周 征 封俊宝

（南阳职业学院，河南 南阳 474500）

随着科学技术的不断发展，当前农业机械设计正从传统的机械化模式向智能化方向发展，新产品具有智能化和网络化的特点。以信息技术为基础的智能化设计能够满足当前多样化的生产需求，可节约劳动力资源，缩减研发周期，显著增强产品的竞争力。智能化设计技术广泛应用于制造业，如航空航天、汽车制造和机床等制造领域，被称为“二十一世纪的先进制造技术”［1］。农业机械智能化设计涉及机械设计、农机农艺融合、知识管理和网络管理协调等多领域的技术和方法［2-3］，近年来，国外农机企业竞争加剧，研发投入较高，在农业机械智能化设计方面取得了不菲的成绩，如约翰迪尔（John Deere）、凯斯公司（Case Corp）、爱科集团等国外企业应用信息技术，加大智能化和信息化的研发力度，形成了较强的市场竞争力，在我国的市场份额不断扩大。虽然我国农业机械产品规模较大，但是面对国际竞争，仍具有较大差距。究其原因在于我国幅员辽阔，种植模式多样，且在农业机械设计上需要考虑各地的实际情况，这就导致出现农业机械种类繁多、生产规模普遍偏小的问题。

我国农业种植面积大，但是人均耕地少，对于规模化经营和农业发展带来了不便，这就需要加速研究农业机械智能化设计技术，推动农业发展［4-5］。2015 年 5 月 19日，国务院正式印发了《中国制造2025》，文件明确指出农业机械制造业的重点是加速建立行业技术标准，推进数字化设计平台建设，实现数字化、智能化和模块化。为此，加快重点技术研发，持续推进农业机械向着智能化和数字化方向发展［6］。为此，在国家大力支持的背景下，有必要梳理当前农业机械设计面临的困境，分析面向生产现实需求，提出未来农业机械智能化设计思路，为农业机械化发展奠定基础。

1 智能化设计技术的内涵

智能化设计指的是将基于知识的工程（KBE）技术与计算机辅助设计融合，面向生产需求的一种现代化的设计方法。即设计人员应用现代信息技术，采取计算机模拟人类思维，提升设计的智能化，使设计系统能够运用丰富的知识进行推理、模拟、决策，实现产品设计的智能化［7］。

1.1 智能化设计向多元化方向发展

随着信息技术的发展，大数据、智能制造及虚拟现实等技术逐渐兴起，智能化设计向着多元化和更高层次发展，将多种学科和专业领域结合，在网络和分布式数据模式下，实现产品设计的集成和并行。这样的智能化设计能够在最大限度上满足用户需求，同时实现任务的合理分配。为此，未来智能化设计将以网络与分布式数据库融合，实现多个独立的智能体联合，进而实现产品设计的协同和并行。

1.2 智能化设计技术具有高效知识推理体系

从智能化设计技术的优势看，智能化设计技术能够形成相对完善的知识推理机制。知识推理机制的形成和应用，方面了对用户需求和精准把握，在具体的设计过程中，如果用户信息和需求发生变化，知识推理机制会对其进行及时调节和反馈，保障了数据的科学性和高效性，另外，知识推理机制能够将变化的数据及时同步于数据库，这为后续工作开展起到了积极作用［8］。

2 农业机械智能化设计的意义及原则

2.1 农业机械智能化设计的意义

农业机械智能化设计技术是将智能化设计应用在农业机械，使得农业机械符合现实生产的需求，对于农业规模化生产具有重要意义。农业在国民经济发展中具有重要作用，是我国的基础性产业。当前我国农业机械化在普及、生产、加工方面存在很多问题。随着现代科技的不断发展，农业由机械化步入信息化进程，这就需要在农业生产中充分应用信息技术，有效提升农业生产效率，发挥农业机械在农业生产中的作用。进行农业机械智能化的设计要依据用户需求进行设计，以此提高农业生产效率和满足生产需求。农业机械智能化的设计有助于解决当前农业机械发展存在的问题，有利于缩小与发达国家之间的差距，加速推进我国农业机械化的进程，推动农业现代化建设，进而提升农业生产效率和农户收入。

