果园喷药机智能管控平台的建设研究

周通，李雯，左小林

（212013 江苏省 镇江市 江苏大学 管理学院）

0 引言

我国是全球第一水果生产与消费大国，水果产业也是我国第三大农业种植产业。据《中国农村统计年鉴》2020 年数据显示，截至2019 年末，我国实有果园面积达12 276.7 khm2，比2018 年同期增长3.4%。随着我国果园种植面积的逐步扩大、农业机械化的不断推进以及劳动力成本的不断攀升，果园规范化、标准化发展和智能化管理是未来发展的必然要求、必然趋势[1]。果园管理作业主要可分为土地耕整、树体保护、病虫害预防、灌溉与收获等5 个方面。病虫害的预防工作被视为主要作业环节之一，其中的喷药作业要占据果园管理总体作业量的25%以上[2]。由于喷药作业多在果树枝叶繁茂时期进行，且果园环境较为复杂，如田间障碍较多、果园形状不规则、作业路径宽窄不一等，对喷药机作业产生了较大的限制。另外，部分种植户的果园面积较小，而购买喷药机成本较高，租赁需求又得不到及时满足，因此仍采用人工喷药，这严重背离了农业机械化的发展趋势。

近年来，以信息化、智能化为特点的“智慧农业”在国内兴起，为实现对农业生产进行远程智能化控制，相关软件平台的构建被提上日程。本文将以此为背景，探讨我国果园喷药机的发展现状及农业智能管控相关平台的建设现状，分析当前研究可实现的功能特点及存在的问题，然后给出相应的对策与建议。最后提出果园喷药机智能化管控平台的建设方案，以期实现喷药机的智能管控，进而提高喷药效率与农药利用率，降低果园生产成本，减少大气土壤污染，并实现果园、农户、企业等的信息集成，追求整体效益最大化。

1 相关概念及技术支撑

喷药机智能管控指的是通过各类传感器收集数据、通过无线通讯技术传输到服务器，对作业环境、作业状态进行分析监测，进而实现对喷药机各项功能的智能化、自动化控制。同时，通过智能管控平台可以集成各类信息流，实现果园、喷药机、农户与管理或操作人员的信息交互与共享。

1.1 喷药机的工作参数

目前国内果园最常用的机械植保设备为风送式喷药机，按照行走方式，主要分为牵引式喷药机、悬挂式喷药机和自走式喷药机等[3]，影响喷药机行驶及作业效率的主要工作参数指标如表1 所示。

表1 喷药机主要工作参数表Tab.1 Main operating parameters of the sprayer

1.2 智能管控平台的技术支撑

农业类的智能管控平台一般由数据采集端、服务资源端和应用端组成，集成了卫星导航定位技术、传感器技术、大数据分析和无线通讯技术等。

1.2.1 卫星导航定位技术

卫星导航定位是通过天线、接收机等接收、解算卫星信号，实现实时定位的技术，为了提高定位精度，通常需要给接收机实时提供一组差分改正数据。卫星导航定位技术是实现农机自动驾驶的基础。

1.2.2 传感器技术

传感器一般是由敏感元件及转换元件组成，能将农业类的半结构化或非结构化数据转化为可用数据。传感器技术是我国农业信息化的前沿技术之一[4]，是实现农业生产智能分析与决策的基础。

1.2.3 大数据分析

运用大数据分析技术对农业生产过程中通过传感器采集的数据进行分析处理，做出科学合理的决策，提高农业生产效率。

1.2.4 无线通讯技术

无线通讯技术一般利用微波，可不经由导体或缆线进行传输通讯，目前主要包括Zigbee/蓝牙/Wifi/2G/4G 等技术，现阶段农业生产一般通过4G网络传输，将各类信息上传到服务器。

2 研究现状

通过文献阅读与实际调研发现，我国喷药机的研制起步较晚，国内喷药机与国外相比，整体性能较为落后，作业效率较低，许多高精度技术虽有研究，但并不能大规模运用到喷药作业中去，因此我国的农药有效利用率仍然很低，仅为20%～40%[5]。另外，国内“智慧农业”相关平台建设处于起步阶段，现有的平台数量极少，且功能不完善，通常仅能实现对天气、土壤墒情、虫情信息的监测与农机的监管功能，并不能实现农机的智能管控，如田间作业路径规划及自动驾驶等功能。

