劉 麗

（長(zhǎng)春科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130600）

農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基本保證。現(xiàn)階段，隨著農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)現(xiàn)代化、機(jī)械化的發(fā)展，植保機(jī)械化作業(yè)已有效取代了傳統(tǒng)的人工噴灑作業(yè)，大大提高了植保噴霧在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的效率和安全性。但與此同時(shí)，傳統(tǒng)的植保噴藥機(jī)存在農(nóng)藥用量過(guò)多、噴灑均勻度過(guò)大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，在機(jī)械操作中并沒(méi)有得到實(shí)際解決，導(dǎo)致目前噴灑的藥物繼續(xù)用于大劑量連續(xù)噴灑作業(yè)。農(nóng)藥的不合理使用不僅會(huì)造成藥物浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且還會(huì)造成農(nóng)作物質(zhì)量下降等問(wèn)題。變量噴霧技術(shù)是在傳統(tǒng)的大面積植保噴霧技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型植保技術(shù)。它適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)作，在節(jié)能、環(huán)保和食品安全方面發(fā)揮了積極作用。

1 傳統(tǒng)植保噴藥機(jī)使用現(xiàn)狀

如今，中國(guó)的農(nóng)藥技術(shù)發(fā)展迅速。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥有200多種，可以防治大多數(shù)病蟲害。然而，現(xiàn)階段生產(chǎn)中使用的機(jī)器噴涂技術(shù)水平還比較落后。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)植保機(jī)械農(nóng)藥平均有效使用率僅為20%～30%，而發(fā)達(dá)國(guó)家的植保機(jī)械農(nóng)藥總使用率超過(guò)50%，農(nóng)藥噴藥機(jī)械使用率低給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)帶來(lái)了許多不利影響[1]。

1.1 性能有待提高

從我國(guó)現(xiàn)階段使用的植保噴藥機(jī)產(chǎn)品來(lái)看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低成本產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中缺乏對(duì)噴藥合理性的研究，實(shí)際使用過(guò)程中霧化不良，藥物覆蓋不合理，導(dǎo)致噴藥效果不理想，部分機(jī)具存在農(nóng)藥泄漏，造成了農(nóng)業(yè)用地的嚴(yán)重污染。

1.2 機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)置尚需改進(jìn)

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作經(jīng)營(yíng)的增多，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)用地面積逐漸擴(kuò)大，對(duì)連片土地的噴灑效率有了更高的要求。大中型噴頭比例不足，小型機(jī)具作業(yè)效率低。小型機(jī)具和寬幅機(jī)具的噴灑作業(yè)需要多次行程才能完成作業(yè)任務(wù)，不僅噴灑效率低，不利于及時(shí)防治病蟲害，而且增加了噴灑失敗的可能性，影響最終的植保效果。

1.3 操作不規(guī)范

手動(dòng)操作對(duì)操作質(zhì)量有重大影響，植保操作的噴灑過(guò)程受到駕駛員主觀判斷的影響。由于缺乏對(duì)病蟲害程度的科學(xué)評(píng)估，直接噴灑藥品會(huì)出現(xiàn)噴灑過(guò)量或噴灑不足等問(wèn)題。同時(shí)，噴涂高度和機(jī)具的行駛速度也會(huì)對(duì)噴涂后的實(shí)際效果產(chǎn)生重大影響。

2 變量噴霧技術(shù)原理及其相關(guān)技術(shù)

變量噴霧技術(shù)的主要原理是分析作物的實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)調(diào)整噴霧量和噴霧方法，以最小的農(nóng)藥噴灑量獲得最佳的防治效果。在變量噴霧技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，雖然在實(shí)現(xiàn)變量噴霧的邏輯上存在一些差異，但其組成原理和運(yùn)行機(jī)理有許多相似之處。一般來(lái)說(shuō)，變量噴霧技術(shù)的過(guò)程主要涉及環(huán)境信息的獲取、位置信息的獲取、執(zhí)行動(dòng)作的感知、數(shù)據(jù)處理和控制、泵體和噴嘴的控制等。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行邏輯分析、信息處理和決策是變量噴霧技術(shù)運(yùn)行的核心。在運(yùn)行過(guò)程中，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和傳感器技術(shù)獲取環(huán)境、位置和性能結(jié)果等信息，供計(jì)算機(jī)分析和處理。根據(jù)種植區(qū)域的實(shí)際情況，計(jì)算并修正噴灑率和噴灑位置，以便靈活調(diào)整噴灑過(guò)程。

