種地不苦,還能更酷?

大家好,我叫張玉成,來自中國科學院計算技術研究所。不過今天我不講計算機,給大家講智能農業機械裝備。

如果未來00後種地的時候,都能指揮著像圖片上這樣的農業機械裝備,那種地一定是不苦的,而且會非常地酷。

從學計算機到造拖拉機

首先想聲明一下,我原本不是搞農業機械裝備的。我本科是無線通信,研究生是數據通信,到博士階段做計算機體系結構。也有人跟我開玩笑,你當年選擇信息專業,到最後還去研究拖拉機了,那還不如一開始就直接去做拖拉機。其實不是這樣的,有了信息領域的這些經歷,我們做出來的農機跟大家想像的是不一樣的。

為什麼我會從計算機專業轉行到了農機行業呢?人生的軌跡變化總是非常神奇的。我進入農機行業的契機是2015年,當時我帶著團隊到了河南洛陽,開啟了一段我定義叫「無心的旅行」。無心就是沒有目的,我記得那時候還是8月,比較熱,我們從北京到了河南洛陽。我們計算所是搞信息技術,河南洛陽屬於老工業基地。當時領導安排的考察任務,就是我們的信息技術到底能不能跟傳統的裝備製造結合。

▲ 中國製造2025▲ 中國製造2025

我們國家當時在做「中國製造2025」,很多高校、科研院所都在做類似的事情。我們科研的目的,不是簡單地寫文章,而是要找到科研成果的應用出口,只有這樣的科研成果才是有價值的。

其實那一天的會,我沒有太多的收穫。並且我有點中暑了,身體不舒服,就想回去了。但是那天晚上,跟幾個地方從事農機行業的專家進行交流,他們提出了很多很多關於我們國家農機行業跟世界農機強國的差距,也提出了非常多的技術升級改造的期望。他們想要更好的技術,其實當時還是不容易的。

所以在這樣的背景下,我覺得我有這樣的責任和使命來做這事情,把更多的信息技術、智能技術跟傳統的裝備製造業融合。

「沒有調研就沒有發言權」,我們進行了大量的調研,深入地瞭解到我們國家和全球農機行業的現狀。我們總結出3個方面的問題:第一個,就是技術到底行不行;第二個,我們的產業到底怎麼樣,第三個,做出智能農機能夠解決什麼樣的社會問題。

針對第一個問題,我把我們國家的農機裝備做了一個斷代。因為我們搞信息出身,舉個例子,大家用手機就是從「大哥大」開始,後來發展到3G、4G、5G,現在都開始做6G了。我覺得農機行業有各種斷代的方法,就是沒有一種按照技術體系斷代的。所以我們經過調查研究,大致把我國的農機分成三代。

第一代是從蘇聯的哈爾科夫拖拉機廠引進的。一九五幾年的時候,他們把一整套的「純機械控制的履帶式」技術體係引入中國。它一直堅持了30年左右。

到20世紀80年代,我們國家又從歐洲引進了一套叫「中大馬力輪式」的農機的體系。簡單說,引進體系就是人家把一整套圖紙都給我們,我們就照著人家的圖紙來研發拖拉機。到現在為止,我國都在做這一代的農機。

2018年左右,這種不帶駕駛艙的智能農機就已經開始在西方出現,是純智能化的。像馬克納姆375馬力這樣一台農機,當然它還是用燃油的,我們認為它就屬於第三代農機了。

我們第一代、第二代都引進,第三代還準備從美國人手裡邊去買嗎?我覺得不應該這麼做。我們發現,這個行業缺自主可控的農機技術體系,導致我們行業大而不強,缺少競爭力。

接下來再看產業,我們國家一年產業鏈上下遊的這些企業加起來的產值,大概也就3800多億。但是世界排名第一的龍頭企業一家就能夠做到3600多億。也就是我們一個行業跟人家一個企業去競爭。其實類似的情況在很多行業都出現過,大家可能都有感受,包括之前我們的手機行業。

