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国内外植保无人机现状分析及解决方案

日期:2015年8月5日 10:50

        据统计,中国目前使用的植保机械以手动和小型机(电)动喷雾机为主,其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07%和5.53%,拖拉机悬挂式植保机械约占0.57%,植保作业投入的劳力多、劳动强度大,施药人员中毒事件时有发生。据报道,广东省部分地区每天200元已请不到人工施药。目前国内农药用量越来越大,作业成本高,且浪费严重,资源有效利用率低下,作物产量和质量难以得到保障,同时带来严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降等问题,无法适应现代农业发展的要求。
        据统计,中国每年因防治不及时,病虫害造成的粮食作物产量损失达10%以上。农用飞机航空作业效益高,以无人驾驶直升机航空喷施作业为例,综合作业成本及收益对比分析结果显示(微小型无人飞机的使用寿命按5a计,机动喷雾机与手动喷雾器按3a计),采用25kg有效载荷的单旋翼油动力无人机和15kg有效载荷的单旋翼电动无人机进行喷施作业的年度收益分别是机动喷雾机的33倍和25倍,是人工手动喷雾(不计算人工成本)的133倍和93倍(来源于作者根据生产实践数据的推算);农用飞机航空作业速度快、突击能力强、防控效果好,飞机飞行产生的下降气流吹动叶片,能使叶片正反面均能着药,防治效果相比人工与机械提高15%~35%,应对突发、爆发性病虫害的防控效果好;不受作物长势的限制,可解决作物生长中后期地面机械难以下田作业的问题,例如:作物生长至封行后行垄不清晰,特别是对于玉米等高秆作物,玉米大喇叭口期高度一般都在1.2 m以上,与拖拉机配套的普通悬挂式、牵引式喷杆喷雾机难以进入进行杀虫剂、杀菌剂、除草剂以及催熟脱叶剂、增糖剂、叶面肥料等喷洒作业,尤其在丘陵山区交通不便、人烟稀少或内涝严重的地区,地面机械难以进入作业,航空作业可很好地解决这一难题。此外,与田间作业相比,飞机航空作业还有劳动用工少、作业成本低、 不会留下辙印和损伤作物、不破坏土壤物理结构、不影响作物后期生长等特点,据统计报道,飞机航空作业与地面机械作业相比,每公顷可减少作物损伤及其他支出(油料、用水、用工、维修、折旧等)约105元。
        中国是一个农业大国,发展高效、安全的现代生态农业是中国农业现代化建设的重要目标。因此,作为现代农业的重要组成部分和反映农业现代化水平的重要标志之一,农业航空在中国现代农业发展中具有重大需求。
        应用农业航空植保技术对提高中国农作物病虫害防治机械化水平,实行统防统治的专业化服务,提高农业资源的利用率,增强突发性大面积病虫害防控能力,缓解农村劳动力短缺,增强农业抗风险能力,保障国家粮食安全、生态安全,实现农业可持续发展具有十分重要的意义。
        本文拟在分析现代农业对航空植保技术的需求及国内外航空植保发展现状的基础上,对中国航空植保产业体系进行剖析,预测未来3个五年计划内中国对航空植保技术的需求情况,提出大力推进中国农业航空植保产业快速健康发展的战略及对策建议。
        
        1 国内外农业航空产业发展现状
        1.1 国外的发展现状
        从世界范围来看,农业航空较发达的国家主要有美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国等国家。
        美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一,已形成较完善的农业航空产业体系,据统计,美国农业航空对农业的直接贡献率为15%以上。目前美国有农用航空相关企业2000多家,已成立国家农业航空协会(National AgriculturalAviation Association, NAAA)和近40个州级农业航空协会,NAAA有来自于46个州的会员1800个。全国目前在用农用飞机4000多架(共有机型20多种,以有人驾驶固定翼飞机为主,约占88%),在册的农用飞机驾驶员3200多名,年处理40%以上的耕地面积,全美65%的化学农药采用飞机作业完成喷洒,其中水稻施药作业100%采用航空作业方式(此前,美国因农业劳动人工成本太高,一度放弃国内的水稻种植,大米全部进口。后来使用了航空作业,到20世纪70年代末期,一跃而成为世界上主要的稻米出口国之一)。
