近年來，中國多個政策圍繞“數(shù)字中國”“鄉(xiāng)村振興”“數(shù)字鄉(xiāng)村”進行部署，其中都提到了農(nóng)業(yè)數(shù)字化。目前，國內(nèi)大多是利用基礎農(nóng)業(yè)機械化工具的小型規(guī)模化農(nóng)業(yè)，總體生產(chǎn)效率并不高，而數(shù)字化、智能化農(nóng)業(yè)卻只占到國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的1%。
“農(nóng)業(yè)數(shù)字化實現(xiàn)的初級階段是農(nóng)業(yè)機械化，繼而是農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、5G等技術(shù)的出現(xiàn)，智能農(nóng)業(yè)裝備搭載更加先進的智能控制技術(shù)，讓農(nóng)機進入更加智慧的人機互動，這便是農(nóng)機2.0、3.0、4.0?！?/span>
何雄奎是中國農(nóng)業(yè)大學領軍教授，現(xiàn)任中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)研究院院長、國家梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械化崗位科學家與機械化研究室主任，長期從事農(nóng)業(yè)機械化工程、藥械與施藥技術(shù)的教學與科研工作。
他在土壤耕作板塊開發(fā)了適用于低山丘陵的履帶式無人駕駛土壤耕整設備，在病蟲害管理環(huán)節(jié)開發(fā)了系列無人設備，還有可實現(xiàn)規(guī)律化投放天敵的系列空中植保無人機、自動規(guī)劃路線的植保無人機等多種作業(yè)裝備，這些設備在農(nóng)田無人化管理中大展身手。
▲何雄奎在研究觀察梨樹冠層結(jié)構(gòu)
投身農(nóng)機夢
何雄奎來自湖北，出生在長江邊上的一個小縣城。他上小學時，有一次，學校組織在操場看露天電影。何雄奎的印象很深，那是一部蘇聯(lián)的電影，電影里出現(xiàn)了一臺他從未見過的聯(lián)合收割機，他覺得很新奇，因為使用聯(lián)合收割機是不需要人力的，只需要一個駕駛員。
當時，收割水稻需要大量的人力，農(nóng)民面朝黃土背朝天，在陽光下暴曬，氣溫高達40℃，極容易中暑，十分辛苦。而電影里的聯(lián)合收割機是能夠一次完成谷類作物的收割、脫粒、分離莖稈、清除雜余物等工序，從田間直接獲取谷粒的收割機械。
“我一看見這種收割機械就覺得非常好，甚至想著將來一定要學農(nóng)機。”何雄奎記得聯(lián)合收割機的英文是Combine，音譯成中文是康拜因，他小時候分隊玩游戲，給隊伍取名叫“康拜因”，嘴里喊著：“我是康拜因，天下無敵！”
從此，一顆關于農(nóng)機夢的種子種在了何雄奎的心中。
1985年，何雄奎考上了北京農(nóng)機學院（現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)大學），他讀的專業(yè)正是農(nóng)業(yè)機械化。學院里有著一批留蘇、留美的優(yōu)秀教授，何雄奎虛心向他們請教如何選擇研究方向。張勝虎教授提議何雄奎去觀察老家農(nóng)田里農(nóng)作物農(nóng)藥是如何噴灑的。
“張教授說，南方的病蟲害防治很重要，所以他讓我去觀察農(nóng)民是如何打藥的，看看能不能提出一種讓農(nóng)藥噴灑更加合理的改進方法?！焙涡劭貞浀馈?/span>
在當時，研究病蟲害植保技術(shù)的人很多，但研究農(nóng)藥是否噴灑均勻的人卻很少。張教授認為，植物保護領域是很有價值的研究領域，值得更多的人去探索?！皼]有人研究的時候我去研究，這就是一件很有意義的事情?！本瓦@樣，何雄奎開啟了農(nóng)作物施藥技術(shù)與設備的研究之路。
何雄奎最初研究的是一種新農(nóng)藥產(chǎn)品除草劑的實驗技術(shù)。在研究的過程中，他發(fā)現(xiàn)了噴灑除草劑的很多問題，并且深刻感受到自己對這個領域知之甚少。他開始頻繁出入圖書館，了解到歐洲最開始使用的手動噴霧器是中國最先發(fā)明應用的，但歐洲人后來淘汰了手動式噴霧器，因為它無法均勻地噴灑農(nóng)藥。“我了解到這些問題，非常感興趣，到山西、河北、北京的農(nóng)田里做了大量的實驗，基于這些實驗順利寫完了畢業(yè)論文，并且完成得很好?！焙涡劭院赖鼗貞浀?。
隨著學習的進一步深入，何雄奎覺得自己所學的知識還不夠，應該到農(nóng)業(yè)機械化發(fā)達的歐洲國家去學習。1992年，何雄奎前往德國霍恩海姆大學攻讀碩士和博士學位。
