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            構建我國第三代農機的創新體系

            發布于2020-02-28 12:28????文章來源:中國科學院刊

            中國科學院刊  第35卷·第2期·2020年2月

            作者:孫凝暉 張玉成* 石晶林
              
            摘要   農業機械化和農業裝備智能化是提高農業生產效率、轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎。70年來我國的農機工業從新中國成立時候的“一窮二白”發展到如今全球規模第一,取得了舉世矚目的成就。但是,我國的農機工業與世界農機強國相比依然存在著巨大的技術差距,“大而不強”成為現階段的主要特征。如何實現農機工業“由大變強”的突破,根本路徑是要建立適合中國農業生產作業方式的農機創新體系。文章以拖拉機作為農機行業的典型代表,回顧了我國農機工業體系的發展歷程,并結合技術發展和土地制度的變革,對新中國的農機工業體系進行斷代劃分;著重闡述了未來第三代農機的創新體系建設目標和內容;探討新的技術創新體系在黃河三角洲的應用與實踐,介紹如何構建第三代農機的應用體系。最后,對全面構建自主可控的第三代農機創新體系提出規劃建議。
              
            關鍵詞 智慧農業裝備,產業布局,第三代農機創新體系,智慧農業,規劃建議
              
            DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.20200107003
              
              習近平總書記指出,要大力推進農業機械化、智能化,給農業現代化插上科技的翅膀。隨著科學技術的進步,農業生產逐步呈現出“工業化”的趨勢。當前,農業生產過程中的流程顆粒度越分越細,以數據為驅動的生產組織管理模式得到了廣泛的認可,農業生產的組織方式初步具備了工業化流程生產的特點??梢灶A見,這種生產模式將會極大地解放人力,提升農業生產效率,并將深刻地影響農業產業的上、下游。與工業生產類似,貫穿農業生產上、下游的核心是“裝備”和“信息”,尤其是兩者融合而成的“智能農機裝備”,其應具有信息數據處理與智能作業能力。從全球農機巨頭的技術布局來看,這一趨勢已十分明顯。但是,在我國傳統農機技術遠遠落后于發達國家的情況下,如果仍采用按部就班的“追趕策略”,必然導致我國農機創新體系的建設“一步落后,步步落后”。因此,在全球農機工業強國紛紛開展新一代農機創新體系建設的起跑時刻,我國的農機工業借助我國在信息技術領域的優勢,打造以信息技術為核心承載的自主可控的農機創新體系,將是一種重要探索。
              
              農業機械泛指在種植業和畜牧業生產過程中,以及農、畜產品初加工和處理過程中所使用的各種機械。而以提供動力輸出為主要特征的拖拉機則被作為農業機械的代表產品,其技術發展水平在很大程度上反映了一個國家農機產業的整體技術水平。因此,本文將以拖拉機為代表來闡述我國農機工業創新體系的建設思路。
              
            1 我國的農機創新體系長期依靠“引進消化吸收”
              
            1.1我國農機體系創新發展史
              
              新中國成立以前,我國沒有自己的農機工業體系。新中國成立后,我國農機工業發展歷程大致可分為兩個階段。
              
              第一階段始于 20 世紀 50 年代。這一時期,我國立足于集體農業生產模式,并于“一五”期間引進蘇聯技術。例如,興建“東方紅洛陽拖拉機廠”,并以哈爾科夫拖拉機廠“德特 54”為基礎生產出“東方紅 54”金屬履帶式拖拉機,這標志著我國從此由鐵犁牛耕開始進入農業機械化進程。同期還有 1956 年正式命名的天津拖拉機廠及“鐵牛”牌拖拉機,1958 年建立的長春拖拉機廠生產的“上游”牌拖拉機,1958 年上海拖拉機廠生產的第一臺“紅旗”牌拖拉機,以及江西、清江、邢臺、湖北、新疆等拖拉機廠。這些拖拉機制造企業代表了一個時代的技術水平,成為當時的十大農機制造廠,也為我國農機產業發展進入新的時代奠定了基礎。
              