        国家大力扶持农业航空产业的发展是美国农业航空发达的重要原因之一。美国从上世纪70年代就开始研究航空喷施作业技术参数的优化模型,用户输入喷嘴、药液、飞机类型、天气因素等,通过对内部数据库调用,即可预测可能产生的飘移、雾滴的运动和地面沉积模式等。美国国会通过了豁免农用飞机每次起降100美元的机场使用费的议案,2014年白宫的预算中预计继续投入73亿美元支持该议案,以降低农业航空作业的成本;在NAAA的推动下,自2002年以来已投入约700万美元用于农业航空技术研发,参议院已通过议案将继续大力支持开发更高效、使用成本更低的农业航空相关技术。
        俄罗斯地广人稀,拥有数目庞大的农用飞机作业队伍,数量高达1.1万架,作业机型以有人驾驶固定翼飞机为主,年处理耕地面积约占总耕地面积35%以上。澳大利亚、加拿大、巴西农业航空的发展模式与美国类似,目前主要机型为有人驾驶的固定翼飞机和旋翼直升机。加拿大农业航空协会(Canada Agricultural Aviation Association, CAAA)目前共有会员169个;巴西作为发展中国家,在国家政策的扶持下,包括农业航空在内的通用航空发展迅速,农业航空协会(Brazilian National Agricultural Aviation Association, SINDAG)目前共有单位会员143个,截至2008年3月,巴西注册农用飞机约1050架。
        日本农民户均耕地面积较小,地形多山,耕地面积较小,不适合有人驾驶固定翼飞机作业,因此日本农业航空以直升机为主。日本是最早将微小型农用无人机用于农业生产的国家之一,1990年,日本山叶公司推出世界第一架主要用于喷洒农药的无人机,无人机在农林业方面的应用发展迅速,日本农用无人机航空协会(JapanUnmanned Aerial Vehicle Association, JUAV)目前共有单位会员11个。据日本农林水产省统计,截止到2010年10月底,登记在册的微小型农用无人机保有量为2346架,无人飞机操控手14163人,防治面积96.3万hm2,占航空作业38%,从2004年开始,水稻生产中微小型农用无人直升机的用量已超过有人驾驶直升机。日本目前用于农林业方面的无人直升机以YAMAHA RMAX系列为主,该机被誉为“空中机器人”,植保作业效率为7~10 hm2/h,主要用于播种、耕作、施肥、喷洒农药、病虫害防治等作业。目前,采用微小型无人机进行农业生产已成为日本农业发展的重要趋势之一。
        韩国于2003年首次引进直升机用于农业航空作业,农业航空作业面积逐年增加,截至2010年,全国共有农用直升机121架(其中农用无人机101架,年植保作业面积43460 hm2;有人驾驶直升机20架,年植保作业面积55200 hm2),约80%的飞机归地方的农协所有。韩国农林水产食品部和农协中央会计划2013年飞机数量增至500架。
        综上所述,农业航空技术是上述国家农业生产的重要组成部分,在农业生产中的应用比重不断加大。根据农田飞行作业环境的适宜程度,国外农业航空大致分为有人驾驶和无人驾驶2种作业形式。在美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西等户均耕地面积较大的国家,普遍采用有人驾驶固定翼飞机作业,而在日本、韩国等户均耕地面积较小的国家,微小型无人机用于航空植保作业的形式正越来越被广大农户采纳。
        1.2 国内的发展现状
        1951年5月,应广州市政府的要求,中国民航广州管理处派出一架C-46型飞机,连续2d在广州市上空执行了41架次的灭蚊蝇飞行任务,揭开了中国农业航空发展的序幕。
        经过几十年的发展,中国农业航空作业量逐年增加,至2012年,中国农林业航空年作业量约为31900 h。目前,中国农林业航空作业,以有人驾驶固定冀飞机和直升机为主,作业面积约为200多万hm2,无人直升机用于航空植保作业正逐渐兴起,但仍处起步阶段。
