用之广、影响之深,都让我们始料未及。

我国机器人研发从80年代起步,农业机器人起步更晚晚,底子薄、投资规模小、发展速度缓慢,尤其是与欧美日发达国家相比,在可靠性、精确度和工作效率等方面差距很大。据报道,中国农大研制出蔬菜嫁接机器人,南京农业大学、上海交通大学、西北农林科技大学、陕西科技大学等高校成功研制出采摘机器人,可用于草莓、黄瓜、茄子、番茄等水果蔬菜的采收,也可用于果园打药除草。总体上看,这些成果还处于实验室,未见实用化农业机器人的案例,某种程度是一种模仿人工的简易机构。

笔者以为,智能农机包括农业机器人可以简单理解为“智能+农机”,即在传统农机上植入智能系统,但需要进行传动方式和可靠性的提升。在本次展会智慧专区,有北京奥腾岩石等近30家IT企业为农机企业提供智能化解决方案,足见目前智能农机研发方兴未艾。实际上,在所谓“农机制造大国”的背后,俨然是高端农机有效供给不足之痛,中国农机工业的智能化之路,正是一次实现向农机制造强国跨越的历史机遇。正是因为有这一共识,笔者欣喜地发现,有一批农机企业在智能农机研发和生产方面可谓不遗余力,除以上提及的外,中国一拖、五征集团、悦达集团、中科股份等一批企业也卓有成就。

推广和应用

在如今的新闻里,常常能看到无人驾驶拖拉机作业的报道,这其实就是智能农机在进行试验、推广和应用。说起这个话题,就不能不提及智慧农业。智能农机和智慧农业,两者并不在一个车辙里,但在精准作业、可视管理等方面,两者又相互重合。智能农机是智慧农业的组成部分,也是发展智慧农业的重要物质技术手段。随着智慧农业的发展,客观上对智能农机提出了迫切需求。

雷沃阿波斯营销公司客户服务中心总监陈敏革认为,我国农业生产正在经历历史上一场变革,随着多种形式适度规模经营的发展,种植合作社、家庭农场等新型社会化服务组织将成为农业生产的主体,通过土地流转、土地入股、土地托管、代耕代种、联耕联种、统一经营等多种形式,实现规模化生产。他们年龄集中在35—45周岁,愿意接受新产品和新技术,开放创新,购买力强,追求舒适、高效、智能。由于农机使用群体的变化,智能农机或将迎来发展窗口,进一步推动农业装备向绿色高效、智能舒适的方向发展。

与陈敏革的分析同步,智能农机推广和应用的必要性,还得益于国家持续推动绿色、循环、优质、高效可持续农业发展。中国科学院合肥智能机械研究所副研究员李伟指出,我国传统农业有两个痛点:一是化肥过量施用导致土壤环境恶化。我国使用了世界1/3的化肥,利用率不足30%,其原因是缺少精量施肥的装备与方法,现有装备测土配方过程繁琐,效率低、成本高、费工费时。二是盲目使用农药导致农产品品质降低。每年大约337万吨的化肥施量,接近世界1/3,效率不足30%,原因同样是缺少精准施药技术装备,病虫害检测的效率、范围、精准度都有限。如何根除这些痛点?唯有发展智能农机才是一剂良药。

智能农机的推广和应用有个特例,不妨探讨一下。即,在大农业范畴里,畜牧养殖和设施农业的智能化似乎要先行一步。分析其中原因,第一,这两个领域率先完成了产业升级或产业起点较高。以奶牛业为例,2008年的毒奶粉事故本是不幸事件,但我国奶业知耻后勇,加快了产业升级应是万幸。统计表明,2018年全国奶类产量3176.8万吨,100头以上占比61.4%,进入规模化健康发展轨道。第二,与这两个领域大多使用的是场地机械不无关系。

中国农业大学教授施正香团队2018年对国家奶牛产业体系试验站下属牛场调查后得出两项结论:第一,牛场规模越大机械化水平越高。结果显示,50头以下牛场,投资能力有限,机械化程度较低,饲养方式粗放;超过100头的牛场,设备投入意愿高,注重效率和效益,机械化水平较高。因此,目前100头牛是机械化的分水岭。第二,规模以上牛场各环节机械化水平发展不平衡。千头以上牛场,饲料投喂、挤奶环节全部实现了机械化,其中,奶厅集中挤奶占81%,牛舍管道式挤奶占比19%,但设备进口比例高达61%;饲草料生产加工环节,只是在有饲草地的大型牛场,基本配备了饲草生产和加工设备;在粪污清理、处理和利用环节,机械化水平比较薄弱;环境控制环节机械化水平最低。

边看边听,笔者的感受是,目前我国畜牧养殖业正处于规模化上升阶段,对智能装备与信息化技术需求迫切,特别是随着畜牧养殖业高质量发展加快,智能化装备技术或将进入黄金发展期。而比较遗憾的是,我国农机工业在养殖设备方面是个薄弱环节,现阶段的研发能力和产业化水平滞后,国产设备可靠性差生产效率低,在短期内恐难以满足养殖业发展需要。据介绍,在国科、京鹏等企业近年来努力下,颈枷、卧床、饮水槽设备、刮粪板、风机、水冲系统等简易设备基本实现了国产化,鱼骨式、并列式、转盘式挤奶机械的国产化一度达到70%。但是,我国养殖机械化依赖从欧美进口的局面没有改变,受约束的是智能设备配套的自动计量控制系统等核心技术。