2.1 基于變量噴霧技術(shù)噴藥機(jī)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的噴灑作業(yè)將被病蟲害破壞的作物程度視為對(duì)管理造成相同程度損害的對(duì)象，不能區(qū)分被害的嚴(yán)重程度。事實(shí)上，即使是同一種病蟲草害的嚴(yán)重程度也不完全相同，具有明顯的時(shí)空差異。因此，傳統(tǒng)的大面積均勻噴涂方法容易造成局部區(qū)域過(guò)度噴涂。在傳統(tǒng)的噴霧作業(yè)中農(nóng)藥使用率只有三分之一[2]。過(guò)量噴灑農(nóng)藥不僅污染了農(nóng)業(yè)環(huán)境、水土，而且增加了種植成本，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留率超標(biāo)。通過(guò)完善的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化，開始了變量噴霧技術(shù)的研究和應(yīng)用，以進(jìn)一步精確應(yīng)用和高效噴涂。變量噴霧技術(shù)是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的代表，它是在原有均勻噴灑設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星定位、擴(kuò)散控制等先進(jìn)技術(shù)增強(qiáng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，可以根據(jù)病蟲害的情況精確用藥。自動(dòng)噴涂設(shè)備主要由噴涂機(jī)、控制器、衛(wèi)星定位裝置和牽引機(jī)械組成。使用時(shí)，首先通過(guò)衛(wèi)星定位病蟲害的位置及其自身的位置，然后根據(jù)該地區(qū)病蟲害的危害程度自動(dòng)調(diào)整噴灑量，提高使用效率，盡量減少過(guò)量使用農(nóng)藥造成的負(fù)面影響。

2.2 基于變量噴霧技術(shù)噴藥機(jī)技術(shù)原理

2.2.1 衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位是一個(gè)可以提供不同位置信息的變量。在變量噴灑過(guò)程中，衛(wèi)星定位需要兩次[3]。第一個(gè)位置是獲取與位置信息相關(guān)的病蟲害和雜草的空間分布信息，然后使用專家系統(tǒng)根據(jù)這些信息獲取不同作業(yè)區(qū)域所需的噴灑劑量，并繪制噴霧處方圖；第二個(gè)是確定機(jī)器和噴涂設(shè)備的位置。灌溉設(shè)備中的衛(wèi)星接收器和計(jì)算機(jī)應(yīng)根據(jù)處方位置和相對(duì)地圖上提供的信息，從該點(diǎn)提取灌溉操作要求，并將信息指令傳輸至變量控制系統(tǒng)，使噴灑裝置能夠根據(jù)農(nóng)作物病蟲害的信息進(jìn)行可變噴灑操作。目前，北斗技術(shù)是中國(guó)最常用的精確定位農(nóng)業(yè)研究的技術(shù)。采用自主差分定位可以提高子測(cè)量層面的定位精度，完全滿足我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

2.2.2 病蟲害信息實(shí)時(shí)獲取

獲取相關(guān)病蟲害實(shí)時(shí)信息的技術(shù)基礎(chǔ)是GPS定位，獲取方法主要取決于現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室分析?，F(xiàn)場(chǎng)采樣要求在現(xiàn)場(chǎng)安裝衛(wèi)星設(shè)備，調(diào)查病蟲害情況，對(duì)病蟲害信息進(jìn)行實(shí)時(shí)原始分析，并將該點(diǎn)的位置和病蟲害信息輸入計(jì)算機(jī)，完成病蟲害信息的收集。信息處理必須輔之以地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)員收集的信息建立一個(gè)空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，包括自然條件、現(xiàn)狀以及病蟲害的演變，并根據(jù)使用要求進(jìn)行圖形和統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換，為噴涂決策過(guò)程提供依據(jù)。

2.2.3 噴霧制度設(shè)置

噴霧制度應(yīng)由農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)確定。農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)包括專家數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)將根據(jù)收集和處理的地理信息和病蟲害信息，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，制定最合理的噴霧制度，確定噴灑范圍、噴灑量和噴灑時(shí)間。如果數(shù)據(jù)庫(kù)有錯(cuò)誤或?qū)嶋H噴灑效果不理想，也可以修改數(shù)據(jù)庫(kù)和噴灑信息系統(tǒng)。首先，計(jì)算機(jī)將根據(jù)設(shè)備的位置比較處方圖中的病蟲害信息，確定設(shè)備的單位劑量，并計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)所需的流量；通過(guò)與流量計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出流量調(diào)節(jié)量，最終確定可變噴霧方案。

