新型自动化水稻插秧机未来初探

魏雨缪（中南大学）

农业生产是微利行业，每一项成本都会影响农业生产的效益，减少成本会直接增加农业生产利润。目前水稻插秧机在工作时需要人员驾驶和人工续秧盘，为减少人工成本，提高插秧机作业效率，需要研发一款可自动驾驶、自动续秧的新型水稻插秧机，减少人工驾驶和续秧工作程序，从而降低种植成本，提高农业生产效益。现代化大农业需要现代化农机，自动控制系统节省人力，可实现一人控制多台农机，未来现代化大农业更需要标准化、程序化的专业操作技术平台。

一、全国水稻种植情况

中国是稻作历史最悠久、水稻遗传资源最丰富的国家之一，在湖南省道县寿雁镇玉蟾岩遗址出土的古栽培稻标本证实了我国稻作栽培已有1.4万年以上的历史。稻谷产业是关系国计民生的重要产业，在构建和完善粮食安全保障体系中具有重要地位。实现稻谷产业高质量发展，对推进粮食供给侧结构性改革，实现更高层次、更高质量、更可持续保障国家粮食安全具有重要意义。中国是世界上最大的水稻生产国，2020中国稻谷播种面积为3008万公顷，较2019年增加了38万公顷；产量为2.12亿吨，较2019年增加了0.02亿吨，如图1所示。

图1 2014-2020 年中国稻谷种植情况

二、北大荒集团水稻插秧机工作现状

以北大荒集团为例，北大荒集团现有耕地4458万亩，每年水稻种植面积约为2200万亩，占总播种面积的一半。水稻种植工作期在15天左右，属于人工密集型种植业，因此在插秧季节需要大量的水稻插秧机同时作业。据统计，北大荒集团现有在用水稻插秧机约10.3万台，以6行、8行快速插秧机为主，多数配备侧深施肥功能，主要以久保田、沃得、久富、洋马、东风井关等大众机型为主，2020年以前国外品牌占70%以上，近几年随着国产品牌的逐渐深入，久保田和东风井关等国外品牌的插秧机市场份额占比下降到40%左右，以沃得、久富为主的国产品牌约占60%，主要原因是国产品牌价格较低，全国销售价格在14万元左右的农机，扣除财政性农机补贴，农机户实际购机价款在6万元左右，相比久保田等国外品牌的销售价格有较大优惠。

目前，北大荒集团现有插秧机大部分机型在插秧作业中由1名驾驶员和2名续秧人员配合完成作业，作业过程中由驾驶员完成水稻插秧机在田间的行驶和地头转弯，续秧人员在插秧机行驶作业中根据秧盘的进度进行续盘。一般1块稻田池约15亩，可应用多台插秧机同时作业，传统插秧方式下要配备多套人员。8行快速插秧机每天工作10小时，可插秧50亩，每台插秧机一个来回作业需要秧苗50盘左右，插秧机斜面可存24盘，中间需要人工续秧30盘，驾驶员身边临时存秧30盘，作业一个来回插秧机需要停留地头补秧苗。

三、研发新型自动化水稻插秧机的必要性

一是全国水稻种植面积较大，且属于人工密集型种植业，传统水稻插秧机需要人工续秧，在短暂的插秧季节里人员少、成本高，通过自动化插秧减少人工操作来降低成本，提高作业效率。

二是随着全国人口老龄化的递增，从事农业种植的人员逐年减少，需要更高水平的农业机械，因此研发全自动水稻插秧机成为未来的发展方向。

三是人工成本投入较大，制约了农业生产效率和效益的进一步提升，农业种植的微利运营让农业抵御自然和市场风险的能力减弱，研发新型自动化农业机械将成为农业发展的必经阶段。

四是随着年轻一代农业生产者加入到农业生产领域，知识素质进一步提高，操作自动化农业机械成为必然的发展要求。

五是自动化水稻插秧机可以实现一人多控，不仅减少了农业种植行业的人力投入，同时可以快速实现农业标准化、现代化。

目前，北大荒集团农业综合机械化率已达到99.9%，农业机械化作业已覆盖农业生产全过程，在高机械化率的前提下，市场空间仍然很大，需要研发的方向便是对农业机械提档升级，利用标准化、智能化、自动化节约人力成本，缩短非作业时间，提高作业效率。

四、研发新型自动化水稻插秧机的可行性

水田面积相对旱田较固定，水田利用的农业机型也较固定，同时作业场景相对固定，从水稻种植作业程序上看，水稻种子从工厂化浸种催芽到标准的育种大棚，秧苗盘标准统一，运秧苗也可以实现标准的工厂化、立体化，自动化程度较高，再转移到水稻插秧机上也可实现自动传输，因此研发全自动水稻插秧机可实现全作业过程的无缝对接。北大荒集团得天独厚的组织化、机械化、规模化优势和通信网络基础优势为发展智慧农业奠定了良好基础，北大荒水田地块相对较大，适合稍大型水稻插秧机作业，三江平原地势开阔，卫星信号接收较好，适合无人驾驶场景，同时北大荒现有农机作业基础较高，道路和地块条件更优，农机提档升级更易操作。