              第二階段始于改革開放。此時,農業生產模式由集體生產模式改變為包產到戶,以蘇聯技術為基礎的農機技術體系已難以滿足個體化農業生產過程中的復雜多變的使用需求,于是十大農機制造廠紛紛推出滿足農村改革的小四輪、小手扶等農機產品。但是,這一短暫的自主創新產品屬于“土法制造”,成“體系”不足。在“技術換市場”的思路指導下,我國于 20 世紀 80 年代末以成套引進意大利菲亞特的中、大馬力輪式農機體系為標志,開始了以歐美技術體系為代表的第二代農機體系的“引進—消化—吸收—再創新”的產業發展歷程,并以此為基礎催生了以產業配套為特征的農機產業聚集區和新的農機品牌。如今,以河南洛陽、山東濰坊、江蘇常州為主的三大農機生產制造基地已經成型;此外,浙江東部、安徽蕪湖、吉林、河北等地也形成了一定規模的農機產業聚集。
              
            1.2我國農機創新體系的斷代劃分
              
              體系的建立不僅包含技術體系,還包括制造體系、標準體系、商業體系、人才體系等。僅從技術體系上來看,上述兩個歷史階段明顯分屬兩代不同的技術體系,并且時間上的持續期都在 30 年左右。從全球來看,以美國凱斯公司 2016 年研制的全球第一臺無人駕駛智能農機作為標志,世界農機發展站到了以信息技術為核心的新一代農機體系的關口。
              
              技術發展的斷代(整理、區分、分代)對于厘清思路、指導研發具有重要意義。因此,有必要對我國農機技術體系進行斷代劃分。世界上,農機正式起源于 18 世紀 60 年代第一次工業革命,而直到 1949 年新中國成立后我國才開始建設自己的農機工業體系。因此,我們將以拖拉機為代表的我國農機工業發展歷程
              
              劃分為 3 個階段,即三代體系(圖 1):①第一代體系——蘇聯技術體系(1956—1986 年),以差速轉向技術、動力系統、濕式主離合器等技術為核心;②第二代體系——歐美技術體系(1986—2016 年),以電動燃油噴射、高壓共軌燃油機、動力換擋等技術為核心;③ 第三代體系——信息化技術體系(2016—2046 年),以清潔能源、無人化和智能化作業為主要特征的新一代農機技術體系。
              
              第一代與第二代農機體系大致都經過了 30 年發展歷程,尤其是改革開放以來建立在第二代體系之上的農機工業更是成績斐然。自 2004 年 6 月25日全國人大通過《中華人民共和國農業機械化促進法》后,我國的農機工業經歷了“黃金十年”的快速發展。2018 年國家統計局發布的工業運行數據顯示,全行業主營業務收入 2 601.32 億元人民幣,我國已經成為全球第一農機制造大國[1]。
             
            圖 1 我國農機創新體系技術斷代圖
              
            1.3我國的農機行業存在的核心問題
              
              由于我國農機的前兩代技術體系都是依靠技術引進,屬于追趕者,這是造成我國農機工業長期處于落后狀態的核心原因之一。綜合來看,我國的農機行業存在的核心問題主要體現在 3 個方面。
              
              (1)我國農機工業長期依靠引進、消化、吸收國外農機技術,缺乏自主的創新技術能力和基礎技術研究,導致我國農機產業“大而不強”。從農機裝備整體水平上來看,由于缺乏大量基礎共性技術研究,核心零部件長期依賴進口,雖然目前我國已經成為全球第一的農機生產制造和消費大國,但整體的裝備技術水平與全球農機強國相比,還存在至少 30 年以上的差距[2](表 1)。從行業龍頭規模來看,國內農機行業競爭格局分散,市場集中度有待提高,具備國際競爭力和品牌影響力的大型企業集團嚴重缺乏。雖然 2018 年我國農機生產企業總產值為 2 600 多億元人民幣[3](不含零部件企業),其總額僅為全球農機巨頭約翰迪爾公司 293 億美元產值的 1.3 倍左右。同期我國最大農機企業總產值只有不到百億元人民幣,與世界農機巨頭相比存在當量級的差距。究其根源還是創新不足:我國農機企業的研發費用占企業銷售額不足 2%,而國外主要農機企業基本在 4%—6%?,F代設計方法與試驗條件滯后,產品開發周期是國際水平的 2—3 倍[4]。學科方面,農業裝備學科世界前 20 名高校均分布在歐、美、日,中國高校無一入圍。人才方面,我國農機產業到 2020 年的人才缺口為 16.9 萬人,到 2025 年缺口將高達 44 萬人[5]。
              

