农业机械学报杂志

农业机械学报杂志2021年第10期

• 东北黑土地玉米免少耕播种技术与机具研究进展

  王庆杰，曹鑫鹏，王超，李洪文，何进，卢彩云

  以秸秆覆盖还田和玉米免少耕播种为主要技术特征的保护性耕作技术是东北黑土地保护与利用的主要技术手段。本文综述了东北黑土区目前主要的玉米免少耕播种技术模式与配套机具，重点对比分析了秸秆覆盖还田条件下种床整备机具工作原理及其技术特点。在阐述现有玉米免少耕播种技术模式及配套装备存在主要问题的基础上，建议重点围绕种床整备、高速精量排种、智能电驱排种、播深智能控制、垄作免少耕播种、农机农艺融合等方面展开深入研究，以期为东北黑土地玉米免少耕播种技术与机具研究提供装备技术支撑。

• 秸秆条带捡拾粉碎深埋装置设计与试验

  陈桂斌，卢彩云，何进，王超，王秀红，王庆杰

  针对东北黑土区保护性耕作秸秆还田条件下，地表秸秆量大导致免耕播种过程易雍堵、播种后地温提升慢等问题，提出了一种秸秆条带捡拾粉碎深埋方式，通过捡拾粉碎机构将地表部分秸秆捡拾粉碎，由罩壳处筛孔完成土秆筛分，集秆螺旋器进行秸秆的定向集运，最后经运秸风机实现秸秆输送深埋。本文对粉碎刀结构、排列方式和转速等关键参数进行确定，对粉碎刀轴的秸秆漏捡区域面积展开分析，通过理论分析和离散元单因素仿真试验明确了集秆螺旋器转速与其所受扭矩和秸秆运动速度之间的关系，初步确定了螺旋器转速为900~1100?r/min，设计了开沟铲的结构参数，并利用离散元全因素仿真试验模拟了作业速度与开沟深度两因素间与表层土壤颗粒运动及开沟铲受力之间的关系，以作业速度、开沟深度和螺旋器转速为因素，秸秆深埋合格率为试验指标进行Box-Behnken试验。田间试验结果表明，当前进速度为3km/h、开沟深度为290mm、螺旋器转速为1000r/min时，其秸秆掩埋合格率为64.2%，其预测值约为67.4%，误差小于5%，满足设计需求。研究成果为东北黑土地保护性耕作推广提供了新的方案和技术支撑。

• 水稻秸秆激荡滑切与撕裂两级切割粉碎装置设计与试验

  王将，王晓燕，李洪文，何进，卢彩云，刘迪

  针对东北稻区秸秆还田作业中存在的粉碎效果差、秸秆腐解速率慢的问题，提出了适合该区域秸秆翻埋还田秸秆粉碎状态，为5~10cm撕裂状态。结合预达到粉碎后秸秆形态及现有机具使用情况，设计了具有激荡滑切和撕裂两个阶段并与联合收获机装配的秸秆粉碎装置，通过理论分析对粉碎过程关键参数进行了设计。单因素试验表明：秸秆含水率从69.77%减少到29.34%时，秸秆因受干物质含量和弯曲强度改变影响，秸秆粉碎长度合格率和破碎率分别下降6.44、9.55个百分点，抛撒幅宽有先增加后减少趋势；秸秆粉碎长度合格率和破碎率随收获速度增加有较大幅度降低，抛撒幅宽减少0.22m；粉碎刀轴转速从2100r/min提高至2850r/min时，秸秆粉碎长度合格率和破碎率都有显著提高，抛撒幅宽也有较大幅度增加；两级定刀直线间隔变大，秸秆粉碎长度合格率和破碎率有小幅度增加，抛撒幅宽减小0.11m。正交试验表明：秸秆粉碎长度合格率和破碎率受收获速度和粉碎刀轴转速影响规律基本一致，收获速度和粉碎刀轴转速对秸秆粉碎长度合格率和破碎率影响更显著（P<0.05）；粉碎刀轴转速和两级定刀直线间隔对抛撒幅宽影响较显著（P<0.05）。设计的装置对东北稻区秸秆还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。

• 异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置设计与试验

  刘鹏，何进，娄尚易，王英博，张振国，林涵

  针对玉米秸秆粉碎过程中秸秆力学和能耗变化规律不明确，限制秸秆粉碎还田质量提升，不利于秸秆还田技术在东北黑土区推广应用的问题，本文基于异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置和秸秆受力状态，将玉米秸秆粉碎全过程分为秸秆捡拾阶段、秸秆升举输送阶段和入侵粉碎阶段，建立秸秆各阶段受力数学模型，确定其关键影响参数及范围。以捡拾粉碎刀转速、对数螺线支撑圆盘刀滑切角和捡拾粉碎刀与对数螺线支撑圆盘刀间的传动比为试验因素，选取秸秆最大破碎力、滑切切割功耗和滑切冲量为试验指标，应用有限元分析方法研究试验因素对试验指标的影响规律。结果表明，捡拾粉碎刀转速为1950 r/min、对数螺线支撑圆盘刀滑切角为40°和捡拾粉碎刀与对数螺线支撑圆盘刀间的传动比为0.5时，秸秆最大破碎力、滑切切割功耗和滑切冲量分别为101.71 N、1049.42W和0.032N·s。田间验证试验结果表明，滑切切割功耗为1150.43W，与模型预测值误差为9.63%，秸秆粉碎长度合格率为93.34%，满足行业标准要求。

• 前置式大垄原茬地种床整备装置设计与试验

  陈海涛，魏志鹏，苏文海，侯守印，纪文义，史乃煜

  为解决东北寒区部分播种机在秸秆重度覆盖还田地区无法正常播种作业问题，基于2BMFJ-DL4型原茬地免耕精量播种机侧向清秸覆秸原理，结合玉米大豆1.1m大垄轮作宽窄行种植模式，设计了一种前置式原茬地种床整备装置。通过理论分析和计算机仿真，设计了装置结构和液压系统，确定了其作业关键参数范围，液压系统分析结果表明，液压悬挂系统和液压驱动系统各执行元件的同步性能、转速和扭矩均满足作业技术要求。应用Design-Expert 8.0.6软件和三因素三水平正交试验方法，以作业速度、种床整备单元组刀轴转速和种床整备刀齿入土深度为试验因素，以清秸率、覆秸均匀度和每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为评价指标，实施参数组合优化田间试验。结果表明，在参数组合为作业速度7.2km/h、种床整备单元组刀轴转速600r/min、种床整备刀齿入土深度30mm时，清秸率为91.03%，覆秸均匀度为92.61%，每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为7.96kW，性能满足生产农艺技术要求；研究结果为提高播种机利用率和原茬地免耕覆秸播种机械化技术模式在玉米秸秆全量还田地区的推广应用提供了技术支持。

• 基于气力分配的不同肥料分层深施装置设计与试验

  杨庆璐，李洪文，何进，卢彩云，王英博，王庆杰

  根据东北黑土地玉米免少耕播种与施肥需求，提出一种普通复合肥与缓释肥分层施用的方法，并设计了一种分层深施肥装置，通过理论分析与参数计算确定了分层深施肥装置关键部件的结构和基本工作参数。分析确定了影响分层深施肥装置施肥作业效果的主要因素，选取翼铲向后和向下倾斜角、作业速度为试验因素，以各层施肥量偏差稳定性系数为试验指标，利用计算流体动力学与离散元耦合仿真的方法，进行二次正交旋转组合仿真试验，建立了试验指标与影响因素的回归模型。通过对试验结果的拟合和优化分析，得到了翼铲向后和向下倾斜角分别为58.11°和52.84°、作业速度为3.38km/h时，上、中、下3层施肥量偏差稳定性系数分别为8.50%、6.54%和9.10%，以优化得到的参数进行了装置加工和田间试验，试验结果与仿真试验优化结果相吻合，满足设计要求。