新型自动化水稻插秧机是一种全新的无人驾驶自动插秧机，插秧机本体包括行驶控制部及与行驶控制部连接的插秧部，插秧部一端设有自动续秧部，行驶控制部包括圆形转动底盘，圆形转动底盘上部设有自动行驶控制部及电池，圆形转动底盘下部设有若干行驶轮，行驶轮的轴侧设有电驱转向部，圆形转动底盘上部还设有支架，支架设有存秧部，存秧部与自动续秧部连接。行驶轮数量为4个。插秧部靠近行驶控制部的下部设有挡泥刮平板。圆形转动底盘为360度转动盘。当使用时，通过行驶轮完成道路和田间行走，电驱转向部提供直角转向，并通过电机驱动行驶轮完成进退行走，行驶控制部的电池固定安装在圆形转动底盘上，可节约机械空间。

无人驾驶基于北斗导航系统，搭配AI智能算法，可自动控制速度、转向，作业过程完全模拟人工操作，将机械化农业向智慧农业转型，利用先进的测绘地理信息技术手段助推智慧农业发展，提升农业空间信息化管理水平，实现农业核心资源数字化、信息化。未来机械化作业面积会随着土地流转逐年规模化，适合新型智能化农机作业，农机应用场景优势明显。机械自动化相比人工有较多优势，机器不会疲劳，作业时间可随时增加，受阴雨作业环境影响小，自动化无人驾驶白天黑夜均可作业，标准统一。计算规划好作业路径和方案，配比设定预插秧苗数量，降低续苗时间，提高作业效率，大力压缩农业种植时间，为抢种抢收赢得时间优势，尽可能降低自然风险。作业间隔缩短，会增加农作物的生长时间，便于统一管理，提升统一标准。同时，自动化水稻插秧机采用电驱动和电控制，方便操作，实现自动化更容易，减少了机械设备的不稳定性和不确定性，更有利于实现人机交互和对话，为研发新型自动化水稻插秧机提供了可行性。另外，电控制可减少传统燃料机械的维修保养成本，体积更小、自重更轻，方便设计传输控制，更适合水田作业场景。

五、新型自动化水稻插秧机的发展前景

根据传统插秧机在工作中需要人工驾驶和人工续秧盘的实际情况，为减少人工成本，提高插秧机作业效率，需要研究开发出一款无人驾驶可直角转向的电驱动自动化水稻插秧机，从而减少人工驾驶和人工续秧盘工作程序，降低种植成本，提高农业生产效益。

农业机械领域具有广阔的发展空间，自主研发具有知识产权的新型农机，关键是找准农业种植的机械需求，利用新的技术改善现有农机作业的不足之处，充分发挥自动化、智能化、无人化、新能源化的技术优势研发新型机械，适应市场需求。现代化大农业需要现代化农机，面对农业生产者老龄化、人工短缺的现实问题，自动控制系统能节省人力，可实现一人控制多台农机，未来现代化大农业更需要年轻化、标准化、程序化的专业操作技术人员。农业机械化作业已覆盖农业生产的全过程，新的研发方向是对农业机械进行提档升级，利用新能源化、标准化、智能化、自动化等技术手段节约人力成本，缩短作业时间，提高作业效率。随着北斗导航系统的逐步完善、自动控制系统的快速进步、5G技术的应用，农业机械更应顺应时代潮流，满足新时代农业生产者的需求。根据农业生产的新特点和新需求，研发创造更多适应农业生产的新型农机，解决农业生产者老龄化、人工短缺的现实问题，让农业的粗放经营、非标准化、零散化变成历史，实现农业现代化，将农业生产逐步变成标准化的生产车间，提升规模化、标准化、自动化效益，让农业生产变得简单。

本文探索的新型自动化水稻插秧机包括电驱系统、转向底盘、插秧系统、自动续秧系统、临时存秧苗系统等部分，从而实现智能化、自动化插秧目的，在实施过程中提高了工作效率，功能性强，在结构上具有一定的创新性。

六、新型自动化水稻插秧机的效益分析

以北大荒集团为例，每年水稻种植面积为2200万亩，水稻种植工作期在15天左右，属于人工密集型种植业，因此在插秧季节需要大量的水稻插秧机同时作业。据统计，北大荒集团现拥有水稻插秧机10.3万台，在水稻插秧实际工作中，水稻插秧机由1名驾驶员和2名续秧盘人员共同配合才能完成水稻插秧工作。特别是在春季大面积插秧期间，人员较为缺乏，驾驶员每人每天300元、续秧人员每人每天300元左右，直接增加了种植成本，按照每天插秧50亩估算，人工成本就是900元，每亩人工成本18元，仅北大荒集团2200万亩水稻，种植完初步保守估算驾驶员和续秧盘人员的人工成本就高达近3.96亿元。农业是微利行业，每一项成本都会影响农业生产的效益，减少成本会直接增加农业生产的利润。研发新型自动化插秧机，以8行为例，一次可带秧苗50盘，可实现1个来回不间断作业，1天可节省时间2小时，提高作业面积到60亩。如果将研发的无人驾驶自动续秧水稻插秧机全面推广，每年能为北大荒集团水稻插秧节约人工成本近3.96亿元，每亩至少可增收18元。数据显示，近5年来我国水稻播种面积整体维持在3000万公顷以上，截至2020年，我国水稻播种面积为3008万公顷，同比增长1.3%，无人驾驶自动插秧机面向全国推广，可为中国水稻种植业节省一笔不小的人工成本。因此，发展现代化、自动化、智能化、无人化、新能源化的水稻插秧机是未来的主流，而且发展前景巨大。