2.1 喷药机研究现状

为了提高农药利用率、提升农业经济效益，我国的专家学者从喷药机类型、喷头、变量喷药系统、对靶喷药技术、风量调节等多个方面做出了大量研究。李超等[6]针对葡萄园的作业环境，设计了牵引式立管风送喷药机，能够对药液进行二次雾化，增加其穿透性和附着率，有效提高了农药利用率；魏新华等[7]将超声波测距传感器引入喷药机喷杆高度调控中，有效保障了喷药机在行驶过程中喷杆的平稳性，避免了因地面起伏引起的喷药不均问题；周天文等[8]设计了一种小型自走式喷药机，该机利用风送喷雾技术，可有效防止前进过程中产生药液飘移，增加了雾滴在枝叶上的附着率；李龙龙等[9]以高精度的激光传感器为探测源，设计的自动仿形喷药机可实时调节风量和喷雾量，并在苹果园内进行了田间试验，结果表明，该机提高了喷药的精准度，并且雾滴的穿透性强、沉积性高；尹润蓉等[10]设计出一种可以实时混药的静电喷雾机，与传统喷雾机相比，混药更均匀、更稳定，喷雾效果更佳；邹伟等[11]设计了果园对靶喷药控制系统，能够实时监测喷药机的行驶速度，探测树冠靶标位置，进而通过电磁阀调节喷头流量，实现对靶变量喷药；杜慎忠等[12]针对葡萄园喷雾机研究了药液回收系统，并通过田间试验研究了药液回收率与喷雾距离、风机转速、喷雾压力等的关系，最终可将农药回收率提高到16.2%,农药沉积率提高到52%以上；江苏大学和宁夏大学共同研制了自走式智能对靶超低量静电喷雾机，两边各有一个600 L 容量的药箱，喷药幅宽14 m，喷药效率高，喷药效果良好，分别如图1、图2 所示。

图1 自走式智能对靶超低量静电喷雾机Fig.1 Self-propelled intelligent target ultra-low amount of electrostatic sprayer

图2 喷雾机田间试验图Fig.2 Field test diagram of spray machine

2.2 相关平台研究现状

李洪等[13]将农机调度问题转化为MTSP 问题，以列生成法求得模型精确解，并开发了农机监控调度系统；2013 年，北京现代化农业万亩示范区建立了当地第一个基于BDS 的新型农机管理平台，很大程度上提高了农业生产的精准化水平[14]；杨立国等[15]根据多个农机作业过程中出现的信息交互滞后等问题，构建了全新的调度技术体系，运用于农机管理调度系统中，实现了农机资源的科学合理分配；谢婷婷[16]以最小化作业成本和农机派发数量为优化目标，构建了农机跨区调度模型，设计了跨区作业调度系统；康康等[17]基于物联网建立农机设备监控系统，利用通信网络对农机设备下达调度命令，并在监控基础上实现农机设备运行路线的绘制；胡江生[18]以Java EE 为基础，基于MVC 设计模式，开发了包含企业信息、物联网监测、农产品溯源等模块的智慧农业软件平台；宁波农机局联合宁波移动，构建了集无线通信、GPS、GIS 等先进技术于一体的“智慧农机”平台，可实现农机监管、农机定位、农机调度等功能；江苏润果农业发展有限公司开发的农机智慧管理系统，可实现农机状态查询、作业监测、历史轨迹回放等功能，但田间作业调度功能尚在开发中。

3 平台建设存在的问题分析

若要通过平台实现果园喷药机的智能化管控，实现农业可持续发展，必须从软件、硬件及人员、设备配置等全方面入手。通过大量文献阅读及实地调研，可以发现，阻碍我国喷药机智能管控平台发展的因素主要分为以下几点：

