万星宇1，廖庆喜1,2，廖宜涛1,2，丁幼春1,2，张青松1,2，黄凰1,2，陈慧1，朱龙图1
1.华中农业大学工学院，武汉430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉430070
摘要油菜全产业链包括产前、产中、产后阶段，发展各阶段机械化与智能化技术是实现油菜生产节本增效的重要途径之一。本文分析了国内外油菜全产业链生产概况和主要环节关键技术与装备发展现状，概述了产前油菜小区育种、种子精细处理与产后油脂加工关键技术，重点阐述了产中阶段耕整地、播种、收获、田间管理环节的重点技术发展动态，涵盖了种床整理技术、开畦沟技术、深施肥与秸秆还田技术、单体式与集中式精量排种技术、无人机播种与病虫草害防控技术、分段与联合收获技术、饲用油菜收获技术及其配套装备。在系统总结和分析我国油菜产业特点和发展趋势的基础上，指出了现阶段油菜全产业链机械化智能化发展存在区域不平衡、上下游阶段不平衡和各环节技术体系不平衡，提出加快产前、产后成套装备研发，促进油菜多功能开发利用，实现产中各环节机械化水平均衡发展，探索油菜机械化生产智能技术与无人系统，形成政府推动-市场拉动-规模驱动-科技引领的发展路径，是实现油菜全产业链高质高效发展的关键。
关键词油菜；油菜机械；全产业链；机械化；智能化；发展趋势；成套装备；多功能开发；无人系统；均衡发展
油菜是我国最重要的油料作物之一，具有饲料、绿肥、蔬菜、能源、旅游以及蜜源等多种功能和开发利用上的优势。我国主要油菜种植区域一般可分为冬播油菜和春播油菜两大产区，其中冬油菜产区集中分布于长江流域，占总产量的90%以上，种植形式上以稻-油或稻-稻-油水旱轮作方式为主[1]。按照油菜生产经营流程，油菜全产业链包括产前、产中、产后三大阶段。产前阶段以育种和种子精细处理为主，涵盖优良种子种苗繁育与推广、农资储备与供应等；耕整地、播种、田间管理、收获是产中阶段的主要环节，但各环节机械化整体水平不高且发展不均衡，2019年油菜机播率、机收率分别仅为32.5%和44%；产后阶段主要为油脂加工，包括收获后油菜种子预处理、制油、精炼等环节。长期以来，油菜全产业链三大阶段发展相对孤立，综合机械化水平低下，智能化进展缓慢，进而导致生产成本高、效益低，制约了油菜产业的发展。随着农业现代化进程快速推进，农业生产经营向以机械化为支撑的适度规模方式转型[2]，打通我国油菜生产产前、产中、产后阶段技术与经营壁垒，提高全产业链综合机械化、智能化水平是实现油菜产业高质量发展的重要途径。
本文在介绍国内外油菜生产与我国全产业链概况基础上，比较了国内外油菜生产产前、产中、产后三大阶段主要环节机械化智能化关键技术与装备发展现状，分析了现阶段油菜全产业链综合发展的技术难点和存在问题，展望了我国油菜全产业链机械化智能化技术发展趋势。
油菜是十字花科芸薹属一年生草本植物，主要分为白菜型、芥菜型和甘蓝型3种类型。由于其抗逆性强、适应范围广，目前是全球许多国家和地区的主要油料作物之一[1]。我国的油菜主产区一般可划分为冬播油菜区和春播油菜区。我国冬播油菜种植区域主要集中在长江流域各省份，春播油菜种植区主要分布在青海、内蒙、甘肃等3省(区)[1]。油菜全产业链指油菜生产的产前、产中、产后3个阶段，主要环节如图1所示。
图1油菜全产业链机械化生产主要环节Fig.1Themainmechanizedprocessesofthewholeindustrialchainofrapeseedproduction
产中阶段主要包括耕整地、播种、田间管理、收获等主要环节。耕整地是油菜种植的首要环节，其目的在于创造良好的土壤耕层构造和表面状态[3]，关键技术包括油菜种床整理、开畦沟、深施肥、秸秆还田等。播种是油菜生产的关键环节之一，现阶段主要应用精量播种技术将油菜种子以一定播种量均匀地播撒在种床适宜位置，保障了农艺要求的种植密度，为种子发芽、光水肥气充分利用、个体与群体均衡发育提供良好条件[1]。田间管理是油菜生产的长周期环节，是油菜从播种到收获的整个生长过程所需的各种管理措施，包括间苗、追肥、防治病虫草害等。收获是产中阶段的收尾环节，是高效低损获取清洁籽粒的关键，机械化收获在多熟制地区有利于缩短收获期，为及时栽种后茬作物创造条件[4-5]。
产后阶段主要指油脂加工过程，是油菜生产商品转化环节。油脂加工环节主要是从油菜籽粒中提取油脂，并对提取的毛油进行精炼，得到精制的食用油脂产品；同时，对油菜籽粒进行精深加工和综合利用，从油脂生产副产物中提取高附加值的产品。
协调同步发展产前、产中、产后阶段机械化生产关键技术与装备是提高企业、新型经营主体等抵御市场风险的能力，促进农业现代化，实现劳动力就业与油菜产业发展由产中集约向产前、产后阶段拓展的关键。
小区播种机是培育新品种时专门用于田间试验的播种机，具有定量播种、自动清种等特点，高性能小区播种机的应用是提高小区育种试验，加快油菜新品种研发，促进育种产业发展的重要方式。
