国内外植保无人机现状分析

国内外植保无人机现状分析保证粮食安全是中国的基本国策。然而，在当前中国粮食作物生产过程中，植保仍以手工、半机械化操作。农业部专家对中国航空植保技术的需求情况进行了预测。分析预测表明，中国农业航空产业是一个尚未真正启动的大产业，未来中国农业航空市场的需求将会有爆发性增长，拉动新增机型投入将达到465亿元以上。随着相关制度及配套核心技术的不断完善，中国农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展，有利于实现农业病虫害统防统治，实现精准作业，极大地提速中国现代农业的进程。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1.2m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。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(NationalAgriculturalAviationAssociation,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(CanadaAgriculturalAviationAssociation,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(BrazilianNationalAgriculturalAviationAssociation,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(JapanUnmannedAerialVehicleAssociation,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YAMAHARMAX系列为主，该机被誉为“空中机器人”，植保作业效率为7～10hm2/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，采用微小型农用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43460hm2;有人驾驶直升机20架，年植保作业面积55200hm2)，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两种作业形式。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，连续两天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31900h。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自1973年以来，中国农业航空年作业量基本上在20000～30000h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1000m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