• 基于EDEM的带状深松全层施肥铲作业参数优化与试验

  刘立晶，马超，刘忠军

  为了实现一次施肥满足作物不同生育期的养分需求并提高肥料利用率，设计了一种适用于带状免耕播种机的深松全层施肥铲，并对深松铲、施肥管和施肥板的夹角进行理论分析与设计，得到关键参数的理论值。采用二次回归通用旋转组合设计试验，以肥量均匀变异系数为响应指标，以工作速度和作业深度为影响因子，利用EDEM建立深松全层施肥铲的离散元仿真模型，模拟深松全层施肥铲的工作过程，通过仿真分析得出试验数据；运用Design?Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析，得到最优工作参数组合为：工作速度3.81m/s，作业深度25.22cm。取工作速度4m/s、作业深度25cm进行田间试验，结果表明，本文设计的施肥铲在最优工作参数下，0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm土层的肥量均匀性变异系数分别为41.05%、24.11%、20.31%、14.63%，试验值与理论优化值相对误差为10.89%、4.06%、2.37%、3.10%。

• 秸秆覆盖还田及腐解率对土壤温湿度与玉米产量的影响

  马永财，滕达，衣淑娟，刘少东，王汉羊

  为探究东北黑土区秸秆覆盖还田及其腐解率对土壤温湿度和玉米产量的影响，2019年和2020年在大庆市肇州县进行了秸秆覆盖全量还田（试验组）和留茬10cm左右还田处理（对照组）对比试验。结果表明：试验组秸秆腐解率4月仅为4.3%和4.5%，5月为17.8%和16.8%，6月为22.3%和27.8%，秸秆腐解主要集中在7、8月。土壤温湿度受地表残余秸秆影响较为明显，5月试验组土壤含水率比对照组分别低1.2、1.1个百分点，但随着秸秆腐解率增大，试验组土壤含水率在6—9月平均高出对照组约3个百分点。试验组0cm处土壤温度在5—8月日间大气升温阶段受到抑制，相同时段温度与对照组最大差值为4.8、3.8℃，10、20cm处土壤温度在5、6月受地表秸秆覆盖影响较为明显，7—9月影响不显著，30cm处土壤温度除6月影响明显外，其他月份相比对照组变化较小。在每天大气降温时段，试验组不同深度处的土壤温度降温较对照组平缓，保温保墒作用较明显。地表秸秆覆盖影响作物出苗，试验组比对照组出苗分别晚4、3d，在拔节期对照组比试验组的作物株高分别高7.3、7.4cm，茎粗大0.2、0.1cm，但在抽穗期和灌浆期试验组的株高和茎粗均大于对照组；2019年试验组的玉米产量为10716.0kg/hm2，比对照组增产193.5kg/hm2。综合分析，秸秆覆盖还田对土壤温湿度具有双向阻碍作用，秸秆腐解程度对双向阻碍作用有一定影响，秸秆覆盖全量还田的保温保墒作用促进了玉米的生长和产量提升。

• 黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

  田辛亮，丛旭，齐江涛，郭慧，李茂，范旭辉

  由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数，在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象，构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型，采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法，选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先，采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角，利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能；进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围，根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值，建立堆积角与显著参数的二次回归模型；以实际堆积角为目标，利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证，仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠，可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。

• 基于多传感器人工嗅觉系统的土壤有机质含量检测方法

  李名伟，朱庆辉，夏晓蒙，刘鹤，黄东岩

  为了实现对土壤有机质含量的快速、方便、准确测量，本文提出了一种基于多传感器人工嗅觉系统的土壤有机质含量检测方法。选取10个不同型号的氧化物半导体式气体传感器组成传感器阵列，并采用不同浓度的硫化氢、氨气和甲烷等标准气体对传感器阵列进行了响应测试，从响应曲线可以看出，传感器阵列对不同浓度、种类的标准气体皆有响应且响应结果不同，随着标准气体浓度的增大传感器阵列的响应曲线也随之上升，表明传感器阵列具有较高的特异性和一定的交叉敏感性。提取每个传感器土壤气体响应曲线上的响应面积、最大值、平均微分系数、方差、平均值和最大梯度6个特征构建人工嗅觉特征空间。采用偏最小二乘法回归（PLSR）、支持向量机回归（SVR）和BP神经网络（BPNN）算法建立人工嗅觉特征空间与土壤有机质含量关系的预测模型，使用决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和绝对平均误差（MAE）评估预测模型的性能。试验结果表明，PLSR、BPNN、SVR测试集的R2分别为0.80878、0.87179和0.91957，RMSE分别为3.6784、3.1614、2.4254g/kg，MAE分别为3.1079、2.4154、2.1389g/kg。SVR算法建立的模型R2最高，RMSE、MAE最小，比PLSR、BPNN具有更好的预测性能，可用于土壤有机质含量的测量。

• 欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验

  魏博，何金银，石阳，蒋光利，张宪宇，马莹

  为实现柑橘采摘的机械化、智能化，设计了一款欠驱动式柑橘采摘末端执行器。该执行器通过三指充分抓握与偏转的融合控制，实现对不同大小及椭圆度的柑橘的稳定采摘。针对不同尺寸柑橘采摘需求，设计了双连杆并联式手指，在抓握直径差异较大的柑橘时，手指能够自动进行抓取或捏取动作，并实现被动柔顺。通过静力学分析，得到抓取力与电机输出力矩间的关系。针对不同椭圆度柑橘采摘需求，为手指根部添加旋转关节。在建立电机驱动控制系统模型的基础上，提出基于电流反馈的主动柔顺控制策略，指根能够旋转合适的角度使指面与柑橘表面紧密贴合，在防止手指棱边刮伤柑橘表皮的同时，增大接触面积、提高摩擦力。仿真结果表明，该末端执行器结构在运动学方面满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了柑橘抓取试验，试验结果表明采摘执行器针对直径30~100?mm的柑橘抓取成功率为98.3%，平均耗时5.3s。该末端执行器能够针对不同尺寸、不同形状的柑橘实现采摘功能，具有适应性强、抓取稳定、不损伤果实等优点。

• 基于CTB-RRT*的果蔬采摘机械臂运动路径规划

  张勤，乐晓亮，李彬，蒋先平，熊征，徐灿

  针对多自由度果蔬采摘机械臂运动路径规划速度慢、效率低、路径成本高的问题，提出了柯西目标引力双向RRT*（Cauchy target gravitational bidirectional RRT*,CTB-RRT*）算法，通过柯西分布的方法进行启发式采样，降低采样的盲目性；引入目标引力，并动态调节随机生长方向和目标方向的步长，提高局部搜索速度；引入节点拒绝策略，剔除不必要的采样节点，提高计算效率。通过二维和三维算法模拟实验，6自由度机械臂的避障采摘模拟实验验证了提出算法的有效性。仿真实验结果表明：相比于RRT*-connect算法，改进算法的路径成本缩短了5.5%，运行时间降低了71.8%，采样节点数下降了64.2%。在机器人操作系统（Robot operating system, ROS）中控制6自由度机械臂执行避障采摘运动，运动成功率达到99%，运行时间为0.33s，相比于RRT*-connect算法，路径成本降低了12.6%，运行时间减少了69.2%，扩展节点数减少了76.3%。