国外小区育种机械起步较早，小区播种机技术趋于成熟。国外生产小区播种装备的公司包括奥地利的温特斯泰格(Wintersteiger)、丹麦的霍尔(Haldrup)、美国的阿麦科(Almaco)、巴西的Maquinarium等，代表机型如图2A～C所示。温特斯泰格(Wintersteiger)公司研制了气吸组合式小区精量播种机[6]，实现了单粒排种，并通过安装电子调控器、播种定位控制器以及GPS模块，提高了自动化程度，实现了种子播量、播深等参数的可调可控[7]。
A:MonoseedDT小区单粒播种机MonoseedDTprecisionspacedplanter;B:PlotseedS轻型小区条播播种机PlotseedSlightplotseeder;C:SeedPro360小区单粒播种机SeedPro360precisionspacedplanter;D:XBJ-150型自走式小区播种机XBJ-150self-drivingplotseeder;E:2BZXJ-1手扶式小区育种播种机2BZXJ-1Walkingtypeplotbreeding;F:全自动化小区精量播种机Fullyautomaticprecisionseeder.图2油菜育种小区播种装备Fig.2Seedingequipmentofrapeseedbreedingplot
国内对小区育种机械的研究起步较晚，小区育种试验多采用人工播种的作业方式。随着种子产业的发展，玉米、大豆、苜蓿等大粒径作物的小区播种机发展迅速。2003年，黑龙江省农垦总局红兴隆农管局科研所成功研制XBJ-150系列小区播种机(图2D)，可实现不同种类种子及肥料的播量可调[8]。2009年，黑龙江省东北农业大学成功研制了2BZXJ-1手扶式小区育种精密播种机(图2E)，可一次完成开沟、播种、覆土、镇压等作业工序，体积小、质量轻，可单人操作[9]。2014年，中机美诺农机公司成功研制了全自动化的小区精量播种机(图2F)，具有自动化程度高、播种效率高、播种稳定性好等特点[10]。然而，针对籽粒细小油菜的育种专用小区播种装备鲜有报道，我国大部分地区处于“无机可用”或“无好机可选”的状态，严重制约了油菜种业的发展。
现阶段浸种消毒研究以消毒工艺为主，万林等[13]通过研究经H2O2浸泡的油菜种子出苗后生物质酶的活性及有机质的含量，得出过氧化氢浸种能促进苗期生长，提高产量；张顺凯等[14]通过研究H2O2浸种对不同播期油菜生长发育的影响，得出H2O2浸种处理对早播油菜生产具有负向效应，但对晚播油菜生产具有显著的正向效应。目前与消毒浸种工艺的配套机械化技术与装备鲜有报道。
种子包衣是将农药、肥料、杀虫剂、杀菌剂等化学成分混合在一起，加入黏着剂或成膜剂通过搅拌或喷涂等方法包裹在种子的表面，是现代种子加工生产中的关键环节。具有代表性的种子设备有丹麦的兴百利(CIMBRIA)公司生产的CC50批次式包衣机、美国的OLIVER公司生产的R534批次式种子处理机等。任奕林等[15]为解决包衣过程中种子之间的粘接问题，设计了一种可自由拆卸式的对辊式滚筒机构油菜种子包衣设备，通过设置密布和相互配合的上凹槽和下凹槽，可实现油菜种子单独包衣。喻志成[16]结合机器视觉技术，依据种子包衣后种衣的特点，提出使用机器视觉技术对种子包衣技术进行鉴定，提出了采用结合机器视觉技术的种子包衣智能化控制方式。
总体而言，我国产前种子精细处理设备多为通用机型，存在适应性差、作业质量不佳等问题，难以满足油菜高质量精细处理要求。油菜专用设备匮乏，需要围绕油菜种子粒径小、流动性好、含油量高、易破损等生产现实开发配套技术与装备。
1)种床整理技术与装备。我国南方冬油菜主产区生产季节的降水量较大，因此，一般要求油菜种植耕整地机具作业后的种床厢面平整，具体而言细碎土层深度需在8cm以上，地表平整度在5cm之内，碎土率大于50%，且开好厢沟、腰沟、畦沟(沟宽需200～400mm，沟深150～300mm)以便雨水及时排出，才能满足油菜种植的基本要求[3]。
一般耕作机具实现耕深稳定后，还需进行碎土平整作业，以避免播深不一致，导致油菜出苗不齐及长势不一致等问题[1]。国外油菜用联合耕整机具一般通过后置安装钉齿耙、弹齿耙或者碎土辊以实现土地的细碎平整(图3B、3C)[3]。张青松等[19]研制了一种深浅旋组合式种床整备装置，该装置采用多区段双螺旋线对称排列旋耕弯刀实现旋耕碎土，再配合后拖板实现厢面平整，试验结果显示，该种床整备装置的碎土率与厢面平整度分别为50.94%～64.64%和22.12%～29.37%。
在保证厢面平整度与碎土率的基础上，还需满足油菜种植作畦开沟的农艺要求。现阶段油菜播种开畦沟装置的作业方式主要包括主动和被动开沟2种，其中主动开畦沟装置作业效果好，但功耗较高；被动开畦沟装置虽然结构简单，但难以保持作业稳定[3]。张青松等[20]设计了一种类铧式犁开畦沟装置，实现了前犁开沟起土、后犁收沟整形的开沟工艺。为满足土壤高含水率条件下的开畦沟作业要求，刘晓鹏等[21]进一步设计了一种船型开沟器，该船型开沟器作业是可形成沟深150～250mm、上沟宽250～350mm、沟底宽80mm的梯形畦沟。开畦沟技术是我国南方冬油菜产区油菜种植田间雨水顺利排出的重要保障。