2.2 农业机械智能化设计的原则

以智能化设计技术发展来看，智能化设计技术是科学技术发展的产物，是将生产中产生的数据有机整合，同时结合技术优势，以此满足用户需求。从使用过程来看，智能化技术可依据用户需求及时进行调整，以满足生产需求。农业机械智能化设计的主要特点有以下3个。一是实现农业作业任务的合理分配。农业机械具有复杂的系统，包含种类繁多的总控系统和子项系统，利用智能化设计对农业机械重构，可满足复杂多样的生产需求。例如，农业机械作业过程面对多项任务时，以往紧靠总控系统可能导致数据处理的错误，利用智能化设计技术可有效的协调总控系统和子项系统的任务分配，在一定程度上避免了任务交叉重复现象。二是科学的归纳数据库。传统的农业机械设计产生的数据较多，对部分设计工作造成影响，利用智能化技术对数据分类，可便于开展设计工作。三是具备高效的知识推理体系。农业机械智能化设计的重要特征之一便是具备高效的知识推理体系，该体系的建立有助于设计人员根据农业生产的复杂性设计农业机械，如设计过程中需求变化，系统可根据需求自行调整。

3 农业机械智能化设计技术应用方向

3.1 农业生产信息采集方面

农业生产信息采集指的是在农作物全生育期进行全方位、多层次的信息采集，以综合判断农作物生长情况，具体包括土壤水分、肥料运筹、土壤质地、气象数据及土壤耕作情况等。采集的数据主要用于建设农情信息数据库，需具备完整性、多样性和真实性的特点。采集的生产数据用于判断作物生长情况，进而为作物生长管理提供决策，这样的农情信息综合决策有助于发展农业现代化。目前，我国农情信息的采集处于起步阶段，还有许多技术难点未突破，在一定程度上限制了农情信息的采集和利用。但随着科学技术的进步，智能化设计技术有了长足的发展，目前已经研发出了大量的采集农情信息设备。当前农情信息智能化设计主要集中在将智能化设计技术与地理信息系统、遥感技术、全球定位系统有机结合，实现对作物全生育期的农情信息监测，包括水肥运筹、营养诊断及病虫害监测等。其次是作物生长的土壤墒情方面的实时监测，智能化设计技术在土壤墒情方面的检测有助于提升检测效率和降低相关运行设备的费用。

3.2 农业机械导航方面

农业机械导航是实现精准农业的必要前提。在社会的不断发展过程中，自动导航技术在社会各领域得到了广泛应用，在农业机械和科学技术不断创新的背景下，农业机械智能化设计与导航技术的结合，可大幅度提升农作效率，降低劳动成本，提升农业作业效率，加快农业现代化和信息化的进程。目前应用于农业生产的自主型导航技术主要有视觉导航技术、GPS、全球卫星导航技术和电磁导航技术。我国的国土面积较大，在农业技术智能化设计与导航技术结合应用过程中，需考虑作业地的地理条件，这就要求农业技术智能化设计与导航技术结合，同时结合当地实际情况设计，实现两者协调。

3.3 农业机械作业方面

农业生产要素包括“土、肥、水、种、密、保、管、工”8个方面。将农业机械应用在具体的农业生产中，在“土”方面，土壤是农作物生长的基础，良好的土壤环境有助于种子萌发和生长。传统改善土壤的方式是畜力耕地，其耕作深度仅12 cm，不能有效改善土壤质量，后来发展的拖拉机犁地，虽然可以在一定程度上深松土壤，但仍达不到耕作要求，长此以往土壤根层变浅，难以满足作物根系生长需求，同时保水保肥能力变弱，影响了产量。因此，有必要推广智能化的深松土壤机械，深松犁底层，促进作物产量形成。可有效控制耕作深度，提升耕地质量。在“肥”方面，机械化撒施提高了有机肥撒施均匀度，有效降低了劳动成本，提高了工作效率，通过农机与农艺有机结合，降低了有机肥施用成本，为农业全程绿色机械化发展奠定了基础。在播种方面，农业智能化设计技术与播种器结合，可实现“一播全苗，一播壮苗”的效果，有效提升了播种质量。农业生产的“管”方面，重点在于机械化防治病虫害及中耕等农艺措施，智能化机械在该领域应用具有代表性的是无人机植保。近年来，推广节水、节药、高效的植保无人机等现代植保机械进行作业，与传统人工防治相比效率提高60 倍以上，为当地农业丰产丰收打下了坚实基础。在农业生产中劳动力最密集的收获环节，将智能化设计技术与农机、农艺结合，可大幅度降低劳动成本，减少作物收获损失，提升作业效率。

