中国大田无人农场关键技术研究与建设实践

智慧农业是现代农业的发展方向,无人农场是实现智慧农业的重要途径。为了探索和推广无人农场在现代农业中的应用,华南农业大学对大田无人农场的关键技术进行了深入研究,包括无人农场作业环境、作业对象和作业机械装备信息的数字化感知技术;土地整治、耕整、种植、播种、田间管理和收获方案的智能化决策技术;农机自动导航和农机精准作业的精准化作业技术;农作物生长、农机运维和农场经营管理的智慧化管理技术。2020年在广东增城创建全球首个水稻无人农场,实现了五大功能,包括耕种管收生产环节全覆盖,机库田间转移作业全自动,自动避障异况停车保安全,作物生产过程实时全监控,智能决策精准作业全无人。取得了显著的经济、社会和生态效益,2021 年广东增城水稻无人农场种植的优质丝苗米十九香产量达到9934.35 kg/hm²,比当地的平均产量高32%;2023年湖南益阳千山红镇再生稻无人农场两季产量达到18625.5 kg/hm²,说明了人不下田也能种地,也能种好地。截至2023年11月,在国内15个省启动了 30 个无人农场的建设,包括水稻、小麦、玉米和花生4种作物,实践结果证明了无人农场和智慧农业发展的巨大潜力,为解决“谁来种地”和“如何种地”提供了重要途径。     

基于FEM-SPH耦合的卷辊式耕层残膜回收部件结构优化与试验

针对棉田耕作层内残膜力学性能差及膜土分离困难,残膜拾净率低和回收的残膜含土量高等问题,该研究对卷辊式残膜回收部件进行优化。在分析起膜捡膜工作过程和建立卷辊弹齿与膜土团聚体之间动力学关系的基础上,采用有限元法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合算法,建立卷辊弹齿-膜土团聚体接触计算模型,探究卷辊弹齿与膜土团聚体之间相互作用机理,分析卷辊弹齿接触膜土团聚体后残膜受力程度和土壤扰动程度的变化规律。以卷辊回转半径、弹齿直径、弹齿顶端折弯角为试验因素,以残膜平均峰值应力及土壤最大应变为指标开展仿真试验,分析各因素对指标的影响规律并对卷辊弹齿结构参数进行优化,获得卷辊弹齿最优结构参数为：卷辊回转半径100 mm、弹齿直径5 mm、弹齿顶端折弯角42°,此时残膜平均峰值应力为0.1201 MPa,土壤最大应变为3.7584。为了验证优化后卷辊弹齿的捡拾作业性能,以拾净率和含土率为试验指标进行田间试验,结果表明：机具拾净率为80.34%,含土率为37.13%,与初代研制的样机相比拾净率提升了8.74个百分点,含土率下降了12.18个百分点,机具作业性能明显提升且试验指标达到设计要求。本文建立的有限元模型可为残膜回收机关键部件的结构优化提供参考。     

蓖麻波形圆盘割刀刃口曲线拟合与优化

为减少蓖麻收获的切割功耗,该研究对前期设计的蓖麻波形圆盘割刀进行刃口曲线拟合与优化。基于国内种植的低矮蓖麻物理力学特性,采用B样条算法和基于三点圆曲率分析并带几何约束的最小二乘拟合方法对蓖麻波形圆盘割刀刃口曲线进行参数拟合。并采用Smoothed Particle Hydrodynamics-Finite Element Modeling（SPH-FEM）耦合仿真方法模拟蓖麻茎秆切割过程,以刀盘厚度、底圆曲率半径和刃口角为试验因素,以最大切割力、切割功耗为评价指标进行正交旋转组合试验,对割刀结构参数进行优化,并对优化参数组合进行试验验证。最优割刀参数组合为：刀盘厚度3 mm、底圆曲率半径7 mm、刃口角19°,此时最大切割力为109.763 N、切割功耗为1.43 J。台架试验验证表明,SPH-FEM耦合仿真方法与台架试验获得的最大切割力和切割功耗基本吻合,误差在5%以内,所提方法能很好地研究模拟蓖麻割刀的切割过程,可为蓖麻收获装备研制提供支撑。     

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路边随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。     

整建制全要素全链条农业面源污染综合防治的思考及实践

加强农业面源污染综合防治是加快推进中国农业发展全面绿色转型,实现乡村全面振兴的重要任务。近年来,在多方的共同努力下,中国生态环境改善取得了一定成效,但重点流域的农业面源污染问题仍然突出。该研究在分析中国农业面源污染现状的基础上,通过资料收集、现场调研、专家座谈等多种方式梳理和分析了农业面源污染综合防治在治理主体、投入要素、技术体系与产业链条方面的瓶颈,解析了整建制全要素全链条农业面源污染综合防治的内涵,阐述了国家农业绿色发展先行区浙江平湖在践行整建制全要素全链条农业面源污染综合防治方面的先进做法及应用效果。总结了典型案例在网格化健全污染综合防治“整建制”、特色化延伸综合防治“全链条”、以及全方位保障污染综合防治“全要素”三个方面开展的相关工作,以期为探索形成农业面源污染综合防治整体解决方案,示范带动农业发展全面绿色转型提供支撑。     