        1973年至2012年中国通用航空及农业航空作业量情况如图1所示。从图中可以看出,自1973年以来,中国农业航空年作业量基本上在20000~30000 h上下波动,增幅不明显;中国通用航空起源于农业航空,1979年以前,农业航空在通用航空中占有很大比例,农业航空飞行作业时间几乎等同于通用航空,然而,随着中国改革开放的进一步深入,通用航空得到了长足发展,农业航空在通用航空中所占比例却越来越小,到2012年农业航空所占比例已降至6.2%左右。
        中国农业航空作业时间在通用航空总飞行时间中所占比例正逐年下降,作为现代农业的重要组成部分和反映农业现代化水平的重要标志之一,中国农业航空的发展水平显然与中国的经济发展及现代农业建设的需要极不相称。
        2 制约中国农业航空植保产业发展的主要问题分析
        中国农业航空的应用水平和国外相比差距较大,一方面是中国的农用飞机数量少(仅占世界农用飞机总数的0.13%左右),农业航空年处理耕地面积小(约占总耕地面积的1.70%);另一方面是农业航空配套技术及政策体系不完善,影响了农业航空产业的快速发展。制约中国农业航空植保产业发展的主要问题包括:
        农业航空政策法规体系不完善,缺乏详细的发展战略规划
        农业航空作业涉及到民航、农机、植保、质检等多个部门,目前存在监管部门不明确的问题。尽管中国于2010年出台了1000 m以 下低空空域将逐步对民用领域开放的政策,对农业航空的发展具有一定的推动作用。但中国对农业航空的管理仍沿用现有民用航空标准,民航法规体系中的相关条款存在针对性不强、结合不紧密等问题。缺乏完善、规范的技术标准及作业规程;农业航空飞行作业申报审批手续复杂,不但提高了农业航空作业成本,还延误了最佳作业时机,甚至导致作业失败;至今尚未专门出台旨在推动、促进农业航空产业快速发展的国家政策,对农用飞机的采购、机场的使用、农用飞机燃油补贴等没有相应的扶持政策。在国家层面、行业内以及行业间缺少支持农业航空的整体发展战略规划。
        农业航空配套核心科学技术研究不足
        通用航空丙类作业主要包括飞机播种、空中施肥、空中喷洒植物生长调节剂、空中喷施除草剂、飞机防治病虫害、空中遥感等项目,根据中国民航局统计年报,截至2010年底,中国具有丙类作业经营许可的61家通用航空企业的飞机总数约400架,其中一些机型(例如中国自主研制的Y-5、Y-11约160架)已停产,进入了淘汰阶段,但目前仍是中国农业航空的主力机型,超期服役。
        农用飞机制造及配套的喷施技术等基础科学研究、核心技术研发滞后,机型偏少,更新能力不足,产能不足,无法形成规模效益,导致价格、维护成本偏高,而成本 又影响到销售,导致需求减少,反过来影响到生产规模,由此形成恶性循环。此外,配套的喷施设备性能差,喷出的雾滴谱宽,对靶性差,进而无法彰显农业航空植保技术的优势。目前亟需解决的核心关键技术主要包括:
        ①农业航空喷施专用剂型不足: 航空植保使用的农药剂型及助剂的要求与地面机械施药有很大的不同,目前中国还缺乏与航空植保作业中采用的有人直升机、单轴和多轴无人机配套的农药制剂相关技术标准,缺乏应用于无人机航空喷施中农药药液的表面张力、黏度、农药有效成份含量、剂型等的评价标准,缺乏航空施药条件下,对农药药效与作物生理影响的室内、室外检测标准。现有作业大多凭经验或参考地面喷雾确定剂量和配置方法,往往因为用量或配置不科学影响了作业质量,对环境造成较大的负面影响。
        ②缺乏完善的航空喷施作业技术标准: 中国采用航空喷施作业的时间较晚,大多采用有人驾驶的固定翼飞机进行航空植保作业,对于旋翼直升机,特别是单轴和多轴微小型农用无人机等机型喷施作业的相关技术参数缺乏系统深入的研究,尚未形成一套科学完善的判别标准和对不同作物、不同喷施剂型进行航空喷施时的作业时机、作业环境(温度、湿度、风速)、飞行高度、飞行速度、航线规划与导航控制等参数的优化选择,以及满足喷施作业要求所需要的沉积量、雾滴粒径、雾滴沉积分布密度、农药浓度等作业指标。