种床整理是油菜播种重要环节，稳定的土层深度、适宜的细碎土壤和厢面平整度是保障油菜正常生长发育的必备条件。国外种床整理多采用大型化装备，作业效率高，但不适宜于我国南方油菜主产区土壤黏重板结、地表前茬作物秸秆残留量大等复杂田间工况，发展适应该地区种床整理的耕整地装备是研究难点。
秸秆还田不仅降低了秸秆焚烧所造成的大气污染，而且还可通过增加土壤有机质、改良土壤结构、促进微生物活力和作物根系发育等实现增产，进一步减少化肥施用量。国外地块广阔区域如加拿大等在播种油菜前，先通过大型联合耕整机对地表秸秆进行翻埋和还田处理，为后续的油菜播种提供了良好条件。目前我国南方冬油菜产区采用独特的水旱轮作模式，由于油菜播种时土壤黏重板结，且地表前茬作物秸秆高粗、残留量大，秸秆还田技术尚未成熟应用。为提高对复杂田间工况的适应性，魏国粱等[24]设计了一种犁旋组合式油菜直播机(图3H)，该机型可一次性作业完成秸秆翻埋、碎土平整、开畦沟、施肥、播种等作业工序。廖庆喜等[25]则设计了一种带状种床整理装置(图3I)，通过旋耕装置的灭茬刀组及带状旋耕刀组进行秸秆还田及种床整理。秸秆还田技术及装备的应用可实现田间大量秸秆的机械化埋覆，在减轻劳动强度的同时还可有效地避免机具堵塞，提高了油菜机械化播种效率。
随着农机农艺技术深度融合，傅廷栋院士提出油菜种植可因地、因时增加种植密度等建议，达到“以密增产、以密补迟、以密省肥、以密控草、以密适机”的效果。油菜种子具有粒径小、球形度高以及流动性较好等特点，但由于其表皮薄且含油量高，导致机播时易出现破损和堵塞现象，开发适用于油菜种子特殊生物学特性和密植农艺要求的排种器是目前油菜机械化精量播种的难点和关键点之一。此外，随着土地经营方式转变，以农业专业合作社、农机专业合作社和家庭农场为主体的适度规模经营成为发展趋势，对作物播种效率提出了更高要求。目前，油菜机械化精量播种主要由单体式排种、集中式排种、无人机排种等排种方式[1]。
1)单体式精量排种技术与装备。单体式排种器可播种一行作物，依据作业幅宽及行距，播种机可模块化配置多个单体式排种器一次完成多行作业；油菜单体式精量排种主要包含机械式和气力式两类。汤楚宙等[26]针对型孔轮式排种器设计了一种调节环以调节播量，研究了不同排种器结构尺寸及作业参数对排种均匀性及种子破损率的影响规律；张青松等[27]设计了一种带缺口矩形勺式油菜精量穴播排种器，研究了型孔尺寸、数量、安装倾角和转速等因素对播种质量的影响规律。
A:联合耕整机限深单元Depthlimitunitofcombinedtillageequipment;B:联合耕整机碎土单元Crushedsoilsunitofcombinedtillageequipment;C:联合耕整机平整单元Levelingunitofcombinedtillageequipment;D:深施肥示意图Schematicdiagramofdeepfertilization;E:锄铲式深施肥铲Hoeshoveltypedeepfertilizingshovel;F:滑刀式深施肥铲Slidingbladedeepfertilizingshovel;G:类铧式深施肥铲Ploughsharelikedeepfertilizingshovel;H:犁旋组合式油菜直播机Ploughrotarycombinedrapeseeddirectseeder;I:灭茬旋耕双轴耕整机Doubleaxialrotarytillagemachine.图3种床整理、深施肥技术以及秸秆还田技术装备Fig.3Seedbedmanagementequipment，andequipmentfordeepfertilizing，strawapplication
气力式排种器相比于机械式排种器具有伤种率低及对种子适应性好等优点[1]，田波平等[28]研制了2BFQ-6型油菜精量联合直播机，能一次完成开沟、起垄、播种、施肥等作业；舒彩霞等[29]、廖宜涛等[30]进一步分析了其气力系统工作特性并提出一种溢流释压的稳压方法，研究了各运行参数对排种质量的影响规律。为提高油菜精量直播机对播量变化的适应性，舒彩霞等[31]设计了一种凸轮摇杆式播量调节装置，分析了调节装置运动学特性；为进一步提高正负气压式排种器对高速排种适应性，李兆东等[32]设计了槽齿组合式吸种盘，采用动力学分析与EDEM仿真分析等手段研究了较优的槽齿结构型式及其对充种和吸种效果的影响机理。通过不断改进优化，2BFQ系列播种机已在长江流域冬油菜种植区及部分春油菜种植区得到广泛应用。