最後,我們去看農村。現在回農村一看,是不是空房子越來越多了,從事農業生產的基本上都是老人。在2000年左右,全國還有7.9億農民,到2020年的時候只有2.8億左右。所以,我們現在就需要智能農機幫農村、去開展農業生產。

我們應該學習現在在構建自主技術體系之上做的非常好的一些行業,比如說高鐵現在運營里程佔全球60%,北鬥的用戶超過20億,5G的基站全球部署超過60%,這都已經成為中國製造業的名片。我們應該要樹立這樣的信心,把農機行業也做成中國製造業的名片。

化劣勢為優勢

但我們還只是一個小團隊,定了這樣一個目標以後,註定了研發的路徑肯定是不平坦的,沒有那麼容易的事情。

但我們的起點其實挺好。在河南洛陽有塊叫中意研究院的地方,地方政府把它給我們,用來做新一代農機。這地方非常漂亮,人家原來是用來設計蘭博基尼跑車的,後來他們不來了,我們就在這裡邊研發新一代的智能農機。我們一定得要做出這種高端品質來,就是所謂「筷子樓裡邊起步」。

起步總是有困難的,不是一帆風順的。看得見的困難和挑戰有很多,比如說沒有資金。搞基礎的信息技術研究的資金是有的,但做農機的資金是沒有的,那怎麼辦?我們只好從原有的信息技術研究項目裡邊拿一些資金來做農機的開發,來驗證技術。

其實我們一開始真沒有想過去做整個農機,覺得去做裡邊的信息、芯片、數據、通信就行了。但這方面的創新總是受到一些阻礙,我們的技術得不到快速的驗證,所以我們下定決心自己做農機,自己驗證自己的技術,這樣更快一些。

那沒有製造團隊怎麼辦?還好河南洛陽是一個製造業人才聚集的地方,我們就組建團隊開展合作。沒有車間,我們就在筷子樓下面的地下室做。全球很多好的東西都在地下室研製出來的,我就覺得這個地下室也挺好,夏天還很涼快。

這都是看得見的困難,看不見的困難基本上是無形的,但阻力也是最大的。我們受到來自於兩個方面的質疑。一方面就來自於傳統的農機產業,他們會說:你們研究計算機的一幫人,設計的這東西叫拖拉機嗎?你們不懂農機,農機很複雜,比汽車還複雜。這事情幹不成。

另一方面,我們從信息領域出來,信息領域也質疑:這東西有那麼複雜嗎?不就拖拉機嘛。科技含量不高,不夠智能,估計還不如掃地機器人複雜。

這些都沒有動搖我們決心,因為我們做的是跟別人不一樣的夢。別人質疑我們的劣勢是不懂農機,後來發現,我們的優勢就在於因為不懂農機。所以我們想像是農機它就是農機,想像是拖拉機它就是拖拉機。

▲ 左:龍耕I號(2017年),右:超級拖拉機I號(2018年)▲ 左:龍耕I號(2017年),右:超級拖拉機I號(2018年)

我們在2017、2018年陸續設計了「龍耕1號」還有「超級拖拉機1號」,大家可以看到,這完全不是傳統的農機會認可的概念。

▲ 2015-2023:鴻鵠農機家族▲ 2015-2023:鴻鵠農機家族

接下來一發不可收拾,我們把50馬力、70馬力、200馬力、400馬力一系列都做出來了,越做越順,越上癮。而且我們沒有像有些「PPT造車」然後再花很多錢那樣,我們沒有花太多的錢。

▲ 面向丘陵山區的集群履帶式農機裝備▲ 面向丘陵山區的集群履帶式農機裝備

大家可能會有刻板印象,認為拖拉機都是在北方大田裡邊用。我們還做了一些面向丘陵的小農機,比如在浙江、四川、雲南,當地要的都是這種小馬力、小型化的智能農機。

▲ 面向設施農業的智能農業機械設備▲ 面向設施農業的智能農業機械設備

設施農業現在也是。誰願意早上四五點鍾到大棚裡邊去摘西紅柿呢?我覺得00後肯定不會去幹這個事情,所以都要用這種。以前這叫農機,現在叫農業機器人,其實它們都是智能農業機械裝備,或者叫農業機器人。

