德國克拉斯農機公司的農用機械設計
根據(jù)德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)發(fā)布的相關農業(yè)機械歷史數(shù)據(jù)及美國迪爾公司(約翰迪爾)、美國凱斯紐荷蘭工業(yè)公司、美國愛科集團、德國克拉斯農機公司、日本久保田株式會社等全球農業(yè)機械龍頭企業(yè)年度財報等信息綜合統(tǒng)計分析,2019年全球農業(yè)機械市場規(guī)模約為1303億美元,同比2018年下降0.5%。
歐盟和北美是世界上最大的農機生產和銷售地區(qū),對全球農機工業(yè)的走勢起到舉足輕重的影響。北美地區(qū)主要包括美國、加拿大和墨西哥三國,其中美國占絕對優(yōu)勢。根據(jù)VDMA的統(tǒng)計,德國占歐盟的銷售份額為21.3%,占全球份額的5.8%,法國是歐盟第二大農機市場,意大利是僅次于德國的歐盟第二大農機生產國和出口國,出口率達到80%以上。
中國、南美、印度和土耳其除了滿足本國市場需求外,在小型農機具、特種農機等領域出口的份額正快速增長,尤其是來自發(fā)展中國家和新興工業(yè)化國家的需求,這些國家的農業(yè)機械化帶來了巨大的市場潛力。日本和韓國是成熟的高科技、中小馬力農機的生產基地,如插秧機、水稻收獲機械等。此外,日韓長期以來還向歐洲和美國等成熟市場出口大量拖拉機。在獨聯(lián)體生產區(qū)域,包括俄羅斯、烏克蘭和白俄羅斯等,過去二十年農機產量不斷減少。
信息、智能技術廣泛應用于農業(yè)機械。傳統(tǒng)拖拉機逐步向無人駕駛、數(shù)據(jù)互聯(lián)方向發(fā)展。凱斯紐荷蘭開發(fā)了全球第一個無駕駛室無人駕駛拖拉機,約翰迪爾、克拉斯、凱斯紐荷蘭紛紛推出數(shù)據(jù)互聯(lián)拖拉機,凱斯紐荷蘭研發(fā)了甲烷動力拖拉機、芬特推出了e100電驅動拖拉機,約翰迪爾電動拖拉機已商品化推廣應用,特別是約翰迪爾電驅動動力補償變速箱獲得了2019年度漢諾威農機展唯一金獎。谷物聯(lián)合收獲機作業(yè)參數(shù)實時調整,趨于傻瓜式操作。其中凱斯Axial-Flow8250型聯(lián)合收獲機,功率420kw,AFS Harvest CommandTM自動化設置系統(tǒng)實現(xiàn)了喂入滾筒轉速自動控制;芬特(Fendt)IDEAL 10T,功率581kw,無操作方向盤,收割裝置和識別功能全自動耦合,最終設定負載,可以補償15%的斜坡;收割機喂入量預測控制系統(tǒng),收割機作業(yè)時,根據(jù)實時和地理參考植被數(shù)據(jù)計算回歸模型,通過3D立體攝像機、預測驅動程序,并利用機器學習方法,綜合收割機所有傳感器數(shù)值,對收割機的速度和設置進行調整,控制喂入量,使作物收割自動化程度進一步提高;播種機械實現(xiàn)了自動控制行距和播種深度,美國精密種植公司的SmartDepth系統(tǒng),根據(jù)土壤特性(如土壤濕度)自動精確控制單粒種子的播種深度,播種過程中,系統(tǒng)實時測量并讀取不同深度的各種濕度水平;CEMOS系統(tǒng)在收獲機械上普遍應用,在收割機或青飼料收獲機作業(yè)過程中,CEMOS系統(tǒng)可以根據(jù)機器的作業(yè)情況自動調整發(fā)動機的特性,駕駛員只需選擇發(fā)動機轉速,系統(tǒng)根據(jù)作物收獲情況自動調整最佳輸出功率,避免發(fā)動機功率過分消耗,最高節(jié)省柴油消耗達15%。
物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術廣泛應用于現(xiàn)代化生產及智能化管理。博世、意大利托普康、雷肯公司、Pessl儀器、阿瑪松、先正達等共同開發(fā)的NEVONEX系統(tǒng),類似于操作系統(tǒng)的開放平臺,用于開發(fā)新的或現(xiàn)有農業(yè)機械的程序和功能。它定義了通用接口,提供了安全可靠的讀取和控制權,NEVONEX允許用戶直接在農業(yè)機械上運行功能,并可匯集農業(yè)行業(yè)及其上下游的專業(yè)知識。美國FarmLogs公司為農場主提供電腦終端或移動終端來管理農業(yè)生產,通過云計算以及自身的模型為農場主提供差異化、高精度的優(yōu)化和預測服務, 已在美國超過15%的農場應用。