2.2.4 噴霧方案實(shí)施

噴灑決定的實(shí)施應(yīng)由控制信號(hào)進(jìn)行管理?？刂菩盘?hào)是根據(jù)噴灑處方圖計(jì)算出的相應(yīng)流量控制信號(hào)，如設(shè)備的位置信號(hào)、噴灑壓力信號(hào)、速度信號(hào)和噴灑模式。決策系統(tǒng)確定展開模式后，計(jì)算機(jī)控制臺(tái)向伺服放大器發(fā)送展開指令信號(hào)，放大后的伺服指令控制信號(hào)傳回伺服閥。伺服閥激活噴灑泵和其他執(zhí)行器，根據(jù)噴灑系統(tǒng)中定義的流量參數(shù)執(zhí)行噴灑操作[4]。此外，在噴涂作業(yè)過(guò)程中，壓力傳感器、空速雷達(dá)等信號(hào)采集單元將實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸噴涂壓力、流量、設(shè)備位置、行駛速度等參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)記錄灌溉操作的參數(shù)；同時(shí)，根據(jù)控制方案，執(zhí)行器由返回信號(hào)控制，以調(diào)整和校正各種參數(shù)，從而執(zhí)行可變噴霧。

3 變量噴霧技術(shù)運(yùn)用

3.1 噴霧作物的探測(cè)與識(shí)別

3.1.1 噴霧目標(biāo)形貌探測(cè)與識(shí)別

現(xiàn)階段，植物形態(tài)檢測(cè)技術(shù)在水果果園和花卉種植園中非常普遍。在這個(gè)地方有許多共同的差距。假設(shè)使用較為落后的連續(xù)均勻噴灑方法，會(huì)在林間隙區(qū)域噴灑大量農(nóng)藥，造成大量農(nóng)藥殘留和一定的環(huán)境破壞。針對(duì)這一現(xiàn)象，開發(fā)了一種變噴霧技術(shù)中的三態(tài)噴霧系統(tǒng)，即當(dāng)噴嘴朝向樹木時(shí)開啟，當(dāng)噴嘴朝向開口區(qū)域時(shí)關(guān)閉。這個(gè)系統(tǒng)主要采用基于超聲波的智能傳感器建立目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，采用中噴、全噴和無(wú)噴三種狀態(tài)的調(diào)節(jié)方案。

3.1.2 噴霧目標(biāo)密度探測(cè)與識(shí)別

在目標(biāo)噴灑中，重點(diǎn)是作物形態(tài)的檢測(cè)。但是隨著研究的深入，如果只考慮操作的形態(tài)，噴灑對(duì)象就不能充分反映出來(lái)，當(dāng)農(nóng)作物具有差不多的體積時(shí)，農(nóng)作物的密度也會(huì)對(duì)噴灑效果產(chǎn)生影響。許多國(guó)內(nèi)外專家逐漸研究農(nóng)作物的密度?；诖?，國(guó)外公司開發(fā)了一種基于超聲波的智能傳感器[5]。傳感器采用單頭信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，有效探測(cè)距離在兩米之內(nèi)。然而，該傳感器探測(cè)范圍也會(huì)受制于農(nóng)作物目標(biāo)的表面特性和超聲波入射角的限制。因此，超聲波的智能傳感器還可以自定義設(shè)置靈敏度，利用這一功能可以抵消農(nóng)作物目標(biāo)特性帶來(lái)的誤差，以獲得關(guān)于農(nóng)作物物體密度的相關(guān)情況。

3.1.3 噴霧目標(biāo)病蟲害探測(cè)與識(shí)別

說(shuō)到檢測(cè)技術(shù)，經(jīng)常想到遠(yuǎn)程空間檢測(cè)和機(jī)載有害生物檢測(cè)技術(shù)[6]。然而，通過(guò)使用衛(wèi)星遙感和航空探測(cè)技術(shù)獲得的有關(guān)作物害蟲的大多數(shù)信息都是大規(guī)模信息，適合管理決策的范圍，不適用于實(shí)時(shí)可變量噴灑。近年來(lái)，隨著噴藥技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)不同農(nóng)田實(shí)時(shí)噴灑的需求，田間害蟲檢測(cè)技術(shù)和害蟲分析方法的研究實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的發(fā)展[7]。這些新興技術(shù)主要是利用工業(yè)攝像機(jī)和光譜儀的結(jié)合來(lái)實(shí)時(shí)收集農(nóng)作物病蟲害信息，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法分析所采集的圖像和光譜信息，以便分類和鑒定作物病害。