• 大型平移式喷灌机分布式级联协同导航控制方法

  孟令刚，范松涛，周燕

  针对大型平移式喷灌机协同导航控制系统中存在的易偏离导航路径、跨间行走协同性差、喷灌均匀性不高等问题，提出了一种分布式级联协同导航控制方法。该方法在建立大型喷灌机多塔车运动学模型的基础上，结合状态反馈和PID控制，设计了主塔车为主机的路径导航控制算法以及子塔车为从机的级联同步跟随控制算法。并设计了基于该方法的协同导航控制系统，通过双天线RTK定位模块获得各塔车的实时姿态，通过变频调速技术实现各塔车运动姿态的控制。完成了变频控制的大型喷灌机设计，在河南省许昌市试验基地进行了协同导航试验。试验结果表明，喷灌机以不同速度协同导航行走时，主塔车最大横向偏差不大于3.26cm，最大航向偏差不大于1.65°；子塔车最大同步偏差不大于13.07cm，满足田间自主作业要求。

• 基于动态称量原理的泛函式播种施肥量检测方法

  丁永前，刘卓，陈冲，刘海龙，罗俊，余洪锋

  针对动态检测播种施肥量的测量系统易受振动干扰影响且难消除的问题，本文采用高压氮气弹簧的支撑力和S型传感器的拉力组合成称量式播量检测装置，利用压力和拉力之间存在力向相反、幅值呈比例的互补特性，提出了一种泛函式播量检测方法，该方法构建了以目标播量函数为变量的泛函，通过求取泛函极值确定目标播量函数。利用外槽轮式小麦播种施肥机平台，在不同目标播量（225、300、375kg/hm2）和不同车速（3、5km/h，3~7km/h变速）下开展了18组室外车载式小麦播种交叉试验，并应用泛函式播量检测方法获取累积播量和动态播量信息。累积播量的绝对相对偏差的最大值、平均值和标准差分别为5.61%、2.26%和1.58%；动态播量的检测数据在作业面积较小时（少于0.020hm2时）存在较大波动，随着作业面积的增加呈明显收敛趋势，动态播量稳定阶段（作业面积大于0.033hm2），所有测试最大绝相对偏差为9.61%，单次测试中，最大平均值为4.73%，最大标准差为1.97%。试验结果表明，泛函式播量检测方法能有效获取动态播量和累积播量信息，为播种施肥机的播量检测提供了一种测量方法。

• 纤维基地膜侧开式滑切破膜播种单体设计与试验

  侯守印，王升哲，竹筱歆，张继成，纪文义，陈海涛

  针对秸秆纤维基地膜覆膜播种时膜孔尺寸大、形状不规则、播种质量差等问题，设计了一种侧开式滑切破膜精量播种单体，通过对其作业过程的理论分析确定了破膜成穴器、强开凸轮和播种单体的结构和作业参数，建立了膜孔长度数学模型，明晰了相关因素与膜孔尺寸互作规律，确定了影响装置工作性能的主要参数及其取值范围。采用四因素五水平二次回归正交旋转中心组合试验方法，以作业速度、压膜弹簧刚度、破膜刀楔角、破膜刀开启相位角为试验因素，膜孔长度合格率、粒距合格指数、播种深度合格率为评价指标实施田间试验，应用Design-Expert 8.0.6.1软件进行试验数据处理，结果表明：各因素对膜孔长度合格率影响由大到小依次为破膜刀楔角、作业速度、破膜刀开启相位角、压膜弹簧刚度；各因素对粒距合格指数影响由大到小依次为作业速度、破膜刀开启相位角、破膜刀楔角、压膜弹簧刚度；各因素对播种深度合格率影响由大到小依次为作业速度、破膜刀开启相位角、破膜刀楔角、压膜弹簧刚度。当作业速度为1.6～3.4km/h，压膜弹簧刚度为2N/mm，破膜刀楔角为30°，破膜刀开启相位角为-2.4°～1.8°时，膜孔长度合格率大于90%，粒距合格指数大于90%，播种深度合格率大于85%。

• 电液混合调控式大蒜播种机设计与试验

  张春岭，吴晓庆，谢东波，王晴晴，张杰，陈黎卿

  针对传统大蒜播种装备自动化程度低而导致的播种合格率和作业效率低等问题，设计了一种电液混合调控式大蒜播种机。该机主要由电控播种装置、播深调节装置、参数检测装置和人机交互界面等组成。以单片机为核心控制器，利用速度传感器和旋转编码器，实现了株距与作业速度的匹配；分析开沟入土阻力与入土深度关系，确定了播深调节液压装置关键部件；结合光电传感器和显示屏，完成了作业参数实时显示与播种异常报警功能。以杂交蒜为试验对象，分别进行了播深一致性试验、播量检测试验和播种质量试验，结果显示，播深调节平均误差为4.7%，播深变异系数平均值为5.3%；播量检测平均误差为4.0%；播种合格率为83.7%，漏播率为6.2%，满足大蒜播种农艺要求，且较同种条件下以汽油机为动力源的大蒜播种机漏播率降低3.1个百分点。

• 油菜联合收获后含杂油菜籽复清机设计与试验

  廖庆喜，王昌，何坤，袁佳诚，万星宇

  针对现有油菜联合收获机收获作业时油菜籽粒细小不易分离导致收获后籽粒含杂率高、人工复清劳动强度大、缺乏晾晒前机械化复清装备的生产实际问题，设计了一种适于油菜联合收获机作业后含杂油菜籽的复清机。通过运动学和动力学分析确定了螺旋输送装置、离心振动式筛分装置和侧向风选装置的结构及其运行参数，解析了离心振动式筛分装置离心过程和振动过程，基于CFD分析了清选罩壳内部气流场状态。以振动频率、垂直振幅和离心风机出风口风速为影响因素，以油菜联合收获后含杂油菜籽复清机籽粒含杂率和筛分效率为评价指标，开展了单因素试验与正交试验，确定了较优运行参数组合。单因素试验结果表明：振动频率在12.08~14.61Hz，垂直振幅在3.59~3.64mm，离心风机出风口风速在5~7m/s范围内时，清选性能较优；正交试验结果表明：影响含杂率因素主次为离心风机出风口风速、振动频率、垂直振幅，影响筛分效率因素主次为振动频率、垂直振幅、离心风机出风口风速，确定较优参数组合：振动频率为14.61Hz、垂直振幅为3.61mm、离心风机出风口风速为7m/s，在此参数组合下，油菜联合收获后含杂油菜籽复清机的籽粒含杂率平均值为0.53%，筛分效率平均值为98.39%，符合油菜籽粒后续存储标准（含杂率小于3%）。