            表1國內外農機關鍵技術指標對比
              
              (2)我國農機產品需求多元,但實際情況是農機種類少,低水平重復、惡性競爭現象嚴重。我國地域遼闊,經緯度跨度大,導致我國的農業生產呈現出多樣化的特征,如長江中下游地區的水田、東北黑土地的規模農業、寧夏青海地區的干旱農業、西南地區的丘陵山地農業、渤海灣地區的鹽堿地農業等。復雜的地形地貌與氣候特征導致農作物的品種多樣化,作業方式多樣化,因此所需要的農業裝備也是多樣化。但是由于農機基礎技術體系不掌握在自己手中,導致新產品研發周期長、水平低,加上核心技術的基礎投入不足,使得我國農機企業產品扎堆嚴重,呈現低水平重復、惡性競爭的特點。目前,我國農機品種依然聚焦在三大主糧作物的耕種收環節,針對棉、麻、油、糖等作物則缺少農機供給。從全球范圍看,全球農機產品種類已達 7 000 多種,而我國農機產品的品種只有 4 000 多種[6]。我國“無機可用”現象將長期存在, 根據區域生產特點開展個性化農機定制的需求迫切。
              
              (3)依靠現有的農機體系不能滿足鄉村振興、“一帶一路”建設等國家需求。一切技術催生的勞動工具都是生產力和生產關系相互作用的必然結果,農業機械的革新過程也是社會發展歷程的反映。從社會發展角度看,隨著我國城鎮化進程的加速,農村人口逐步轉為城市人口,農村勞動力的短缺導致出現土地“撂荒”的現象。“00后”“10后”很難再像他們的祖輩一樣從事傳統“面朝黃土背朝天”的農業生產。因此,鄉村振興戰略的實施需要吸引更多的中高端技術人才回流到農村成為新時代的職業農民,從而實現城鎮化發展和鄉村振興相得益彰,良性互動。而這些“新農民”則需要借助高端智能農機,如同操作手機、電腦一樣來從事現代化的農業生產。從新時期的社會主義土地制度看,土地屬于國家和集體,但是在生產關系變革過程中,土地制度也隨之變革。從新中國成立后的人民公社制度,到改革開放后的“包產到戶”,再到如今的土地確權中的“三權分立”,都伴隨著土地集約化程度的改變。小農經濟的精耕細作與規?;a的精準高效,都會反應在生產工具的創新變革上。我國土地的適度規模經營以及人民對高質量農產品的需求,都將催生智能化的農業生產裝備,而目前的生產工具并不能適應這樣的發展趨勢和要求。此外,“一帶一路”沿線發展中國家農業生產效率和生產水平較低,急需中小型農機裝備。而對于中小型農機裝備,發達國家不愿意制造,“一帶一路”沿線國家沒有能力制造,這種情況下我國的農機工業蘊含巨大的發展機遇。然而,目前我國出口到中亞和非洲市場的拖拉機竟然競爭不過印度馬恒達這樣的農機企業。因此,我國農機工業亟待研發技術先進、質量過硬的第三代農機。
              
              中國的發展面臨“百年未有之大變局”,中美經貿摩擦只是這場大變局的開端。糧食安全作為國家三大基 礎安全之一,在中美經貿摩擦的大背景下重要性愈發突 出。美國每次都將大量農產品的輸入作為談判的主要訴 求,而大量農產品輸入將逐步削弱我國糧食自我保障能 力。依靠第三代農機推動我國的農業生產方式變革的時代已經來臨。如同我國移動通信產業歷經“2G 跟隨— 3G 突破—4G 同步—5G 引領”的歷史性跨越一樣,必須在農機行業構建自主可控的第三代農機的創新體系,走出一條我國農機工業創新發展的新道路。
              