Cropx開發(fā)了一種用于農業(yè)生產的土壤探測技術,通過地形探測、土壤含水量分析,為農場主提供智能化灌溉和生產解決方案服務,拓展服務至耕種、施肥、防災以及收割等環(huán)節(jié)。借助于智能化和大數(shù)據(jù)等技術,美國多個農作物的全生命周期和全產業(yè)鏈實現(xiàn)了智能決策。如在中西部地區(qū),通過從播種、施肥到收獲的全生命周期的數(shù)據(jù)共享,玉米、大豆、甜菜等農作物的整個生產流程都實現(xiàn)了智能決策?;诖髷?shù)據(jù)的智能管理系統(tǒng)成熟應用,對農作物生長進行智能化管控,通過無線傳感器和視頻監(jiān)控設備應用,記錄農作物生長所需的溫度、濕度、光照等環(huán)境信息及農作物自身的生長狀況,相關數(shù)據(jù)匯總后傳送給智能管理系統(tǒng),利用實時數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析決策并進行自動化的精準施肥、節(jié)能灌溉等,根據(jù)監(jiān)測終端收集到的信息,系統(tǒng)還可在遵循收益最大化原則的基礎上,選擇成本最低、最環(huán)保的生產模式,提高農業(yè)生產效率,降低資源消耗,減少環(huán)境污染。RFID電子代碼技術應用,使得從生產、加工到流通、銷售的全產業(yè)鏈實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)了農產品溯源。
國外農業(yè)機械產品呈現(xiàn)智能化大型化趨勢,進入了“智慧化”高技術提升應用水平的階段。大型液壓翻轉犁、大型氣力施肥播種機、藥箱容量12噸的牽引式噴桿噴霧機、噴幅36米地隙可調的大型自走式噴霧機、20噸液體肥料施肥機、大型小麥、玉米、馬鈴薯聯(lián)合收獲機等產品功率大、技術先進、機電液一體化。美國約翰迪爾公司的無人駕駛自走式噴桿噴霧機、意大利Bgroup公司的可調地隙自走式風幕噴桿噴霧機、德國GRIMME公司的大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機、德國百利公司的適用于中小地塊精準灌溉的卷盤噴桿式噴灌機、巴西STARA公司的自走式噴霧/肥料撒布/氣力播種多功能作業(yè)機等產品廣泛應用。自動化控制程度和作業(yè)性能不斷提高,智能化程度更高。聯(lián)合整地機可根據(jù)地表不平整度或坡度,調節(jié)整地深度,具有良好的仿行和避障能力;犁的調節(jié)方式通過觸控面板操控液壓系統(tǒng),完成耕深、耕寬和偏牽引的調整。主犁體和犁尖的材料不同,犁尖表面鍍了一層特殊材料,增加了犁體的耐磨性,具有良好的脫附減阻的效果。植保噴藥機械隨坡度大小,噴桿具有適應平衡和高度調節(jié)的功能,噴藥具有靜電吸附功能。
自動駕駛產品多樣化,已在農業(yè)生產各環(huán)節(jié)應用。約翰迪爾研發(fā)的電動無人駕駛拖拉機GridCON,全電力驅動鉸接式、動力達到500kw,推出了無人駕駛自走式噴霧機,具備噴霧、施肥功能。美國GUSS Automation公司研發(fā)全球第一款自動駕駛果園噴霧機,操作員通過筆記本電腦來監(jiān)控自動駕駛噴霧機,高精度定位技術可以最大限度地節(jié)約肥料、農藥并節(jié)省勞力,一個操作員可在皮卡車內同時監(jiān)控8臺GUSS自動駕駛噴霧機工作。法國Nao Technology農業(yè)除草機器人Dino,可協(xié)助大型蔬菜種植工作,具備高精度定位的系統(tǒng),不但可翻動土塊、還能清除雜草,甚至耕種蔬菜,盡可能接近而不損害作物,Oz除草機器人,寬40厘米、高60厘米、長100厘米,離地高度7厘米,具有自主、跟隨、遙控3種工作模式,專門用于清理小地塊的雜草。愛科集團收購的德國拖拉機品牌芬特Fendt和烏爾姆大學聯(lián)合開發(fā)了Xaver農業(yè)群機器人。
