2015年农业机械行业科研进展综述综述

2015年农业机械行业科研进展综述
2015年是“十二五”的收官之年，也是谋划“十三五”的开局之年。

在国家科技部、农业部、工信部等有关部委的系统部署和大力支持下，行业各级组织围绕农业机械科研创新与产业发展，完成了《农业装备产业科技发展“十二五”专项规划》全面实施与评估工作，研究制定了“中国制造2025”农业装备重点领域产业路线图，组织策划并启动了“智能农机装备”重点研发计划专项实施方案，为“十三五”农业机械行业发展奠定了良好基础。

一、农业装备产业科技发展“十二五”专项规划实施情况
专项规划从基础研究、技术开发和集成示范三个层面，大型多功能农田作业装备、农机智能装备、设施农业装备、小型轻便作业装备、畜牧业装备与设施以及产地商品化处理装备等六大重点方向，围绕加强土壤-动植物-设施环境-机器系统应用基础研究，提升农业装备原始创新能力；加强农业装备前沿技术开发，提高农业装备智能化水平；加强农业装备集成技术研究与示范，加快农业机械化发展进程等方面，确立了土壤-动植物-设施环境-机器系统应用基础研究、现代多功能农机装备制造关键技术、智能化农机技术与装备、现代节能高效设施园艺装备研制与产业化、现代畜牧业福利养殖设施与技术装备、农产品产地商品化处理关键技术与装备、高效环保机械化农业关键装备研制与示范等7项重大任务。

专项规划实施系统部署重大任务各项工作，组织财政投入、企业自筹等渠道投入95650万元，其中财政专项投入45170万元。

专项规划实施取得了一批应用基础和共性关键技术，以及大马力拖拉机以及多功能作业、定位变量精准作业、高效精量植保等重大装备成果，加速了农业装备产业技术创新步伐，在粮食主产区、经济作
物生产优势区域得到示范应用和产业化转化，有力支撑了全国农作物耕种收综合机械化水平超过61%，全国农业机械总动力达到10.76亿千瓦，农机工业总产值超过4000亿元，自主农机产品市场供给能力达到90%以上，我国成为了世界农机制造和使用大国，为粮食产量“十一连增”提供了强有力的技术装备及科技支撑。

1.土壤-动植物-设施环境-机器系统应用基础研究
（1）土壤植物机器系统应用基础技术研究
突破了机器与土壤、种苗、农肥、水分和农药等生产要素协调作用机理，开发了全天候机器作业工况模拟实验系统并基于该系统研制了苗床整备、种苗移栽、精确施肥、节水灌溉和精准施药等旱作移栽全过程关键作业环节新技术、新装置，构建了旱作移栽过程土壤植物机器系统应用基础技术研究体系，推进了以数字化技术和图像表征的农业装备应用基础技术理论研究。

——通过苗床整备过程土壤质构变化与环境融合规律的研究，突破了模拟系统的耕种特性自动检测、传感器遥测、土壤恢复信息采集、处理与决策控制、台车功能集成化、实时监测与数据处理等关键技术，开发了土壤恢复系统、机具悬挂系统、测试系统及控制系统，集成研制了全天候智能化的机器土壤作业工况模拟系统，可以提供开放工况下的系统研究条件。

——通过不同机器移栽结构、不同苗态、不同作业参数以及土壤质构状态下的种苗直立度、深度和伤苗率的相互关系研究，突破了齿轮-五杆机构取苗、方块基质苗指钳式双栽植臂取苗、基于PLC的钵苗自动输送、非圆齿轮旋转箱栽植等关键技术，建立了作物柔性体与机械多自由度刚性体复合仿真模型，推动了机器与植物的农艺深度融合。

——探讨了移栽作物生长过程，作物长势和营养状况等冠层信息实时探测与分析方法以及土肥、水分的释溶过程，研究了基于近红外光谱分析的土壤养分快速检测方法、变量配肥施肥控制方法，突破了土壤养分样本在线采集、基于激光诱导击穿光谱的土壤养分检测等关键技术，揭示了精确施肥过程土壤养分实时探测与释溶规律。