到德國后，何雄奎看到研究所里各種各樣的大型農(nóng)業(yè)機械，深知德國的農(nóng)業(yè)已經(jīng)進入了一個機械化、智能化的時代，“機器人看到有蟲子，就能判斷是什么蟲，比如說是蚜蟲，它就會用專門殺蚜蟲的藥；看到地上長雜草了，它能分析出是馬齒莧，然后噴灑除草劑?！?/span>
很快，何雄奎參與到一個農(nóng)藥噴霧機器人的研發(fā)項目中，它的底盤是奔馳公司生產(chǎn)的，控制系統(tǒng)是西門子公司生產(chǎn)的，噴霧系統(tǒng)是何雄奎在德國的導師團隊研究出來的，他也是其中主要研究人員之一。
為了研發(fā)這樣一個噴霧機器人，霍恩海姆大學農(nóng)業(yè)工程所投資了30萬歐元。何雄奎很不理解，他經(jīng)常思考：這個機器這么先進，這么智能，但是又這么貴，沒有哪個農(nóng)民用得起，未來有沒有市場？
何雄奎把他的疑惑告訴了導師，聽到何雄奎的疑惑，他的導師大笑：“雄奎，你知道嗎？我們的研究永遠要超過我們的時代10年甚至20年。雖然沒有一個農(nóng)民用得起，但是農(nóng)業(yè)機器人的模式一定要做出來?！边@樣超前的思維讓何雄奎深刻地意識到，作為一個科研工作者應該永遠走在科學研究的前沿，這樣才能走得更高，走得更遠。
知識助力農(nóng)業(yè)發(fā)展
2000年10月，何雄奎完成了自己在德國霍恩海姆大學的博士學業(yè)，回到了祖國，入職中國農(nóng)業(yè)大學，他的研究方向沒有改變，繼續(xù)深耕植保機械領域。帶著從德國學到的新技術(shù)和新知識，何雄奎拿到了國家“十五”攻關的重點項目“高效施藥技術(shù)與機具研究開發(fā)”。
在項目攻關的過程中，何雄奎根據(jù)我國果園對病蟲草害防治的要求，應用光機電一體化技術(shù)、自動化控制等技術(shù)研制成功了果園自動對靶噴霧機系列機，這也是我國第一臺植保噴霧機器人。
果園自動對靶噴霧機采用的紅外探測器技術(shù)，不但對靶準確，還可實現(xiàn)間歇噴霧。何雄奎笑稱，這是從廁所里學到的技術(shù)，“我在德國留學的時候，看到他們那里的馬桶是自動沖水的，覺得很神奇，就去詢問老師自動沖水的原理是什么。老師告訴我說，這是通過紅外線探測實現(xiàn)的”。就這樣，何雄奎研制出了第一個在植保上使用的紅外對靶傳感器。
“我們非常高興，我的學生和團隊都為之一振！”但何雄奎并沒有滿足于此，他開始了新一輪的研究。為進一步提高農(nóng)藥利用率，提高果園噴霧機自動化與精準噴霧作業(yè)性能，他和團隊在多年研究探索的基礎上，成功研制出基于LIDAR（light detection and ranging，LIDAR激光掃描傳感器）探測的果園自動仿形精準變量噴霧機。
何雄奎介紹說，果樹樹冠是一個立體空間的靶標，冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)與邊界輪廓具有多邊無序的特點。不同生長期、不同部位的枝葉茂密程度與葉面積指數(shù)并不相同，最理想的施藥效果是噴霧機輸出的風量和噴霧量與果樹不同部位的冠層結(jié)構(gòu)相匹配，實現(xiàn)仿形噴霧效果，同時降低噴霧作業(yè)過程中農(nóng)藥霧滴的飄移與流失，提高農(nóng)藥有效利用率。
激光掃描傳感器可以根據(jù)果樹冠層分布特點，從掃描樹冠輪廓、建模、決策、計算風量噴霧量到實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和噴頭流量，實現(xiàn)高效無死角精準噴霧與均勻沉積。噴霧機識別距離0～10米；噴霧決策響應時間≤0.5秒；最小識別間距0.3米；用方木作為人工靶標模擬冠層密度，結(jié)果顯示測量誤差可控制在10%以內(nèi)。
正是因為突破了果樹不同部位冠層結(jié)構(gòu)與風量和噴霧量難以匹配的難題，提高了農(nóng)藥有效利用率，降低了噴霧作業(yè)過程中農(nóng)藥霧滴飄移與流失，果園自動仿形精準變量噴霧機被評為2021年中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新裝備之一。
如果說，以上的植保機械做到了機械的精準，那么藥理的精準也是何雄奎必須考慮的事情。
▲何雄奎與團隊成員在討論循環(huán)噴霧機霧滴回收系統(tǒng)方案設計
科學用藥
“我在農(nóng)村里打過藥，背著個藥箱，夏天又熱，左手要上下加壓，右手要擺動噴桿噴霧，非常辛苦。”何雄奎說道。如今，中國人口突破14億，耕地卻只有19.18億畝。如果沒有農(nóng)藥，中國的糧食要減產(chǎn)30%到40%?！叭绾慰茖W合理地使用農(nóng)藥”是何雄奎一直思索的事情。
