传统农业向现代农业转变是农业发展的必然趋势。 农业生产是个资源消耗巨大 的行业。我国人口众多，人均 能源、水利资源和土地资源 明显不足。相关数据显示，当 前我国化肥、农药利用率均 不足 35%，农村能源利用率 约为 25%。资源的不合理消 耗不仅导致资源的浪费，也 导致人类居住环境和生态境遭受严重破坏。因此，在现代农业生产过程中提高农业 生产的资源利用，发展低碳 农业十分必要。发展高效、智 能化农业机械和设备，有利 于新能源、水资源、肥料及农 药等资源的充分利用。电子 信息、机—电—液技术、分子 生物学、自动控制等现代新 技术发展智能化农业生产技 术和机械设备的运用，对发展低碳农业意义重大。
一、智能化农业简介
1. 智能化农业的定义 人类从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言 的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”。所谓智能 化农业，我们可以定义为：在动态环境下，先进的农业 技术通过电子信息技术的逻辑运算、传导、传递，发出 适宜指令指挥科研仪器、农业机械来完成正确的动 作，从而实现农业生产和管理的智能化。智能化农业 包涵农业专家系统、农业智能化控制系统和农作物智 能化机械。
2. 实现智能化农业的优点
（1）为植物提供最优化生长条件 为作物提供一 个最有利的生长条件，最大限度地提高作物产量，是 人们长期以来追求的目标。为此，需要随时掌握有关 信息，并及时对有关信息进行分析处理和决策。这类 工作由人来做既费力又不及时，机器进行处理最适 合，因为只有机器才可能连续地工作。但要想由机器 来完成这些工作，就需要机器有收集分析信息、推理 和决策的能力，即必须具有智能化。
（2）降低成本 为了最大限度地减少投入、增加 产出，以求得农业生产的最佳效益，人们必须准确及 时地了解作物生长的需求，探讨农业生产各种投入与 产出的关系，随时根据作物情况和作物生长环境对生 产进行调整。这种调整，必须通过智能化机器来实现。
（3）保护环境 近年来人们对环境及资源的保护 越来越关注，例如对农业化学药品使用的谨慎态度， 使一些作物的栽培措施也发生了变化。例如，在人们 用了多年化学除草剂之后，有回到机械除草的趋势。 有效的机械化除草方式需要智能化的机器。
（4）提高农业全程机械化水平 智能化技术的应 用，可使目前难于实施机械化的项目实现机械化作 业，从而使机械化整体水平得到提高，相关机械的性 能更加完善。
3. 智能化农业的发展趋势
从 20 世纪 80 年代以来，有关农业的智能化技术研究不断增多，但大都处在研究阶段。其中研究和应 用得最多的是视觉和图像处理系统。此外，神经网络 系统、决策支持系统也已在农业生产方面得到了广泛 应用。总起来看，虽然大部分的智能化农业研究尚处 于基础的阶段，如各种传感元件的研究，各种信息的 收集、分析、处理方法的研究及各种模型和决策系统 的研究等。但智能化技术在农业上的应用日渐广泛。 近几年来，随着农业科研水平的不断提高和 IT 技术 的进步，配方施肥、调亏灌溉节水技术等不断提出，变 量施肥、精量播种等技术正在被应用。智能化农业不 但可以减少浪费、节约资源，更重要的是节省人力、降 低成本。面对日益严峻的国际竞争。可以预测，智能化 农业是我国现代农业的发展方向。
二、智能化农业生产技术
1. 智能化农业生产技术以农业专家系统为核心 它是一种拥有高层次、多方面农业专家知识、并 能模仿人类的推理过程，在计算机或其他智能终端上 以形象、直观的方式向使用者提供各种农业问题咨询 服务。农业专家系统不仅可以保存、传播各类农业信 息和农业知识、而且能把分散的、局部的单项农业技 术综合集成起来，经过智能化的信息处理，能针对不 同的土壤和气候、作物生理特性、生长特性等环境条 件，给出系统性和应变性强的各类农业问题的智能化 综合解决方案，为农业生产全过程提供高水平的服
务，从而促进农业规划化或智能化生产。
2. 智能化农业生产技术包括基于信息和知识的 农田作物生产经营管理技术