——通过节水灌溉过程土壤墒情实时探测与水分迁移过程研究，提出了土壤水分空间变异规律的频域分析方法，掌握了土壤水分空间分布及运移规律，为优化作物生长环境提供理论基础。

——通过精准施药过程作物病虫草害识别理论研究，建立了田间典型杂草数据图谱库和行间杂草识别方法、喷雾雾滴均匀度的检测方法、作物冠层营养水平自动测定评价方法，突破了基于多特征的杂草识别、病虫害识别等关键技术，支持作物生长精细化管理与智能决策。

（2）旱作高速移栽系统应用基础技术研究
围绕移栽作物生长土质环境、作物高速移栽方法和营养环境条件等科学问题，针对旱作高速移栽从土壤养分测定、移栽作业、生长过程评价等环节技术需求，开展了深松作业过程仿形减阻与延寿技术、全自动高速移栽过程优化与作业机理以及苗床土壤养分快速自动测量和移栽作物生长过程养分实时探测方法研究；探索了开放工况下苗床土壤有效养分与总含量变化规律、深松部件结构形式变化与土壤相互作用规律；研究了深松部件表面处理工艺方法、苗床土壤养分快速自动测量和移栽作物生长过程养分实时探测方法，以及提高移栽作业效率的自动取苗、精准送苗和高速栽苗原理等；建立了土壤养分分析试验系统、深松作业过程阻力试验系统、旱作移栽机械作业过程模拟研究试验系统、作物生长过程营养分析系统，构建形成了旱作高速移栽试验研究平台，支撑旱作移栽土壤植物机器系统原始创新。

——创新开发了苗床土壤养分快速自动测量和移栽作物生长过程养分实时探测方法，实现按需精量精准供给，保障作物生长效率，促进增产增效的营养环境条件。

针对移栽作物生长过程中苗床土壤养分快速测量问题，研究了土壤养分以及移栽作物营养实时在线测量方法，开发了基于激光诱导击穿光谱的土壤养分在线检测技术和基于MATLAB平台的分析系统，探索了激光诱导击穿光谱检测土壤钾、氮、磷元素含量的最优特征谱线及最优实验参数，建立了智能型土壤采样方法，开发了农田现场土壤采集及检测一体化装备，为测土配方施肥奠定基础。

针对移栽作物生产过程营养监测需求，研究建立了基于AOTF的高光谱成像系统的作物营养分析试验平台，用于开展作物营养及长势监测技术的研究；利用MPA傅里叶变换型近红外光谱仪测定番茄叶片的积分球漫反射光谱，研究了番茄苗水分、氮素以及叶绿素之间的近红外光谱定量关系模型，采用偏最小二乘回归算法建立了光谱数据与植物生化组分信息的定量分析模型；研究了基于AOTF 高光谱成像和近红外特征光谱的番茄苗氮含量快速测定方法，比较分析了竞争自适应重加权采样法（CARS）、蒙特卡罗无信息变量消除法（MCUVE）、向后间隔偏最小二乘法（BiPLS ）和组合间隔偏最小二乘法（SiPLS）4种特征波长挑选方法，筛选与番茄苗氮含量相关的特征光谱，定性分析作物营养状况，为按需精准施肥提供理论支持。

——突破了高速移栽取苗原理，创新开发了自动取苗机构，破解了人工投苗效率低的技术瓶颈。

围绕移栽农艺和生产的要求的高效、稳定、直立、均匀适宜的栽植深度等技术要求，以提高移栽作业效率为目标，针对移栽机械关键机构原理问题，研究建立了取苗、供苗、栽苗移栽作业过程模拟试验系统，研究了不同秧苗的形态特性、苗钵的物理力学特性以及钵体与苗盘间黏附力学性能对自动取苗执行机
构的影响机理，研究了取苗、供苗、栽苗、压实工艺过程、机构原理以及控制流程，优化了移栽机械机构原理，开发了低损伤、高速自动取苗及精准输送技术，开发了五杆-定轴轮系组合取苗机构，以及基于PLC控制的顶苗机构、接苗机构、送苗机构及同步投苗机构，实现了机器高速作业与先进农艺技术协调融合，并应用于蔬菜、辣椒全自动高速移栽机新产品开发。

