基于北斗系統(tǒng)發(fā)展我國精準農業(yè)技術裝備

1 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。2012年年底，我國建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務，并計劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務。

2013年4月，在北斗二號系統(tǒng)建成并開始提供區(qū)域服務之際，為促進我國精準農業(yè)技術裝備發(fā)展和北斗系統(tǒng)農業(yè)應用，財政部、農業(yè)農村部在國家農機購置補貼目錄中，增加“精準農業(yè)設備”小類，對“農業(yè)用北斗終端（含漁船用）”進行財政補貼。

該補貼政策的實施，帶動了國家有關部委和地方政府的財政投資，促進了一批導航企業(yè)和主機企業(yè)研制北斗農機自動導航駕駛和輔助駕駛導航系統(tǒng)，著力培育精準農業(yè)技術，形成了良好的技術和市場競爭格局，為我國精準農業(yè)技術裝備和現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展奠定了良好基礎。

本文首先介紹北斗系統(tǒng)在農機化領域的應用概況，然后介紹國家有關部門對于北斗系統(tǒng)農機應用的支持情況和相關標準建設進展，最后針對北斗系統(tǒng)在精準農業(yè)中應用存在的問題，提出若干發(fā)展建議，供同行業(yè)者參考。

2 應用概況

當前，北斗系統(tǒng)在農機化領域中的規(guī)?；瘧茫饕w現(xiàn)在3個方面：一是農機自動駕駛導航應用，二是農機作業(yè)監(jiān)管應用，三是農機管理調度應用。

近年，農業(yè)農村部啟動全國農民手機應用技能培訓，內置北斗定位芯片的手機有望成為農民的“新農具”，但該應用不在本文探討的范圍。

2.1 農機自動駕駛導航應用

黑龍江農墾大約從2000年前后，開始小規(guī)模地引進國外農機自動駕駛導航系統(tǒng)，開展精準起壟和播種等作業(yè)，取得了較好的示范經(jīng)驗。隨著2013年“農業(yè)用北斗終端”納入農機購置補貼目錄，國內導航企業(yè)在引進、消化和吸收國外產品的基礎上，基于我國的北斗系統(tǒng)，開展自主創(chuàng)新，取得了可喜的進展。截至目前，國產農機自動駕駛導航產品已占據(jù)市場的主導地位。

農機自動駕駛導航技術可以有效降低勞動力成本，緩解高技能勞動力的不足，同時可以提高作業(yè)質量、土地利用率和延長作業(yè)時間。在東北、西北和華北等規(guī)模化種植區(qū)，農機自動駕駛導航技術已深入人心，在國內其他省市，也得到了一定的應用推廣。

圖1 農機自動駕駛導航應用

從控制方式看，農機自動駕駛導航技術主要包括液壓式和方向盤式2類。液壓式控制精度高、反應靈敏，適用于具有全液壓動力轉向裝置的大中型農機裝備。經(jīng)過近年的技術攻關，方向盤式自動駕駛導航技術基本達到了液壓式的控制精度，而且具有安裝與維護方便、適用性更寬等優(yōu)點，可用于小型農機裝備的自動行走控制，如非全液壓動力轉向的農業(yè)機械。

經(jīng)過數(shù)年的快速發(fā)展，農機自動駕駛導航系統(tǒng)的數(shù)量增長顯著，后裝問題也隨之日漸凸顯，例如后裝的安全性、兼容性和可靠性等難以得到有效保障。因此，在發(fā)展后裝應用的同時，有關主機企業(yè)聯(lián)合科研院所和導航企業(yè)，不斷探索自動駕駛導航技術前裝應用。

圖 2a為雷沃重工聯(lián)合華南農業(yè)大學研發(fā)的前裝自動導航輔助駕駛系統(tǒng)的拖拉機。前裝應用可以提高系統(tǒng)的安全性、兼容性和可靠性，降低產品成本，布線更為緊湊、美觀，而且可以利用主機企業(yè)較為成熟的銷售與服務渠道，緩解嚴峻的售后服務問題。中國一拖（圖 2b）、中聯(lián)重機（圖 2c）、山東五征等主機企業(yè)也推出了相應的產品，取得了較好的前裝應用經(jīng)驗。