        ③缺乏高稳定、高可靠性的农用无人机自主飞行控制系统: 虽然目前有人驾驶农用飞机的操控技术已较成熟,但在微小型农用无人机方面,在低空飞行时,由于农田作物冠层结构而造成的复杂地效,对气压高度计的影响很大,飞行的稳定性难以保证,目前仍缺乏适合复杂农田环境下(海拔不同、地理位置不同、作物种类不同)作业的微小型农用无人机的高稳定、高可靠性的自主飞行控制系统,以适应田间超视距、超低空、随时起降等特殊要求。
        ④缺乏高效轻量化的航空喷施装备关键部件:有效任务载荷量及续航时间是农业航空作业飞机非常重要的两项指标,直接关系到航空作业的效率,因此,在航空喷施装备方面必须满足轻量化、低量喷施、均匀喷施的要求。
农业航空专业队伍人才匮乏
        农业航空专业队伍人才匮乏首先是由其“先天不足”引起的,农业航空执飞、机务等专业人员中,一部分通常来自其他航空领域,这部分人才的使用成本通常较高;另一部分来自国家招飞替补人员受训后获得,与航空运输产业相比,人员素质相对略低。农业航空公司限于经济效益和行业人才培养机制等原因,人才的后续培养比较滞后。国内屈指可数的高校飞行专业和培训机构,相对于全国农业航空规模来说,只能是杯水车薪。“先天的不足”加上“后天的营养不良”,农业航空专业队伍人才成为航空业内人才资源最为贫瘠的地带。
农业航空社会化服务体系不健全
        由于农业航空在农业生产中的重要作用没有得到充分凸显,中国与农业航空产业相配套的多种形式的社会化服务组织,包括租赁、中介、培训、机修以及推广、融资、保险等专业公司尚未形成规模,单个企业对上述服务的成本支出的承受力不够,因此也缺少大面积推广的力度。此外,中国尚缺乏足够适合于农业航空产业大发展的机场保障基地,也限制了农业航空事业的发展。对农业航空认识不足,与农业航空相适应的农田作业环境基础建设被忽略,在制度上缺少对农业航空的公益性安排。长期以来人们常常认为农业航空作业技术性强、价格高,农业生产中用不起飞机,对农业航空作业的整体高效益和低成本认识不足,造成农业航空的市场需求滞后,许多人仍处于旁观状态。此外,分散经营的生产模式,造成地块小而分散,与农业航空规模化作业的模式不相符合。而且,各地在进行农田规划时,缺少大规模的集约化经营安排,防风林、电力电信布线等未将农业航空作业纳入考虑,对农用飞机的作业安全也造成了极大的威胁。
        3 大力推进中国航空植保产业快速发展的对策建议
        3.1 多机型、多作业方式并举,提高航空植保作业的适应性
        有人驾驶与无人驾驶两种农业航空作业方式各有优缺点。有人驾驶方式与无人驾驶旋翼机相比,具有载液量较大、喷洒作业效率高等优点,适用于连片大面积农田病 虫害防治、卫生防疫消杀等作业,但也存在作业高度高,雾滴飘移控制难度大、易飘离靶标区造成污染等缺点,且易受起降场地、使用地点和时间等限制,而且绝大部分飞机使用的都是专用航空燃油,农业航空作业时加油不方便,同时又提高了作业成本。此外,超低空飞行所带来的安全威胁也是有人驾驶作业方式另一值得考虑的因素。为了获得较佳的防飘移效果,农业喷洒的作业高度通常为3~20m,飞行员可处置的时间短,低空气象条件(能见度、低空风切变等)影响大,易引发安全事故,据统计,超低空飞行中撞障碍物、撞地事故占整个民航事故总数的80%。微小型农用无人机虽然载荷量和滞空时间与有人驾驶飞机相比少,但具有作业高度低(部分机型可贴作物冠层飞行),飘移少,对环境的污染小;可空中悬停,与GPS系统配合可实现较高精度的位置定位;旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性,提高防治效果;不需要专用机场和驾驶员、受农田四周电线杆、防护林等限制性条件的影响小;进行植保作业时可在田间地头起降、维护保养、加油、加注药液,减少了往返机场的飞行时间及燃料消耗;作业机组人员相对较少,运行成本低、灵活性高、在非管制空域可随时起降,此外,无人机飞控手的培养要比飞行员的培养成本低得多,因此,微小型农用无人机可弥补现有有人驾驶农业航空的不足,在中国现代农业发展中具有重大需求。
        结合中国农业的特点,中国农业航空的发展应因地制宜,走“多机型、多作业方式并举”的道路,根据各地区的实际情况选择适宜机型:例如东北、新疆等视野开阔的大面积、大农垦地区,宜采用有人驾驶固定翼飞机作业;而在南方丘陵、地形复杂的小地块区域宜采用小型农用无人机作业,以此提高中国航空植保作业的适应性。
        3.2 加大资金投入,加强配套核心科学技术的攻关