發(fā)達國家的農業(yè)機械經(jīng)過兩個多世紀的發(fā)展,不僅品種齊全,而且質量精良,農業(yè)生產的不同作物品種和各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)了機械化,呈現(xiàn)智能化、精準化、高效化、大型化、節(jié)能化、服務化趨勢,進入了“智慧化”高技術提升應用水平的階段。技術上,不斷融合液壓與電信、傳感與控制、環(huán)境與生物等高新技術成果,實現(xiàn)了大型化、多功能、復式聯(lián)合作業(yè),充分發(fā)揮機器作業(yè)的高效率, 向著信息化、智能化、高效化、網(wǎng)聯(lián)化方向迅猛發(fā)展。產品上,大功率、多功能、集約化系列化產品,實現(xiàn)了從種植到收獲的整個生產過程中各項工作的自動化,作業(yè)效率提高50%-60%,農業(yè)灌溉水利用系數(shù)達到0.7~0.9,航空植保節(jié)省農藥20%以上,精準施藥的農藥利用率達到60%以上,氮肥利用率達到50%-55%。
法國Nao Technology農業(yè)除草機器人Dino,可協(xié)助大型蔬菜種植工作。
一是國外耕整地、播種、田間管理、收獲等實現(xiàn)了大型化、多功能、復式聯(lián)合精細作業(yè)。播種機向大型、精準、高效發(fā)展。單體控制、總線技術成熟應用24行、36行、48行、60行產品,播種速度高達15km/h,直接和拖拉機通訊,保障拖拉機和播種機的各種速度匹配,實現(xiàn)了基于土地環(huán)境的精準高效播種。耕整機具向寬幅、大功率和高效能發(fā)展,集犁耕、耙地、施肥、播種和鎮(zhèn)壓等多功能于一體的聯(lián)合作業(yè)機具發(fā)展迅速,機電一體化、微電子技術用于作業(yè)機組的自動監(jiān)測、顯示和控制,自動調節(jié)耕深、機組水平和作業(yè)速度,液壓折疊等,由機械傳動向液壓傳動、氣力傳動發(fā)展。植保機械向智能化和機電一體化方向發(fā)展,低量噴霧技術、自動對靶施藥技術、防漂移技術和精密施藥技術、電子顯示和控制系統(tǒng)、全液壓系統(tǒng)等廣泛應用于大中型噴霧機,實現(xiàn)了精準、精量施藥。收獲機向高效、智能化全面發(fā)展。液壓驅動、自動監(jiān)測、參數(shù)調控、導航駕駛、總線控制等自動化和智能化技術普遍應用,谷物收獲、農作物秸稈收集、棉花等專用作物機械化收獲成熟應用。凱斯紐荷蘭等的小麥聯(lián)合收割機配套功率大多在110.25kW以上,功率最高達514.5kW(700HP);配置的割臺幅寬在4m以上,最大可以達到10m,普遍喂入量達到10kg/s及以上,最高可達到20kg/s;糧箱超過10000L,減少卸糧次數(shù),提高作業(yè)效率。農用機器人向廣泛適用性方向發(fā)展,嫁接機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種農業(yè)生產機器人在農田作業(yè)和農業(yè)生產活動中已推廣應用。
二是傳感器和信息技術成為農業(yè)裝備領域的前沿關鍵技術。農用傳感器和信息技術是實現(xiàn)農業(yè)科學、高效、精準生產的核心,是推動農業(yè)領域進步的底層驅動技術。大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術可以在動態(tài)變化條件下自動整合數(shù)據(jù)并進行實時建模,形成數(shù)據(jù)驅動的智慧管控。發(fā)達國家的農用傳感器與信息技術已廣泛應用在農業(yè)生產過程中的水、土、大氣等環(huán)境信息監(jiān)測,以及動植物生產過程的生理生態(tài)監(jiān)測、產量估算、農業(yè)管理及決策支持等各個領域。
三是農業(yè)機器人技術引發(fā)產業(yè)變革。農業(yè)機器人涉及到機械、電子、光學、計算機、傳感器、自動控制、人工智能等多個學科和領域,是多種高新技術的綜合集成。農業(yè)機器人以生物活體對象為目標,在非結構化環(huán)境工況下,具有環(huán)境與對象信息感知能力,能夠實時自主分析決策和精確執(zhí)行,服務復雜農業(yè)生產管理的柔性作業(yè)。農業(yè)機器人代表了未來農業(yè)生產方式發(fā)展的方向和必然趨勢,在農業(yè)智能化、智慧化生產中正發(fā)揮極其重要的應用。農業(yè)機器人技術及產品研究也處于領先并部分應用,美、英、德國、丹麥等國農用機器人技術研究處于領先地位,已經(jīng)在對人體健康危害的病蟲草害防控作業(yè)、具有一定危險的高架作業(yè)、受空間局限的作業(yè)方面開始試驗應用。20世紀80年代,發(fā)達國家相繼研制出嫁接機器人、移栽機器人和采摘機器人等多種農業(yè)生產機器人并進行了廣泛的推廣應用。機器人技術正逐漸應用到無人駕駛拖拉機、無人機、物料管理、播種和森林管理、土壤管理、牧業(yè)管理和動物管理等方面。
