張海霞

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

將人工智能技術(shù)有效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，可進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化以及智能化程度，有助于持續(xù)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)能力，這對我國農(nóng)業(yè)的健康長遠(yuǎn)發(fā)展意義重大。因此，有必要對人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，從而確保農(nóng)業(yè)機(jī)械以及人工智能技術(shù)能夠在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域充分發(fā)揮應(yīng)有作用。

1 人工智能概述

人工智能通常指的是專門負(fù)責(zé)研究、開發(fā)各種能夠用來有效模擬、延伸或者進(jìn)一步擴(kuò)展人本身的智能相關(guān)理論、技術(shù)、措施等的一種具備極強(qiáng)先進(jìn)性的科學(xué)技術(shù)，本身屬于計算機(jī)科學(xué)當(dāng)中的一個重要組成內(nèi)容，目的是掌握智能的真諦，并創(chuàng)造出真正具備與人類智能相近的、可以開展一系列反應(yīng)和操作的智能機(jī)器。其特點(diǎn)包括滲透性、協(xié)同性以及替代性等，其中，滲透性指的是人工智能可以被用于一系列多元化或者是綜合化的場景；協(xié)同性指的是將其運(yùn)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，可以有效地讓技術(shù)研發(fā)、工程實現(xiàn)還有具體的技術(shù)應(yīng)用等各類生產(chǎn)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出極強(qiáng)的協(xié)同性特征；替代性是人工智能最明顯、最主要的特點(diǎn)，主要指的是可以對一系列勞動要素進(jìn)行直接替代[1]。

2 人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的必要性

2.1 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中需要用到的一系列生產(chǎn)要素，包括耕地、水以及勞動力等正處于持續(xù)下降和減少的態(tài)勢，這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及質(zhì)量開始下降或停滯不前，急需借助高新技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。在此背景下，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械無法滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，難以推動農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。而將人工智能技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械中，則能夠進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化以及自動化水平，有力提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精度、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對勞動力的依賴程度，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動農(nóng)業(yè)信息化、現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展[2]。

2.2 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)，推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展是現(xiàn)階段我國的基本國策。切實將人工智能技術(shù)合理運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，可以加快農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。大量實踐證明，智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化以及智能化水平，能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，從而可以節(jié)省大量的人力、物力，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。同時，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)快速發(fā)展[3]。

2.3 降低農(nóng)民勞動強(qiáng)度

近年來，在城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的背景下，我國農(nóng)村地區(qū)的大部分青壯年勞動力逐漸離開農(nóng)村，選擇到城市就業(yè)，這使得農(nóng)村勞動力“老齡化”問題越發(fā)嚴(yán)重，很多留守老人根本干不動農(nóng)活，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力巨大。而通過在農(nóng)業(yè)機(jī)械中有效應(yīng)用人工智能技術(shù)，則可以大大降低農(nóng)民勞動強(qiáng)度，有效緩解了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力，這對于保證國家糧食安全以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等均有著重要意義[4]。

3 人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

3.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

VR 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計以及開發(fā)活動中開始得到應(yīng)用，并在優(yōu)化設(shè)計上發(fā)揮出了重要作用。比如，對于一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或者是設(shè)計困難的相應(yīng)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來講，設(shè)計人員便可借助VR 技術(shù)，來對其外觀、結(jié)構(gòu)以及性能等開展建?；顒樱锰摂M現(xiàn)實系統(tǒng)，來模擬一些作業(yè)場景，達(dá)到對產(chǎn)品設(shè)計、性能試驗以及特性的有效評估，并且能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)械之間的實時交互?，F(xiàn)階段，VR 實際上在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域當(dāng)中并沒有得到廣泛運(yùn)用，有關(guān)此方面的研究大多集中于虛擬裝配以及虛擬試驗兩方面。例如，我國某農(nóng)業(yè)大學(xué)便借助VR 技術(shù)開展農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的虛擬試驗，有關(guān)學(xué)者曾自主研發(fā)出農(nóng)用拖拉機(jī)的試驗系統(tǒng)，主要借助MultiGen Creato 以及Vega Prime 打造虛擬試驗場景，有效實現(xiàn)了農(nóng)用拖拉機(jī)加速、轉(zhuǎn)向以及制動等方面的仿真試驗，極大地提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計成效[5]。

