农业机械化工程

吉林大学“十五”“211工程”重点学科建设项目论证报告

农业机械化工程

一、项目定义

项目名称：农业机械化工程

项目所属领域：农学

涉及的主要学科：农业机械化工程（国家重点学科）、农业

生物环境与能源工程、农业经济管理、农产品加工及储 藏工程、食品科学

项目主要研究方向：

● 农业机械动力系统分析及其相关技术

● 精确农业及其智能机械设计创新与环境控制

● 地面机械仿生理论与技术

● 农业机械化系统分析与管理工程

● 农产品转化增值工程

二、项目背景

1. 项目建设意义

二十一世纪我国面临人口、资源、环境等多重压力。只有实现农业现代化，使农业在可持续发展的道路上健康迈进，才能使我国农业肩负起保障16亿人口粮食安全的

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重任。农业工程是农业现代化的重要组成部分，是实现高产、优质、高效、低耗农业可持续发展的工程保障，以生物、信息技术应用为先导的新的农业科技革命对农业工程，特别是农业机械化工程的发展提出了新的挑战，使其内涵发生了很大变化，强调多学科交叉和高新技术化，国际竞争日趋激烈。加入WTO为中国农业工程的发展带来了新的机遇与挑战。国家重点学科肩负着不断提供创新成果和高层次人才培养的重任，本建设项目本着面向新的农业科技革命、发展学科前沿、应对国际竞争、服务农业现代化的国家目标，服务于区域经济建设的原则，拓宽研究领域，重点发展精确农业、绿色农业、生态农业、可持续发展农业所需的农业机械化工程理论与技术，加强农业机械化发展战略及规划管理研究，确立了农业机械动力系统分析及其相关技术、精确农业及其智能机械设计创新与环境控制、地面机械仿生理论与技术、农业机械化系统分析与管理工程、农产品转化增值工程五个具有明显优势与特色的研究方向。经过建设特别是国家“211工程”“九五”建设，在学科学术队伍、科研能力与水平、人才培养能力与水平、实验研究条件和对外学术交流等方面取得较大进展。国家“211工程”“十五”建设项目的实施，将给农业机械化工程重点学科带来新的机遇，充分发挥吉林大学在信息科学技术、生物科学技术、经济管理科学的学科优势

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和相互交叉渗透，发挥综合性大学在农业机械化工程学科建设中的作用，努力使农业机械化工程学科赶上国际同类先进学科的水平。这对于我国农机工业和农业机械化工程的高层次人才培养和技术进步，实现农业现代化，具有重要的意义。

2．国际水平

随着可持续经济与现代化农业的发展，发达国家的农业不仅采用先端的信息技术、生物技术和工程技术，而且也同时贯穿先进的管理技术。尤其是伴随着农业机械的自动化、精确化、工厂化农业以及设施农业、农产品的储藏加工流通、农业机械和农产品的现代化管理的发展进程，农业生产正在日益走向信息化、智能化和数字化。

国际上，农业机械动力系统研究主要集中在两个方面，一是绿色农业动力系统研究与开发，一是提高松软地面通过性能的农业机械行走机构研究。绿色农业动力系统研究开发主要以电动机械代替目前广泛使用的燃料机械，例如日本国家农业机械研究所研制电动拖拉机，这些还处于研究阶段。关于松软地面机械步行机构研究，吉林大学陈秉聪院士主持研究的成果处于国际先进水平，在其研究中引入逆向工程学理论与方法。而逆向工程学研究在国际上发展迅速，以英、美等发达国家为主要代表，如英国华威大学华威制造集团，他们主要是将逆向工程学方法应用

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于制造业，以模具制造应用最为广泛。松软地面机械行走机构研究在国际上普遍采用常规设计方法，本学科则采用非常规步行的方法。