            2 構建自主可控的第三代農機創新體系
              
            2.1第三代農機創新體系特點
              
              以美國凱斯公司 2016 年研制的全球第一臺無人駕駛智能農機作為標志,世界農機發展站到了以信息技術 為核心的第三代農機體系的關口。信息技術驅動的第三 代農機創新體系,具體有 3 個特點:電子化實現農機數字控制、網聯化實現農機互聯互通、智能化實現農機無 人作業。具體來說,就是以機械裝備為載體,融合電 子、信息、生物、環境、材料、現代制造等技術,不斷 增強裝備技術適應性、拓展精準作業功能、保障季節勞 動作業可靠性、提升復雜結構制造高效性、改善土壤- 動植物-機器-人與生態環境協調性,實現“安全多能、自動高效、精準智能”。
              
            2.2第三代農機創新體系核心路線
              
              由于第三代農機創新技術將傳統的農機從機械控制帶到了“機械、控制、通信、計算”融合的新階段,需 要中國科學院計算技術研究所這樣的信息領域相關單位 進入該領域,并積極主導推進新體系的建立,從而建 立類似于信息產業的分工模式。以信息產業為例,蘋 果、華為等信息領域的企業,以構建體系、攻克關鍵技 術、輸出解決方案和提供服務為業務核心,真正的生產 制造由富士康、比亞迪等代工企業完成。因此,第三代 農機創新體系的核心思維方式就是把農機轉變為以信息 技術為核心的高科技智能農業裝備。而智能農業裝備的 實現需要以農業機械裝備學科為基礎,融合物聯網、移 動通信、云計算、大數據、人工智能等信息技術,實現 跨越式發展。在研發體系上,要構建開放的標準體系(圖  2),最大程度上發揮出高校、科研院所、企業的各自優勢,聯合攻關。
              

            圖 2 第三代農機體系核心內容
              
            2.3第三代農機體系構建重點
              
            2.3.1 第三代農機體系的開放標準,形成農機開放的基礎參考架構
              
              三代農機體系面向農業生產模式的轉變,需要在傳統農機架構的動力系、傳動系、行走系、懸掛系、液壓系、收獲系統等物理系統基礎上,以信息技術為血液構建新型整體架構,包括:分布式電機動力系統、集中式高密度能源系統、電子控制減速系統、模塊化收獲系統、智能網聯系統?;跇藴始軜嫾肮残约夹g平臺,實現定制化農機產品的開發,形成面向農業生產服務的成套技術、標準和工藝流程,滿足未來農業生產全生命周期管理需求。第三代農機體系的實現需要集中國內相關領域的核心研發團隊,構建統一開放的標準架構,通過功能的分層分塊和接口的標準統一,進行全產業鏈的協同,完成農機產品開發、制造與信息技術的深度融合,促使制造業、信息產業和農業的協同升級。
              
            2.3.2面向農機智能化的核心信息部件研發
              
              智能化是第三代農機體系的核心。為此,需要重點圍繞 5 類核心部件進行布局,實現農機的智能化。
              
              (1)面向農機綜合控制的芯片。針對農機信息化需求,實現農機電子系統的集中化控制,并為農機作業、自動駕駛等功能提供毫秒級的數據處理及通信平臺。
              
              (2)微型控制操作系統。滿足農機應用多元化的核心調度與智能控制算法,完成農機作業過程中亞米級的自動化精量控制。
              
              (3)智能網聯系統。基于天地一體化網聯通信技術,將傳統的農機升級為具備計算、通信、控制能力的新型智能終端,并支持集群、協作、廣域通信的能力,滿足農機控制過程中 GB 級別的綜合數據傳輸需求。
              