（1）喷药机数量不足且性能落后。我国的农业机械化水平虽在稳步提升，但我国的果园以丘陵山区果园为主，约占果园总面积的65%以上[19]，丘陵山区地形地貌较为复杂，给喷药机作业带来了极大的不便，大部分果园只能采用小型喷药机，药箱容量少，作业效率低下。以实地调研的酒庄为例，宁夏西鸽酒庄当前采用的风送式喷药机，药箱容量仅为400 L，红寺堡酒庄采用的喷药机药箱容量为600 L。小容量喷药机需要频繁装水混药，增加了总作业时长，降低了喷药机的作业效率。由于喷药作业有一定的时间窗要求，故而对喷药机的数量有着较高的要求。据《中国农业机械工业年鉴 2019》，截至2018 年年末，我国共有植保机械615.26 万台，果园机械植保面积为6 124.24 khm2，仅占果园总面积的一半，喷药机的数量严重不足，喷药需求无法满足。另外，虽然我国近年来逐步开展了对提升喷药性能的研究，主要包括变量喷药技术及自动对靶技术的研究，但是目前的研究不够成熟，与发达国家相比，在对靶准确性和稳定性方面还有一定的差距，且现有的研究多停留在试验阶段，并没有推广应用。我国当前的农药有效利用率仍不足40%，为了追求防治效果，过量施药现象十分普遍，这意味着大量的农药弥漫在空气中或是飘落在地上，这不仅极大地浪费了农药、水源、人力，还会造成水果内的农药残留过高，影响水果的风味及质量，降低整体的经济效益。

（2）果园种植标准不统一。我国大部分果园种植户平均年龄较大、文化水平不高，且缺乏专家的指导，果树种植全凭经验。为了追求高产量，果树种植较密，行间距较小且不固定，没有考虑到农机的行驶、转弯等问题，部分果园中甚至出现喷药机无法驶入的问题。由于我国对于果园种植并没有严格的标准，农业机械化起步较晚，即使在规范化管理的大规模果园，许多老基地内果树种植的行距、株距等也并不相同，给果园机械化、自动化作业带来较大的麻烦，果园种植管理不规范已经严重限制了喷药机智能管控的发展。

（3）设备配置不健全。若想建设喷药机的智能管控平台，除了要提升喷药机自身的性能、智能化水平外，还要完善配套设施，比如4G/5G 的基站建设，传感器的功能提升、数量配备等。我国的移动网络发展迅速，在5G 建设等方面处于世界领先水平，但农业传感器仍是制约我国“智慧农业”发展的重要因素之一[20]。现有的传感器功能落后且稳定性较差，严重阻碍了喷药机等农机设备的智能化发展。据调研发现，在一些大规模果园，为了加快喷药速度，购买或是租赁了足够数量的喷药机，但由于大部分喷药用水是由拖拉机运载水箱拉取，而配备的水箱一般数量少且容量小（约为2 000 L），喷药机排队装水、混药等过程浪费了大量时间，导致最终的喷药效率并不高。

4 对策与建议

4.1 提升喷药机的自身性能

（1）提高通用性。由于我国的果园面积大，果树品种多，即使同一品种的水果，各个果园的行距、株距、果树高度等也不一致，可通过提高喷药机的通用性，使其适用于不同的作业场景，提升平台对不同果园的适用性。例如：设计轮距可调的喷药机，可使其适用于不同行距的果园。对于高地隙喷药机，可设计底盘高度可调，使其适用于不同冠高的果树。针对果园行间距较小，地头转弯不便等情况，可设计四轮转向的小型喷药机，以减小转弯半径，加快喷药机的转弯、调头等时间，进而提升作业效率。针对一些松软、泥泞的土地，可设计履带式自走喷药机，保证行驶速度及平稳性。

（2）变量喷药系统研究。变量喷药是提高农药有效利用率的重要手段之一。当前普遍采用的喷药量计算模型分别基于果园面积、树体面积、冠层高度和冠层体积，但这4 种模型考虑的约束都较为单一，并不能得到最合理的结果。在今后的研究中，可针对果树的品种、生长期、虫情信息、树体面积、冠层高度等进行综合考虑，喷药时通过各类传感器实时测量上传，利用大数据分析得出最优方案，智能控制喷药量，实现真正意义上的实时变量喷药，从而提高农药有效利用率。