何雄奎經(jīng)常把打農(nóng)藥的霧滴比作子彈，把打農(nóng)藥的機械比作槍?！霸囅胍幌?，你用手槍打航母，用導彈打壞人，這合適嗎？顯然不合適。”那么，能不能做到哪里需要藥就打到哪里？針對不同的農(nóng)藥與防治對象，選用各自合適的霧滴大小噴霧，需要多的地方多打，需要少的地方少打，沒有病蟲害的地方不打呢？就這樣，精準施藥的概念誕生了。
為了推進我國精準施藥技術(shù)的發(fā)展，何雄奎帶領他的團隊開展科技攻關?！拔覀冄邪l(fā)了計算機控制噴霧系統(tǒng)，它是由噴桿分段控制閥、總控制閥、控制面板、傳感器、中央處理器組成的變量噴霧控制系統(tǒng)，搭配噴霧計算機系統(tǒng)，在計算機面板上可顯示噴頭壓力、噴頭類型、霧滴大小，以及施藥量等信息?！焙涡劭榻B道。他和團隊還研制了一批人工智能大田變量噴霧技術(shù)裝備，如自走式高地隙低量導流防飄人工智能變量噴桿噴霧機，實現(xiàn)了地隙、輪距等均可調(diào)節(jié)功能。
除了霧滴大小，何雄奎和他的團隊還會利用先進的傳感技術(shù)，減少農(nóng)藥噴灑?！氨热缯f我們的雷達激光傳感器，可以把整個作物冠的株形大小、葉面指數(shù)等都分析出來，葉子多的地方多噴，少的地方少噴，沒有的地方不噴。這種機器在梨、蘋果地里頭，能節(jié)省60%的農(nóng)藥噴灑。”
何雄奎和團隊還積極與大疆創(chuàng)新（下稱“大疆”）這家無人機領域的“獨角獸”企業(yè)合作，開發(fā)農(nóng)業(yè)植保無人機?！按蠼呢撠熑撕臀艺f，他們要把之前不能量產(chǎn)的無人機變成一個老百姓用得起的‘鋤頭’?！?015年4月，極飛發(fā)布了第一款植保無人機；11月，大疆發(fā)布了首款農(nóng)業(yè)植保機MG-1S，此后農(nóng)業(yè)植保無人機的研發(fā)進入快速發(fā)展階段。
“對中國來說，在三四十年前，如果想用無人機打藥，這是不可能的事情；但隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種各樣的傳感器技術(shù)以及智能化的控制，還有北斗系統(tǒng)建成開放，科學家將這些技術(shù)集成起來，就可以滿足各種各樣的機械化、智能化的打藥需求。”何雄奎欣慰地說道。
向農(nóng)業(yè)智能化邁進
2020年，中國農(nóng)業(yè)大學成立了中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)研究院（下稱“研究院”），由何雄奎擔任院長，落地北京平谷國家農(nóng)業(yè)創(chuàng)新示范區(qū)-農(nóng)業(yè)中關村，占地面積1萬多平方米。研究院成立以來承擔智慧農(nóng)業(yè)示范項目4項，在平谷建設300畝智慧果園。
智慧果園以“大物移云”（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算）為支撐，農(nóng)業(yè)智能裝備（機器人）為手段，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、優(yōu)化決策、精準控制、精細管理，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全。目前除農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)研究院5名教師入駐智慧果園外，團隊中還有3名專項博士后和8名博、碩士研究生等科研人員。
下一步，何雄奎將繼續(xù)與華為、大疆等公司進行深度合作，除了平谷智慧果園項目外，還將在延吉智慧果園、云南紅河智慧煙草等多個項目上開展技術(shù)攻關和合作創(chuàng)新，開發(fā)出讓農(nóng)民真正能用上的、好用的技術(shù)裝備，幫助農(nóng)民提高生產(chǎn)效率。
面向未來，何雄奎希望經(jīng)過3～5年的建設與發(fā)展，將研究院建設成為立足北京、服務全國、面向世界的一流農(nóng)業(yè)無人裝備系統(tǒng)研究院，將研究院打造成為國際知名農(nóng)業(yè)無人裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、應用研究和教育培訓中心。
“我們的革命尚未成功，很多機器還達不到完全適合農(nóng)民的輕簡化生產(chǎn)需要。未來，我們將致力于讓農(nóng)業(yè)無人智能裝備更簡單、更便宜，讓大家用著更舒心。”
