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坚持自主创新 农业现代化“快马加鞭”

时间:2021-11-03 10:24 来源:互联网
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“当前,我国正处于机械化、信息化与智能化深度融合的快速发展阶段,农机青年科学家们应进一步聚焦自己的研究领域,坚持自主创新和守正创新,在农业农村现代化建设中发挥积极的作用。”近日,在第五届中国农机青年科学家论坛上,中国科学院院士、中国机械工业集团科技委副主任闫楚良在致辞中表示。

今年是“十四五”的开局之年,也是全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化建设的关键之年。为此,此次论坛以“‘双强行动’科技赋能 乡村振兴共同富裕”为主题,全面搭建面向全国农机和农机化系统青年科技工作者相互了解、交流合作和共同提高的开放平台,为助力乡村全面振兴提供智力支撑。

研发更精准的土壤消毒机

土壤是不可再生资源,我国耕地面积有限,土壤状况堪忧。

西南大学工程技术学院博士马浩霖在论坛上提供的数据显示,我国高附加值经济作物连作几率大,由此导致土传病害发作面积不断扩大,严重时可减产50%~60%。

为土壤寻求消毒设备成为农机领域绕不开的话题。现有的土壤消毒方式有自走火焰土壤消毒机、蒸汽注射消毒机、氯化苦覆膜注射一体机等。但遗憾的是,缺少棉隆大田作业精准施用土壤消毒设备。

“棉隆是国内外应用最广泛的固态土壤熏蒸剂,已经应用于生姜、草莓、三七等高价值作物防治姜瘟病、根腐病和枯萎病等。”马浩霖表示,棉隆消毒技术具有高效、低残留、储运安全等优势。

而棉隆机械施药现状却是:手动撒药均匀性差;撒药后再进行旋耕,容易造成漂移,危害人畜安全;机器作业幅宽有限,作业速度低,效率相对较低。此外,其价格约为传统化肥的十倍,限制其应用推广。

鉴于此,在中国工程院院士赵春江的带领下,西南大学工程技术学院研发了固态熏蒸剂土壤消毒机。

“我们基于物联网的固态熏蒸剂土壤消毒机精准监控系统,采取电机转速和排药速率自适应变化的控制方法,将固态熏蒸剂精准施药,并且反复进行田间试验,最终证实了该设备控制系统稳定性和撒药的准确性。”马浩霖说,去年11月,该设备在山东省安丘市土壤消毒演示会上取得了良好效果。

加快农业机械与智能化程度

如果土壤问题是农业的根本,那么如何实现粮食作物的播种保收烘等环节的全程机械化便是又一重要话题。

我国是世界上最大的粮食生产国和消费国,粮食产量从2000年的4.6亿吨增长到2019年的6.6亿吨。其中,种植是现代农业生产的关键环节,而我国农作物种植总体机械化率超过70%。

“种植质量直接影响粮食产量。”中国农业机械化科学研究院集团有限公司高级工程师牛康表示,我国农作物种植存在漏播损失率高、化肥投放效率低、机械智能化程度低等问题。

牛康认为,播施作业智能化是解决漏播、过量施肥的关键。其中,光电式传感器是目前市场主流的漏播监测手段,压电、微波等检测手段可有效消除高尘环境影响。

具体而言,他们团队将种肥参数感知技术与作业自动控制技术作为研究重点。围绕多种类型播种机种肥定量检测技术开展研究,研发出颗粒种肥流量检测技术、玉米播种量检测技术、气流式播种机流量检测技术、马铃薯播种机漏播检测技术、马铃薯播种机自补种技术、变量施肥控制技术、播深调控技术等。

“经过试验证实,新技术不仅为智能化播种装备提供强力支撑,还提高了播种施肥作业信息化监管水平。”牛康说。

而重庆文理学院智能制造工程学院教师黎斌则从粮食干燥理论及技术入手进行了分析。

粮食干燥环节具有防腐烂、便运输、便加工、减损失等作用。上世纪80年代,美、日、加拿大等发达国家的粮食干燥机械化程度已达95%以上。而我国粮食总产量达6亿多吨,80%在农村,干燥机械化程度却总体不足20%。

黎斌表示,目前粮食干燥机存在技术与能量评价方法两方面的问题,主要表现在干燥过程解析理论不完整、物系能效评价方法不科学、评估指标过多。此外,一些评估指标仅考虑人为因素却忽略环境对干燥效果的影响。针对上述诸多问题,重庆文理学院智能制造工程学院教授赵立军团队经过多年探索提炼出其中的共性问题:不同能量形式之间可以相互转换的那部分——。