3.1.2 CAD 技術(shù)

在開展農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計活動時，CAD 技術(shù)有著較為廣泛的應(yīng)用，能夠用來優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)，開展理論層面的設(shè)計工作。將此類智能技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)機(jī)設(shè)計工作中，一般均為模塊化變形設(shè)計，以此來明確組件的定位以及組裝的過程，同時對此開展預(yù)先設(shè)計，這樣能夠更為清楚準(zhǔn)確地掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的具體使用情況。由于CAD 技術(shù)能夠開展參數(shù)性3D 結(jié)構(gòu)設(shè)計，比較容易修改，而且較為直觀，可以很好滿足設(shè)計工作的現(xiàn)實需求[6]。例如，在開展農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤方面的設(shè)計工作時，便可借助CAD 技術(shù)開展三維仿真以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠結(jié)合工件的定位，合理地設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)，然后再依照坐標(biāo)開展組裝工作，整個過程設(shè)計人員均能夠直觀地看到機(jī)械的設(shè)計情況、各部件的尺寸以及功能等，有助于提高設(shè)計的精確性以及合理性。

3.2 在農(nóng)機(jī)駕駛方面的應(yīng)用

對于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛來講，主要指的是將拖拉機(jī)或者是收獲機(jī)等機(jī)械設(shè)備，借助感知、定位技術(shù)來有效地感知作業(yè)環(huán)境以及位置等，再借助路徑規(guī)劃技術(shù)及液壓控制技術(shù)等，來促使農(nóng)業(yè)機(jī)械可以依照規(guī)劃軌跡開展自動化行駛。自動駕駛技術(shù)能夠有效縮減人工勞動成本，大幅度提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)的精準(zhǔn)性以及作業(yè)效率?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械大多數(shù)是借助導(dǎo)航定位的形式（包括衛(wèi)星、GPS 等），來達(dá)到全局路徑規(guī)劃以及自動駕駛的目的。比如：一方面，可通過在運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航的前提下，借助視覺以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，來達(dá)到對局部環(huán)境具體情況進(jìn)行解析的目的，可以確保農(nóng)業(yè)機(jī)械自主地對障礙物展開識別、檢測，最終取得對全局或者是局部多維度環(huán)境做出有效感知的效果。另一方面，能夠結(jié)合地貌以及土質(zhì)情況開展耕深方面的自動調(diào)節(jié)。例如：國外某大型農(nóng)機(jī)企業(yè)2012 年便借助相應(yīng)的自駕系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)出了智能化的農(nóng)耕機(jī)以及收割機(jī)，相關(guān)工作人員僅需在開展耕作活動前，將可能遇到的狀況或者是田地信息全部輸入到GPS 系統(tǒng)當(dāng)中，拖拉機(jī)便能夠結(jié)合GPS系統(tǒng)的指示進(jìn)行自動行駛，前方還會開展紅外線持續(xù)掃射，從而避免撞上障礙物[7]。

3.3 在播種機(jī)械中的應(yīng)用

精準(zhǔn)播種已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容，主要指的是在實際開展播種作業(yè)時，保證種子間能夠始終處于一個合理的間距以及能夠?qū)崿F(xiàn)適量播種等，從而保證農(nóng)作物可以在最大程度上有效攝取陽光、水分以及礦物質(zhì)，并且可以對土地等資源進(jìn)行充分利用，切實提高農(nóng)作物實際產(chǎn)量?，F(xiàn)階段，播種機(jī)一般均為純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，實際工作方式是依照一定時間間隔合理地排出種子，以此達(dá)到種子間距一致的目的。對于排出種子的具體時間間隔，能夠結(jié)合機(jī)械設(shè)備實際行走的速度進(jìn)行設(shè)定，但由于機(jī)械作業(yè)過程中有著一定的不穩(wěn)定性，所以容易出現(xiàn)單次無法排出種子或者是單次排種過多等問題。面對這一情況，可在播種機(jī)當(dāng)中裝設(shè)智能攝像頭，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效地對種子實際拋灑過程開展分析工作，比如實時記錄排種過程、有效標(biāo)識未播或者是多播種子的具體位置以及編號等，可以替代人工識別，進(jìn)一步減少勞動成本。此外，一些智能播種機(jī)械設(shè)備，還能夠借助探測裝置有效獲取土壤信息，再借助算法有效計算出最佳的播種密度，同時自動開展播種作業(yè)，美國研發(fā)設(shè)計的機(jī)器人Prospero是此類智能播種機(jī)械設(shè)備中的代表[8]。