• 移动式秸秆制粒机作业速度调控系统研究

  王伟，宫元娟，白雪卫，谭睿，黄婉媛

  为了提高移动式秸秆制粒机工作效率，解决玉米秸秆收获过程中作业速度与喂入量不匹配的问题，设计了一种移动式秸秆制粒机作业速度自动调控系统，以实现对秸秆制粒机作业速度的自动调控。该系统由喂入量-期望作业速度自适应变论域模糊控制器与液压马达转速调控系统构成，采用液压系统控制秸秆制粒机作业速度的方式进行调控。通过螺旋输送器功率得到实际喂入量，并根据灰色理论建立喂入量预测模型，以预测值作为变论域模糊控制器的输入；变论域控制器的输出作为液压马达转速调控系统的输入，作业速度PID控制器驱使液压控制系统调节制粒机行走机构改变作业速度，从而使作业速度和喂入量匹配，达到最佳喂入量，起到超前调节的目的。设计了3次试验，分别为模型参数的获取试验、均匀秸秆条件下的稳定性试验、非均匀秸秆条件下跟踪性能试验。试验结果表明，在均匀秸秆条件下，作业速度能够在3m内达到最佳作业状态，超调量小于5%，之后能够保持良好的平稳运行状态，使制粒机以最佳喂入量工作；同样，在非均匀秸秆条件下，作业速度能够以不大于5%的超调量跟踪喂入量的变化。试验证明，本系统能够实时检测作业速度和喂入量，达到作业速度和喂入量相匹配的目的，有效提高了移动式秸秆制粒机的工作效率。

• 秸秆多级连续冷辊压成型参数优化与试验

  丁宁，李海涛，闫安，刘平义，韩鲁佳，魏文军

  为得到秸秆多级辊压成型机压缩较低含水率玉米秸秆时的最优成型参数，探索成型参数对成型结果的影响规律，基于Design-Expert BBD（Box-Behnken Design）试验设计方法及原理，以玉米秸秆含水率、玉米秸秆破碎长度和成型机末级辊转速为试验因素，以成型块回弹率、密度和成型能耗为试验指标，采用三因素三水平响应面分析方法，分别建立了各因素与成型块回弹率、密度、成型能耗之间的数学模型，并分析了各因素显著交互作用对试验指标的影响规律。结果表明：成型机在压缩玉米秸秆时，各试验因素对成型块回弹率的贡献率从大到小依次为：末级辊转速、破碎长度、含水率；各试验因素对成型块密度的贡献率从大到小依次为：破碎长度、末级辊转速、含水率；各试验因素对成型能耗的贡献率从大到小依次为：末级辊转速、破碎长度、含水率。在末级辊转速为1.07r/min，含水率为21.5%~25.0%，破碎长度为64~108mm时，可获得成型块回弹率小于7.0%，成型块密度大于350kg/m3，成型能耗小于16.0kW·h/t；参数优化得到最优成型参数为：含水率24.26%、破碎长度73.25mm、末级辊转速1.07r/min，此时成型块回弹率为6.32%，成型块密度为375.6kg/m3，成型能耗?为15.89kW·h/t。 研究结果可为秸秆多级连续冷辊压成型提供理论依据和技术支撑。

• 油茶果分层采收装置设计与试验

  饶洪辉，王玉龙，李庆松，王保阳，杨家林，刘木华

  降低花苞损伤是油茶果机械采摘中的难点，为此，设计了一种油茶果分层采收装置。分析了分层采摘装置和果枝的相互作用原理，并运用ANSYS Workbench对分层机构与果枝作用模型、分层采摘机构与果枝作用模型进行应力仿真，随着分层胶辊距离增大，果枝弯曲程度越大，果枝横截面上的正应力和切应力增加；随着采摘胶辊间隙减小，果枝横截面所受的正应力和切应力增加，通过试验验证了分层采摘的可行性。以分层厚度、分层深度、胶辊间隙和胶辊转速为影响因素，以油茶果漏采率和花苞损伤率为评价指标，对赣无1油茶果进行了采摘试验。结果表明，影响油茶果漏采率的因素依次为胶辊间隙、分层深度、分层厚度、胶辊转速；影响花苞损伤率的因素依次为分层厚度、分层深度、胶辊转速、胶辊间隙；运用综合评分法，得到采摘赣无1油茶品种的最佳参数组合为：分层厚度360mm、分层深度290mm、胶辊间隙18mm、胶辊转速65r/min。在此工况下，油茶果漏采率为13.33%，花苞损伤率为6.33%。与未加分层机构的采摘装置相比，分层采摘装置的花苞损伤率降低了6.22个百分点。

• 甘薯秧回收机抛送装置气固耦合模拟与试验优化

  穆桂脂，吕皓玉，张婷婷，郑文秀，张万枝，吕钊钦

  为解决甘薯秧回收机抛送功耗高的问题，同时提高抛送装置抛送性能及甘薯秧回收率，对回收机抛送装置的风机结构及工作参数进行优化设计。分析抛送装置甘薯秧动力学特性及功耗影响因素，应用CFD-DEM气固耦合法对抛送装置的输送过程进行数值模拟，揭示回收机内气流速度场分布和碎甘薯秧运动规律。以抛送装置比功耗、甘薯秧回收率、抛送速度为试验目标，风机转速、叶片数、叶片倾角为试验因素进行三因素三水平中心组合仿真优化试验并进行试验验证。优化试验结果表明：当风机转速为880r/min、叶片数为3、叶片倾角为7°时，抛送装置比功耗、甘薯秧回收率及抛送速度分别为718m2/s2、92.79%、5.96m/s。对比试验表明抛送装置优化改进后比功耗降低15.83%，甘薯秧回收率提高1.75%，抛送速度提高5.49%。

• 自解捆式果园秸秆覆盖机设计与试验

  朱新华，赵伟，伏胜康，高向瑜，魏玉强

  针对果园秸秆覆盖机不适应捆状秸秆、装载量小以及覆土装置易被碎石卡死问题，设计了一种自解捆式果园秸秆覆盖机。该机型由履带底盘、料箱、解捆铺料装置和覆土装置等组成。解捆铺料装置为齿带式结构，安装于料箱后部。为适应多种秸秆捆尺寸，提高抓料解捆能力和铺料均匀性，通过对解捆铺料过程分析确定了解捆铺料装置高度、倾角和齿带转速等关键参数范围；为了实现切绳和破捆过程滑切减阻，设计了三角形拨料刀齿，并基于刀齿对秸秆的扰动区域分析，对刀齿排布进行了设计；设计了一种双向对抛式覆土装置，同步对秸秆层进行薄土盖压。试验结果表明：覆盖机的秸秆装载量提高到原来的3.1倍；当覆盖机车速在0.8~1.4km/h，解捆铺料装置齿带转速在180~240r/min时，秸秆覆盖层厚度为5.1~18.1cm（标准差小于等于3.4cm），薄土盖压层厚度为2.3~4.0cm，无卡死现象，满足作业要求；建立的秸秆覆盖厚度模型决定系数为0.9672。该机实现了秸秆解捆、行间覆盖与薄土盖压一体化作业。

• 黄河沿岸“非粮化”耕地形态特征识别与优化调控研究

  关小克，王秀丽，赵玉领

  以黄河沿岸的河南省孟津县为例，从利用状况与坡度分布、景观格局与空间邻接、耕作距离与道路通达、经济梯度与生态安全等方面，对孟津县“非粮化”耕地的形态特征进行了系统识别。结果表明：孟津县耕地的“非粮化”空间与优质农业生产空间高度重叠，耕地的非食物化利用倾向明显，耕地向林地调整的比重过大。由于粮作耕地和非粮作耕地在劳动生产率上存在较大的差异，导致种植经济型作物的耕地规模偏小且较为分散，无法形成规模经济。交通工具缩短了农户的耕作路途时间，耕作距离对耕地“非粮化”的影响力度在下降，交通干线附近分布数量较多的即可恢复地类，与近几年的“廊道景观工程”建设密切相关。高经济梯度区的经济型撂荒占比较大，偏远地区农户对耕地的依赖程度相对较高。生态红线是维护区域生态安全的刚性底线，在生态红线之内，应积极实施“再野化”工程。结合新时期国家黄河生态战略，以建设复合型黄河生态廊道为目标，提出了不同区位、不同类型“非粮化”耕地的恢复调整方案。