目前，美国、英国、加拿大和法国等一些农业科研部门、大学、农业装备企业已组织开展有关“精确农业”方面的专题研究。支持“精确农业”示范应用的基本技术手段已开始应用，美国有5%耕地采用精确农业技术，预计2010年精确农业技术将在发达国家得到普及。近年来，韩国、巴西和马来西亚等国已开始试验示范。我国的近邻日本这个小片耕地作业的国家也已进行小块田地“精确农业”应用研究。荷兰、日本、美国等国家的温室，在进行了大量的理论研究的基础上，都实现了计算机控制，目前正向完全自动化的方向迈进。他们利用现代技术方法与理论，研究温室气候因素的模型和控制，在其各自的外界气候条件下取得了较好的研究成果和应用。日本最近提出了在植物工厂、温室等设施内起步开展SPA(Speaking Plant Approach)系统即基于生物信息的植物对话型的系统控制方法研究。

土壤等粘湿物料对地面机械的粘附、滑动阻力及磨损是影响地面机械作业效率和使用性能的重要因素，并在较广泛的工程领域中存在，农业机械高效节能工作部件研究受到高度重视。国外采用流体润滑、高压电渗、塑料贴面、

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陶瓷涂层等方法，美国开发的电渗技术的电压达到48伏。本学科开展的工程仿生理论与方法在国际上领先，例如仿生电渗的电压只需24伏，仿生技术成为解决地面机械及其与粘附、摩擦、磨损相关领域中的高效节能关键技术问题的重要手段。仿生研究具有多学科交叉性，国外在航空和航海工具、机器人等领域的仿生理论研究与技术开发以美国、日本处于领先地位。关于地面机械领域中的理论与技术研究，国外一直采用传统方法，本学科采用仿生方法，其研究工作在国际上具有一定影响，如生物非光脱附减阻滑理论和技术。

现代物流、电子商务、金融模拟与仿真、专家系统与智能技术等等都在农业经济管理与系统工程中取得了成功的应用。美国不仅是率先实施精确农业的国家，而且也是最先提出精确农业经济学并且开展精确农业经济分析智能软件开发的国家。美国芝加哥期货交易所（CBOT）作为美国农产品定价中心、农业避险中心，在促进美国农业可持续发展过程中起到了关键作用，并且为美国经济的发展带来了巨大潜在利益。日本农林水产省所属的研究机构以及有关大学、企业已经联合研究开发了区域农业系统分析决策支持系统，目前正在开发面向农业可持续发展的农业LCA数据库和智能评价与决策集成系统。发达国家在农业机械化系统分析与决策等领域的研究为其政府部

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门的决策发挥了重要保障作用。

农产品加工质量与安全性检测仪器在国际上发展迅速。国外的液体和酸性食品超高压加工技术已经基本成熟。目前国际上研究的重点是低酸性食品或非酸性固体食品的加工。在生物材料有效成分的提取方面，目前的国际水平是超临界二氧化碳萃取。在农产品和食品品质检测方面，目前的国际水平是非接触、非破坏方式，包括使用生物芯片。美国、日本、法国等国家在农产品的生物加工工程方面，其上游加工技术的效率和实用性的范围扩大，从含有低产物浓度的生物加工过程物流中回收和纯化产品的技术开发程度、监测和控制生物加工过程方法的开发、促进仿生物和替代组织等新生物的开发等方面走在世界的前列。

在科研和人才培养方面，国外注重多学科交叉渗透和高新技术的应用，培养学生的创新能力，强化其工程化锻炼。实验设备齐全、测试检测手段先进。这为培养高层次技术人才创造了良好的条件。

3．国内水平

我国以占世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，取得了举世瞩目的成就，其中农业工程技术起到了重要的作用。特别是信息技术、环境控制技术和农机、农艺有机地结合，不断推进农业技术的进步，促进了农业产量的增

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加和经济效益的提高。国家在积极推进农业机械化的同时，加快农业生物技术、农业生物环境控制、农产品加工储藏、农业信息系统等农业工程科技攻关和技术推广的步伐。