        3.2.1 农业航空喷施主要剂型的筛选与评价
        研究适合航空植保飞行平台的农药药液性质,筛选可用于航空植保的农药剂型。
        研究航空施药条件下,农药制剂对主要粮食作物的生理影响与生物防治效果,针对主要粮食作物病虫害防治要求,筛选可用于航空植保的杀虫剂、除菌剂、生长调节剂等。
        研究航空施药条件下,农药雾滴沉降、黏附、铺展规律,筛选可以减少雾滴蒸发、减少飘失、促进农药雾滴黏附与铺展的航空植保喷雾助剂。
        3.2.2 航空喷施作业技术参数的选择与优化
        根据中国现有农用飞机的机型,包括有人驾驶、无人驾驶(单旋翼和多旋翼、油动力和电池动力等)飞机的不同机型,分析航空喷施作业时在不同气象条件下(包括喷雾作业时不同时间段气流变化,温度变等),农药雾滴在空中飘移、蒸发、沉降规律;研究飞行高度和飞行速度及旋翼风场对雾滴的沉积与飘移的影响规律;制定不同机型喷施作业的雾滴沉积和飘移检测标准。通过室内风洞试验与田间验证方法,优化航空作业参数,对适用于不同作物、不同病虫害防治的飞机作业参数进行选择与优化,包括:作业压力、喷雾量、雾滴粒径、雾滴分布性能,以及飞行高度、飞行速度、航线规划与导航控制方式等。考核航空平台田间作业可靠性与连续工作能力,优化田间喷施作业速度、喷施量;优化航空平台施药载荷与续航能力,提高能效比,优化田间作业效率。针对不同作物的生长特性与病虫害发生规律,确定不同防治时期、不同病虫害航空喷施方案与喷施要求,确定作业参数范围,制定与不同作物、不同病虫害、不同机型配套的喷施作业技术规范。
        3.2.3 无人机自主飞行控制系统的选择与优化
        研究高精度飞行姿态及导航定位传感器,融合激光及声纳测距等传感器,消减地效的影响,开发无人机超低空飞行高稳定性自动驾驶控制技术,提高飞行控制精度,保证无人机超低空飞行作业时的稳定性。
        完善无人机的失控保护措施,包括开发具有失控保护、故障自检测、报警功能的飞控系统,实时跟踪监视各类参数,排除安全隐患,提高无人机平台低空飞行的安全性。
        开发适用于微小型无人机的机载地面高程三维信息测量系统,结合三维地理信息系统,融合GPS、GIS技术开发面向复杂农田作业环境的微小型无人机路径规划优化算法,实现无人机按照预定航路自主飞行作业;开发新型操控手柄,取代传统的人工总距、横滚、俯仰,航向8方向姿态操作,实现“推杆即走,拉杆即停”的操作方式,实现傻瓜化操控,降低操作难度。减轻整机质量,同时提高有效载荷和动力部件的使用寿命是当前微小型农用无人机应用中的挑战之一。应重点解决轻量化与寿命之间的矛盾,使发动机及动力电池的使用寿命进一步得到提高,降低整体使用成本。
        3.2.4 航空喷施装备关键部件的设计与优化
        开发雾滴谱窄、低飘移的航空专用可控雾化系列喷嘴。开发农业航空植保静电超低容量施药技术,主要包括可控雾滴雾化技术研究与装置开发、雾 流高效充电技术研发等,提高药液在靶标的附着率。开发质量轻、强度高、耐腐蚀、方便吊挂、防药液浪涌、空气阻力小的流线型药箱及喷杆喷雾系统;开发体积小、质量轻、自吸力强、运转平稳可靠的航空施药系列化轻型隔膜泵。
        3.3 出台有针对性的政策,加强管理和规范
        随着中国农业现代化步伐的加快,对农业航空的需求日益旺盛,要确保中国农业航空快速健康地发展,宏观政策与管理扶持是首要问题,需要新的思路和具体措施来推动,因此,必须尽早明确一个跨部门的农业航空管理机构,对中国农业航空产业加强管理和规范。
        做好产业大发展的规划和准备,做好推进农业航空应用技术的规划,尽早制定中国农业航空飞行器及作业机具的制造标准、鉴定标准、作业标准、质量检测认证标准等,形成农业航空飞行器及作业机具的准入制度,禁止未达标的飞行器或机具进行航空植保作业,避免造成环境污染等安全事故。此外,在国家进行农田基本建设规划和改造时,将农业航空作业纳入考虑,最大限度减少防风林、电力电信布线等对农业航空应用的影响。加大政策引导和扶持力度,将中国农业航空飞行器及配套机具纳入购机补贴目录,包括出台相关政策用于购买飞行器及机具、机场建设与使用费、农业。

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