它既需要利用先进的田间信息采集技术，以获得 农田小区作物产量和影响作物生长主要因素的空间 分布信息，又需要对这些信息进行处理，运用农业科 学知识制定农田与作物栽培管理决策，指导分布式定 位处方农作，以实现资源高效利用和可持续发展的优 化目标。如 GPS、GIS 技术用于作物管理主要包括 3 方面功能：一是产量监测；二是样本采集；三是投入计 划。通过测试分析田间多种样本得到相关的数据信 息，并以状态分布图的形式表示出存在的“空间差 异”，采用“可变量施用”技术来满足不同区域，甚至平方米范围内的作物生长的实际需要，从而实现合理投 入、提高效益和保护环境的目标。
3. 智能化农业生产和管理是现代农业、低碳农业 的必然趋势
针对我国人均种植面积小、一年两熟甚至一年多 熟的种植特点，实施不同作物的间作套种，实施田间管 理的定时、定点、定位施肥、灌溉、植保很有必要。利用 智能化的农业机械实现智能化农业生产和管理是现代 农业、低碳农业的必然趋势。
三、国内外智能化农业机械设备现状
机械化农业是一种高产出、集约型的生产模式，它 极大地提高了劳动生产率和土地产出率。但是简单的、 传统的机械化方式却存在能源浪费、功能简单等问题。 因此，现行的机械化农业有待于提升和改造，节能型智 能化农机的开发、利用十分必要。农业机械作业的精确 化与高效益，将进一步推进农业生产的高度现代化，进 一步提高农业装备的自动化、智能化水平，使农业资源 的利用更精确、高效和科学合理。在未来农业生产中智 能化农机将会越来越重要。
1. 国外智能化农机技术现状 目前欧、美、日等发达国家农业已基本实现全面机
械化，智能化农机技术也具有相当高水平。20 世纪 90 年代中期，美国就将应用于海湾战争的卫星导航系统 安装在农业机械上，从而领导美国农业机械在世界上 率先走向了高科技、高性能、智能化。作为世界上最大 的农机制造企业之一的美国约翰·迪尔公司制造的农 机在作业时，利用配备的信息收集仪器和发送仪器会 对作业状况进行检测，然后发送到卫星上，卫星对信息 进行分析、储存后，进行电脑作图，把土地的产量、肥药 情况、湿度等进行绘图，发给农民，使农民对第二年的 耕作有精确的估计。
纽荷兰公司的电动拖拉机技术在农业机械清洁能 源利用方面处于领导地位，其“NH2”拖拉机的传统的 燃烧室发动机被氢燃烧室所替代，氢燃烧室产生的电 流驱动电动马达为拖拉机提供能量。德国芬特公司 （FENDT） 的拖拉机和克拉斯公司（CLAAS）谷物联合机已装置了若干个标准的电子控制单元（Electronic Control Unit, 缩写 ECU）。它实际上已是 一个带有独立处理信息与控制功能的计算机智能控制 终端，是针对农业机械使用环境专门设计的通用微型 作业计算机（Job Computer），具有统一标准设计的接口 和采用了现场控制局域网络 （Controller Area Network, 缩写 CAN）技术及其网络通信协议。
机器的若干重要部件采用了独立的带微处理器的 ECU, 由设置于驾驶室带液晶显示的用户总线虚拟仪 器终端控制器进行作业工况的显示和输入控制指令。 机组上所有独立的电子控制设备均具有标准的输入 / 输出接口，挂接到标准总线上按规定协议进行通信和 控制。总线上还留有插接端口可与外部计算机连接，对 总线系统设备进行诊断或实施系统扩展（Expansion On Line, 缩写 EOL）。
农机机组的 ECU，正在由早期的专用控制器设计 向通用控制器方向发展。这样，一个标准的 ECU 即可 用于与不同类型的农机部件和不同厂商的产品配套使 用。随着机器工作幅宽和作业速度不断提高，机器中的 控制器数量不断增加，机组自动导向也引入到了大型 拖拉机和自走式农业机械。美国伊科德（EC—DA）公司 的拖拉机的精确制导系统可辅助驾驶，使拖拉机在田 间直行，利用先进的固态陀螺仪和 GPS 接收信号使拖 拉机自动保持左右误差不超过 20 mm。精确制导技术 能够使农民在完全黑暗的夜间或在大雾中驾驶拖拉 机、联合收获机工作成为可能。