对地面机械行走机构研究，国内主要是智能化和信息化研究缺乏，缺少具有自主知识产权的地面机械行走机构新技术。另外，国际上先进国家的逆向工程研究的仪器设备水平和研究成果水平已达到相当高的程度，我国在其它领域中已有较多应用，但在农业机械关键部件上则刚刚起步。

国内目前对精确农业研究主要引进国外产品，进行试验示范，还未见精确农业智能化机具开发报道。我国生产的温室设施基本是一个空壳，不能有效地调节温、光、水、肥、气，以及进行病害防治，限制了它的推广应用。尤其是在计算机自动控制方面与发达国家相比存在很大差距，引进的控制系统也不适应我国广大地区的区域情况，存在大量的问题。

我国的工程仿生研究在国际上占有重要位置，特别是在仿生机器人和仿生机构学领域。本学科在开展的农业机械等地面机械的工程仿生研究在国际上处于领先地位，目前存在的主要问题是缺少先进的测试仪器设备，以适应地面机械仿生这一多学科交叉研究的要求。

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我国的农业经济管理学科虽然经过数十年的发展，已经基本形成了一个较完善的体系，但是其理论和原理明显陈旧，很难描述和揭示现代农业发展的规律，管理手段和工具也很难适应农业现代化的需要，表现出农业经济管理技术对农业生物技术和工程技术的相对滞后性。尤其是与日益发展的先进农业机械与智能装备等相比，农业机械化系统的信息管理、农业机械和农产品电子商务、农业金融模拟、智能决策等方面更显得落后，功能齐全、使用方便的农业机械化乃至农业经济管理与系统分析软件十分匮乏，亟待开发。

发达国家的农业附加值与农业产值之比一般保持在2:1，而发展高附加值农业，主要通过发展农产品加工工业来实现。在超高压技术研究方面，国内只有少数大专院校和科研单位进行这方面的工作，且基本限于液体食品的加工，只有本学科开展固体食品加工的研究。在农产品品质非接触、非破坏检测方式方面的研究较少，主要原因是研究设备投资较大，技术难度较高。此外，在农产品包装工程方面，设备较多引进国外生产的产品，包装材料和工艺几乎是照搬国外的，我国在农产品包装工程方面的研究工作起步较晚，检测水平不高，缺少高水平的包装工程专业人才。

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三、项目现有基础

本项目建设学科首批建立博士点和博士后流动站，是国家重点学科和国家“211工程”“九五”重点建设学科，设有地面机械仿生技术教育部重点实验室。在国内同类学科中本学科具有鲜明的特色：即原为理工科，现居综合性大学，强于工程科学技术基础，便于工程科学与基础科学的学科交叉，如仿生、精确农业、智能控制；曾隶属农机部门领导，又为理工科，强与农业机械及装备的设计制造，并与农机行业有紧密联系，多种产品获奖推广应用。本项目建设学科在我国农机化工程领域具有特殊地位和不可替代作用。本项目建设学科本着面向新农业科技革命、发展学科前沿、应对国际竞争、服务科教兴农的国家目标、服务区域经济建设的宗旨，不断拓宽研究领域，发展农机化工程基础理论和高新技术，加强农机化发展战略研究及规划管理研究，形成了农业机械动力系统分析及其相关技术、精确农业及其智能机械设计创新与环境控制、地面机械仿生理论与技术、农业机械化系统分析与管理工程、农产品转化增值工程五个具有明显优势与特色的研究方向。经过长期建设特别是国家“211工程”“九五”建设，形成了以院士为核心、长江学者等中青年博士为骨干的学术队伍。现有教授19人。其中，中国工程院院士1人，国务院学位委员会学科评议组成员1人，长江学者奖励计划特