3.4 在收獲機(jī)械中的應(yīng)用

通過將人工智能技術(shù)應(yīng)用于收獲機(jī)械當(dāng)中，可以實現(xiàn)對小麥、水稻以及玉米等一系列農(nóng)作物的智能化收割，可進(jìn)一步減少人工勞動量，提高收獲效率以及質(zhì)量。在實際收獲作業(yè)時，谷物脫粒、分離以及清選檢測等作業(yè)內(nèi)容，屬于收獲機(jī)開展收獲作業(yè)時的重點(diǎn)步驟，直接關(guān)系著收獲質(zhì)量的高低，通過應(yīng)用人工智能技術(shù)可實現(xiàn)對這些作業(yè)內(nèi)容的智能化管控[9]。例如，對于小麥?zhǔn)斋@機(jī)而言，需要先借助割臺來有效地對小麥開展收割作業(yè)，再借助滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及凹版間隙調(diào)節(jié)等合理地對小麥開展脫粒、分離還有清選作業(yè)。此時收獲機(jī)本身的行駛速度以及割臺高度還有滾筒轉(zhuǎn)速等一系列參數(shù)都可以對脫粒、分離以及清選工作成效產(chǎn)生決定性的影響。對此，可在收獲機(jī)作業(yè)倉內(nèi)合理裝設(shè)智能攝像頭，其可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對小麥脫粒作業(yè)情況的實時檢測，然后借助深度學(xué)習(xí)方法，快速地計算出最為適宜的行駛速度、割臺高度以及滾筒轉(zhuǎn)速等，然后及時對這些參數(shù)做出調(diào)整，從而保證能夠?qū)⒆魑飶氐资斋@干凈[10]。

此外，借助對人工智能技術(shù)的合理應(yīng)用還能夠促使收獲機(jī)械自主結(jié)合收獲作物的差異來智能化開展行駛速度、割臺高度以及滾筒轉(zhuǎn)速等方面的調(diào)整工作，以此滿足不同作物的實際收獲需求[11-12]。例如，智能果木采摘機(jī)械便能夠自主完成蘋果以及葡萄等多種水果的采摘工作，而且能夠根據(jù)水果種類的不同調(diào)整收獲方式以及速度。再如，美國研發(fā)的一款智能化蘋果采摘機(jī)械，能夠在不破壞蘋果樹以及蘋果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)1 s 有效采摘1 個蘋果。這款機(jī)械借助攝像裝置來有效獲取果樹的照片，再借助圖片識別技術(shù)來智能化地定位一系列適合進(jìn)行采摘的蘋果，再通過機(jī)械手臂以及真空管道開展采摘活動，過程中基本不會對果樹以及蘋果造成任何損傷。

3.5 在管養(yǎng)機(jī)械中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)在各類農(nóng)業(yè)管養(yǎng)機(jī)械當(dāng)中也開始得到廣泛應(yīng)用，并且取得了良好成效。通過在農(nóng)業(yè)機(jī)器人當(dāng)中裝設(shè)天氣監(jiān)視器以及高光譜熱成像相機(jī)或者是脈沖激光傳感器等，可以實時動態(tài)地獲取一系列農(nóng)作物莖葉實際生長直徑、所在區(qū)域土壤含水率以及氣溫還有葉片面積等多種數(shù)據(jù)信息，并且可以實時將信息上傳至計算機(jī)系統(tǒng)，分析和判斷農(nóng)作物是否缺肥、缺水等，并自動化地操控噴灌設(shè)備或者是滴灌設(shè)備等開展適當(dāng)?shù)乃使?yīng)工作。例如，美國研發(fā)的BlueRiver 農(nóng)用機(jī)器人便能夠借助電腦圖像識別等相關(guān)技術(shù)和算法，來有效地判斷出農(nóng)田當(dāng)中哪些作物需要進(jìn)行除草、灌溉以及施肥、打藥等等，同時這些數(shù)據(jù)信息在傳至計算機(jī)之后，還可以打造對應(yīng)作物的3D 模型，從而精準(zhǔn)地預(yù)判此類作物的發(fā)育情況或者產(chǎn)量等。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等一系列高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能時代已經(jīng)迅速到來，在這一時代背景下，各類人工智能技術(shù)將會在社會上各個領(lǐng)域得到普及和運(yùn)用[13-15]。通過將此項技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，可大幅度提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化以及自動化水平，有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的勞動力投入以及經(jīng)濟(jì)投入，并且可大幅度提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，助推鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。