2)集中式精量排种技术与装备。集中排种器(简称集排器)为1个排种部件、1个种箱或者1个统一的输种系统同时排种，实现“一器多行”的精量排种装置，可实现高速、宽幅播种，显著提高工作效率，具有装种卸种方便、整机及传动结构简单等特点，已成为当前排种技术发展的趋势[1]。根据排种原理可分为机械离心式集排器、气力滚筒式排种器和气送式集排器(图4)。
机械离心式排种器主要利用回转运动部件迫使种子在离心力作用下排出。廖庆喜等[33]设计了一器多行机械离心式油菜排种器(图4A)，依靠回转的倒置内锥筒实现一器多行排种，同时结合EDEM软件模拟分析了排种过程，探明了种子量与临界转速之间的关系[34]，进一步通过优化型孔直径并设计枝状阀式分流装置提高了田间作业适应性[35-36]。王都等[37]为提高油菜离心式集排器充种稳定性，设计了一种“沙漏通道”型充种管，实现排种器种子流可控。机械离心式集排器结构简单且灵敏度高，但其排种量与播种机前进速度同步性不够[1]。
气力滚筒式集排器(图4B)应用气流正压或负压使种子吸附或压在型孔上，一次播种6～8行[1]。基于正负气压组合式排种原理，李明等[38]设计了一种气力滚筒式油菜精量集排器，建立了负压值、正压值与集排器结构参数和运行参数的数学关系模型。李兆东等[39]采用气流清种与气压护种组合技术解决了种子易被剪切破坏的问题，设计了一种“倒方锥”型孔并应用于油菜精量气压式集排器。德国阿玛松公司研制了EDX气压式精密排种器[40]，可适应前进速度15km/h的高速精量播种，完全满足大田块高效播种需求。
3)无人机播种技术与装备。长江中下游地区丘陵、山区、河滩、坡地等冬闲田面积广阔，是油菜种植的潜在耕地资源之一，常规地面播种装备因适应性问题无法进入作业或进入作业的经济效益不高。配备高精度自主飞行功能的无人机体型小、作业灵活、可悬停、起降无需跑道、地形适应性好，可以实现航迹规划和自动导航飞行[50]，具有地面播种装备无法比拟的高通过性特点[51-52]，利用无人机飞播技术可完成复杂地貌的油菜种植。
油菜无人播种装备主要由无人机和播种装置组成，无人机作为利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞行器，可实现适应不同地貌和播量需求的油菜飞播。黄小毛等[53]为有效解决农用无人机复杂边界田块下的油菜播种作业问题，引入贪婪算法、凸多边形最小跨度法和步进旋转法，提出一种对田块边界形状具有普适性意义的旋翼无人机作业路径规划算法。徐博等[54]为实现多个作业区域不同播种效果，基于遗传算法与TSP问题得到区域间的优化作业顺序，研究了一种无人机全局航线规划算法。吴开华等[55]为在坡地作业过程中保持稳定的仿地飞行以提高作业质量，通过前置毫米波雷达与对地毫米波雷达的高度进行多雷达高度信息融合以提高响应速度，并采用模糊PID控制算法控制无人机高度。针对无人机的研究主要为提高飞播作业过程的作业质量、效率和续航，重点开展无人机作业路径的规划和优化工作。
播种装置作为实现飞播的核心部件，其排种性能决定种子在地表分布的均匀性和一致性。张青松等[56]为解决丘陵山区油菜种植面积逐步扩大和平原地区稻油茬口矛盾突出的问题，开发了与极飞P20四旋翼无人机平台配套的油菜无人机飞播装置和控制系统，设计的槽轮式排种装置可实现油菜条播；黄小毛等[57]设计了基于离心条播式排种器的无人机油菜飞播装，优化了上凸锥筒离心式排种器结构，提出了一种与离心排种器配合使用可实现油菜条播的辅助导种装置；Wu等[58]为实现坡地有效播种，设计了一种用于无人机的离心式排种装置，应用EDEM仿真分析离心式圆盘的转速、无人机的飞行高度和挡板环的角度对分布均匀性的影响。综上所述，现有针对无人机播种装备的研究主要集中于设计轻量化、结构简单的排种装置，通过仿真和试验分析无人机旋翼气流、排种装置、导种管对播种均匀性的影响，且为增加地表种子分布的有序性，无人播种逐渐由撒播到条播技术发展。
油菜属于无花序作物，植株高大、分枝多、成熟果荚易炸裂，机械化收获作业难度较大。现阶段油菜机械化收获方式主要有联合收获和分段收获两种形式。此外，为提高油菜种植附加价值，实现油菜多功能开发利用，饲用收获也逐步推广应用。
1)分段收获技术与装备。分段收获主要通过割晒机先将油菜割倒铺放于田间进行晾晒，利用后熟作用至油菜完全成熟后，再进行捡拾、脱粒作业。我国油菜种植区域跨度较大，各地区油菜特性与成熟度不一致，增加了油菜的收获难度。分段收获充分利用了油菜的后熟作用，确保成熟度基本一致，对油菜的品种适应性较强，延长了收获期，可减小收获损失率并有效缓解轮作区茬口矛盾突出的问题，且收获后籽粒相对饱满、含水率基本一致，利于产后油脂加工，提高油脂品质[59]。