（3）自动对靶喷药技术研究。自动对靶喷药[21]是利用超声波、光学和红外传感等技术，通过系统终端分析传感器收集的数据，确定树冠的形状及位置，然后调节喷头位置及方向，对准目标喷药的技术。自动对靶喷药技术可提高农药利用率，控制喷头不向空隙处喷药，既能保护生态环境，又能保障农机手及作业相关人员的安全。实践证明，激光传感器比红外传感器和超声波传感器工作更稳定、响应更快速、方向性更好[22]。因此，日后的研究可将激光传感器作为主要的探测装置，再对控制系统的软硬件进行设计。静电喷雾技术能够减小雾滴粒径,增加农药沉积量，提高均匀性[23]，喷药时根据喷头雾滴细度等级[24]选择合适的喷头也可以增加农药沉积量并减少飘移。

（4）风量控制系统研究。风送式喷药机作为目前果园喷药的主流设备，具有省水省药、作业效率高等优点，有着广阔的前景。但是目前的风送式喷药机送风量多为固定，不可自动调节。风量过大会导致雾滴飘散，难以附着；风量过小会导致穿透性差，喷药不均匀。若要智能化控制则需要设计风量可调节的喷药机，通过传感器感知树冠高度、枝叶密度等，通过系统分析，实现实时自动调节风量，提高农药的附着率。

4.2 明确果园种植标准

可以借鉴一些发达国家的种植经验，从行距、株距等方面着手，考虑喷药机的行驶、转弯等问题，同时也要考虑其他农机如剪枝机、起藤机等的作业要求，制定科学、规范的种植标准。新果园应当采用统一标准种植，而一些传统果园，为了适应农业机械化、智能化的发展要求，应当逐步改造，使其规范化，满足各类农机的作业条件。另外，现阶段常用的喷药机使用寿命多在3～5 y，在果园种植标准统一之后，可研制适合于新果园作业的新型喷药机等设备，从而加强农机与农艺融合水平，提高农业生产效率。

4.3 完善配套设施

近年来，中央和地方施行了各项惠农政策，包括农机购置补贴等，但是农业生产投入回报周期普遍较长，若想提高农业机械化水平，政府还应投入更多资金，加强农机设备购置补贴政策，或是提供低息贷款等服务，鼓励农民和农业类企业积极购买、使用现代化喷药机；其次，促进农业企业与高校合作，创办研究生工作站等技术研发机构或产学研合作平台，加大研究力度，引导我国农业传感器的发展，为“智慧农业”相关平台的建设打下良好的硬件基础。另外，还要系统性地考虑智能管控平台建设及运营所需的各类条件，如水箱、拖拉机等的数量配备，装水混药的合理地点，天线型号与导航系统的选择以及职业农民的培训等。

5 平台建设

果园喷药机智能管控平台以Java语言为基础，采用结构化系统开发方法、面向对象技术进行开发，平台客户端将由界面层、服务层和持久层构成，各层之间的工作流程如图3 所示，系统平台的功能结构如图4 所示。

图3 各层工作流程图Fig.3 Flowchart of each layer

图4 系统平台功能结构图Fig.4 Functional structure diagram of the system

该平台预期可实现对果园及喷药机的信息监测，实现对喷药机的智能管控。具体功能如下：通过4G 通信技术将传感器收集的果园信息、人工发布的作业需求信息、喷药机信息等上传到服务器，实现区域内喷药机与作业需求的合理调配。将作业环境的各项数据实时上传到服务器，运用大数据分析，做出科学合理的决策，远程控制喷药机，实现自动变风量、变喷雾量、调节喷头位置等功能。统计喷药机的作业面积、作业时长，用以分析喷药机的作业效率，为提高喷药机性能提供研究方向。最后，通过元启发式算法对田间路径进行合理规划，以减少作业冲突，降低油耗，提高喷药机的作业效率以及利用率，实现环境和经济效益的最大化。

6 结语

虽然我国喷药机的数量与性能正稳步提升，但是与“智慧农业”的发展要求相比仍有较大的差距，喷药机的性能及智能化水平还有待提高。果园喷药机智能化管控平台的建设并非一朝一夕的功夫，要系统地、全面地考虑各种因素，不仅要从提升喷药机数量、性能入手，还要关注果园的规范化种植、管理及操作人员的专业化培训、配套设施的完善等，这需要政府、农业企业、果园种植户及高校、研究院等的共同努力。果园喷药机的智能化发展及智能管控平台的建设对降低果园生产成本、提升经济效益及提升农业生产现代化水平有着重要意义，是实现农业可持续发展的有效途径。