下面要給大家重點推薦一個技術集大成的裝備,他讓我們的第三代農機體系技術攻關和裝備的研製初見曙光。

我們給它取了個名字,叫「鴻鵠系列」,有兩種解釋。第一個「立鴻鵠誌,做有為青年」,遇到阻力也得要堅持做下去。第二個,當時他們不是質疑我們,我們也不是很客氣,「燕雀安知鴻鵠之誌哉」。我們就一定要堅定信心,把中國人自主可控的技術體系做好。

上面這個是2022年9月份最新開發的鴻鵠T400,我們就舉幾個例子來說它到底攻克了哪些難關。

首先是智能。大家可能不知道,農機的擋位其實是很多的。在身邊,連5個檔的汽車,很多人考試都不一定能考得過,只要擋位掛得不準,要麼冒黑煙、要麼熄火。農機的話以220馬力為例,它有48個前進檔,41個後退檔,有6個速度區間。你在不同的地形地貌、不同的土壤阻力下駕駛,肯定會手忙腳亂。得多麼有經驗,才能把擋位切到對應的,這對人來講,是很複雜的,也就是對拖拉機駕駛員的要求會很高。

▲ 農機的無人駕駛▲ 農機的無人駕駛

那麼,我們能不能把這個事情交給計算機來做?方法就是給農機加裝各種各樣的傳感器,讓它感受地形地貌的變化,感受土壤阻力的變化,把原來很複雜的換擋工作交給計算機。這就是人工智能(AI)和農機結合的一個具體應用。這隻是舉一個例子,還不包括它的無人駕駛,無人作業。

第二個問題,就是我們的產業界一直做不出大馬力的農機,一直做不到300、400馬力以上。而國外比如德國、美國就有做大馬力,600馬力都是輕鬆的。

▲ 工業革命的結晶:變速箱▲ 工業革命的結晶:變速箱

這當然不是因為中國的應用場景少。那原因是什麼呢?大馬力的農機是建立在工業革命基礎上的,包括它的柴油發動機和變速箱。你想那麼多的擋位,它的變速箱、電控得做得多麼複雜,而我們一直做不出這種叫「無級變速」的變速箱。那是人家工業革命上百年的成果,不會輕易開放給我們。

▲ 通過分佈式電機解決大馬力問題▲ 通過分佈式電機解決大馬力問題

那我們就換一個路徑,用電機來解決。電機很好,但是一個不夠。所以我們用3個電機,把提升、液壓、行走全部分散開來,缺多少我就配多少電機。每個電機要用的時候,再讓它開啟,不用就把它給關掉。我們把原來一個柴油機變速箱解決不了的問題,變成了幾個電機協作的問題,這帶來了複雜的控制問題,但這恰恰就是研究計算機編程人的擅長的地方。我們把機械的問題轉化成了計算機的問題,就可以解決了。

▲ 農機排放帶來的空氣汙染▲ 農機排放帶來的空氣汙染

第三個問題是關於環保。剛才說的馬克納姆375馬力,它也還是燒柴油的。大家可能有記憶,十多年前,每個城市裡邊都可以看到這種冒黑煙的小手扶拖拉機、小三輪,空氣裡邊瀰漫著煙味。我們希望我們國家農業領域的機械裝備也能像現在新能源汽車一樣,做到全部是清潔能源的,這樣對環境更好。

我們設計將太陽能、風能給農機來用,我們給鴻鵠T400設計了一個電池組,這些電池組可以換,不需要在耕作的同時還要天天去充電。要是充10個小時電只能幹4個小時,那就不划算了。我們給它做成標準的電池組,然後進行能源的替代。那將來可能還可以使用甲烷、氫能源,效果會越來越好。我覺得我們農機將來一定會憑藉技術、借助我們國家清潔能源、新能源產業的基礎實現全球範圍的趕超,和我們的汽車行業一樣。