这一状况与施正香教授团队的调查结果基本吻合。饲喂机械,包括TMR搅拌车、自动饲喂车、传送带饲喂系统、犊牛饲喂小车等,进口比例高达90%,国产设备的短板在于自控系统核心技术的约束;挤奶机器人100%依赖进口;环境控制机械,包括湿温度自控、风机通风自动开关、喷淋系统控制设备等,有70%依赖进口;粪污处理机械,包括固液分离机、搅拌泵、切割泵、回冲泵、粪污存储系统等,80%依赖进口;垫料再生系统、撒粪车等,进口依赖更是高达90%。

当然,智能农机的推广和应用,更离不开智能化管理服务平台。否则,智能农机就如同一台“飞行模式”的手机。智能农机管理,包括了机具配置、机具状态监控、实时调度和维修保养的智能化,而这至少要在一个农场或区域布置一个高效农业生产管理平台才能实现。目前,一些企业、农场、合作社以及地方农机管理部门,以“互联网+”的模式,尝试建立了区域范围的服务网络,如宁波市农机总站“智慧农机”平台、雷沃阿波斯iFarming、中联重科DeepHarvest等,平台也好数据集也罢,其实都是通过与移动作业的机械进行数据交换的管理信息系统,机手通过系统可制定详细作业计划,调整作业负荷与速度;系统采集作业数据,作业面积、耗油率、产量等统计数据,在智能终端一目了然。

从智能农机发展趋势来看,确实需要组建一个如同“车联网”的全国性智能化农机服务平台,统筹现有区域网络平台,并为企业、合作社和地方农机管理部门预留接口,在平台基础上进一步开发如“农场版”“管理版”子系统,如同是打造一个全国性的“农机智能助手”,实现全国农机化信息共享。中国农机化信息网曾经有一个“农机直通车”项目,但运行未能得以延续,在当前“区块链”技术十分看好的形势下,可考虑重新列入计划,推动其进入示范推广。

机遇和挑战

当前,我国发展智能农机有巨大的政策优势,这与我国推进智能制造工程为主攻方向的国家战略完全吻合。

在《中国制造2025》“农机装备发展行动方案(2016-2025)”中,将“智能农机装备”纳入“十三五”国家重点研发计划。《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》提出,推进我国农机装备和农机化转型升级,加快高端农机装备的生产研发、推广应用。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》提出,研究部署新一代智能农业装备科研项目;促进物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等信息技术在农机装备和农机作业上的应用,引导智能高效农机装备加快发展;建设大田作物精准耕作、智慧养殖、园艺作物智能化生产等数字农业示范基地,推进智能农机与智慧农业、云农场建设等融合发展;推进“互联网+农机作业”,加快推广应用农机作业监测、维修诊断、远程调度等信息化服务平台,实现数据信息互联共享,提高农机作业质量与效率。

在利好政策的推动下,一批智能农机研发项目紧锣密鼓地落地。其中,不乏国家层面的布局。例如:

2017年10月,科技部下达中国农机院牵头的“智能农机装备”重点专项启动。包括农机变量作业技术与装置研究、多功能田间管理作业技术装备研发、农田提质工程技术与装备研发、高速移栽技术装备研发等4个项目。

2018年12月,中国农业科学院在《实施乡村振兴战略十大行动方案(2018—2022年)》中提出,将重点突破一系列高效农业装备智能控制技术,包括:与高速、宽幅、高质量作业相匹配的农机自动导航技术,农机作业土壤状况实时获取技术,高适应性耕整地机械结构参数的智能化调整控制技术,高速作业下播种质量在线监测和精量播种技术,适合于不同区域的肥料精准变量和分层深施技术,高效精准变量施药技术,高效收获作业质量全程智能控制技术,秸秆捡拾揉搓打捆、压缩成型、缠膜青贮一体化智能控制技术。

2019年6月,中国工程院赵春江院士工作站进驻悦达集团,将协同开展基础前沿和关键共性技术研究,攻克基础材料、基础工艺、电子信息等“卡脖子”问题,促进物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等信息技术在农机装备和农机作业上的应用,实现数据信息互联共享。

以上所有信息表明,智能农机已上升为国家战略范畴。这些决策部署,既是智能农机发展的良好机遇,又是更高要求和严峻挑战。

思考与认识

首先,能否抓住AI时代的机遇。改革开放40年,我国农机工业获得了难得的发展机遇,一跃成为农机制造大国,但面对现代农业需求,目前高端装备有效供给不足,缺门断档、无机可用、无好机用等问题并存。农机工业能否再一次抓住AI时代的机遇呢?还是老生常谈的那句话:“任重道远”。

第二,要缩小传统功能性农机的“代差”。数字化是智能农机的前提,液压电控是数字化的基础。纵观世界农机工业格局,国际巨头在发动机、传动系、控制系等传统领域设置了严格的技术壁垒,自主品牌唯有跟随战略。例如,动力换挡技术多数采取国际协同研发,虽然也有自主知识产权,如果规模化生产仍受一定制约。对于自主品牌来说,一要加快传统制造技术升级,突破关键、共性技术和核心零部件制造,缩小传统农机制造的“代差”;二要抓住智能制造引领的新一轮工业革命,自主创新产品设计架构,争取在智能化上实现突破。

第三,研究用户的使用场景。在5G规模应用以后,智能农机绝对不是现在这样加个“机顶盒”了事,我们要少喊多做,潜心研究不同区域、不同作物和不同作业环节的应用场景,打造属于自己核心技术的智能模块。实际上,未来农业机械就是一台智能终端,相信在我国大力发展“智慧农业”“精准农业”“数字农业”新一轮农业革命浪潮中,智能农机的发展和完善,必将为农业现代化带来天翻地覆的变化,并推动中国农机制造业获得竞争新优势。