無人駕駛拖拉機在田間耕作
多傳感器信息融合的農機導航定位技術的定位精度達到了國外同類技術的先進水平，但系統成本降低了1/3；其中水田自動導航作業和主從導航作業居國際領先水平，打破了國外技術壟斷，保障了我國農機導航裝備的自主安全可控。——中國工程院院士、華南農業大學教授羅錫文
農業機械衛星定位自動導航作業技術是現代智能農業機械裝備的關鍵技術之一，可大幅度提高勞動生產率、土地產出率和資源利用率。
在2020年底舉行的世界智能制造大會上，國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項項目成果“基于北斗的農機自動導航與作業精準測控關鍵技術”通過中國農業機械學會推薦，經過中國科協智能制造學會聯合體和國際智能制造聯盟學術委員會的推薦、遴選，最終入選“2020世界智能制造十大科技進展”。
“該技術將北斗衛星定位和MEMS慣性傳感相結合，實現了農機不同作業工況下的高精度連續穩定定位和測姿。多傳感器信息融合的農機導航定位技術的定位精度達到了國外同類技術的先進水平，但系統成本降低了1/3；其中水田自動導航作業和主從導航作業居國際領先水平，打破了國外技術壟斷，保障了我國農機導航裝備的自主安全可控。”中國工程院院士、華南農業大學教授羅錫文在接受科技日報記者采訪時表示。
適應性和可靠性差 制約我國農機導航產品發展
農機裝備自動化、信息化和智能化程度體現了一個國家農業裝備的發展水平，是農業現代化的重要標志。隨著精準農業和智能農業裝備技術的發展和應用，傳統的農業機械正在向融合衛星導航定位、智能測控與物聯網等新一代信息技術的智能農業裝備方向發展。
“近年來，我國農機裝備產業發展迅速，已經成為世界農機制造和使用大國，這也帶動了我國農業機械化水平快速提升，使得農機作業效率和作業質量不斷提高。”中國工程院院士、北京農業信息技術研究中心首席科學家趙春江在接受科技日報記者采訪時表示。但是與我國對農業機械化快速發展的需求相比，智能農機裝備技術卻相對落后，與發達國家有較大差距，農機導航、智能測控、精準作業等高端技術裝備受制于人，制約了我國農機化高質高效發展。
“項目啟動前，我國的農機導航作業系統產品存在如下問題：導航信息來源單一，可靠性差；系統對不同作業環節的適用性差；系統對復雜作業工況的適應性差；系統不具備多機協同作業功能；系統缺少互聯網+管控平臺。”羅錫文說。
“十三五”期間，在國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項的支持下，項目提出了明確的研究目標。如研制面向農業耕整、種植、灌溉、植保和收獲等作業需求的自動導航作業系統，構建互聯網+農機導航應用平臺，為我國北斗衛星定位系統在精準農業領域的規模化應用提供典型應用示范。
產業鏈結合創新鏈 橫向、縱向推進項目研究
“在項目實施過程中，科技部農村中心為整個專項項目搭建了平臺，創造了一體化實施條件，得以與其他項目和企業溝通，推進整體研究進展。項目整個攻關過程分為關鍵技術研究、系統集成測試和成果轉化應用三個階段。以‘績效四問’為導向，聚焦技術創新，產出高水平、標志性的研究成果。”羅錫文說。
羅錫文舉例說，在成果轉化應用階段，參與項目的高科技公司和主機企業在項目成果基礎上，瞄準市場需求，研發出多款滿足我國農業生產需求的農機北斗自動導航作業產品，市場占有率逐年提高，整體技術水平達到了國際先進水平，打破了國外的技術壟斷，提升了我國農機裝備的智能化水平，為農機裝備產業的轉型升級提供了技術支撐。
在項目實施期間，雷沃重工股份有限公司（以下簡稱雷沃重工）對華南農業大學轉讓的“基于衛星定位的農業機械導航及自動作業技術”科技成果開展了產品研發和產業化推廣工作。
“雷沃重工制定了農機導航批量生產的行業技術標準，實現了前裝和后裝、電控液壓和電動方向盤轉向，單/雙天線導航，并形成系列產品、獲得產品鑒定和推廣鑒定證書。近5年在新疆等7省（自治區）的10余種品牌拖拉機上安裝1700余套，推廣應用面積798.64萬畝，節本增收99915.23萬元。”羅錫文說。