3.4 精准农业方面

精准农业是指根据田间各经营单位的环境条件和作物产量的时空差异，对各种农艺措施进行精确、准确的调整，以获得最高的产量和最大的经济效益，同时保护农业生态环境、土地等农业自然资源。精准农业是当前及未来农业发展的方向，在农业机械智能化设计技术的落地方面，就需要考虑当下及未来农业的需求。精准农业将现代计算机技术与传统农业融合，进行农业种植过程的精准决策，在生产过程中及时有效地收集农业大数据，计算机根据农业生产特点进行有效的资源匹配，进而制订出科学合理的农业种植和管理方案，避免传统农业的盲目性。

4 农业机械智能化设计技术未来发展方向

目前，我国已成为农业机械生产和使用大国，农业已由传统的精耕细作转变为机械化和智能化生产，有效地提升了生产效率。以智能化为代表的现代农业机械成为了先进的生产力工具，农业无人机、智能收获机、农田管理智能化系统等发展较为迅速。相关研究表明，未来农业机械智能化设计主要集中在自动驾驶拖拉机、农业机器人和无人机［9］。为实现上述目标，当前我国农业机械智能化设计可着重从以下几个方面入手。

4.1 农业机械差异化、个性化设计

我国区域辽阔，各地种植作物不同，且种植模式多样，对于农业机械的需求存在差异。为此，未来的农业机械智能化设计要因地制宜，结合适合区域的机械设备，为区域量身定做农业机械，以满足多样化的需求，同时加强农业机械生产企业与农户之间的联系，建设相关数据库，分析农户需求，使农业机械设计更加科学化。

4.2 农业机械智能化设计建模智能化技术

农业机械产品设计建模涉及机械产品使用生命周期、机械产品信息和机械组件共享等因素，实现农业机械的实用性和精准性是农业机械智能化设计建模智能化的方向。目前，适用于我国农情的农业机械建模技术有计算机辅助设计和本体建模等，这些建模技术可有效衔接农业智能化设计和生产环节，对农业机械智能化生产模式起到了优化和改善作用。未来农业机械智能化设计建模技术必然是以机械生命周期设计为基本要求，使农业机械产品更加智能化。

4.3 智能化管理系统

智能化管理系统指的是将现代信息技术和机械化装备结合并应用于农业生产方面的高效、智能化的生产系统。任何事物的发展不是孤立的，要形成产业链，就要形成一个完整的系统。我国农机发展方向应是智能农机系统，智能农机系统是由复杂的农机加上感知、决策、控制形成智能农机，但是目前还未形成完整的系统。构建智能农机系统，必须与大数据、云平台、物联网相结合。智能化的管理系统能够面对复杂的农业生产情况做出综合决策，如在何时进行农事操作及管理，以及在作物生长中对农业信息进行有效的加工和处理，并对后期生长进行预测，人们可根据智能化的管理系统对农事活动及时作出调整，进而提升生产效率。

4.4 多层次协同仿真技术

农业现代化进程的加速和精细农业及信息农业的发展，对农业生产的田间管理和农业机械性能提出了新的要求，农业机械的仿真分析也从单一领域向着多领域协同发展，柔性建模技术、多学科协同、人机交互等成为了优化农业机械性能、加强智能化设计的热点研究领域。从农业生产的系统性看，土壤、作物和机械系统协同发展成为了当前智能化设计考虑的重点和难点，构建起三者的协同理论并应用于实践是当前农业机械智能化设计的必由之路。

5 结语

农业机械智能化设计是一个系统工程，在农业机械智能化设计、农业机械导航、机械作业等方面有着广泛应用。智能化设计技术与农机、农艺结合，可大幅度降低劳动成本，提升作业效率。在实际的农业生产中，需不断加强基础研究，设计适合区域种植模式的农业机械，以智能化管理系统促进精细农业发展，构建起多层次协同仿真技术，促进农业机械智能化技术发展。