圖2 北斗農機自動駕駛導航系統(tǒng)前裝應用

繼凱斯紐荷蘭推出無人駕駛拖拉機概念（Autonomous Tractor Concept）后，國際上掀起了無人農場、無人農機、無人作業(yè)的熱潮。2018年6月9日，江蘇省興化市組織了農業(yè)全過程無人作業(yè)試驗，進行了夏季水稻無人耕作、無人整地、無人插秧三大作業(yè)環(huán)節(jié)的演示。事實上，我國早在2012年，就在新疆維吾爾自治區(qū)石河子開展過初步的無人駕駛拖拉機作業(yè)演示，中國工程院院長周濟院士率近30位院士及相關專家觀看了雷沃重工與華南農業(yè)大學聯(lián)合主辦的農機導航及自動作業(yè)系統(tǒng)演示活動。

圖3 北斗農機自動駕駛導航系統(tǒng)前裝應用

2.2 農機作業(yè)監(jiān)管應用

2.2.1深松作業(yè)監(jiān)管

農機深松整地作業(yè)是通過拖拉機牽引深松機或帶有深松部件的聯(lián)合整地機等機具，進行行間或全方位深層土壤耕作的機械化整地技術。應用這項技術可在不翻土、不打亂原有土層結構的情況下，打破堅硬的犁底層，加厚松土層，改善土壤耕層結構，從而增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力，能有效增強糧食基礎生產能力，促進農作物增產、農民增收。

十二五和十三五期間，農業(yè)農村部連續(xù)發(fā)布了《全國農機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃（2011-2015）》、《全國農機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃（2016-2020年）》，我國適宜地區(qū)的7億畝耕地將全部進行深松整地作業(yè)，并進入“同一地塊三年深松一次”的作業(yè)周期。中央與省級財政對深松作業(yè)進行資金補貼。

為做好補貼監(jiān)管，國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心、黑龍江惠達科技發(fā)展有限公司等單位自主研發(fā)了農機作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)（見圖 4），綜合應用傳感器、計算機測控技術、衛(wèi)星定位技術和無線通訊技術，實現(xiàn)深松機作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)面積的準確檢測，為深松作業(yè)補貼提供量化依據(jù)。

當前，全國每年約2億畝農田開展深松作業(yè)，對于深松機具及農機深松作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的應用需求量較大。通過運用該監(jiān)控系統(tǒng)，使得深松補貼惠民措施得以公平、公正、高效、精準地實施。

圖4 農機深松作業(yè)監(jiān)管

2.2.2秸稈還田作業(yè)監(jiān)管

秸稈還田是解決秸稈焚燒的有效途徑，既解決了大量秸稈的出路，又避免了因秸稈廢棄糜爛和焚燒造成的環(huán)境污染問題，還田還可以改良土壤，增加農田有機質，優(yōu)化農田生態(tài)環(huán)境。

為此，農業(yè)農村部于2017年提出“實施農業(yè)綠色發(fā)展五大行動”，積極推廣深翻還田、秸稈飼料無害防腐和零污染焚燒供熱等技術，推動出臺秸稈還田、收儲運、加工利用等補貼政策，激發(fā)市場主體活力，構建市場化運營機制，探索綜合利用模式。

有關省市通過立法和財政補貼等措施，鼓勵農民配置秸稈還田機具，實施秸稈還田舉措。以江蘇省為例，通過印發(fā)《2018年全省秸稈機械化還田實施辦法》，強化“行政檢查、社會監(jiān)督和第三方核查”相結合的考核督查機制，提升監(jiān)管的公信力，要求縣級農機、財政部門做好作業(yè)面積核定、補助資金匯總和兌付工作，加強對作業(yè)面積、作業(yè)質量和資金管理使用的監(jiān)督檢查。

為做好秸稈還田監(jiān)管工作，江蘇北斗衛(wèi)星應用產業(yè)研究院有限公司等單位基于北斗定位裝置研發(fā)的秸稈還田監(jiān)管系統(tǒng)得到普遍應用（見圖 5），在秸稈還田工作實施中，起到了重要的作用。