• 基于双参数和Morlet多时间尺度特性的冬小麦单产估测

  张悦，王鹏新，张树誉，梅树立，李红梅，陈弛

  为进一步研究冬小麦在不同时间尺度下长势及产量变化情况，以陕西省关中平原为研究区域，选择与作物长势密切相关的条件植被温度指数（VTCI）和叶面积指数（LAI）作为研究指数，Morlet小波作为函数，利用小波变换和交叉小波变换分别分析不同时间尺度下冬小麦各生育时期VTCI和LAI与单产时间序列间的主振荡周期和共振周期。通过计算小波互相关度，确定各生育时期VTCI和LAI的权重，从而分别构建基于加权VTCI、加权LAI的单参数和双参数估产模型。结果表明，不同生育时期VTCI和LAI与单产间存在不同的主振荡周期和共振周期；通过小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的归一化均方根误差（NRMSE）分别为16.88%、13.58%，决定系数（R2）分别为0.259、0.520，基于双参数的估产模型NRMSE为13.52%， R2为0.531，表明基于双参数估产模型精度更高。通过交叉小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的NRMSE分别为16.83%、13.56%，R2分别为0.263、0.522，基于双参数的估产模型NRMSE为13.40%，R2为0.533，表明基于交叉小波构建的估产模型比基于小波变换的估产模型精度均有所提高。利用共振周期构建的双参数估产模型对关中平原2011—2018年冬小麦的单产进行估测，结果显示，产量分布呈现西部高东部低的空间分布特征。

• 基于LAI和VTCI及Copula函数的冬小麦单产估测

  王鹏新，陈弛，张树誉，张悦，李红梅

  受全球变暖影响，近年来干旱事件发生的频率和强度均呈显著增加的趋势，严重影响了农作物的产量。因此，选择合适的监测指标、构建准确的产量估测模型，对保障国家粮食安全具有十分重要的意义。以关中平原为研究区域，基于与作物长势密切相关的条件植被温度指数（VTCI）和叶面积指数（LAI），采用主成分分析法（PCA）结合Copula函数分别构建县域尺度单变量（VTCI或LAI）、双变量（VTCI和LAI）的冬小麦单产估测模型。结果表明，基于PCA-Copula构建的综合LAI与冬小麦的单产模型精度最高（R2?=0.567，P<0.001），但综合VTCI和LAI与冬小麦间的单产模型（R2=0.524，P<0.001）用于研究区域2012—2017年各县（区）的冬小麦单产估测时误差分布更为集中、最大误差更小，比基于综合VTCI、综合LAI建立的估产模型的估测结果更可靠，表明应用PCA-Copula构建的双变量估产模型更适合大范围的冬小麦单产估测。

• 基于注意力机制和多尺度残差网络的农作物病害识别

  黄林生，罗耀武，杨小冬，杨贵军，王道勇

  针对传统农作物病害识别方法依靠人工提取特征，步骤复杂且低效，难以实现在田间环境下识别的问题，提出一种多尺度卷积结构与注意力机制结合的农作物病害识别模型。该研究在残差网络（ResNet18）的基础上进行改进，引入Inception模块，利用其多尺度卷积核结构对不同尺度的病害特征进行提取，提高了特征的丰富度。在残差结构的基础上加入注意力机制SE-Net（Squeeze-and-excitation networks），增强了有用特征的权重，减弱了噪声等无用特征的影响，进一步提高特征提取能力并且增强了模型的鲁棒性。实验结果表明，改进后的多尺度注意力残差网络模型(Multi-Scale-SE-ResNet18)在复杂田间环境收集的8种农作物病害数据集上的平均识别准确率达到95.62%，相较于原ResNet18模型准确率提高10.92个百分点，模型占用内存容量仅为44.2MB。改进后的Multi-Scale-SE-ResNet18具有更好的特征提取能力，可以提取到更多的病害特征信息，并且较好地平衡了模型的识别精度与模型复杂度，可为田间环境下农作物病害识别提供参考。

• 基于组合色彩特征的苹果树叶片各生长期氮含量预测

  王金星，刘雪梅，刘双喜，权泽堃，徐春保，江浩

  为精准预测开花期、幼果期和果实膨大期苹果树叶片的氮含量，提出一种基于组合色彩特征的苹果树叶片氮含量预测模型。首先，获取苹果树叶片图像并提取R、G、B单色分量及14种色彩组合参数共计17种色彩特征，通过主成分分析提取不同时期苹果树叶片氮含量关键影响因子，消除原始变量之间的相关性，降低模型输入向量维度；其次，对建立的PCA-SVM、PCA-BP、PCA-ELM预测模型在不同时期对苹果树叶片氮含量预测效果与精度进行对比，得到不同时期最佳的预测模型；最后，利用最佳预测模型对不同时期苹果树叶片氮含量进行预测，并通过自适应遗传算法对最佳预测模型参数进行优化。试验结果表明：在不同生长时期，PCA-SVM模型的预测精度均高于PCA-BP、PCA-ELM模型；优化后PCA-SVM预测模型在开花期、幼果期和果实膨大期的平均绝对误差分别为0.640、0.558、0.544g/kg，平均绝对百分误差分别为0.057、0.050、0.064g/kg，均方根误差分别为0.800、0.747、0.737g/kg，优于优化前预测模型。该模型具有良好的预测性能和泛化能力，可以为果园精准施肥管理、提升果品品质、避免资源浪费和环境污染提供理论依据。

• 基于轻量二阶段检测模型的自然环境多类蔬菜幼苗识别

  孟庆宽，张漫，叶剑华，都泽鑫，宋名果，张志鹏

  为实现自然环境下蔬菜幼苗精准快速识别，本文以豆角、花菜、白菜、茄子、辣椒、黄瓜等形态差异大、具有代表性的蔬菜幼苗为研究对象，提出一种基于轻量化二阶段检测模型的多类蔬菜幼苗检测方法。模型采用混合深度分离卷积作为前置基础网络对输入图像进行运算，以提高图像特征提取速度与效率；在此基础上，引入特征金字塔网络(Feature pyramid networks, FPN)单元融合特征提取网络不同层级特征信息，用于增强深度学习检测模型对多尺度目标的检测精度；然后，通过压缩检测头网络通道维数和全连接层数量，降低模型参数规模与计算复杂度；最后，将距离交并比（Distance-IoU, DIoU）损失作为目标边框回归损失函数，使预测框位置回归更加准确。试验结果表明，本文提出的深度学习推理模型对多类蔬菜幼苗的平均精度均值为97.47%，识别速度为19.07 f/s，模型占用存储空间为60 MB，对小目标作物以及叶片遮挡作物的平均精度均值达到88.55%，相比于Faster R-CNN、R-FCN模型具有良好的泛化性能和鲁棒性，可以为蔬菜田间农业智能装备精准作业所涉及的蔬菜幼苗检测识别问题提供新方案。