“对于企业来讲,干燥的最终目的是以最低成本实现经济效益最大化。”黎斌说,以5HP-50双塔循环玉米干燥装备为例,基于所构建的生产结构图,采用改进生产结构分析法构建经济成本矩阵,求解得出各流单位经济成本,从能量和效益两方面揭示各用能薄弱环节,并给出优化方案,实现粮食烘干过程“透明化”。比如,从高湿玉米中去除1公斤水的经济成本仅为0.38元。

无损精准感知马铃薯品质

作为世界上马铃薯种植面积最大、总产量最多的国家。2020年,中国马铃薯产量为1.3亿吨,产量占全球24.91%。 马铃薯几乎适应于我国绝大多数的种植环境。

“随着国家对马铃薯主粮化的加快,在加工前对每一个马铃薯进行品质快速无损检测很有必要,在保障我国粮食安全、缓解资源环境压力、改善民众膳食结构和促进农民增收和农业发展有重要意义。”杭州电子科技大学数字农业研究院副教授陈丰农在题为《基于跨模态融合技术的马铃薯品质快速无损精准感知》的报告中指出。

目前,市场上马铃薯分选机非常多,但绝大多数是简单分选,也有部分用机器视觉进行分选。不过,依然缺乏对马铃薯内部品质进行快速无损精准分级的设备。此前,中国农业机械化科学研究院研究员杨炳南团队在马铃薯品质上做了大量的工作。国外也有不少厂家也做了马铃薯品质的机器,但主要集中在机器视觉的外部品质检测,且价格昂贵,在售后服务方面缺乏有效保障。

陈丰农表示,他们团队基于机器视觉和近红外光谱技术,采用深度学习和光谱分析等对马铃薯表面和内部缺陷、重量大小、内部物质含量等进行快速无损精准感知。

这其中包括马铃薯腐烂、绿皮、发芽、机械损伤共4 类表面缺陷,黑心病和空心病等内部缺陷,淀粉含量,糖度和酸度等指标。

“经过实际验证,我们可以实现深度学习算法对其外部品质的检测速度单个通道可达60pc/秒,光谱分析方法对其内部品质检测速度可达50pc/秒。”陈丰农表示,该设备能结合马铃薯外部与内部品质进行综合分析,并且还可以根据客户的需求任意增加和减少功能,实行产品差异化。目前第一代产品已经开发成功,正在进行第二代产品开发,并期望国内外同行试用和批评指正。

新检测系统提升蔬果品质

粮食固然重要,蔬菜和水果在我国的独特地位也不容忽视。

数据统计显示,2011年我国蔬菜产量、产值均超粮食,首次成为第一大农产品。2019 年我国蔬菜种植面积20863千公顷。

“其中,旱作移栽技术不仅能提高作物生长的抗灾抗逆能力,还能保证作物增产稳产,最终提高蔬菜品质。”河南科技大学农业装备工程学院教师马义东在论坛上表示。高速作业是当前自动移栽机发展瓶颈。

如何研发出一种对移栽作业状态进行实时、高精度、专用检测装置势在必行。为此,河南科技大学农业装备工程学院副院长金鑫团队研发出了新型钵苗移栽机及作业状态检测系统,包括:基于PSD的取苗机械手空间位姿特性检测系统、基于PVDF的取苗夹取力检测传感器、钵苗栽插直立度视觉检测系统、钵苗栽深超声波检测系统等。

“上述检测系统突破了机械手空间位姿特性高精度实时检测技术,解决了夹取力检测装置安装空间小等难题,提升了夹取力实时检测精度,为移栽机优化、智能升级等提供基础。”马义东说。

提到水果,我国的产量居世界首位,但优质高档果率不足30%,远低于发达国家的水平(85%)。

“提质已成为果业发展的优先主题。”华东交通大学副教授孙旭东的报告题目是《水果最佳采收期NIRS预测》,他指出,采收期NIRS预测源于精准农业的理念,以地块为单位,实时无损监测树上水果典型性状变化规律,预测最佳采收期。

这其中涉及到吸光度校正、生物物料光特性、微量成分检测、温度校正、数学模型等关键技术。

“NIRS能与其他技术融合互补,在果业的育种、种植、储运、加工环节发挥更大的作用。”孙旭东表示,NIRS是最为实用的光谱技术之一,NIRS应用越靠近价值链前端,价值越高,其谱图信息将于与园艺知识深度交叉融合,其采收期预测与智能化分选协同应用将有广阔市场。

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