耕整播农机装备触土部件表面耐磨强化研究进展

耕整播农机装备是影响中国耕地耕种作业质量与效益的关键农机装备,随着农业机械化的快速发展,耕整播农机装备对其配套的旋耕刀、犁铧、深松铲、耙片、开沟器等触土部件耐磨性和使用寿命提出了更高的要求。该研究系统分析了触土部件主要的磨损失效形式及磨损机理,综述了提高触土部件耐磨性常用的表面熔覆、表面堆焊处理、表面热喷涂、激光表面强化处理、化学热处理、钎涂等表面处理工艺,从磨损机理、材料研发、结构设计和制造工艺4个方面对比分析了国内外技术差距,针对现阶段耕整播触土部件失效机理、材料、结构、工艺等短板环节的难点问题,展望农机触土部件未来研发方向,拟为表面耐磨强化的相关研究和工程应用提供理论依据与技术支撑。     

侧深施肥直斜偏置式免耕播种开沟器设计与试验

采用侧深施肥技术,施肥铲作业后播种带两侧土壤高度不一致,易加剧播种机横向偏摆,进而导致播种深度均匀性和播种横向一致性较差。为解决上述问题,该研究设计了一种直斜偏置式免耕播种开沟器。该开沟器主要由切土斜刃、挡土定位板、偏置推土板等组成,作业时滑切土壤并将其推移至肥沟一侧拓宽种沟,避免种子落至肥沟后位置过深,提高播种质量。通过离散元仿真试验,以前进阻力、肥沟回土深度、种沟回土深度为试验指标进行二因素五水平正交旋转组合试验,得到斜刃滑切角为37°、偏置角为15°时开沟器作业性能最好。在最优参数下与双圆盘式、尖角式开沟器进行田间作业性能对比试验,相对于双圆盘式和尖角式开沟器,直斜偏置式开沟器播种深度变异系数分别降低41.12%、19.41%;播种横向变异系数分别降低39.00%、28.41%;前进阻力分别降低7.26%、28.20%;作业后肥沟与种沟回土深度分别提高9.47%、13.68%和33.33%、7.14%。试验结果表明,该开沟器可以减小前进阻力,增加肥沟与种沟回土,提高播种深度均匀性和播种横向一致性,可为播种开沟器的设计提供参考。     

基于灰水足迹的长江经济带耕地利用生态效率时空分异特征

长江经济带面临水生态环境污染制约下的农业发展困境,水环境约束下耕地利用生态效率的提升成为平衡耕地利用中经济效益与生态效益的关键手段,对于探索生态可持续的耕地利用模式、实现农业绿色发展具有重要意义。该研究以灰水足迹为视角,基于SBM-Undesirable模型、空间自相关分析及马尔可夫链模型探明2000—2020年长江经济带耕地利用生态效率时空格局及演变趋势。研究表明：1）长江经济带2000—2020年平均灰水足迹值呈现先增后减趋势,2015年后下降态势更为明显。在空间上呈现为“东西高,中部低”的空间分布特征,灰水足迹高值区域主要集中在粮食主产区省份。2）2000—2020年长江经济带耕地利用生态效率持续下降,效率均值处于0.5～0.8之间,存在较大提升空间。在空间上呈现高值区域多沿水系分布的特点。3）长江经济带市域耕地利用生态效率存在显著空间正相关性,以研究时段演变趋势来看,耕地利用生态效率的演进存在路径依赖,难以实现“跨越式”提升。因受到邻域背景影响,在空间上易显现出“俱乐部收敛”现象,“高-高集聚”与“低-低集聚”分布更为常见。可在农业生产重点区域采用差异化精准农业模式,需重视区域间动态协同发展,完善联防联治的面源污染防控机制,积极引导耕地利用生态效率高值区域逐步形成集中连片,同时对于耕地利用生态效率低效区提供财政与政策支持。研究结果可为各地区探索耕地利用可持续发展模式与农业生产活动中水生态环境保护提供参考依据。     

多尺度行政区平衡视角下耕地空间布局优化

优化耕地空间布局对提升耕地生产能力、促进农业可持续发展具有重要意义。该研究以广东封开县为例,基于“现状耕地调出-可恢复地类调入”的微观调整逻辑,综合运用空间叠加、综合评价及蚁群优化算法,构建了耕地空间布局调整模型,以调入调出数量平衡为约束条件实现了不同行政区尺度下的耕地布局优化。结果表明：1）研究区共调出耕地1 689.89 hm²,占耕地总面积的7.62%,整体上呈现出“全局零散、局部聚集”的分布特征。2）研究区可恢复地类农业生产适宜性均值为67.04,具有开展作物种植的良好禀赋条件。3）不同行政区尺度平衡情景下,调入结果在研究区北部空间差异显著,与镇内平衡情景相比,县内平衡情景下,调入耕地的农业生产适宜性均值提高了2.08,综合生态系统服务均值下降了0.67。4）两种情景下,耕地的连片性、质量及稳定性均得到提升,因不受调入规模和行政单元空间范围限制,县内平衡情景下的提升效果更加明显,适当扩大可恢复地类筛选范围有利于提升整体耕地质量并降低重要生态用地筛选概率。该研究构建的耕地空间布局调整模型具有良好的适用性,可为制定农用地布局优化与整治提升方案提供参考依据。     

农业装备产业竞争力模糊综合评判模型研究

分析了我国农业装备产业发展的现状、问题和面临的挑战和机遇,以及影响农业装备产业竞争力的因素,建立了产业竞争力的评价指标体系,并应用模糊综合评判原理建立了农业装备产业竞争力评价的模糊综合评判模型并对其进行了分析,得出我国农业装备产业竞争力较弱,建议通过推进产业技术创新和完善投融资体系提升产业竞争力.