3.2 變量噴霧智能控制技術(shù)

3.2.1 噴霧壓力智能調(diào)節(jié)

通過(guò)調(diào)節(jié)噴射壓力來(lái)控制流量是最原始的可以改變噴射變量的流量控制技術(shù)，習(xí)慣稱之為壓力調(diào)節(jié)。隨著噴霧流量的增加，噴霧液滴的分布范圍將越來(lái)越大，粒徑縮小的趨勢(shì)將顯而易見(jiàn)，這將增加液滴的速率和液滴的動(dòng)能。在達(dá)到常規(guī)噴淋量之前，能耗將低于正常值，降低能耗[8]。此外，變壓噴涂對(duì)霧化特性影響較大，控制和調(diào)節(jié)范圍較小，工作調(diào)節(jié)原理簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，同時(shí)解決問(wèn)題，以降低農(nóng)作物種植的相關(guān)造價(jià)。

3.2.2 噴霧噴頭智能調(diào)節(jié)

通常使用的噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)固定，維護(hù)方便。然而，由于市場(chǎng)需要，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致水流不能根據(jù)實(shí)際需要改變。因此，有必要對(duì)可變噴嘴進(jìn)行研究。顧名思義，變量，變的是噴水的流量?？梢哉J(rèn)為，控制方向、流量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。主要是根據(jù)水流的壓力，增加兩個(gè)折疊的金屬片來(lái)改變水流[9]。在此基礎(chǔ)上，在雙極孔噴嘴中引入監(jiān)控恒流核心，設(shè)計(jì)了一種具有雙跟蹤裝置的可變噴嘴。

4 變量噴霧技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

首先，操作流程的合理性得到了顯著提高。采用可變噴涂技術(shù)的植保機(jī)具配備了先進(jìn)的定位和控制系統(tǒng)。機(jī)具運(yùn)行時(shí)調(diào)整行駛路線、行駛速度、噴灑量和噴灑高度是非常合理的。有效地改善了作業(yè)過(guò)程中的重噴、少噴等問(wèn)題，植保作業(yè)效果顯著，農(nóng)藥的有效使用率有了顯著提高。變速噴灑技術(shù)充分利用控制農(nóng)藥噴灑量、高霧化噴灑、靶向噴灑、靜電噴灑等技術(shù)，使農(nóng)藥充分發(fā)揮作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用相當(dāng)可變的噴灑技術(shù)，農(nóng)藥的有效使用率可達(dá)三分之二，也能保證其在噴藥中的殘留較少。由于采用多傳感器檢測(cè)和控制，有效地改善了機(jī)械和植保工具工作過(guò)程中的堵塞和霧化不良等問(wèn)題[10]。同時(shí)，植保機(jī)械和工具制造的整體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量得到顯著改善，有效減少了因故障而罷工的現(xiàn)象。有效地改善了噴藥過(guò)程中的環(huán)境破壞問(wèn)題，通過(guò)使用可變噴霧技術(shù)，單位面積農(nóng)藥的使用量顯著減少，大大減少了農(nóng)藥噴灑造成的環(huán)境污染問(wèn)題，大大改善了機(jī)具運(yùn)行中的泄漏和滲漏現(xiàn)象。為了科學(xué)和生態(tài)的目的，化學(xué)設(shè)施的保護(hù)進(jìn)程正在發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)各級(jí)政府和有關(guān)農(nóng)業(yè)主管部門加強(qiáng)對(duì)農(nóng)藥使用的管理，提出了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中合理、高效使用藥品的新要求。擁有可變噴灑技術(shù)特點(diǎn)的植保噴藥機(jī)械可以很好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，科學(xué)使用農(nóng)藥進(jìn)行合理噴灑，有利于提高食品安全，減少農(nóng)業(yè)植保噴藥作業(yè)所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境破壞?？勺儑姙⒅脖娝帣C(jī)的推廣應(yīng)用必將助推我國(guó)農(nóng)業(yè)朝現(xiàn)代化、機(jī)械化、智能化方向邁進(jìn)，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略助力。