圖5 秸稈還田作業(yè)監(jiān)管

2.2.3農機化管理應用

江西省農機局為促進精準農業(yè)發(fā)展，提高機具工作效率和農機化管理部門的監(jiān)管效率，規(guī)定自2018年起，凡進入江西省的補貼額1萬元以上（含1萬元）的大中型機具必須配備衛(wèi)星定位裝置，適用機型包括聯(lián)合收割機、輪式拖拉機、履帶式拖拉機、撿拾壓捆機、噴桿噴霧機等。

盡管該規(guī)定為一省之行為，但對全國其他省市具有示范效應，直接促進了國內外主機廠全面前裝GNSS定位裝置或預留后裝條件，其影響意義將異常深遠。

2.3 農機管理調度應用

隨著農業(yè)合作社、農機合作社的不斷發(fā)展壯大，利用空間信息技術進行資源、計劃和生產管理越來越普遍。如圖 6所示，通過在采棉機上安裝北斗定位與作業(yè)監(jiān)測終端，新疆維吾爾自治區(qū)新建現(xiàn)代農業(yè)工程開發(fā)有限公司可以實現(xiàn)作業(yè)計劃、進度統(tǒng)計、保養(yǎng)記錄、管理調度等功能。該系統(tǒng)安裝使用多年，2016年進行了一次系統(tǒng)升級，在機采棉作業(yè)管理中發(fā)揮了重要的作用，顯著地提高了企業(yè)的管理效率，達到了良好的節(jié)本增效目的。

圖6  采棉機北斗管理調度系統(tǒng)

3 政策與標準

北斗系統(tǒng)在精準農業(yè)領域的蓬勃發(fā)展，離不開中央、國家部委和地方政府的政策支持和資金引導。

3.1 政策支持

《2018年中央一號文件》指出：推進我國農機裝備產業(yè)轉型升級，加強科研機構、設備制造企業(yè)聯(lián)合攻關，進一步提高大宗農作物機械國產化水平，加快研發(fā)經(jīng)濟作物、養(yǎng)殖業(yè)、丘陵山區(qū)農林機械，發(fā)展高端農機裝備制造。

《“十三五”全國農業(yè)農村信息化發(fā)展規(guī)劃》指出：加快基于北斗系統(tǒng)的深松監(jiān)測、自動測產、遠程調度等作業(yè)的大中型農機物聯(lián)網(wǎng)技術推廣。……。加快推進北斗系統(tǒng)在農業(yè)農村中的應用。工業(yè)和信息化部、農業(yè)農村部、發(fā)展改革委三部委聯(lián)合印發(fā)的《農機裝備發(fā)展行動方案(2016-2025)》指出：開展基于北斗的農機定位與導航、農機變量作業(yè)技術與裝置研究和農機作業(yè)與運維智能管理技術系統(tǒng)研究，以提高農機裝備智能作業(yè)、信息化管理水平，為智慧農業(yè)生產奠定技術基礎。

以上文件明確了我國要基于北斗系統(tǒng)發(fā)展農機裝備和精準農業(yè)技術，為我國今后的精準農業(yè)技術、裝備與服務體系構建指明了方向和途徑。

3.2 購機補貼

如前所述，自2013年起，購置農業(yè)用北斗終端即可享受中央財政補貼。據(jù)初步統(tǒng)計，如圖 7所示，2018年，安徽等20個省市、寧波等2個計劃單列市以及黑龍江農墾和新疆維吾爾自治區(qū)生產建設兵團對農業(yè)用北斗終端實施了補貼（不包括漁船用北斗終端）。

圖7 實施農業(yè)用北斗終端補貼的省市

表1為部分省市農業(yè)用北斗終端補貼額一覽表。其中，針對自動駕駛和輔助駕駛產品，上海市在中央財政補貼的基礎上，給予市財政資金補貼15000元。由此可見，國家和地方為北斗農業(yè)應用提供了大量的補助資金，有力地促進了農業(yè)用北斗終端的規(guī)?；茝V應用，為企業(yè)研發(fā)精準農業(yè)技術裝備樹立了信心。