——创新开发了土壤耕层作业部件表面涂层强化技术，提高了耐磨性和使用寿命。

针对移栽作物对土壤条件的要求，基于土壤、植物、机器的系统融合，研究建立了深松作业过程阻力测试方法和试验系统，可用于开展深松铲等深松部件脱附减阻试验研究，结合小家鼠、田鼠、穿山甲、蜣螂等土壤动物仿形分析，总结了深松部件在土壤中作业脱附减阻原理，通过对不同结构形式的深松铲脱附减阻效果对比研究,开发了一种双头曲面形式的新型深松铲，具有较好脱附减阻效果；开发了基于超音速火焰喷涂工艺的深松部件表面技术，对开沟圆盘、深松铲、旋耕刀进行超音速火焰喷涂表面加工，实现了12Co-WC 粉末涂层制备，显著提高深松部件的耐磨性及使用寿命，累计500万转情况下，采用超音速喷涂圆盘磨损约为普通圆盘的1/21；累计作业30000m情况下，采用超音速喷涂后深松铲的重量损失仅为未喷涂深松铲的11.28%；旋耕刀转速为240r/min，累计旋转57.6万转情况下，采用超音速喷涂的旋耕刀磨损约为普通旋耕刀的1/10。

2.现代多功能农机装备制造关键技术研究
围绕保障国家粮食安全、加快转变农业发展方式的装备技术需求，重点突破了无级变速传动系CVT、CAN BUS总线、大喂入量脱粒分离、作业流程控制等关键共性技术；研制了400马力级重型拖拉机及配套多功能田间作业装备、10kg/s通用型谷物联合收割机、智能
采棉机、番茄与甘蔗收获机、丘陵山地农业机械等装备。

——农机装备通用部件数字化设计和精益制造技术等共性关键技术，提升产业素质和装备制造能力。

突破了基于知识工程的通用部件数字化快速设计方法，典型载荷谱、环境谱和可靠性设计技术，通用零部件的虚拟装配、虚拟试验和可靠性评价技术，建立了基于虚拟现实的农机专业底盘数字化快速设计平台，设计效率提高了30％以上。

突破了复杂部件整体化无模快速精益制造技术，开发了复杂零部件快速精益制造方法及设备，实现了大型、复杂零部件的快速精益制造，加工费用仅为有模方法的1/10，铸件开发时间缩短50～80％，制造成本降低30％～50％。

——400马力级重型拖拉机及配套复式作业技术装备逐步应用，有效参与国际竞争，改变长期依赖进口、受制于人局面。

突破了重型拖拉机无级变速传动系、电控发动机及附件匹配技术、基于ISO11783总线技术的拖垃机智能化控制管理系统等关键技术，研制了400马力拖拉机，达到了国际先进水平。

突破了种肥集中输送分层施播、精确播种、变量施肥，以及宽幅折叠、液压仿形、脱附减阻、工作部件耐磨等大型、多功能配套农机具关键技术难点，研制了高速宽幅松耙联合作业机、高速节能圆盘耙、液压驱动宽幅灭茬起垄联合整地机、高速宽幅气送式大豆精量播种施肥联合作业机、高速宽幅小麦精少量播种与施肥联合作业机等大型、多功能作业机具，为规模化农业发展提供装备支撑。