割晒机主要通过立式或卧式割台输送装置将割倒后的油菜集中并有序铺放至田间，铺放方式可分为中间铺放与侧边铺放2种形式。因油菜植株高大，国内外油菜割晒机以卧式割台为主，2种铺放方式并存。发达国家已实现油菜规模化种植，形成了宽幅、大马力、专用化、智能化的油菜割晒装备，如JohnDeere公司研制的JDA400系列割晒机(图4D)采用中间铺放方式，割幅可达6.4m，可根据需要调节割茬高度；加拿大MacDon公司研制的M200型割晒机(图4E)，割幅为6.1～12.2m，能够实现双向驾驶，收获效率高。在关键装置与调控技术研发上，Hobson等[60]针对油菜收获时堵塞严重、损失较大的问题，设计了一种辅助输送装置，提高了油菜输送的流畅性。Foster等[61]设计了一种配有速度控制系统的自走式油菜割晒机，可以根据作业需求调节收获速度，提高了收获的适应性。
我国油菜收获机械研究起步较晚，现阶段分段收获装备基本实现了切割、输送、铺放的功能，但存在输送效率低、铺放质量差、输送通道易堵塞等问题，限制了割晒机的工作效率。廖宜涛等[62]针对南方小地块作业损失大、能耗高等问题，设计了一种用于小地块油菜分段收获的4SY-1.8型手扶式油菜割晒机，与手扶拖拉机配套作业，结构简单。韩彩锐等[63]针对前悬挂油菜割晒机传动路径复杂、动力损失大等问题，设计了一套与4SY-1.8型油菜割晒机配套的液压驱动系统，各运动单元独立工作，提高了对不同品种油菜的适应性。王修善等[64]针对现有油菜割晒机适应性差等问题，设计了一种4SY-2.0型油菜割晒机，采用履带式底盘和立式割台作业，可根据地形调整割茬高度，油菜铺放整齐均匀。石增祥[65]等以联合收获机为动力平台设计了4SY-2.2型油菜割晒机(图4F)，实现油菜的单侧铺放。
油菜输送和铺放的过程中，机具参数与油菜特殊生物学特性不匹配是导致铺放效果不佳的重要原因。金诚谦等[66]基于4SY-2型油菜割晒机研究了油菜形态、成熟度、输送机构参数、铺放装置参数以及排禾口等因素对铺放质量的影响。蒋亚军等[67]针对4SY-2.9型油菜割晒机(图4G)机架振动幅度大等问题，基于Ansys对机架进行了建模分析，得到了六阶模态下机架的频率与振型，提出了增加拱门结构的设计方案，降低了割晒机工作时的共振。李海同等[68]为提高手扶立式油菜割晒机的作业性能，基于Ansys和Adams建立了割晒机与油菜植株的刚柔耦合模型，并进行了仿真试验，得到了前进速度、割茬高度、植株密度、摩擦系数等因素对油菜铺放质量的影响，为割晒机的作业参数优化提供了理论支撑。
综上所述，国外因田块面积大，油菜割晒机以宽幅、大喂入量、大马力、广适性为特点，多采用中间铺放方式，基本实现了油菜茎秆的有序条铺。我国南方冬油菜种植区受田块面积小、水旱轮作田间工况复杂等制约，宽幅割晒机难以应用推广，有限割幅内实现茎秆有序铺放是割晒机研发的难点；此外，实现割晒机机组前进速度、拨禾轮转速、输送装置运行参数等的综合适配是提高割晒机对油菜植株适应性的关键。
2)联合收获技术与装备。联合收获是使用联合收获机一次性完成油菜切割、脱粒、分离、清选等主要工序的收获方式，具有省时省力、作业效率高、适宜抢农时等优点，可适应我国绝大部分地区的油菜种植环境。得益于水稻、小麦等粮食作物联合收获技术的快速发展，稻麦联合收获已形成了较为成熟的机械化收获技术与装备体系。然而，由于油菜植株高大、成熟度不一致、角果易炸裂等特殊生物学特性，由稻麦联合收获平台发展而来的油菜联合收获机适应性不足，综合损失率居高不下。2019年我国油菜机收率仅为44%，远低于小麦、水稻的机械化收获水平。目前油菜联合收获机总体上向广适性、大喂入量、智能化、功能集成化方向发展，图4H和图4I为国内外典型油菜联合收获机。
油菜联合收获机由割台、脱粒分离装置、清选装置等组成，割台工作过程中割刀、侧边切割器往复运动及拨禾轮击打是导致割台振动与落粒损失的主要因素之一，植株接触部件的优化是提高油菜联合收获机适应性、减少籽粒损失的关键[69]。在解决割台均匀喂入的问题上，李海同等[70]提出了具有茎秆切割、输送、复切功能的分体组合式割台及其复切输送器间隙自适应调节机构；朱剑等[71]开发了一种基于嵌入式的电液比例控制系统，提升了割台工作高度调整实时性和准确性；庄肖波等[72]提出一种基于鲁棒反馈线性化割台高度控制策略，提升喂入量的稳定性、降低整机各环节的作业负荷波动。目前割台损失仍是整机主要损失之一，低损均匀喂入是提升后续工作部件性能的关键。
饲用收获技术关键在于切碎技术的研究，茎秆切碎质量的高低是评价饲料优劣的重要标准。公谱等[86]研究表明切碎方式不仅影响切碎效果，且对畜禽采食率、饲料营养价值等影响显著，切碎方式的选择要综合饲喂对象、饲料种类、饲料后续处理和功耗等多方面的因素。按照切碎方式的不同，切碎装置可分为盘刀式和滚刀式2种类型[87]。盘刀式切碎装置用于饲用油菜收获时，油菜受过度揉搓挤压，导致汁水溢出无法饲喂，而且切碎后物料易在长而窄的输送通道内堵塞而无法继续作业。蒋亚军等[88]针对长江中下游地区饲用油菜生物量大、含水率高，缺乏适用收获机械的问题，开发了饲用油菜专用收获机(图4J)，开展了冬春鲜喂饲用油菜机械化收获切碎装置设计与试验。吴巧梅等[89]对平板刀式滚筒切碎装置的参数进行试验优化，在满足抛扔条件下，应尽量选择较大的切割前角，刀片的安装隙角要尽可能小。饲用油菜收获期长、不同生育期物料特性差异大、喂入量大、含水率高等特殊生物学性状是导致常规青贮收获机适应性不高的主要原因[90-91]，同时饲用油菜作为新型饲料，其适口性、饲喂效果与机械化收获装备参数匹配关系亟待深入研究。