“通過科技部農村中心橫向產業鏈與基礎研究、共性關鍵技術攻關、裝備研制、示范應用的縱向創新鏈相結合的一體化科技創新設計，我們首先圍繞精準作業生產要求，重點開展了土壤、植物、機器作業等信息感知、監測應用基礎研究，彌補了農機精準作業控制和運維管理領域的基礎理論研究短板。此外，還重點突破了農機定位與導航、農機作業智能監測、精準作業控制等共性關鍵技術。”趙春江介紹，通過協同創新，項目產生了一批具有自主知識產權的農業傳感器、農機北斗自動導航、農機智能監測終端、農機精準作業控制系統等智能作業裝備；而通過與龍頭農機企業、農機管理部門、規模化農場、農機專業合作社、家庭農場等應用主體開展協同合作，開展精準農業以及智能農業裝備技術的綜合應用示范，積極探索“產學研用”合作新模式，推動農機北斗自動導航、農機智能監測終端等先進適用裝備的產業化推廣應用，項目扎實推進了農業科技創新供給和成果轉化應用。
成果服務作業面積1.1億畝 在國內首次創建水稻無人農場
北京農業信息技術研究中心在項目攻關過程中，創制了具有自主知識產權的電液、電機轉向兩類農機北斗自動導航產品，提升了農機作業質量和效率，降低了作業成本。
“我們創制了13種智能監測終端，構建了全程機械化作業智能監測技術體系；攻克了廣域集群農機作業多元異構數據高并發接入、大數據分析處理技術，構建了基于大數據的全程機械化作業云服務平臺，可提供自動導航AB線收發、作業質量分析、作業量統計、作業重漏區域檢測、跨區作業檢測等15項云服務，并在國內率先實現了業務化運行。”趙春江說。
這些成果在全國23個省市、387個縣區、2733個合作社、123個大型農場開展了規模化應用，服務作業面積1.1億畝，為國家農機作業補貼政策規范高效實施和農機作業智能化管理服務提供了有效的技術支撐。
2020年，華南農業大學項目團隊基于項目成果在國內首次創建了水稻無人農場，該水稻無人農場就坐落在廣州市增城區華南農業大學教學科研基地。
羅錫文指出，該無人農場有5個特點。一是耕種管收生產環節全覆蓋，即覆蓋農作物生產中的耕整、種植、田間管理（水、肥、藥）和收獲的各個環節。二是機庫田間轉移作業全自動，即農機自動從機庫轉移到田間，完成田間作業后自動回到機庫。三是自動避障異況停車保安全，即在農機轉移和作業過程中能實現自動避障，遇到異常情況能自動停車，以確保安全。四是作物生產過程實時全監控，即能對作物生產過程中的長勢和病蟲草害情況進行實時監控。五是智能決策精準作業全無人，即能根據作物的長勢和病蟲草害情況及時作出決策并自動進行精準作業，包括精準灌溉、精準施肥和精準施藥等。
目前水稻無人農場已完成一季水稻生產實踐。
在2020年底舉行的世界智能制造大會上，國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項項目成果“基于北斗的農機自動導航與作業精準測控關鍵技術”通過中國農業機械學會推薦，經過中國科協智能制造學會聯合體和國際智能制造聯盟學術委員會的推薦、遴選，最終入選“2020世界智能制造十大科技進展”。
“該技術將北斗衛星定位和MEMS慣性傳感相結合，實現了農機不同作業工況下的高精度連續穩定定位和測姿。多傳感器信息融合的農機導航定位技術的定位精度達到了國外同類技術的先進水平，但系統成本降低了1/3；其中水田自動導航作業和主從導航作業居國際領先水平，打破了國外技術壟斷，保障了我國農機導航裝備的自主安全可控。”中國工程院院士、華南農業大學教授羅錫文在接受科技日報記者采訪時表示。
適應性和可靠性差 制約我國農機導航產品發展
農機裝備自動化、信息化和智能化程度體現了一個國家農業裝備的發展水平，是農業現代化的重要標志。隨著精準農業和智能農業裝備技術的發展和應用，傳統的農業機械正在向融合衛星導航定位、智能測控與物聯網等新一代信息技術的智能農業裝備方向發展。
“近年來，我國農機裝備產業發展迅速，已經成為世界農機制造和使用大國，這也帶動了我國農業機械化水平快速提升，使得農機作業效率和作業質量不斷提高。”中國工程院院士、北京農業信息技術研究中心首席科學家趙春江在接受科技日報記者采訪時表示。但是與我國對農業機械化快速發展的需求相比，智能農機裝備技術卻相對落后，與發達國家有較大差距，農機導航、智能測控、精準作業等高端技術裝備受制于人，制約了我國農機化高質高效發展。
“項目啟動前，我國的農機導航作業系統產品存在如下問題：導航信息來源單一，可靠性差；系統對不同作業環節的適用性差；系統對復雜作業工況的適應性差；系統不具備多機協同作業功能；系統缺少互聯網+管控平臺。”羅錫文說。