              (4)“人機分離”的無人駕駛。分階段實現輔助駕駛、遙控駕駛、智能自主駕駛,具備對農業生產的記憶和自我執行能力,在特定的農場里面可以根據歷史經驗自主執行。
              
              (5)農機大數據系統。實現農機農業數據EB級的存儲及處理,實現數據驅動的農機作業控制、故障預測等,并對上提供農業生產應用的數據及控制接口。
              
            2.3.3基于新能源技術實現農機基礎平臺的“換道超車”
              
              經過多年的發展,我國在新能源技術領域已經獲得良好的技術積累,為我國借助新能源技術研發農機基礎平臺提供了良好的基礎。此外,新能源技術與信息技術具有天然的親和力,因此,基于新能源技術實現農機基礎平臺的飛躍是構建三代農機體系的重要思路。農機基礎平臺的研發工作主要包括 6 個方面。
              
              (1)輪轂電機系統。通過分布式控制的輪轂電機實現大馬力動力系統提升,包括單機的分布式電機部署,實現單機動力的線形疊加和依靠通信系統實現多機集群駕駛,提升作業效率。
              
              (2)新型的清潔高密度能源系統。分階段引入新型清潔能源驅動農業裝備,從鋰電到甲烷,再到氫能源動力,穩步實現 500 Wh/kg 能量密度,完成農機主體能源系統從燃油到清潔能源的替代。
              
              (3)分布式控制系統。針對可擴展的輪轂電機架構,通過分布式的輪轂電機控制,實現低速非道路行走的分布式控制。
              
              (4)大扭矩減速器。完成低轉速大扭矩的農機減速器設計與材料選型,實現大馬力農機平臺的穩定控制。
              
              (5)電控液壓控制系統。通過電控方法和精確控制液壓系統,為厘米級的農機精量作業提供更為準確得控制。
              
              (6)數控底盤系統。針對無人智能駕駛需求,設計大馬力數控底盤,實現自動轉向、提速等功能。
              
            2.3.4基于我國地理地貌特點,進行定制化研發,并構建新型農業生產服務
              
              我國農業生產極富地域特色,東、西部地區以 400 mm 年降水量為界。其中,東部地區熱、水、土條件有較為良好的配合,人口稠密,是我國絕大部分農作物及林、漁、副業的集中地區。西部地區氣候干旱,在熱、水、土條件的配合上有較大缺陷,人口稀少,大部分地區是以畜牧為主,種植為輔。因此,個性定制的農業裝備有著非?,F實的需求。
              
              針對我國不同地域、不同氣候、不同作物的農業生產需求,應提供多元化的成套智能農業裝備及信息化解決方案。長期目標是打造面向農業、制造業與服務業相融合的互聯網化農機服務體系,實現以農機為入口的農業生產服務“阿里巴巴化”,構建農機行業與現代服務業結合的新型業態,推動資源綜合循環利用和農業生態環境保護建設,支撐農業的可持續發展。
              
              通過以上 4 個方面的重點布局,構建完整的第三代智能農機的創新體系,覆蓋技術創新、產品創新、裝備創新、標準創新、商業模式創新等不同的環節。從根本上改變目前農業裝備的生產-銷售模式,通過信息技術、智能技術驅動農機產業轉型升級,從而與世界農機強國比肩。
              
            3 我國第三代農機體系與智慧農業在黃河三角洲的探索
              
              第三代農機體系的構建、完善和成熟需要一個發展過程,而大量的測試和驗證是必不可少的環節。因此,針對特殊地形地貌和特殊的農作物品種,按照“工業 4.0”的思路,實現個性化的農機定制,并開展技術、整機和示范驗證,對于推動第三代農機產業的發展尤其重要。
              
              目前,我國耕地面積約 18 億畝,但其中堿化面積占 6.62%。此外,據統計我國有近 15 億畝鹽堿地,約占世界鹽堿地的 1/10。其中,有 2 億畝鹽堿地被認為具有農業利用潛力。作為我國重要的后備耕地資源, 改良和利用鹽堿地對補償日益減少的耕地面積、保障國家糧食安全具有重要意義。在農業裝備方面,由于鹽堿地土壤以及作物的特殊性,目前幾乎沒有出現專門針對鹽堿地作業的農業裝備,更不用說“耕、種、管、收”的全程機械化。
              