• 可穿戴生物感知的肉羊运输应激特征参数提取与建模

  马瑞芹，张梦杰，于瑞航，崔衍，王想

  传统的肉羊应激反应检测方法多采用静态采血化验法，在动物养殖运输过程中无法做到实时且连续地检测，为此设计了适用于肉羊运输过程中的可穿戴生物与环境信号的动态检测装置，利用脉搏波传感器和红外温度传感器获取肉羊运输过程中的心率和体温，采用时域分析方法提取肉羊运输应激特征参数中5个典型特征参数，并对其进行特征分析。特征参数MR、SDNN、RMSSD、pNN50、CV随运输时间的延长呈增加趋势，并且由于道路的变化而具有随机性，证明了运输应激的变化；基于专家经验与有监督的机器学习方法构建肉羊运输过程应激状态预测模型，模型的平均预测准确率在89.81%以上。结果表明，本文设计的可穿戴生物感知装置，能够有效地识别出运输应激状态，实现肉羊运输应激分级预测管理机制，解决了肉羊运输监管与品控等问题。

• 基于知识蒸馏的叠层笼养蛋鸡行为识别模型研究

  方鹏，郝宏运，王红英

  为了实现叠层笼养环境下蛋鸡行为的识别检测，构建了一种基于多教师模型融合的知识蒸馏蛋鸡行为识别模型，用多个教师模型融合指导学生网络训练。对基于Faster R-CNN框架的蛋鸡行为识别模型的特征提取网络进行知识蒸馏，以结构较复杂的ResNeXt、Res2Net和HRNet网络为教师网络，以结构较简单的ResNet 34网络为学生网络，通过知识蒸馏训练蛋鸡行为识别模型。试验结果表明，特征提取网络经过知识蒸馏后，蛋鸡行为识别模型性能得到显著提升，与特征提取网络未经过知识蒸馏的识别模型相比，模型准确率、平均精确度、召回率分别从93.6%、78.7%、86.2%提升至96.6%、89.9%、94.6%；学生模型经过知识蒸馏后基本达到了教师模型的性能水平，而模型参数量和模型计算量比教师模型降低了32%和33%，模型推理时间降低了66%。本研究提出的知识蒸馏模型通过较简单的网络结构获得了高精度的识别模型，为蛋鸡行为识别模型在小型嵌入式设备的部署提供了可能。

• 基于三轴加速度传感器的放牧羊只牧食行为研究

  张春慧，宣传忠，于文波，郝敏，刘飞龙

  内蒙古自治区草地资源丰富，养羊业为自治区的主要畜牧业，通过对放牧羊只牧食行为的识别并结合GPS监测其牧食路径，可为估测放牧区域采食量分布、放牧规划和草畜平衡的研究提供理论依据。本文采用三轴加速度传感器，设计了放牧羊只牧食行为数据无线采集系统，自动采集羊只牧食的三轴加速度数据，并建立羊只牧食行为识别的BP神经网络模型、全连接深度神经网络模型和卷积神经网络模型，实现对羊只采食、咀嚼、反刍3种牧食行为的分类识别。在内蒙古自治区四子王旗白音朝克图镇半荒漠化草场的试验结果表明，BP神经网络模型、全连接深度神经网络模型和卷积神经网络模型对羊只牧食行为的平均识别率分别为83.1%、89.4%和93.8%，其中卷积神经网络模型的识别精度最高，能够满足羊只牧食行为分类识别的要求。

• 基于水量平衡原理的裂隙优先流双域渗透模型及其应用

  王策，张展羽，陈晓安，陈于，朱成立，翟亚明

  针对农田裂隙在灌溉过程中造成灌水效率降低和养分淋失等现象，基于表层入渗、裂隙边壁层流通量、裂隙边壁水平吸渗三者与灌水强度平衡原理，构建了基于水量平衡的优先流双域渗透模型，采用染色示踪试验进行了验证，并基于该模型进行了初始/边界条件旋转设计模拟应用。结果表明，试验优先流模式可显著区分为基质流态（土层深度0~10cm）和优先流态（土层深度大于10cm），染色覆盖率在土层深度大于10cm的区域内呈线性骤降趋势；对比分析实测和模拟流态可知，本文提出的裂隙流双域渗透模型可有效预测土壤上边界入渗特征、基质流入渗深度和染色覆盖率随深度的变化，实测和模拟染色覆盖率极显著相关（P<0.01，R2为0.981），裂隙流发育可分为供水强度控制、表层入渗能力/裂隙边壁层流控制、表层/裂隙边壁入渗能力控制3个阶段。基于该模型采用初始体积含水率（θi为0.20、0.25、0.30、0.35cm3/cm3）和灌水强度（R0为0.10、0.08、0.06、0.04、0.03、0.02cm/min）旋转设计，分析了初始及边界条件下优先流特征，模拟结果表明，增大灌水强度可使优先流指数增加而降低灌水均匀度，而当初始含水率升高时，优先流强度减弱且基质流深度增加。本文基于水量平衡原理模拟了裂隙流湿润锋推移过程，消除了传统双域渗透模型难以量化裂隙边壁糙率和层流厚度的缺点，丰富了膨缩性土壤裂隙优先流预测理论，可为农田水分管理和水肥渗漏淋失抑制提供依据。

• 基于不同底墒的最优水肥调控方案研究

  许卫娜，杨宝平，丁瑞霞?，聂俊峰，韩清芳，贾志宽

  为了探讨不同底墒条件下的水肥运筹，在大型半自动控制防雨池栽条件下，通过设置不同底墒、生育期补水量及施氮量，研究了各试验因子主效应及互作效应。结果表明，各试验因子对冬小麦产量的影响顺序由大到小依次为底墒、施氮量、补水量，对水分利用效率的影响顺序由大到小依次为底墒、补水量、施氮量；底墒、施氮量、补水量与冬小麦产量、水分利用效率的耦合分别存在显著的负效应和正效应；在底墒充足条件下，施氮量能充分发挥底墒的增产作用，提高水分利用效率。通过优化分析，得出各指标可接受区域（大于等于0.95最大值）的重叠区域所对应的水氮范围分别为：90~100mm和104.5~224.5kg/hm2（底墒450mm），94.3~100mm和105.8~186.4kg/hm2（底墒350mm）。底墒为650mm时，冬小麦产量最大，水分利用效率较高，所对应的水氮范围分别为71~100mm和141.2~264.8kg/hm2。

• 滴灌条件下水肥耦合对苹果幼树生长与生理特性的影响

  周罕觅，张硕，杜新武，牛晓丽，王升升，解晓琳

  为探明半干旱区苹果树科学合理的灌溉和施肥制度，进行了滴灌条件下北方半干旱地区水肥耦合效应对苹果幼树生长与生理特性影响的试验，灌水设4个水平，施肥设3个水平，其中灌水处理为田间持水率的75%~90%（W1）、65%~80%（W2）、55%~70%（W3）和45%~60%（W4），施肥处理为N、P2O5、K2O与风干土质量比分别为0.9、0.3、0.3g/kg（F1），0.6、0.3、0.3g/kg（F2），0.3、0.3、0.3g/kg（F3）。结果表明：不同水肥耦合处理下苹果幼树各生育期植株生长量、叶面积和干物质量最大值均出现在F1W2处理，最小值均出现在F3W4处理，植株生长量和叶面积在萌芽开花期、新梢生长期、坐果膨大期和成熟期较F1W1处理分别增加了6.9%、6.2%、11.0%、2.7%和9.3%、5.8%、5.0%、3.3%，生长指标一定程度上可以反映作物的生理特性。随着苹果幼树的生长，不同水肥耦合处理对苹果幼树叶片SPAD的影响越来越大，苹果幼树全生育期耗水量随灌水量和施肥量的增加呈递增的趋势，在F1W2处理下水分生产率均达到最大值（2.43kg/m3），且与F1W1处理相比增加了14.6%，耗水量却减少了12.2%。苹果幼树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的最大值均出现在F1W1处理，F1W2处理与其相比分别降低了4.2%、9.7%和4.2%，但水分利用效率提高了5.9%，最大值也出现在F1W2处理。综上，F1W2水肥处理为最佳的水肥耦合模式，是最佳的灌溉和施肥制度。