表1部分省市農業(yè)用北斗終端補貼額(元)

注：數(shù)據(jù)來源于2018年各省市農機購置補貼輔助管理系統(tǒng)及農機360網(wǎng)匯總的2018-2020年農機購置補貼機具補貼額一覽表，按省市名稱拼音排序?！?”表示未查到數(shù)據(jù)。黑龍江農墾第一批次未公布補貼額。北京市利用市級財政資金進行單獨補貼的補貼比例按照50%測算。

3.3 項目支持

國家發(fā)展改革委、農業(yè)農村部等國家部委及北斗重大專項，也通過示范項目的方式，支持北斗系統(tǒng)在精準農業(yè)中的應用。

2014年，國家發(fā)改委支持新疆維吾爾自治區(qū)生產建設兵團第八師開展區(qū)域精準農業(yè)示范，該示范項目為首批800臺套的北斗農機自動駕駛導航系統(tǒng)提供1萬元的項目補貼，極大地促進了自動駕駛導航系統(tǒng)在第八師的規(guī)?；瘧?，項目超額完成了推廣任務。截至目前，第八師利用中央財政資金和項目資金，對1029臺套的農機自動駕駛系統(tǒng)進行了驗收和補貼。由于自動駕駛系統(tǒng)帶來的好處立竿見影，特別是高精度導航有利于機采棉作業(yè)，到目前，第八師已推廣應用自動駕駛導航系統(tǒng)2200余臺套，基本實現(xiàn)了普及應用。

圖8 利用自動駕駛系統(tǒng)播種的第八師棉田

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室通過北京市北斗衛(wèi)星導航應用示范（2013年立項）、江蘇省北斗綜合應用示范（2014年立項）、湖北省北斗衛(wèi)星導航應用示范（2014年立項）、國資委北斗衛(wèi)星導航應用示范（2018年立項）等項目，均支持了北斗精準農業(yè)應用，有力地促進了北斗系統(tǒng)在中國精準農業(yè)領域的應用推廣。

農業(yè)農村部自2017年起開始實施“數(shù)字農業(yè)建設試點項目”，在大田種植方向，提出：建設北斗精準時空服務基礎設施，基于北斗實現(xiàn)農業(yè)機械高精度自動作業(yè)、精準導航與實時信息采集，配置農機遠程監(jiān)測裝置，構建農機調度管理系統(tǒng)和生產數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。十三五期間，農業(yè)農村部將持續(xù)支持適宜地區(qū)開展數(shù)字農業(yè)建設試點。

3.4 標準建設

2017年，中國農機化協(xié)會針對深松作業(yè)監(jiān)管應用需求，組織編制和發(fā)布了《農機深松作業(yè)遠程監(jiān)測系統(tǒng)技術要求》團體標準。該項團體標準的出臺對機械化深松作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的使用范圍、系統(tǒng)架構進行了詳細規(guī)范，也對監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)平臺、監(jiān)測方法和檢驗規(guī)則等進行了分類、規(guī)范和要求。

2018年，中國農機工業(yè)協(xié)會針對北斗終端在農機裝備上的后裝與前裝應用，組織編制和發(fā)布了《農業(yè)機械衛(wèi)星導航自動駕駛系統(tǒng)前裝通用技術條件》、《農業(yè)機械衛(wèi)星導航自動駕駛系統(tǒng)后裝通用技術條件》、《農業(yè)機械遠程運維系統(tǒng)網(wǎng)絡服務平臺技術規(guī)范》、《拖拉機北斗兼容車載終端系統(tǒng)通用技術條件》等4項團體標準。

以上標準的研制，將有效規(guī)范我國北斗定位導航終端前裝與后裝的標準化應用，促進農機作業(yè)規(guī)范化發(fā)展和大型農機裝備提檔升級。

4 發(fā)展思考

農機裝備是發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)的重要物質基礎。基于北斗系統(tǒng)推進農機裝備發(fā)展是提高農業(yè)勞動生產率、土地產出率、資源利用率的客觀要求，是支撐農業(yè)機械化發(fā)展、農業(yè)發(fā)展方式轉變、農業(yè)質量效益和國際競爭力提升的現(xiàn)實需要。