              黃河三角洲農業高新技術產業示范區(以下簡稱“黃三角農高區”)是我國 21 世紀設立的第一個圍繞鹽堿地綜合治理的國家級農業高新技術產業示范區。國務院賦予黃三角農高區的重大任務是:深入實施創新驅動發展戰略,在鹽堿地綜合治理、國際科技交流與合作、體制機制與政策創新、“四化”同步發展方面先行先試,做出示范;建立可復制、可推廣的創新驅動城鄉一體化發展新模式,成為促進農業科技進步和增強自主創新能力的重要載體,成為帶動東部沿海地區農業結構調整和發展方式轉變的強大引擎。特別是,當前黃河流域生態保護和高質量發展已經上升為重大國家戰略,黃三角農高區在中國科學院、山東省政府的積極支持下成立了黃河三角洲農高區技術創新中心,而第三代農機技術體系則成為未來農業耕作模式的一個重要支撐點。因此,我們計劃以黃河三角洲鹽堿地農業綜合應用示范為例,對第三代農機體系的構建和未來農業耕作模式進行探索,建立可復制可推廣的農機商業模式,具體工作包括 3 個方面。
              
            3.1資源整合,在黃三角農高區落地建設新一代智能農機中試研發平臺
              
              2019 年 11月,經中國科學院批準,由中國科學院計算技術研究所牽頭,聯合中國科學院植物研究所、微電子研究所、沈陽自動化研究所等 7 家院內單位聯合組建了中國科學院智能農業機械裝備工程實驗室(以下簡稱“工程實驗室”)。經過多年的部署和研發,工程實驗室已經成功研發出國內首款智能農機專用控制芯片、智能網聯終端控制器、農機大數據平臺和無人駕駛技術等,率先提出并成功研制出全球第一臺基于第三代技術體系的智能農業裝備。目前,工程實驗室團隊在新一代智能農業裝備領域處于國內領先、國際一流的水平。
              
              為進一步促進我國新一代智能農機的發展,工程實驗室聯合國家農機裝備創新中心、中國石油大學(華 東)、電子科技大學等,以黃三角農高區為基地,組建 了山東中科智能農業機械裝備技術創新中心。目前,該 中心已經完成第三代農機中試研發平臺的建設。針對第 三代農機創新體系的關鍵技術,完成了智慧農業機器人 應用開發平臺、智能農機應用大數據平臺、超級基站農 業傳輸網絡應用開發平臺、智慧農耕設施監測應用平 臺、超大馬力智能農機研發平臺、農機具變量作業技術 開發及驗證平臺、通導遙一體化的農業航空系統開發平 臺、智慧農耕裝備生產過程檢測開發平臺、智慧農耕感 知識別技術開發平臺和全程無人化作業示范應用開發平臺等十大關鍵技術平臺。
              
            3.2圍繞第三代超大馬力智能網聯農機裝備建設中試組裝基地
              
              我國的農機產業,既要破“重主機,輕部件”的困局,也要繼承“主機突破,零部件跟進”進而帶動產業整體創新發展的歷史經驗。因此,在完成第三代農機創新體系的核心技術和核心零部件布局的同時, 通過聚集國內的優勢科技力量,形成核心競爭力,包括提供第三代農機核心控制芯片、操作系統和電子控制單元(ECU)等核心零部件,徹底打破國外對農機相關領域的壟斷。項目團隊將聯合院內相關單位, 圍繞超大馬力智能網聯農機“鴻鵠”系列開展重大裝備攻關,在黃三角農高區突破超大馬力農機的復雜系統控制與系統集成難題,形成具備天地一體化網聯、智能化作業、自主作業路徑規劃等功能的“全程無人化”系列農業裝備(圖 3)。
              