2. 我国智能化农机技术发展现状 我国的农机智能化近年来有了较大的发展。但是和国外发达国家相比在农机具智能化方面差距还非 常大，智能化机具很少、智能化程度低，目前在精准农 业和联合收获机械方面有一定的研究和应用。由中国 农机院主持的、正在实施中的国家 863 计划中，已列 入了如山地姿态智能调控动力底盘等智能化农机的 研究内容。
四、智能型农业机械在现代农业中的应用
1. 动力机械的智能化 动力机械的智能化包括农用拖拉机、大型自走式
农机（联合收获机、植保机械等）在行走、操控、人机工程等方面。利用 GPS 自动导航、图像识别技术、计算 机总线通信技术等汽车航天技术来提高机器的操控 性、机动性和人员舒适水平。
智能化动力机械驾驶室中，都有一台或数台计算 机，具有统一标准设计的接口，可用与不同类型的农 机具配套使用。传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电 子监视仪表取代，并逐步由单一参数显示方式向智 能化信息显示终端过渡，从而大大改善了人机交互 界面。它可在屏幕上按操作者的需求通过屏幕菜单 任意选择显示机组中不同部分的终端信息，调用数 据库信息，显示数据、图形、语音等多媒体信息。
2. 工作机械的智能化工作机械的智能化包括播种机、施肥机、整地机械、田间管理机等作业机械的智能化作业。如激光平 地、变量施肥、喷药、机具作业状态监控、故障报警等。 可起到提高效率、节约化肥、农药和水资源，降低成 本；保护生态环境，减少土壤、水体、动植物遭受污染。
装有产量传感器等部件的谷物收获机，可以自动 计量累计产量，再根据作业幅宽（估计或测量）换算为 对应时间间隔内作业面积的单位面积产量，从而获 得对应小区的空间地理位置数据（经、纬度坐标）和小 区产量数据。而谷物流量传感器通常是安装在脱粒、 分选、清粮过程后的净粮输出部件上，要反映作物田 间对应位置的产量计量数据，需要考虑到收获机的 结构尺寸内物流工艺设计，作业速度等多种因素，通 过建立数学模型来作出估计。
变量施肥机主要用于测产施肥。通过电子地图 提供的处方信息，对地块中的肥料撒施量进行定位 控制调整。美国 Ag- Chem 仪器装配公司生产的施肥 系统可进行干式或液态肥料的撒施。它通过电子地图 内叠存的数据库处方，可同时分别对磷肥、钾肥和石 灰的施用量进行调整。该设备用气动或气流方法可将 干肥料喷撒到 22 m 的幅宽，并配备有 4 个分离的肥 料仓，两个为微型营养物或除草剂料仓，另两个为化 学品料罐，它可实时配制 8 种不同成份的混合肥料。
精确变喷药机可以利用棕色土壤和绿色作物叶子能反射不同波长的光波，可用于辨别土壤、作物和杂草。利用反射光波的差别，可用于鉴别缺乏营养 或感染病虫害的作物叶子。变量施加除草剂有两种方 法，一种是利用杂草检测传感器，随时采集田间杂草 信息，通过变量喷撒设备的控制系统，控制除草剂的 喷施量；另一种是事先用杂草传感器绘制出田间杂草 斑块分布图，然后综合处理方案，绘出杂草斑块处理 电子地图，由电子地图输出处方，通过变量喷药机械 实施。研究表明，通过处方变量投人,可使除草剂的施 用量减少 40%~60％。
精确变量播种机根据不同地块的播种期土壤墒情，土地生产能力（参考产量图）等条件的变化，精确 变量播种机可以进行播种量、开沟深度、施肥量的调 控。美国依阿华州生产的“ACCU- PLANT”可编程的 播种机控制系统，可附加在各类播种机上，它由液力 传动系统，微处理器和雷达测量地速传感器组成。液 力传动系统利用拖拉机上的定量泵驱动液力马达。液 力马达的转速可由步进电机控制，它的输出轴通过链 条传动与播种机的播种量计量轴相连接。通过步进电 机控制液力马达的转速，便可调整播种量。有些条播 机还附有同时撒施肥料、杀虫剂和除草剂的撒施装 置，由于这些机构的驱动轴与播种机计量机构连接在 一起，其撒施量可以随同播种量变化的大小同时进行 调整。