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聘教授1人，博士生指导教师13人。；承担了一批国家自然科学基金重点、国家攻关、国家杰出青年科学基金等国家重大项目，取得了具有国际先进水平的科研成果，科研能力与水平显著增强，“九五”期间承担国家及部省级课题110项，获部省级奖励7项，获得专利7项，发表学术论文290篇；具有20年培养博士研究生的经历，人才培养能力与水平明显提高；主要研究领域的实验条件接近或达到国际先进水平；对外学术交流与合作成果显著；建立了较完善的研究生培养方案；本学科点的总体水平位居国内同类学科前列，并在国际上有一定影响。

四、项目建设目标和主要建设内容

（一）项目建设目标

充分利用吉林大学在信息、生物、工程及经济管理科学的总体优势，推动多学科交叉渗透，发挥综合性大学在农业机械化工程学科建设中的作用，接近或保持国际同类学科的先进水平。至2005年，与地面机械仿生技术教育部重点实验室相互依托，将农业机械化工程国家学科建设成为国家农业科技革命提供创新成果和高层次人才的重要基地，成为农业机械化行业的技术依托单位，成为政府在农业系统分析与科学决策方面的主要智囊单位之一。博士研究生培养质量接近或达到同类学科的国际先进水平。

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（二）主要建设内容

1．主要研究方向

——农业机械动力系统分析及其相关技术。着力提高农业机械等松软地面机械非常规行走机构研究成果的水平，瞄准国际先进水平，重点建设和提高土槽-台车测试系统和负荷测试车的测试和控制技术水平，高起点建设；开展农业机械步行机构逆向工程学研究，建立松软地面机械行走机构逆向工程学理论和设计方法，取得理论上和技术上的创新成果，形成我国在松软地面机械行走机构技术领域的优势与特色，达到国际先进水平。

——精确农业及其智能机械设计创新与环境控制。取得适合地方和国情的新突破，形成自主知识产权的精确变量施肥技术体系。研究作物水势的检测方法、对作物生长发育的影响及其环境因素间相互作用机理，建立温室设施内生物需水信息及节水灌溉控制理论与技术，智能型执行机器的部件优化及整机性能监控方法，开辟高效、优质、高产、节水灌溉的新途径。构建精确农业理论与技术体系研究：农业数据采集系统、精确农业数据处理与诊断系统、精确农业田间作业机械系列及其智能控制系统、精确农业田间作业机械智能监控系统。应用智能设计和优化方法进一步研究关键部件参数优化和整机配套性能监控装置等。

——地面机械仿生理论与技术。实验研究能力和水平

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使本方向保持国际先进水平，建立地面机械仿生研究的实验条件支撑体系。以多学科交叉的特色，开展生物非光滑减阻创新理论与技术研究。承担一批国家自然科学基金、国家“863”计划、“973”计划和部省级科研课题；取得生物非光滑理论的原始创新研究成果，具有科学上的前沿性，系统建立生物非光滑基础理论，达到国际先进水平，在国际学术领域产生一定影响。

——农业机械化系统分析与管理工程。发展面向可持续农业发展的农业机械化战略规划与管理、农业机械绿色制造决策、农机作业委托、精确农业技术经济分析等领域形成适合我国国情的农业机械化系统规划、管理和效益分析理论方法与决策支持体系。建立以精确农业技术经济分析与决策支持系统、农产品期货模拟及其价格分析系统为特色的农业金融实验室，成为本方向科学研究、人才培养的重要基地，成为政府的农业机械化系统分析与科学决策的咨询单位之一。参与吉林省政府农业机械化规划与管理政策的制订，提供政策建议。

——农产品转化增值工程。建立以农产品加工保藏冷杀菌、农产品有效成分提取和生物加工转化增效技术、农产品物性、品质和质量与安全性的智能识别、检测和处理等技术为特色，取得适合区域经济和国情的新突破，形成自主知识产权的农产品加工、保藏、转化增值等特色技术。