農業(yè)裝備是現(xiàn)代農業(yè)的物質基礎,農業(yè)裝備是不斷提高土地產出率、勞動生產率、資源利用率,實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化最基本的物質保證和核心支撐。農業(yè)裝備技術發(fā)展已經(jīng)從機械替代人畜力的機械化階段、以電控技術為基礎實現(xiàn)自動化階段,進入以信息技術為核心的智能化階段,呈現(xiàn)技術融合化、產品高效化、產業(yè)集成化、服務智慧化等新變化、新趨勢。農業(yè)裝備向高效化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、綠色化方向發(fā)展,并向提供全鏈條的農業(yè)裝備與信息技術解決方案延伸發(fā)展。
國外企業(yè)跨國布局,優(yōu)勢凸顯引領發(fā)展。資源國際化,產業(yè)技術競爭加劇?;疽廊挥擅绹s翰迪爾公司、凱斯紐荷蘭工業(yè)公司、愛科集團、意大利賽邁·道依茨·法爾集團公司、法國科樂收集團、德國庫恩公司、挪威格蘭集團、日本久保田株式會社、阿瑪松公司、奧地利BISO公司、ESM公司、丹麥GreenTec A/S公司等知名企業(yè)引領發(fā)展。競爭由技術主導向技術引導、資本主導并重轉變,通過技術領先優(yōu)勢占據(jù)產業(yè)鏈與價值鏈的高端,通過資本推動產業(yè)鏈跨國發(fā)展。目前,約翰迪爾、凱斯紐荷蘭、愛科、克拉斯等歐美企業(yè)占據(jù)全球農機高端產品銷售額的50%以上。不僅僅是數(shù)量的優(yōu)勢,更主要的是技術優(yōu)勢,衛(wèi)星導航、智能駕駛、故障診斷、參數(shù)自適應調控等高新技術,一直成為推動發(fā)展的創(chuàng)新動力。
產品品類向全程全面機械擴展,滿足農業(yè)生產全環(huán)節(jié)。以農業(yè)生產的需求為導向,產品在向全程全面擴展,涵蓋農、林、牧、漁、農用運輸、農產品加工等農業(yè)生產全環(huán)節(jié)。針對不同生產規(guī)模的耕、種、管、收、貯、運、加工全程全面機械化需求,不斷完善優(yōu)化從土地改良整理、播種栽植到田間除草灌溉植保到收獲再到初加工系列、成套產品。在土壤、動植物、環(huán)境、機器等全生命周期、全鏈條智能感知及全要素數(shù)據(jù)挖掘應用方面不斷研發(fā)出專用模型、傳感器及系統(tǒng),支撐耕地整備、高效栽植、精量播施、智能收獲,以及精細飼養(yǎng)、水產品和畜產品自動采集,農林產品智能儲運加工等智能農業(yè)裝備實現(xiàn)產業(yè)化。
技術向智能、精準、高效、大型、節(jié)能、服務方向發(fā)展。一是智能化。歐美等農機裝備發(fā)達國家已建立和使用能夠制訂詳細農事操作方案和機械作業(yè)計劃的管理信息系統(tǒng),日本已推廣應用洋馬的農機“智能助手”。二是精準化。衛(wèi)星定位、激光制導和產量傳感器等高新技術在美國、西歐以及巴西的大型公司和農場的精準農機作業(yè)中得到廣泛的應用。三是高效化。多種形式部件構成的整體式聯(lián)合作業(yè)機具或采用“組配”的方式將可獨立作業(yè)的機具按照需要組成聯(lián)合作業(yè)機組,實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè),大幅度提高了作業(yè)效率。四是大型化。隨著發(fā)達國家農業(yè)生產結構的調整以及農戶經(jīng)營規(guī)模的不斷擴大,對大型農機裝備的需求大幅增加。五是節(jié)能化。農機節(jié)能減排是緩解能源約束、減輕環(huán)境壓力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,節(jié)能環(huán)保設計已成為農機裝備發(fā)展的必然趨勢。六是服務化。約翰迪爾公司率先通過構建農機裝備遠程運維服務平臺和專家決策支持系統(tǒng),為用戶提供信息推送、在線檢測、運行優(yōu)化和遠程升級等服務。