• 不同播期和灌水条件下冬小麦生物量变化与产量模拟

  陈先冠，冯利平，马雪晴，程陈，潘学标，王靖

  为了阐明播期和灌水对冬小麦生物量积累动态特征的影响并实现不同播期与灌水条件下的产量模拟，在吴桥实验站2年（2017—2019年）播期水分大田试验基础上，结合2011—2017年播期水分文献资料，采用“小麦钟”模型发育指数来定量模拟冬小麦的发育期，以Logistic模型定量模拟不同播期和水分处理对地上部生物量积累动态的影响，并建立冬小麦生物量模型，进而构建冬小麦产量模型。结果表明，播期通过影响冬小麦生长旺盛期来影响生物量积累；播期推迟，冬小麦生长旺盛期缩短而使生物量减小。不同水分处理造成的地上部最大生物量的差异主要由生物量的最大积累速率决定，生物量最大积累速率随灌水量的增大呈先增加后下降趋势。基于冬前积温和生长季供水量建立冬小麦生物量与产量模型，冬小麦地上部生物量实测值和模拟值的均方根误差（RMSE）和归一化均方根误差（NRMSE）分别为1980.2kg/hm2和15.7%，产量实测值和模拟值的RMSE和NRMSE分别为839.7kg/hm2和10.6%。基于发育指数的Logistic模型能较好地模拟冬小麦的生物量积累，对不同播期与灌水条件下的产量具有较好的预测效果。足墒播种条件下，冬小麦适宜冬前积温为200~600℃·d，生长季适宜供水量为200~450mm。该研究为华北地区合理调控播期灌水措施提供了科学依据，为不同播期与灌水条件下冬小麦产量预测提供了思路。

• 不同灌溉方式下旱直播水稻光合特性与干物质积累动态

  魏永霞，曹晓强，冀俊超，张学文，刘慧，吴昱

  为探究东北黑土区不同灌溉方式对旱直播水稻生长生理特征的影响，按照不同的灌溉方式设置了滴灌旱直播(DH)、漫灌旱直播(MH)和淹灌旱直播(HS)3个试验处理，以当地常规的插秧淹灌（CK）为对照。通过拟合曲线定量分析了不同处理的干物质积累过程动态变化特征以及水稻各生育阶段光合特性指标的变化。结果表明，不同处理水稻干物质积累量均随着生育时间推进呈现慢-快-慢的“S”形曲线变化规律，但干物质积累量、快速增长起止时间、生长速率以及生长周期则表现出随灌溉方式的不同而不同，干物质积累量由大到小依次为HS、MH、DH、CK，其中CK处理干物质理论最大积累量为3190.65g/m2，而DH、MH和HS处理干物质理论最大积累量较CK增加17.74%~52.57%，为3756.81~4867.88g/m2；CK处理水稻快速积累期开始于分蘖中期，其他处理水稻快速积累期开始于分蘖中期向分蘖末期过渡阶段，不同处理的水稻干物质快速积累期均结束于乳熟期。不同灌溉方式的光合特性指标也有所不同，抽穗开花期后，旱直播处理叶绿素SPAD较CK处理下降快；除分蘖末期外，旱直播处理净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均低于CK处理，气孔限制值(Ls)均高于CK处理。相关分析表明，旱直播水稻干物质积累量与叶绿素SPAD、Pn、Tr、Gs呈极显著正相关（P<0.01）。通过对光合特性参数和干物质积累量分析表明，旱直播DH、MH和HS处理光合特性劣于CK处理，而干物质积累量优于CK处理；HS处理光合特性及干物质积累量优于DH与MH处理。研究结果可为东北黑土区水稻种植模式选取提供理论依据。

• 基于LSTM的温室番茄蒸腾量预测模型研究

  李莉，李文军，马德新，杨成飞，孟繁佳

  作物蒸腾量是指导作物灌溉关键参数之一，实时获取作物蒸腾量，实现按需灌溉是节约用水的有效途径。然而，温室内小气候效应显著，作物蒸腾与环境因子间关系较为复杂，且各环境因子之间相互关联并呈非线性变化。本文以番茄作为研究对象，使用称量法测量作物实时蒸腾量，通过布设传感器实时获取温室小气候数据，包括空气温度(Air temperature, AT)、相对湿度(Relative humidity, RH)、光照强度(Light intensity, LI)作为模型的小气候环境输入，冠层相对叶面积指数(Relative leaf area index，RLAI)作为模型的作物生长输入，在此基础上，提出了基于长短期记忆网络(Long short term memory, LSTM)的番茄蒸腾量预测模型。利用该模型对番茄蒸腾量进行预测，并与非线性自回归(Nonlinear autoregressive with exogeneous inputs, NARX)神经网络、Elman神经网络、循环神经网络(Recurrent neural network, RNN)模型进行了对比。试验结果表明，LSTM预测模型决定系数(Determination coefficient, R2)与平均绝对误差(Mean absolute error, MAE)分别为0.9925和4.53g，与NARX神经网络、Elman神经网络、RNN方法进行对比，其决定系数分别提高了8.97%、1.18%和0.82%，其平均绝对误差分别降低了8.16、6.23、0.52g。本研究所提的预测模型具有较高的预测精度及泛化性能，研究成果可为温室作物需水规律及需水量研究提供参考。

• 基于CT图像的苹果苦痘病与磕碰伤识别

  司永胜，曹珊珊，张晓雪，籍颖，吕继兴

  对苦痘病进行持续、准确、量化的无损检测，以及育种专家对新品种苹果的抗苦痘病表型研究，都需要苦痘病准确识别技术的支持。针对磕碰伤对苦痘病识别产生干扰，降低了识别准确率问题，基于苹果CT图像，提出了一种苹果苦痘病和磕碰伤识别方法。首先，采用最大类间方差法、区域标记、中值滤波等方法，对337帧苹果CT图像进行图像分割和伤病区域定位；其次，对伤病区域进行特征提取，提取其形状特征、纹理特征和位置特征共18种特征信息；然后，利用多元逐步回归和类距离可分离性判据2种方法分别选取特征信息，将2种方法选出的相同特征作为本文的选用特征信息；最后，分别使用遗传算法优化的支持向量机和默认参数的支持向量机，对苹果苦痘病和磕碰伤进行识别。识别结果表明，经过遗传算法优化的支持向量机的总体识别准确率高于93%，默认参数的支持向量机算法的总体识别准确率高于84%。遗传算法优化后的支持向量机的识别准确率明显优于默认参数的支持向量机的识别准确率。