那總結下來,大的創新就圍繞著智能、大馬力動力和清潔能源開展創新,這就是我們所謂的技術體系。我們就是按照這個思路來研製農機的。我覺得它不是一台傳統的拖拉機,它更像一台電腦,一部手機了。

應用,才是王道

農機造出來不是為了看,不能讓大家覺著你做了一個大的玩具,我們都是要應用的。

▲ 大河灣農牧場▲ 大河灣農牧場

用在哪呢?我們正在東北開展黑土地保護,於是,我們來到東北呼倫巴爾農墾集團的大河灣農牧場,在這種規模化的現代農場裡邊開展試驗。

▲ 小農機反復碾壓▲ 小農機反復碾壓

在那邊,大馬力帶來的優勢就是減少了土壤的壓實。如果用那種小手扶去碾壓,2000畝地需要被來回碾壓700多次,如果用大馬力148次就可以了。

▲ 無霜期非常短▲ 無霜期非常短

同時,因為東北溫度比較低、無霜期短,到90天以內可能作物就成熟了。因此一個星期就得把它種完,要不留給作物生長的時間就會比較短。我們的大馬力智能農機在這樣的一個試驗場就帶來了很多的好處。

以前一台拖拉機要兩個駕駛員,一天能幹8~10個小時就了不起了,還可能找不到人。現在一個人控制10台、20台都可以,一天除了換電休息時間,它可以幹18個小時。要是用電的話,基本上不到2塊錢就把一畝地耕作完了,以前燒柴油得要6塊錢左右。有了效率的提升和成本的節約,那當然是有市場前景的。

這是400馬力的一個設計效果,我們選了中國紅,還是很漂亮的。

這是我們的鴻鵠T400在真實場景里工作。這就是在呼倫巴爾農墾大河灣農牧場試驗的情況。在大面積的耕地裡邊,它帶著重犁耙平整土地。

這是我們200馬力試驗的情況,它帶著後面的翻轉犁,可以把地鬆一下。所有的這些都是自主作業。

這是70馬力的。同時我們也能讓多台協作。比如影片里這樣兩台協作,前面一台割草,後面一台負責摟草。這是我們在山東東營實現多台協作的一個情況。我覺得只有這樣的場景,才能夠代表農業的未來。

這是我們在大河灣農場的一個指揮中心。在指揮中心,我們就可以指揮農業生產,同時對整個集團的1000萬畝草地、600萬畝農場進行信息化建設,為我們三代農機的應用提供場景。

種地不苦,還能很酷

上面就是我們現在實際測試和應用的一些情況。對於未來,我們也希望做一個展望。00後、10後將來都得要考慮,當父輩們都種不了,那這個地怎麼種。

我們總結下來,其實很簡單。以前農業機械化,《人民日報》當年發表了「我們第一台拖拉機出來了,代表著‘耕地不用牛’的時代到來了。」

▲ 農業智能化:「農場不見人」▲ 農業智能化:「農場不見人」

那麼,智能化時代的農場,將來應該是不見人的。誰願意麵朝黃土背朝天,就是給二代農機駕駛艙裝了空調,你也覺得不舒服,顛簸、有噪音。為我們00後設計的種地的場景,一定是不苦的。他一定是在一個指揮中心裡邊,喝著咖啡,吹著空調,指揮著農業的大生產。這將是適合00後從事農業的狀態。

我們總結了一句話,叫「凝心聚力,構建自主可控的第三代智能農機技術體系。」在核心技術攻關的基礎上,設計更多的這樣的農機從事農業生產,只有放開去想,放開去做,才能實現。我們創新的道路一定非常不平坦,但一定非常有收穫。我們現在要更多地為10後考慮未來的農業生產,把這個越做越酷。

這就是我們做農機的故事。謝謝大家!

本文來自微信公眾號:格致論道講壇,作者:張玉成