精确变量灌溉设备比漫灌可以大量节约用水，并 且省工、省时。利用调整喷灌机械的行驶速度、喷口大 小和喷水压力等都能进行喷水量的控制，可以根据地 块和作物的要求，进行适时适量地施水，这些控制在 利用微机后都容易实现。国外的自动灌溉管理系统 可在几周前根据不同的作物生长期、土壤和地貌情况 的要求，编写灌溉程序软件。喷灌机械可以自动地按 程序发出的指令，在规定的时间，按不同地块的要求， 洒入不同的人工降雨量。该系统加上遥控装置后，能 够存储数据，通过个人计算机和通信网络，可实现在 远处的控制室内进行灌溉管理。如在大型平移式喷 灌机械上加设 GPS 定位系统，也可实现利用存放在 地理信息系统中的信息和数据，通过处方，实现人工降雨的变量投人。在国外，常把喷水和施肥、喷撒农药结合进行。
3. 农机具管理智能化 农机具管理智能化包括机具配置、机具状态、实
时调度的智能化。充分发挥农业机械的作用实际上是 一个系统工程，在一个农场、一个区域甚至全国形成 一个高效的管理网络，进行信息采集、传递、存储和状 态分析，根据作物生长情况、气候变化合理调度，真正 发挥农机的效率。
欧洲一些大农场，已开始建立和使用农场办公室 计算机与移动作业机械间通过无线通信进行数据交 换的管理信息系统。这可以使农场管理调度中心计算 机可以直接调用读入各个田间作业机械智能终端存 储的作业数据，存入农场计算机的数据库中。由于农 场计算机中具有比移动作业机强大得多的信息存储、 处理功能、专家知识库和管理决策支持系统，因此通 过计算机处理后，制定详细的农事操作方案和导航作 业计划后，通过无线通信数据链路传回到田间移动作 业机。由于微电子和计算机技术的迅速发展，现代农 业机械已广泛采用自动监测和自动控制技术，装备有 各种传感器和由微处理器组成的监控器和显示板。由 于自动控制的需要，采用了机械、电子和液压控制的 先进技术，操作更为简便。驾驶员可根据数据的显示， 适当调整作业的负荷和作业速度，使机组能在较佳的 工况下运行。此外，由于采用多种先进传感技术和微 处理器用以采集和处理各种数据，经过软件的运算和 处理，完成诸如作业面积、耗油率、产量计算、统计和 友好的人机界面显示等智能化功能。
美国 CASE 公司于 1996 年提出先进农作系统（Advanced Farming Systems, 缩写 AFS） 技术思想, 其 基本思路是在充分认识农田内作物产量与作物生长 环境因素的空间分布差异性的基础上，实施定位处方 农作，从而达到科学发挥土壤潜力、节约投入、提高产 出—投入比、减少环境污染的目的。
智能化农业机械需要有不同类型的信息采集传 感器，适于农机工作环境和结构设计的控制执行器， 高性能的电子控制器和相应的软件支持，需要建立拖 拉机、农业机械各部件电子控制单元间的通信、接口设计标准。这些都需要机械、电子、信息管理等多种学 科的集成支持。
五、我国智能化农业及机械的发展趋势分析 和建议
智能化农业的发展将随着社会对低碳生活的重 视不断发展。我国由于地少人多、生态环境恶劣，更需 要尽快发展节能高效的智能化农业。
1. 研究适于我国的农业机械装备、种植特点的 智能农机
围绕提高生产、节本增效和保护环境的目标，急 需研究适于我国的农业机械装备、种植特点的智能农 机，如适合异地作业的带产量图自动生成的小麦、玉 米和大豆收获的谷物联合收割机，可检测缺苗断垄 的、可实施变量的谷物精密播种机、施肥机、施药机和 灌溉设备等。
2. 研制实用的田间自动导航的拖拉机与自走式 农业机械
应尽快研制实用的田间自动导航的拖拉机与自 走式农业机械，使农艺上的行间管理、打药除草、间作 套种等技术实现机械化作业。
3. 发展电动拖拉机、电动联合收获机 发展电动拖拉机、电动联合收获机，为低碳型农业提供技术支撑。与普通燃油车辆相比，电动车辆具 有零排放、低噪音、高效率、易操作等优点，是解决燃 油车辆所面临各种问题的最佳替代方案。长期以来， 电动车辆的研究一直受到人们的广泛重视，各国政府 和许多大公司相继投入大量资金用于电动车辆，特别 是电动汽车的研发，并取得了巨大的进步。与电动汽 车的快速发展相比，电动拖拉机的发展则显得十分缓 慢，在我国电动拖拉机几乎是空白。
4. 利用4G网络技术，为现代农业管理提供技术支撑
以 4G 手机为终端，利用网络技术进行小区域（本农场或一块地）农机的使用信息采集、下载、传输、 处理等管理，形成数据积累，对现代农业管理提供技 术支撑。
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