近幾年來，在各級部門共同努力下，結合我國國情，基于自主北斗發(fā)展精準農業(yè)取得了可喜的成績。但在看到成績的同時，也應該看到問題、差距和不足。例如，農業(yè)用衛(wèi)星導航信號服務體系不健全，自動駕駛后裝應用的售后服務舉步維艱，高精度導航技術的綜合效益未能得以全面發(fā)揮，精準農業(yè)技術、裝備與服務體系有待構建，無人作業(yè)何去何從，等等。鑒于此，作者提出以下發(fā)展建議。

（1）全面梳理我國精準農業(yè)技術、裝備與服務體系，逐步形成精準農業(yè)完整產業(yè)鏈條。從美國等發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗來看，精確導航是邁出精準農業(yè)發(fā)展的第一步。以此為基礎，逐步發(fā)展精準作業(yè)和精細化管理。我國地域廣、作物多，應因地制宜、按需發(fā)展精準農業(yè)技術裝備。精準農業(yè)以專業(yè)知識與智能裝備為主要內容，普通農民往往難以直接領悟和全面接受與應用，在發(fā)展技術裝備的同時，應大力發(fā)展社會化精準服務，使之落地生根和產生效益。

（2）著眼于“北斗＋互聯(lián)網(wǎng)＋農機”發(fā)展，凝練精準農業(yè)對北斗應用的共性需求，做好產品頂層設計與規(guī)劃。動力機械行走控制、變量機具精準作業(yè)及農機化精細管理，均以北斗系統(tǒng)為核心支撐。當前市場上所銷售的自動駕駛系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)、作業(yè)質量監(jiān)測終端、農機位置監(jiān)測終端等，均滿足特定的應用需求，未能實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃和綜合利用。有關部門和企業(yè)應深入學習國外先進企業(yè)的產品體系，結合我國的具體國情，著眼于“北斗＋互聯(lián)網(wǎng)＋農機”發(fā)展，重新定義產品體系與形態(tài)，實現(xiàn)精確導航、精準作業(yè)和精細管理的無縫對接。

（3）精準農業(yè)發(fā)展體現(xiàn)多學科知識融合，科學價值決定著產品的市場競爭力和生命力。在信息采集技術和智能農機裝備的基礎上，建設農業(yè)生產大數(shù)據(jù)平臺，可以提高生產決策水平和資源管理與利用效率，是當前精準農業(yè)領域競相發(fā)展的熱點。但主機企業(yè)或導航企業(yè)封閉開發(fā)和運營大數(shù)據(jù)平臺是不可取的，應借鑒約翰迪爾JDLink平臺發(fā)展經(jīng)驗，通過開放平臺、合作決策，由農藝專家做出專業(yè)化的施肥、施藥和田間管理決策，通過智能農機裝備進行精準實施。

（4）深入理解農業(yè)生產規(guī)律和需求，科學發(fā)展農機社會化服務平臺。隨著北斗終端的標準化配置，網(wǎng)約農機的時代似乎即將來臨，眾多高技術企業(yè)和風投公司聞風而動，紛紛進入該領域，建設服務平臺和推出有關APP。然而，農機社會化服務與城市網(wǎng)約車服務的組織方式存在根本區(qū)別。農業(yè)生產要求有組織、有計劃、確定性地安排生產活動，需要建立B2B商業(yè)模式。而網(wǎng)約車的商業(yè)模式是C2C，與農業(yè)生產背道而馳。因此，借鑒網(wǎng)約車商業(yè)模式建設農機社會化服務平臺，往往難以取得成功。

（5）找準短板，挖掘剛需，實質性地推進無人農機和無人作業(yè)探索。農機自動駕駛導航技術很好地緩解了高技能勞動力的不足，在國家和地方政府的大力支持下，得到了迅速的應用推廣。但無人種地是個偽命題，在生產活動中，資源的相互替代取決于比較效益。由機器完全、全面地代替人力，顯然為時尚早。當前，果園施藥、水田耕作、田間除草等應用對無人作業(yè)存在潛在的應用需求，應當引起足夠的重視和深入的探索。