A:机械离心式Mechanicalcentrifugaltype;B:气力滚筒式Pneumaticdrumtype;C:气送式Pneumaticconveyingtype；D:约翰迪尔JDA400油菜割晒机JohnDeereJDA400windrowerforrapeseedharvesting;E:MacDonM200油菜割晒机MacDonM400windrowerforrapeseedharvesting;F:4SY-2.2型油菜割晒机4SY-2.2typeofwindrowerforrapeseedharvesting;G:4SY-2.9型油菜割晒机4SY-2.9typeofwindrowerforrapeseedharvesting:H:CLAASLexion8700-7600联合收获机ClAASLexion8700-7600combineharvester;I:沃得4LZ-5.0E联合收获机WODE4LZ-5.0Ecombineharvester;J:饲用油菜收获机Foragerapeseedharvester.图4油菜精量播种与收获机械装备Fig.4Rapeseedprecisionsowingandharvestingmachineryandequipment
喷药系统合理的结构设计和作业参数控制是良好作业效果的重要保证。李熙等[92]采用在药箱设置水平和竖直阻尼隔板的结构方案，降低了药液晃动对无人机稳定运行的不利影响。姜锐等[93]设计一种通过采集药箱内外气压差值及无人机倾斜角度，利用混合数字滤波算法准确获取药箱液量的监测装置。何勇等[94]详细分析了不同喷嘴的结构、特点和适用场景，介绍了喷嘴性能评价指标及测试方法，提出应结合作物、喷药需求以及作业环境三因素进行施药决策。刘洋洋等[95]通过建立阀门开度与作业高度、作业速度和施药量的分级控制算法，构建多信息监测与变量施药系统。此外，仿真模拟分析是研究施药效果的有效措施，张豪等[96]采用CFD方法分析了悬停高度、生长阶段和自然风速等因素对无人机下洗气流场的影响规律，研究得出自然风影响下洗气流分布对称性，沿逆风方向调整可改善施药效果。Wen等[97]采用生成对抗网络模型提取样本特征来预测单旋翼无人机气流场，获得比CFD模型更快的数据压缩速度和更高压缩率。
脱皮冷榨制油工艺是近几年国内外涌现出的新型工艺技术，可减少加工物料的高温处理，所得油脂品质高且降低了加工能耗和成本[101]。脱皮与皮仁分离是制油前预处理中重要环节，也是双低菜籽高效加工研究的难点和热点。德国凯姆瑞亚·斯凯特公司与德国埃森综合大学食品工艺系合作开发了一种油菜籽破壳及壳、仁分离设备；采用相对运动的2个圆辊对油菜籽进行压碎的破壳方式，壳、仁分离则采用了高压电场分离法[102]。中国农业科学院油料作物研究所应用离心撞击式脱皮和综合分离原理，研制出油菜籽干法脱皮机与皮仁分离系统[103]。
传统热榨-浸出菜籽油加工工艺生产的油脂色泽深、酸值高等缺点[104]。与传统的油菜籽制油普遍采用蒸炒、预榨、浸出工艺不同，低温压榨不需蒸炒，能耗较低，且冷榨制油工艺一般为全机械过程，经螺旋压榨机压榨后过滤。双螺旋压榨机由于具有油脂高效提取、饼粕质量好和工艺成本低等优点而得到广泛推广，现已出现了多种新型低温压榨工艺技术和设备[105]。国内在相应低温压榨设备加工能力和规模方面不断扩大，如低温螺旋榨油机[106]、单螺杆油料冷榨机[107]、油料冷榨机[108]等。然而，我国油菜生产经营规模相对较小，油菜产后油脂加工环节缺少成套产地加工设备，导致收获后油菜籽粒无法及时处理，延长了产后加工周期，提高了高含水率油菜籽粒霉变风险，造成籽粒损失。
农场由于其特殊规模效应，在农业生产领域具有重要的作用，伴随农业的发展，农场经历了传统农场到机械化农场到自动化农场再到目前的无人农场。无人农场是在人不进入农场的情况下，采用物联网、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息技术，通过对农场设施、装备、机械等远程控制或智能装备与机器人的自主决策、自主作业，完成所有农场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间的无人化生产作业模式(图5)，无人农场的本质是实现机器换人[109]。全天候、全过程、全空间的无人化作业是无人农场的基本特征。
图5油菜无人农场概念Fig.5Conceptofrapeseedunmannedfarm