“十三五”期間，在國家重點研發計劃“智能農機裝備”重點專項的支持下，項目提出了明確的研究目標。如研制面向農業耕整、種植、灌溉、植保和收獲等作業需求的自動導航作業系統，構建互聯網+農機導航應用平臺，為我國北斗衛星定位系統在精準農業領域的規模化應用提供典型應用示范。
產業鏈結合創新鏈 橫向、縱向推進項目研究
“在項目實施過程中，科技部農村中心為整個專項項目搭建了平臺，創造了一體化實施條件，得以與其他項目和企業溝通，推進整體研究進展。項目整個攻關過程分為關鍵技術研究、系統集成測試和成果轉化應用三個階段。以‘績效四問’為導向，聚焦技術創新，產出高水平、標志性的研究成果。”羅錫文說。
羅錫文舉例說，在成果轉化應用階段，參與項目的高科技公司和主機企業在項目成果基礎上，瞄準市場需求，研發出多款滿足我國農業生產需求的農機北斗自動導航作業產品，市場占有率逐年提高，整體技術水平達到了國際先進水平，打破了國外的技術壟斷，提升了我國農機裝備的智能化水平，為農機裝備產業的轉型升級提供了技術支撐。
在項目實施期間，雷沃重工股份有限公司（以下簡稱雷沃重工）對華南農業大學轉讓的“基于衛星定位的農業機械導航及自動作業技術”科技成果開展了產品研發和產業化推廣工作。
“雷沃重工制定了農機導航批量生產的行業技術標準，實現了前裝和后裝、電控液壓和電動方向盤轉向，單/雙天線導航，并形成系列產品、獲得產品鑒定和推廣鑒定證書。近5年在新疆等7省（自治區）的10余種品牌拖拉機上安裝1700余套，推廣應用面積798.64萬畝，節本增收99915.23萬元。”羅錫文說。
“通過科技部農村中心橫向產業鏈與基礎研究、共性關鍵技術攻關、裝備研制、示范應用的縱向創新鏈相結合的一體化科技創新設計，我們首先圍繞精準作業生產要求，重點開展了土壤、植物、機器作業等信息感知、監測應用基礎研究，彌補了農機精準作業控制和運維管理領域的基礎理論研究短板。此外，還重點突破了農機定位與導航、農機作業智能監測、精準作業控制等共性關鍵技術。”趙春江介紹，通過協同創新，項目產生了一批具有自主知識產權的農業傳感器、農機北斗自動導航、農機智能監測終端、農機精準作業控制系統等智能作業裝備；而通過與龍頭農機企業、農機管理部門、規模化農場、農機專業合作社、家庭農場等應用主體開展協同合作，開展精準農業以及智能農業裝備技術的綜合應用示范，積極探索“產學研用”合作新模式，推動農機北斗自動導航、農機智能監測終端等先進適用裝備的產業化推廣應用，項目扎實推進了農業科技創新供給和成果轉化應用。
成果服務作業面積1.1億畝 在國內首次創建水稻無人農場
北京農業信息技術研究中心在項目攻關過程中，創制了具有自主知識產權的電液、電機轉向兩類農機北斗自動導航產品，提升了農機作業質量和效率，降低了作業成本。
“我們創制了13種智能監測終端，構建了全程機械化作業智能監測技術體系；攻克了廣域集群農機作業多元異構數據高并發接入、大數據分析處理技術，構建了基于大數據的全程機械化作業云服務平臺，可提供自動導航AB線收發、作業質量分析、作業量統計、作業重漏區域檢測、跨區作業檢測等15項云服務，并在國內率先實現了業務化運行。”趙春江說。
這些成果在全國23個省市、387個縣區、2733個合作社、123個大型農場開展了規模化應用，服務作業面積1.1億畝，為國家農機作業補貼政策規范高效實施和農機作業智能化管理服務提供了有效的技術支撐。
2020年，華南農業大學項目團隊基于項目成果在國內首次創建了水稻無人農場，該水稻無人農場就坐落在廣州市增城區華南農業大學教學科研基地。
羅錫文指出，該無人農場有5個特點。一是耕種管收生產環節全覆蓋，即覆蓋農作物生產中的耕整、種植、田間管理（水、肥、藥）和收獲的各個環節。二是機庫田間轉移作業全自動，即農機自動從機庫轉移到田間，完成田間作業后自動回到機庫。三是自動避障異況停車保安全，即在農機轉移和作業過程中能實現自動避障，遇到異常情況能自動停車，以確保安全。四是作物生產過程實時全監控，即能對作物生產過程中的長勢和病蟲草害情況進行實時監控。五是智能決策精準作業全無人，即能根據作物的長勢和病蟲草害情況及時作出決策并自動進行精準作業，包括精準灌溉、精準施肥和精準施藥等。
目前水稻無人農場已完成一季水稻生產實踐。
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