——创制了10kg/s喂入量大型谷物联合收割机等一批大型联合收获技术与装备，提高农机装备产品技术档次和产品供给能力。

突破了大型收获机静液压驱动与控制、大喂入量脱粒分离、高效清选，以及导航定位、智能监测及整机作业质量检测技术，开发了10kg/s喂
入量大型谷物联合收割机，是目前我国自主研发的喂入量最大、智能化程度高的联合收割机，与世界主流技术接轨。

突破了玉米植株喂入、秸秆切碎、压实成型与裹包等玉米联合收获技术，开发了籽粒直收、穗茎兼收、青储裹包收获等籽实与茎秆一次性收获技术装备，促进了玉米收获机械化快速发展。

棉花、加工番茄、甘蔗、花生、甜菜等经济作物收获技术装备填补国内空白，突破了采棉指加工、延寿技术，采棉机多点液压驱动、棉花射流输送均匀分配、成模与卸模、智能控制等技术，研制了三行普及型采棉机填补国内空白，有助于普及我国棉花机械化采收，研制了六行采棉打包一体机达到国际先进水平，满足规模化生产需要；加工番茄收获机突破了浮动式靴型仿形分秧、柔性拨秧喂入、双动回转震动式蔓果分离、多通道光电实时色选等技术，达到国际先进水平；甘蔗收获机等重点突破了甘蔗切稍、切割、切段、除杂、升运一体化收获工艺技术，促进甘蔗收获机械化发展。

——定位变量作业装备提升国产农机装备技术档次，引领农业装备新兴产业发展。

重点突破了农机装备网络差分、多源信息融合、协同导航作业技术，基于土壤养分及作物营养激光光谱分析技术应用的变量施肥播种技术，基于机器视觉杂草识别技术的喷药除、机械除草技术，农田环境下作物苗草、茶、果实信息获取及机器人视觉伺服控制、多自由度机械手技术，以及大载荷农田超低空自动跟踪仿形无人机飞行精确控制、施药作业适应航迹规划等定位变量作业装备技术，开发了田间除草机器人、有效载荷70kg的无人机作业施药机以及集成自动导航技术的拖拉机、联合收割机、插秧机等智能农机装备，在新疆、黑龙江、上海、内蒙古等地进行了示范应用，提升国产农机装备技术档次，推进农机装备智能化发展。

——轻便、适用、轻简农机农艺融合技术及装备填补空白，支撑
东北华北、丘陵山地、南方水田、草原等农业生产全面全程机械化发展。

突破了谷物割前喂入脱粒、短程高强度横向轴流脱粒、高喊杂物旋风分离、立姿输送喂入等轻简化谷物联合收获机械轻量化技术，研制了组合便携式谷物联合收获机、自走式半喂入小型水稻联合收获机以及与手扶拖拉机配套的水稻、小麦、玉米收割机。

突破了承载式和悬挂式索轨融合山地货运系统技术，以及小型履带多功能底盘的爬坡与稳定性技术，解决丘陵山地开沟施肥、喷药、修剪、采运等人工作业强度大、效率低的难题，为丘陵山地农业生产作业提供装备支撑。

东北玉米留高茬行间互作保护性耕作技术及装备、华北小麦玉米轮作保护性耕作技术及装备为旱作农业保护性耕作提供技术装备支撑。

宽窄行高速插秧机等水田稻、油轻简化技术及装备，促进南方水田机械化发展。

草原精量补播装备、杂草剔除装备、智能牧草收获制备等促进草原畜牧业机械化发展。

3.智能化农机技术与装备
围绕以智能化农业装备与设施提升农业综合生产能力、培育战略性新兴产业的重大需求，针对农机作业面向农业生产系统的复杂性、融合互作等特性，瞄准良种良法配套、增产增效并重、机械信息融合的目标，从提高生产效率和产品质量、增加产品附加值和延伸产业链、利用信息技术改造传统产业等方面开展了农业产业链关键环节的智能化农机装备技术联合攻关，重点突破了智能栽插和采收、植物生长过程和环境信息实施监测、水肥药精量施用等技术与装置，开发了大型复式种肥水药变量施用控制、智能化种子精细加工、全自动嫁接育苗、瓜蔬智能化生产与植物工厂等重大装备与设施。