• 基于同步荧光光谱的鸡肉中抗生素残留量快速检测

  陈健，刘木华，袁海超，黄双根，赵进辉，徐宁

  研究应用同步荧光技术对鸡肉中盐酸沙拉沙星（SARH）和盐酸强力霉素（DCH）残留快速检测的可行性。首先，分析了SARH标准溶液、DCH标准溶液、空白鸡肉提取液和含SARH及DCH的鸡肉提取液的三维同步荧光光谱，确定了鸡肉中SARH和DCH残留检测的波长差Δλ都为110nm，荧光激发峰分别为320nm和381nm。其次，采用单因素试验考察了硫酸镁溶液浓度和SDS溶液浓度及时间对荧光强度的影响，确定了鸡肉中SARH和DCH残留的最佳检测条件为：硫酸镁溶液浓度0.375mol/L、SDS溶液浓度0.300mol/L和采集时间12min。最后，利用多元线性回归（MLR）、偏最小二乘回归（PLSR）和支持向量回归（SVR）算法分别建立了鸡肉中SARH和DCH残留的预测模型。试验结果表明，与基于MLR和SVR的预测模型相比，基于PLSR的预测模型综合评价更好。基于PLSR的SARH残留预测模型的预测集决定系数R2P为0.8465，预测集均方根误差（RMSEP）为0.3441mg/kg，相对预测误差（RPD）为2.5882。基于PLSR的DCH残留预测模型的R2P为0.9141，RMSEP为5.8909mg/kg，RPD为3.2435。由此可见，应用同步荧光技术检测鸡肉中SARH和DCH残留是可行的，该方法简便、快速，为鸡肉中SARH和DCH残留的快速检测提供了参考。

• 不同超声条件下结冷胶酸性凝胶的凝胶特性研究

  陈青，程红梅，周涛涛，岳志敏，韩晓祥

  利用高能超声波处理低酰基结冷胶（Low acyl gellan gum，LA）水溶液，并以葡萄糖酸-δ-内酯（Glucono-δ-lactone，GDL）为酸诱导剂制备了结冷胶酸性凝胶，以不透明指数、断裂应力、断裂应变、杨氏模量、保水性指数为指标，考察了超声作用对结冷胶酸性凝胶凝胶特性的影响。结果表明，结冷胶浓度越高，断裂应力、杨氏模量、不透明指数和保水性越大，断裂应变则越小。超声时间越长，超声功率越大，凝胶的断裂应变越大，但断裂应力、杨氏模量则越小。断裂应力、杨氏模量随着GDL/LA质量比的增大出现了先增加后降低的变化趋势，当GDL/LA质量比为1时取得最大值。GDL/LA质量比增大，酸性凝胶的断裂应变和保水性减小，而不透明指数增大。保水性随着超声功率的增大而降低，但随着超声时间的延长，保水性出现了小幅提高，当超声时间为30min时，保水性最大。超声处理使结冷胶分子链断链，凝胶三维网络结构中形成了悬挂链，凝胶强度降低。结冷胶浓度越大，凝胶的微观结构越致密。超声处理可用于结冷胶改性以改善其凝胶特性。

• 大豆乳清蛋白与硫酸葡聚糖相互作用及乳化特性研究

  王喜波，曹佳，杨赛，佟晓红，吕博，王欢

  为改善大豆乳清蛋白（SWP）的乳化特性，提高大豆副产物的利用价值，以大豆乳清蛋白和硫酸葡聚糖（DS）为原料制备复合物，对其形成机制及乳化特性进行研究。通过ζ-电位、浊度和光谱法分析蛋白质-多糖复合体系的结构变化及相互作用机制；通过平均粒径和微观结构观察对复合物的分布情况和聚集状态进行表征，并对复合体系的乳化特性进行分析。结果表明，pH值和蛋白多糖比显著影响SWP与DS的相互作用，在pH值为3.5时，SWP和DS能够通过静电相互作用形成更稳定的复合物；荧光光谱和傅里叶变换红外光谱分析表明，DS的加入改变了SWP的微环境和二级结构，复合物中α-螺旋的相对含量显著升高，氢键和疏水相互作用也影响复合物的形成；随着DS浓度增加，复合物的粒径呈先增大后减小的趋势，当蛋白多糖比为4时，复合物聚集程度最大，平均粒径为（3667.25±95.32）nm，在此条件下形成的复合物显著改善了SWP的乳化特性，乳化活性指数和乳化稳定性指数分别提高了31.03%和14.71%。

• Pickering高内相乳液制备及其稳定性与消化特性研究

  江连洲，孙远达，钟明明，赵晓明，谢凤英，齐宝坤

  利用大豆球蛋白（11S）和β-伴大豆球蛋白（7S）在酸性条件下制备Pickering高内相乳液，通过粒径、ζ-电位、傅里叶红外光谱（FITR）、冷冻扫描电镜、乳化性和流变学等研究其稳定性，并探讨其消化特性。结果表明：在pH值2.0时，7S和11S形成的乳液均具有较高的乳化活性和乳化稳定性，11S比7S具有更高乳化性能。当蛋白质量浓度为0.015g/mL，油相体积分数为78%~82%时，可以形成稳定的高内相乳液。通过增加内相体积分数，7S和11S蛋白颗粒稳定的Pickering乳液体系分布更加均匀，不易发生聚集，并且可以形成较强的凝胶网络结构。模拟体外消化实验表明，在酸性条件下，蛋白形成的高内相乳液可以不同程度地延迟脂质的释放。本研究明晰了在酸性条件下7S和11S的结构特性以及7S和11S高内相乳液在胃肠道中的消化行为，可为食品功能性成分递送体系研究提供理论支撑。

• 电动拖拉机动力电池压载构型设计与参数优化

  武仲斌，刘宇，张君，周锋涛，何景强，谢斌

  为改善电动拖拉机动力电池压载效果以提升整机牵引性能，提出了一种位置可调的电池压载框架结构；基于牵引性能预测基本方程，以驱动效率、滑转率和前轴安全压载综合最优为目标建立电池压载参数优化模型，该模型可根据作业条件给出最优电池压载参数；在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了电动拖拉机牵引作业仿真模型，针对负载1~5kN范围内的水平牵引工况，对电池压载参数优化前后的牵引性能进行了仿真对比分析；基于所提出的位置可调电池压载框架结构，搭建了电动拖拉机实验样机，并在室内土槽环境下对压载参数优化模型进行验证。结果表明：在保证前桥安全压载的前提下，所提出的电池压载构型使牵引车速和能量利用率分别提升4.16%和5.66%，有效提升了电动拖拉机的牵引作业性能。

• 含双驱动五杆回路的弱耦合并联机构型综合

  朱小蓉，李世杰，周宇东，沈惠平

  根据基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计方法，对含双驱动五杆回路的并联机构进行了型综合。提出并分析了7种耦合度为0的双驱动五杆回路拓扑组成及拓扑特征；设计了含双驱动五杆回路的3T1R、3T2R、3T3R复杂支链；基于综合的复杂支链，构造了3种3支链和2种2支链的3T1R并联机构、2种4支链和4种3支链的3T2R并联机构，以及2种4支链和2种3支链的3T3R并联机构；对这15种新构型进行了拓扑结构特征分析，得到其所包含的独立回路数、过约束数、耦合度等。结果表明，综合的机构大多结构简单、紧凑，且耦合度低，有利于后续的运动学、动力学建模与分析，具有较好的应用前景。