2017年英国哈勃亚当斯农业大学研究团队率先建立了世界首个无人农场，同年日本建立了世界首个蔬菜无人农场，随后美国、韩国等也开始布局无人农场，我国在山东、江苏、福建、黑龙江等地陆续开展了无人农场的应用探索。国内规模最大、由碧桂园控股有限公司与北大荒集团联合打造的建三江无人化农场试验示范项目，已经分别在大豆、玉米、水稻田块和实验场地进行了耕整地、播种、插秧、喷药、喷肥、收获、运粮等农业生产全过程的无人化作业现场演示，为油菜无人农场的布局奠定了坚实的基础。
油菜无人农场的建立要依托作物生产全程无人自主作业、作业环节自主完成和油菜生长全程自动监控等环节。作物生产全程无人自主作业包括耕整地、种植、田间管理和收获各环节。生产环节无人化包括从机库到田间及完成作业后回到机库的全过程，需要无人驾驶耕整作业机械、无人驾驶种植机械、无人驾驶田间管理机械和无人驾驶收获机械的支撑。作物生长全程自动监控包括从耕整到收获各阶段植株的生长状况及需水、施肥和喷药的监测及决策。
我国南方地区由于土地规模和经营模式，成为阻碍油菜无人农场规模化发展推广的重要因素，目前国内尚未见针对油菜生产的无人农场，但随着机器人、物联网、人工智能等先进技术不断应用到农业生产经营的耕种管收等各个环节，油菜无人农场的建立指日而待，其中自动导航技术应用最为广泛，播种环节智能化生产也是保证后续收获与田间管理环节标准化的基础。
产中作业自动导航技术是提高田块资源利用率的有效措施，可保证作业机具在工况复杂田块内的对行准确度和直线行驶精度，其关键技术包括田间载具(拖拉机、收获机等)位置定位、导航路径跟踪控制和定位数据整合等，主要采用厘米级定位系统RTKGPS(realtimekinematic)全球导航卫星系统GNSS(globalnavigationsatellitesystem)获取设备的当前位置，实现产中作业机械自动驾驶实时控制[1]。
针对拖拉机导航，为提高导航和定位精度，Kaivosoja等[110]开发了GNSS错误模拟器。以东方红X804拖拉机为平台，罗锡文等[111]开发了基于RTKDGPS的自动导航控制系统，应用了跨行地头转向控制方法。黎永键等[112]结合了RTKDGPS定位和双闭环转向控制，提高了拖拉机自动转向系统性能。针对收获机导航，张成涛等[113]设计了谷物联合收割机视觉导航系统，考察了电控全液压转向系统的操纵性能。丁幼春等[114]设计了一种基于单神经元PID的联合收获机导航控制器；曾宏伟等[115]、吴刚等[116]、张成涛等[117]、关卓怀等[118]针对导航路径提取方法分别提出了区域生长算法、基于改进平滑度纹理特征的视觉导航路径识别算法、基于改进Hough变换(HT)的直线检测算法等方法，有效提升了收割区域和未收割区域识别的精度、速度、抗干扰能力，为导航提供了深厚的研究基础。
中国油菜种植区域主要分布在长江流域，具有一年多熟种植制度、土地分散、地块狭小和土壤黏重板结等典型特征，但是产前、产中、产后阶段发展不均衡、不充分，导致生产手段落后、成本高、综合效益低，严重影响民众油菜种植的积极性。三大阶段发展不均衡主要体现在区域不平衡、上下游阶段不平衡和各环节技术体系不平衡三大方面。发展不充分包括整个油菜生产产业发展总量不够丰富、发展程度不够高、发展态势不够稳固，体现在油菜产中耕种收全程机械化技术与装备不能很好地满足当前和未来现代农业生产的需要，存在机械化、智能化水平低、部分装备缺乏的现实问题；技术层面急需解决油菜生产的产前技术装备加快研发，产中作业装备的进一步优化改进和提高适应性，产后高品质菜籽油产地加工机械和成套装备不足；同时全产业链机械装备智能化参数调控技术和基于物联网、大数据等前沿技术的智能化管理与精准作业系统是迫切需要攻克的关键技术。
1)油菜育种、种子精细处理与收获后产地加工机械和成套装备发展不足，要求产前、产后机具作业适应性强。油菜育种以小区育种为主，小区播种是开展育种田间试验的关键环节，然而油菜籽粒与水稻、小麦等作物不同，籽粒直径集中于1.5～2.2mm，小区播种、筛分、包衣等产前环节技术难度大。现阶段适宜小粒径油菜的小区播种机仍然匮乏，产前精细处理研究以工艺改良为主，缺乏适宜大规模生产的油菜种子产前处理配套机械化技术与装备。产后预处理环节不及时，经联合收获或分段收获后，一般通过人工筛分籽粒中的杂余，结合晾晒控制籽粒含水率以便后续储存及加工，处理周期长、场地需求大、质量难以保证，导致收获后油菜籽粒处理滞后，进而引起霉变和运输损失，影响产后油脂品质。
2)油用油菜生产经济效益有待提高，油菜种植附加产值不足，农户种植积极性不足，要求拓展油菜多功能开发利用。根据油菜生育进程进行综合开发利用，可实现油菜“一菜多用”，提高油菜种植效益，促进种养结合、用养结合，加快一、二、三产业融合，但饲用、菜用、肥用油菜生产机械化技术与装备仍然不足，需要加强油菜全价值链生产技术与装备发展。
3)油菜产中种植区域多样、作业工况复杂，各环节机械化生产水平不均衡，标准化与规模化生产需要加强。冬油菜种植区域大多为分散种植，经营规模小，不利于耕整地、播种、收获等关键环节大型机械作业；各地种植自然条件不一，栽培制度和技术多样化，油菜生育期内不同阶段植株性状差异大，不同环节机械化作业标准差异大，要求产中作业装备结合油菜农艺要求，开展上下游环节适应性优化。