——基本构建形成了三大粮食作物、瓜茄类蔬菜从种子、种植生长过程、保质采收、产后加工的生产装备智能技术及体系，解决高品
质规模化制种、高质量秧苗规模化生产、精量播种与精细管理、高效低损收获、保值增值分选等制约现代农业生产的智能化难题，奠定了以智能化水平的提升带动我国农机装备技术升级换代前期研究基础，将有力推进农业装备多功能、智能化统筹发展，进一步支撑农业生产规模化和技术应用标准化。

——初步解决了小麦、玉米、水稻等大田种子、蔬菜种子的数控干燥、精细选别加工、智能包衣、种子活性检测等智能化制种加工关键技术难题，满足了我国高品质种子规模化生产技术要求，在甘肃酒泉奥凯种子机械有限公司建成了10t/h生产量的大型智能化玉米加工种子生产线，实现产值3400万元。

——突破了育苗移栽、高效栽插、精密播种、田间管理等田间增产增效关键技术原理，形成了配套技术装备体系，促进农业生产精细化、标准化发展。

瓜科、茄科等典型农作物工厂化育苗、高速移栽技术，已应用形成了3种配套系列新产品；以智能化技术为核心，研究突破播种机械种肥分配、单粒播种、化肥精准深施、播种质量监控等技术，将有力促进精量播种机技术升级；创新突破了制约高速插秧机作业质量的定量送秧、精准分插、随动仿形等关键机构原理，促进了高速插秧机产品技术升级。

——突破了高效脱粒分离清选等大喂入量谷物联合收获机械原理性技术，以及工况监测、产量测量、定位导航等作业智能控制技术，推进我国联合收割机大型化、多功能、智能化技术升级换代，在我国目前最大喂入量、技术最为先进的10公斤/秒大喂入量谷物联合收获机中应用，形成了我国目前智能化程度最高、喂入量最大的智能联合收割机，作业智能控制技术辐射扩散，促进了现有产品的技术水平提升。

——突破了基于可见光、近红外光的稻米、茶叶、瓜类等大宗农产品智能光电分选技术及装备，可满足大宗农产品规模化分选加工生产要求。

突破了以稻米、茶叶、瓜类等大宗农产品分选装备的智能化控制、复杂背景下高速运动目标特征识别技术、提高检测概率的图像处理技术和目标识别算法、海量数据在线数字信号处理技术、微色差物料统计学分析及回归识别技术、多参数特征识别算法、均匀送料和下料技术、高速微型喷阀的实现及批量生产工艺技术等难题，研制了具有自主知识产权的大米、茶叶、杂粮等农产品加工分选装备，光电分选选净率达到99.6%，复合分选技术对特殊物料识别率达到80%以上，应用转化实现收入近1亿元，有效提升了我国农产品分选技术与装备的整体水平。

4.现代节能高效设施园艺装备研制与产业化示范
着重提升设施结构的抗逆性能、能源与资源利用效率、智能化控制水平，突破了低碳环控型温室和高光效轻简温室结构及配套设施、节能与绿色能源利用、环境调控及肥水一体化等高效生产配套装备，形成具有高抗逆、低能耗、环境智能可控、配套装备完善的设施园艺工程技术体系，大幅度降低设施园艺能耗和生产运行成本，提高土地利用率和劳动生产率，显著提升我国设施园艺产业的现代化水平和综合效益。

——设施结构创新填补空白，满足南北方不同区域、种植与低碳节能生产需要。

新型的人字形、小屋脊、多连栋节能屋面体系的温室，推进温室设施低碳环控化发展；兼具发电与生产功能的温室系统的研制推进光伏在设施农业中推广应用；高光效轻简结构温室突破以土墙、砖墙等砌筑结构的温室特征，使日光温室的建造实现轻简化、可装配化，使设施农业生产节约投资20%。