            圖 3 基于第三代體系的智能農機示意圖
              
            3.3打造以第三代農機為核心、數據為驅動的新型農業生產模式
              
              30年前,我國的移動通信領域形成了以巨龍通信、大唐電信、中興通訊、華為技術為代表的通信設備制造商,并依托三大電信運營商為主的產業格局。30 年過去了,移動通信進入 5G 時代,以華為技術為代表的通信設備商和以中國移動、中國聯通、中國電信為代表的運營商繼續帶領中國的通信產業前進。同樣的情況也會發生在未來的農業生產領域。我們應當認識到,第三代農機創新體系未來商業模式的核心就是“服務”。因此,除了第三代農機裝備生產制造外,還應當依托農機裝備的“智能網聯”能力,實現農機裝備的服務運營,打破目前依靠政府補貼銷售給農民農機的傳統模式。農機之外,涉及智能化農業生產技術及智能化服務,形成智能化時代的新型農業生產模式變革。
              
              為了實現全面“立體”的智能化農業生產(圖4 ),本項目團隊將基于山東黃三角農高區提供的萬畝標準試驗田,按照第三代農機體系的標準,從“端、網、云、數、用”5 個層面進行信息技術與鹽堿地農業生產相融合。① 在感知端,結合土壤、氣象、作物、畜牧生產的需要,構建以傳感器技術為核心的末端數據采集系統。按照 50 畝為一個網格單元部署傳感器終端,實現對整個農業生產過程的數字畫像。② 在通信網絡,結合農業生產規?;奶攸c, 提供藍牙、WiFi、5G、衛星組合通信方式,實現空天地一體的立體通信,服務萬畝級場景的農業生產通信要求。③ 在“云”和“大數據”層面,圍繞鹽堿地的農業生產構建大數據中心,并結合云計算等技術手段進行數據分析與挖掘。通過每天約10 GB(視頻數據經處理后回傳)的農業生產數據的匯聚并實現萬畝標準示范田的數據綜合處理,形成鹽堿地農業的生產經驗數字化。④ 在應用方面,挖掘鹽堿地農業生產數據的價值,反向控制耕、種、植保、收獲、烘干、儲、運、深加工的第三代農業機械裝備的無人化運作。黃三角農高區以科技創新為己任,借助土地連方成片, 具備規?;椭悄芑鳂I的基礎和創新優勢,一旦形成 1 萬畝級鹽堿地智慧農業應用示范的標準生產模式,就可以逐步向我國 5 億畝鹽堿地復制推廣,推動第三代農機體系的成熟。
              
              黃三角農高區鹽堿地是第三代農機創新體系以及商業創新體系的試驗場。未來,以萬畝級的標準試驗田為模板,并結合我國復雜地形地貌、氣候及作物特征,打造符合我國農業多元化特征的統一商業模式。以第三代農機體系為支撐,以“中國科學院農業科技整體解決方案”為基礎,在全國范圍內實現一系列的萬畝級的樣本,將其打造成國家糧食的“穩定器”, 保障“中國飯碗”裝“中國糧食”;并進一步為“一帶一路”沿線國家提供全套體系,踐行習近平總書記提出的“人類命運共同體”的偉大構想。
              
            圖 4 全面“立體”的智能化農業生產示意圖
              
            4展望與建議
              
              構建自主可控的第三代農機創新技術體系是改變我國農機產業長期落后局面的重要抓手,更是提升我國農業生產力水平的關鍵。圍繞“構建我國第三代農機的創新技術體系”這一核心目標,提出 3 個方面的建議。
              
              (1)加強頂層設計。建議中國科學院針對該方向開展戰略研究,結合創新性國家的發展戰略,分別制定到 2025 年、2035 年、2050 年的發展規劃,開展面向“一帶一路”沿線國家的農機產業應用推廣戰略研究。同時,與科學技術部、工業和信息化部、國家發展和改革委員會、農業農村部、教育部等多個部委聯動,對技術體系、制造體系、產業體系、應用體系、人才體系進行融合頂層設計,為達成第三代農機創新體系這一目標優化資源配置。
              