4)围绕油菜全生育期开发的农机、农艺与信息化技术融合亟待突破。优选适应全产业链机械化生产的油菜良种，规范各区域油菜栽培模式及轮作模式种植要求以提高成苗率，满足油菜产中机械化收获对油菜植株株型、分枝和成熟度等需求，最终获取高品质油菜籽粒并提取绿色安全食用油。随着农业信息技术的快速发展，农业传感器、精细作业与智能装备和物联网等技术和装备综合应用于油菜生产各阶段的系统决策、油菜长势监测和机械化装备控制，有效提高了资源利用率和工作效率。
1)加快油菜种子精细处理与产地加工技术与装备的研发，加强油菜全产业链技术体系建设。研究油菜产前种子精细处理技术装备，产后针对菜籽烘干不及时导致大量联合收获菜籽霉变损失严重，开发适合我国小规模和规模化生产经营的高品质菜籽油产地加工机械和成套装备。
2)探索油菜全价值链开发利用，提高油菜生产附加值。系统研究油菜饲用、肥用、菜用、花用、蜜用等多功能开发利用的生物特性与各功能模块的技术要求，重点研发饲料油菜的高效切碎技术、肥用的低耗切碎与深埋技术、菜用的高效有序切割采摘技术等关键技术及其配套装置，创制油菜多功能开发利用的饲用收获、油菜薹有序收获和油菜高效深埋还田等系列装备，满足不同功能要求，提升油菜的附加值。
3)均衡发展油菜产中阶段规模化经营，实现高质高效油菜生产。随着农业现代化发展进程快速推进，我国土地经营方式已向适度规模化经营转变，客观引导产业链上下游扩大生产规模，通过节本增效创收，以育种技术、种子精细处理技术、耕播集成技术、近地面航空播施关键技术、油菜分段与联合收获技术等为支撑，结合油菜种植农艺，融合机械化生产智能技术与无人系统，应用农业传感器技术、精细作业技术与智能装备和物联网技术等，探索作物长势监测和机械装备控制方式、病虫草害防治、大数据决策等先进技术，有效提高油菜生产机械的智能化水平，提高资源利用率和作业效率。
4)油菜产业将随着农业人口、土地规模和科技发展的变化，在不同阶段有不同的发展动力，形成“政府推动-市场拉动-规模驱动-科技引领”的发展路径。政府推动：现阶段油菜种植规模偏小，传统小农依然是油菜生产主体，政府应通过购机补贴、作业补贴、扶持项目、购买服务等方式推广先进适用的技术装备，加强机耕道、机库棚、维修中心、丘陵山区宜机化改造等基础设施建设，补齐油菜产业发展的短板；市场拉动：经市场竞争存活的新型农业经营主体逐渐成为油菜种植主力军，油菜多功能开发技术及装备有无的问题基本解决，普通农户能够通过土地流转、全程托管、委托作业服务等方式间接实现全程机械化；规模驱动：职业农业将成为油菜生产的主体，土地规模化发展加速，平原和丘陵较平地块的油菜种植实现了规模经济，山区通过发展油菜旅游等方式提高种植效益，油菜全程全面机械化基本实现；科技引领：物联网、大数据、云计算、移动互联网、虚拟现实、人工智能等智能农业技术在油菜生产中大量应用，油菜生产和管理实现了机械化、自动化、信息化和智能化，油菜产业将在科技的引领下实现高质量发展。
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WANXingyu1,LIAOQingxi1,2,LIAOYitao1,2,DINGYouchun1,2,ZHANGQingsong1,2,HUANGHuang1,2,CHENHui1,ZHULongtu1
1.CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China;2.MinistryofAgricultureandRuralAffairsKeyLaboratoryofAgriculturalEquipmentinMid-LowerYangtzeRiver,Wuhan430070,China
Keywordsrapeseed;rapemachinery;wholeindustrychain;mechanization;intelligentization;developmenttrends;completeequipment;multifunctionaldevelopment;unmannedsystem;balancedevelopment
中图分类号S223.75
文献标识码A
万星宇,廖庆喜,廖宜涛,等.油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势[J].华中农业大学学报,2021,40(2):24-44.
DOI:10.13300/j.cnki.hnlkxb.2021.02.004
收稿日期：2021-01-18
基金项目:国家油菜产业技术体系专项(CARS-12)；国家自然科学基金项目(51875229、52075210、32001427)；中国博士后科学基金项目(2020M682438)