——创新突破了设施园艺光-电-热调控利用方式及技术装备的集成应用，实现设施节能30%以上。

以高吸收率液体为媒介的温室主动蓄放热、毛细管网生物质能利用、抗强紫外线保温被技术显著提高温室蓄热保温性能；基于浅层土壤水媒蓄热的热泵换热、贮热技术，集热效率为89.0%～100.5%，热泵装置COPHp 达5.48～6.08；基于作物环境需求的温室光照-CO2耦合控制技术，实现作物品质的光质调控。

——创新突破了设施园艺清洁高效生产装备，保障高品质安全高产。

结合产前、产中和产后三个不同阶段的需求，创新开发了设施园艺电动拖拉机与配套的耕作机具、高效移栽、精密播种、施药等装备，开发了精确施肥灌溉、土壤高效消毒、园艺秸秆基质肥料化处理系统装备，全面提升我国设施园艺装备水平，推动设施园艺快速、高效和可持续发展。

5.现代畜牧业福利养殖设施与技术装备研究
以提高饲料转化率、改善养殖环境、加强畜产品健康采集为主要任务，重点突破了畜禽福利养殖饲料快速溯源与在线检定、无应激畜禽福利养殖数字化监控与远程管理、畜禽养殖场废物自动化处理以及猪、鸡、水产、奶牛福利养殖关键技术与设施设备，建成若干引领现代畜牧业福利养殖装备与设施产业化示范基地。

——养殖设施低碳节能、智能控制技术创新满足猪、蛋鸡和肉鸡等畜禽养殖集约化、生态化和健康化的需求。

根据畜禽福利养殖新型工艺模式，创制可装拆、迁移式新型节能环保福利猪舍，创制蛋鸡栖木、散养组合式等新型笼具或养殖栖架，创制快大型肉鸡低胸囊肿智能型配套笼具，创制节能节地型新型畜禽笼舍，节能达到30%以上。

集成创新养殖设施清洁系统、养殖废弃物资源化处理系统，实现环保
化养殖。

基于畜禽环境生物学特点，探索动物行为与生长环境之间的相互关系，应用多信息融合技术，创制无应激的畜禽生产环境信息数字化监控关键技术与远程管理系统。

——动物信息检测与决策管理技术创新提高我国健康养殖水平。

集成创新了基于近红外指纹的饲料原料快速溯源技术、基于多信息融合的饲料原料和产品快速检定技术，研制开发了饲料原料和饲料产品品质在线快速检测装备，建设了包含1000种原料信息、60000条以上水分、灰分、蛋白、脂肪、氨基酸、能量等组分信息数据库，构建大宗饲料原料标示性特异组分数据仓库和多维多尺度近红外指纹图谱库，形成系统完整的畜禽福利养殖饲料快速溯源与在线检定技术体系，显著提升我国畜禽饲料品质检测关键技术与装备水平。

——配套工艺模式与装备技术创新实现生物、信息、机械、控制等技术融合，推进畜牧养殖业自动化和智能化发展。

集成创新鱼类高效健康技术、水环境安全调控技术、疫病预防预警技术、计算机辅助精准管理技术，研制开发水环境安全调控成套设备、新型高效生物膜过滤净化设备、微细悬浮物超微过滤技术装备，形成系统完整、性价比高的全新鱼类福利养殖技术体系。

基于奶牛泌乳生理学，创制了智能化仿生挤奶电子脉动器及其控制系统，以及全天候自走式智能饲料推送系统、犊牛自动精量饲喂装备达到国际先进水平。

设施养猪技术装备应用较现有模式的综合生产效益提高10%，氮、磷、金属元素排放量减少10%以上。

6.高效环保机械化农业关键装备研制示范
（1）大田作物机械化生产关键技术研究与示范
以土壤肥力培育机械化为基础，以农机化工程技术和农艺技术的集成创新为重点，开展了粮食作物、经济作物和园艺作物等重点环节。