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形成具有国际先进水平的以冷杀菌和超高压为特色的农产品加工保藏技术系统。并在农产品物性、品质和质量与安全性的智能识别、检测与处理的理论与技术上形成特色。在计算机图像识别、农产品加工过程及包装过程智能加工和自动检测、食品货架期安全性快速生物技术检测等方面取得新突破。

2．学术队伍建设和学术交流

通过现有教师队伍中的硕士学位获得者攻读博士学位，利用学校人才工程引进博士，特别海外学者，提高学科学术队伍的学历层次结构，使教师中博士比例达到70%；通过引进博士，进一步优化学科学术队伍的学缘结构；建立若干高水平的学术梯队，培养团队精神，形成良好的学科学术氛围，承担国家和部省重要课题研究，开展经常性的国际学术交流与合作，有计划选派中青年教师出国进修，提高学科学术队伍的整体素质和水平，培养一批有成就的中青年学术带头人，成为国内知名、国际上有一定影响的学者。培养或引进院士1名。以地面机械仿生技术教育部重点实验室为依托，建设一支地面机械仿生理论与技术的创新研究学术梯队。

在已有良好的国际交流与合作的基础上，进一步加强实质性的国际学术交流与合作。加强与外国著名大学或知名大学相关院系已经建立的合作关系，发展合作办学、合

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作培养博士生、合作科研等多种形式的国际合作，发展高水平的实质性的国际学术交流与合作。将已获主办权的国际地面车辆系统学会第七次亚太会议办成高水平的国际学术盛会。争取多种渠道资助，使更多的本学科人员参加国际学术会议，开展更广泛的国际学术交流。邀请外国专家学者讲学或合作30人次，出国学术访问讲学15人次。保持并进一步加强在国内学术界的地位和影响，加强与国内高等院校和科研院所的学术交流与合作，继续保持本学科在中国农业机械学会和中国农业工程学会中的重要地位和作用，继续保持并进一步强化与国内农机行业和农业企业的紧密联系。

3．基地条件建设

面向新的农业科技革命和农业机械化领域高新技术的发展，高起点建设本学科的实验室。地面机械仿生技术教育部重点实验室瞄准国家重点实验室的建设标准。“十五”期间的实验研究条件建设与“九五”建设相衔接，使其技术水平进一步提高，主要领域的实验研究条件达到并保持国际新进水平，形成松软地面机械行走机构、精确农业及其智能机械设计和环境控制、地面机械仿生理论与技术、农业机械化系统分析、农产品转化增殖工程等领域的高水平研究实验基地。

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五、预期效益分析

到2005年，学术队伍的整体素质和水平得到进一步提高，新增院士1名，教师中博士比例达到70%，学缘结构优良，国内知名、国际上有一定影响的学者4～6名。

在高层次人才培养方面，具备每年接纳40名硕士生，30名博士生、5名博士后、10名访问学者的能力。

在主要研究领域取得理论上的重大进展和技术上的重大突破，取得一批创新成果，获国家和部省科技奖5～10项，并创造出显著的经济效益。出版著作5～10部，发表高水平论文300篇。

地面机械仿生技术教育部重点实验室的建设得到明显加强，瞄准国家重点实验室的建设要求。主要领域的实验研究条件达到并保持国际先进水平。

主办国际学术会议1次，主持或参加国际学术会议6个、20人次，邀请外国专家讲学或合作30人次，建立国际合作关系10项，出国学术访问讲学15人次；发展多种形式的国际合作，在国际合作办学、合作培养博士生、合作科研等方面取得重大进展，国际学术交流与合作取得显著成效。

六、建设项目所需经费

本项目建设资金总额为840万元，其中中央专项资金

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为480万元，自筹资金为360万元。建设经费用于购置仪器设备840万元。

本项目拟购的代表性仪器设备有：多功能土壤处理车、负荷测试车随行车、土壤采集及数据处理装置、田间作业监控系统、食品安全与质量检测系统、农产品光学特性光电倍增管测试系统、水旱田土槽-台车系统智能化改造、生物表面图象分析系统等。

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