              (2)建立國家平臺。農機裝備的創新涉及基礎理論創新、關鍵技術創新、集成裝備創新、商業模式創新。因此,建議圍繞農機-農藝融合的復雜農機系統理論、不同土壤阻力模型下的農機動力學建模等基礎理論,建立模擬與仿真試驗場,并在國家重大基礎科技設施方面予以支持。同時,依托工程實驗室和籌備中的“中國科學院未來農業科技創新與產業化聯盟”, 爭取在“十四五”期間建成“智能農機國家技術創新中心”。
              
              (3)支持模式探索。建立融技術、產業、資金、科研、政策于一體,互相支撐的農機創新體系,明確各類主體在農機創新體系中的定位和任務。爭取在中國科學院內以此為目標設立戰略性先導科技專項支持,形成中國科學院的農業科技系統解決方案,并以此為基礎孵化龍頭企業,打造出與農機大國、強國相匹配的世界級農機龍頭企業和一批核心關鍵技術細分領域的隱形冠軍。
              
            參考文獻
              
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            Build Innovation System of Third Generation of Agricultural Machinery in China
             
            SUN Ninghui  ZHANG Yucheng*  SHI Jinglin
              
            (Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
              
              Abstract  Agricultural mechanization and intelligent agricultural machinery equipment are important basis for improving agricultural production efficiency and rural productivity, and changing the mode of agricultural development. In the past 70 years, China’s agricultural machinery industry has made remarkable achievements. It has become the largest agricultural machinery country in the world, though the backwardness before liberation. Nevertheless, there is still a huge technical gap between China and established powers in the field of agricultural machinery. “Big but not strong” has become the main feature at this stage. To realize the breakthrough “from big to strong” in agricultural machinery industry, the fundamental path is to establish an agricultural machinery innovation system suitable for China’s agricultural production operation mode. This study takes tractor as a typical representative of agricultural machinery industry, and reviews the development process of agricultural machinery industry system in China. Then we divide the agricultural machinery industry system of new China into different generations according to the technological development and the reform of land system. The aim and content of the new generation (third generation) agricultural machinery innovation system are described emphatically. We also discuss the application of new technology innovation system in the Yellow River Delta, and introduce how to build the application system of the third-generation agricultural machinery. Finally, some suggestions are given for the construction of the independent and controllable third generation agricultural machinery innovation system of China.
              
              Keywords intelligent agricultural machinery, industrial distribution, the Third Generation of Agricultural Machinery Innovation System of China, intelligent agriculture, development suggestion
              
              孫凝暉:中國工程院院士,中國科學院計算技術研究所所長、研究員、博士生導師,計算機體系結構國家重點實驗室主任、學術委員會副主任,中國計算機學會高性能計算專業委員會主任,中國計算機學會副理事長,《計算機學報》主編,中國科學院大學計算機與控制學院副院長,中國科學院信息科技領域發展路線圖戰略研究專家組組長。主要研究領域包括高性能計算、計算機體系結構。E-mail: snh@ict.ac.cn
              
              SUN Ninghui Ph.D., Professor, Academician of Chinese Academy of Engineering. He is the Director of Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences (CAS). He is also the Director of State Key Laboratory of Computer Architecture, Vice Chairman of Academic Committee. Dr. Sun is the Vice President of China Computer Federation (CCF), and the Director of CCF Technical Committee High Performance Computing (TCHPC). He serves as Editor-in-Chief of Chinese Journal of Computers. Currently, Dr. Sun is the leader of the expert group on strategic studies of information technology development roadmap in CAS. His main research interests include high performance computing and computer architecture.E-mail: snh@ict.ac.cn
              
              張玉成:中國科學院智能農業機械裝備工程實驗室高級工程師,北京中科晶上科技有限公司副總經理。主要研究領域智能農機,復雜農業系統控制理論與方法。E-mail: zhangyucheng@ict.ac.cn
              
              ZHANG Yucheng Ph.D., Senior Engineer, CAS Engineering Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment, Vice General Manager of Beijing Zhongke Jingshang Technology Co. Ltd. His main research interests include intelligent agricultural machinery, control theory and method of complex agricultural system. E-mail: zhangyucheng@ict.ac.cn
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