使用EDEM‑RSM方法对尿素超粒（USG）电子单元型计量机构运行参数的建模与优化

为何更智能的施肥方式很重要

世界各地的稻农依赖氮肥以保持高产，但大量肥料被浪费，随水流失或以强力温室气体的形式逸散。将紧凑的尿素超粒（USG）深埋在接近稻根的土壤中，是减少这些损失的一种方法。本文介绍了一种新型电子装置，能够将这些颗粒精确投放到所需位置，同时在进入田间之前通过计算机模拟对设计进行优化。

从手工操作到智能机械

已有研究表明，深层施放USG可将稻米产量提高多达40%，并将植物利用氮的效率几乎提高一倍。问题在于逐粒手工投放既慢又费力，因此许多农民不愿采用。早期的USG投放工具需要人工操作，且不能保证均匀间距。作者着手设计一种可装在插秧机上的电子计量系统，能够自动将USG送入土壤的正确位置，最大限度减少人力。

新装置如何投放每颗颗粒

系统的核心是一根带有四个小口袋（或单元格）的旋转滚筒。其上方是装满USG的料斗。随着滚筒转动，每个单元格理想情况下应捕获恰好一颗颗粒，然后将其释放到输送管中，输送管将颗粒送入四株稻之间的沟槽。步进电机由Arduino微控制器控制，并通过旋转编码器与插秧机同步，确保每次放置一组秧苗时滚筒转过正确的角度。研究团队可通过3D打印滚筒改变口袋尺寸，并调整滚筒转速和料斗填充水平，以研究这些因素对性能的影响。

用虚拟颗粒来调校设计

研究者没有仅靠实验室的反复试验，而是使用离散元法建立了系统的详细计算机模型，这是一种模拟数千个独立颗粒如何运动和碰撞的技术。他们重现了USG颗粒的形状和物理特性、料斗与滚筒的几何结构，以及塑料部件与肥料之间的接触。模拟内的传感器统计了进入每个单元格的颗粒数量、单元格为空的频率以及携带多于一颗颗粒的频率。然后他们应用一种称为响应面法的统计技术，探索口袋面积、滚筒转速和料斗填充度的组合，寻找能实现单元格满载且大多为单颗粒、且遗漏或双重投放极少的运行参数。

寻找均匀投放的最佳参数

模拟显示了清晰的规律。较大的口袋增加了单元格被填满的概率，但也提高了捕获多颗颗粒的风险。较小的口袋和非常快的滚筒转速往往导致单元格为空，因为颗粒没有足够时间沉入到位。更满的料斗有助于单元格填充，但对单颗或多颗的比例影响不大。通过权衡这些影响，优化结果建议理想口袋面积约为1088平方毫米，滚筒速度约为每秒四分之一米，料斗填充至容量的四分之三。在这些条件下，模型预测单元格可以完全填满，高比例为单颗粒单元格，且遗漏和重复投放的概率很低。

将模型付诸测试

为验证虚拟结果，团队制造了一个具有优化口袋尺寸的实体计量单元，并将其安装在土槽试验台上。按选定值设定滚筒速度和料斗填充后，他们测量了单元格的填充频率、恰好携带一颗USG的比例以及沿沟槽颗粒间距的均匀性。实际结果与模拟高度一致：97%的单元格被填满，91%投放出单颗颗粒，只有少数单元格为空或出现双重。十米的试验运行中，土中颗粒的分布符合被接受的良好均匀性标准。简单的成本分析表明，该施肥装置配合插秧机使用约可在一年半左右收回成本。

这对农民和气候意味着什么

简而言之，本研究表明可以设计一种附加装置，使插秧机几乎完美地放置USG肥料颗粒，所需人工远少于手工投放。通过将详细的颗粒模拟与实验室测试结合，作者确定了能在土壤中以规则间隔实现几乎每格一颗颗粒的运行参数。如果被广泛采纳，此类系统可帮助农民在维持或提高产量的同时减少氮肥使用，从而降低成本并减少水田温室气体排放。

引用: Swain, S.S., Khura, T.K., Arjun, P. et al. Modelling and optimization of operating parameters of an electronic cell type metering mechanism for urea super granules (USG) using EDEM-RSM approach. Sci Rep 16, 15622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43407-w

关键词: 尿素超粒, 稻田肥料, 精准农业, 施肥装置, 离散元法