展望無人農(nóng)場(chǎng)的未來發(fā)展

在全球農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力持續(xù)減少、人工成本不斷增加、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入不斷加大的現(xiàn)狀下，無人農(nóng)場(chǎng)為現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有效技術(shù)支撐。吉林省公主嶺市圍繞發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略需求，構(gòu)建了玉米全程無人化生產(chǎn)農(nóng)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了玉米耕、種、管、收全程無人化作業(yè)，極大提高了玉米生產(chǎn)效率，減少了人工投入。

以北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心在吉林省公主嶺市參與建設(shè)的玉米無人農(nóng)場(chǎng)為例，無人駕駛收獲機(jī)可以24小時(shí)不間斷工作，玉米收獲速度提升了3~4倍，67公頃玉米3至5天即可完成收獲，節(jié)省人工50~60人。在其他環(huán)節(jié)，無人化播種機(jī)在節(jié)省人力的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)精量播種和區(qū)段播種控制，有效避免了地頭重復(fù)作業(yè)，提高了作業(yè)質(zhì)量，減少了種子投入。

一、建設(shè)內(nèi)容

玉米無人農(nóng)場(chǎng)由信息感知系統(tǒng)、智能農(nóng)機(jī)裝備、管控云平臺(tái)三部分組成。

1、信息感知系統(tǒng)

包含無人機(jī)遙感設(shè)備、田間綜合監(jiān)測(cè)站、物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的天空地一體化觀測(cè)和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境及作物生長(zhǎng)信息，并傳輸至智慧農(nóng)機(jī)管理系統(tǒng)。無人機(jī)遙感設(shè)備用于開展農(nóng)田地塊信息、作物信息采集監(jiān)測(cè)，為農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)管理和農(nóng)機(jī)裝備無人作業(yè)提供基礎(chǔ)地塊邊界、作物長(zhǎng)勢(shì)等信息數(shù)據(jù)。

此外，無人農(nóng)場(chǎng)部署了田間綜合監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)采集土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、日照輻射等玉米生長(zhǎng)環(huán)境信息和葉齡等生長(zhǎng)狀態(tài)的信息，為農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)管理和農(nóng)機(jī)裝備精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、智能農(nóng)機(jī)裝備

面向無人農(nóng)場(chǎng)高效、精準(zhǔn)作業(yè)需求，將現(xiàn)有的拖拉機(jī)及其配套機(jī)具、植保機(jī)、收割機(jī)、運(yùn)糧車等進(jìn)行無人化改造，加裝無人駕駛系統(tǒng)、精準(zhǔn)作業(yè)控制裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端等，通過與無人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和指令交互，實(shí)現(xiàn)玉米的耕、種、管、收無人化作業(yè)。

無人拖拉機(jī)可搭載深松機(jī)、秸稈還田機(jī)等農(nóng)機(jī)具進(jìn)行無人耕整作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、作業(yè)效果實(shí)時(shí)拍攝上傳、作業(yè)機(jī)具自動(dòng)升降。掛接電驅(qū)播種機(jī)，并集成高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、精量播種控制系統(tǒng)、作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)協(xié)作，完成無人播種作業(yè)。

在植保環(huán)節(jié)，利用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)采集農(nóng)田作物信息，采用機(jī)器視覺算法對(duì)田間作物長(zhǎng)勢(shì)和養(yǎng)分等信息進(jìn)行分析，生成葉片氮素含量分布圖，并決策出施肥量;搭載可見光相機(jī)采集農(nóng)田環(huán)境圖像，分析并獲得玉米病蟲害信息，制定施藥處方圖;通過云平臺(tái)管控系統(tǒng)將施肥、施藥處方圖下發(fā)至地面作業(yè)機(jī)器端，由無人植保機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴施。

采用無人駕駛高地隙噴桿噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)精量變量噴灑作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)路徑自主規(guī)劃、高精度路徑跟蹤、地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向、行進(jìn)速度自動(dòng)調(diào)控、噴桿升降折疊融合控制、緊急避障、遠(yuǎn)程遙控等功能，減少了藥害產(chǎn)生，降低了用人成本，提升了高地隙植保機(jī)利用率，為玉米無人農(nóng)場(chǎng)植保作業(yè)提供關(guān)鍵技術(shù)裝備。

無人收獲機(jī)集成了作業(yè)信息檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、障礙物檢測(cè)系統(tǒng)和收獲作業(yè)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玉米無人收獲作業(yè)狀態(tài)、工況自動(dòng)檢測(cè)、無人駕駛、自動(dòng)避障、作業(yè)自動(dòng)控制等功能，收獲效率提高3~4倍，為農(nóng)場(chǎng)玉米的無人化收獲提供了有力支撐。

3、無人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)

無人農(nóng)場(chǎng)云平臺(tái)主要包括無人農(nóng)場(chǎng)基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)、無人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)、智能農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)和無人農(nóng)機(jī)系統(tǒng)四部分。其中，農(nóng)場(chǎng)基礎(chǔ)地理信息管理系統(tǒng)通過農(nóng)場(chǎng)田塊尺度的厘米級(jí)數(shù)字地圖測(cè)繪和處理，為無人農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)提供基礎(chǔ)地理信息支撐;無人農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)主要面向智能農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)管控，提供農(nóng)場(chǎng)耕種管收作業(yè)監(jiān)管、工況監(jiān)控、前后臺(tái)交互和作業(yè)管理等服務(wù);智慧農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)主要面向智能農(nóng)機(jī)裝備基準(zhǔn)作業(yè)，提供基礎(chǔ)農(nóng)作數(shù)據(jù)維護(hù)管理、變量處方管理、農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)共享、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)管等服務(wù);無人農(nóng)機(jī)作業(yè)展示系統(tǒng)為農(nóng)場(chǎng)日常系統(tǒng)運(yùn)維、運(yùn)營(yíng)服務(wù)和展示提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

二、發(fā)展展望

全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均存在農(nóng)業(yè)從業(yè)人員持續(xù)減少、人工成本高、傳統(tǒng)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量差等問題，未來誰來種田、怎樣種田甚至無人種田問題是全球農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度融合，無人農(nóng)場(chǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用和帶來的效益越發(fā)明顯，以自動(dòng)導(dǎo)航為代表的無人農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)或正在改變現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

以農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航為標(biāo)志，中國(guó)無人農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)已開展了近20年的研究。期間，中國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了學(xué)習(xí)、發(fā)展、追趕和超越國(guó)外技術(shù)的艱辛歷程，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系列產(chǎn)品，打破了國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面。近些年，中國(guó)農(nóng)機(jī)龍頭企業(yè)先后研發(fā)出了無人駕駛拖拉機(jī)、無人植保機(jī)、無人收獲機(jī)以及無人運(yùn)糧車等無人化農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品，并在小麥、水稻、玉米等大田生產(chǎn)中進(jìn)行了大量的應(yīng)用實(shí)踐，初步形成了適應(yīng)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的無人農(nóng)場(chǎng)雛形。

①與國(guó)外無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)橫向相比，中國(guó)無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)總體落后。在農(nóng)機(jī)作業(yè)智能決策、精準(zhǔn)作業(yè)控制等方面，中國(guó)積累農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)維度也不夠，且缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析與利用;此外，中國(guó)幅員遼闊，農(nóng)作物類型南北差異大，作物生長(zhǎng)環(huán)境和生產(chǎn)農(nóng)藝要求也存在時(shí)空變異;上述原因?qū)е聡?guó)內(nèi)成熟的農(nóng)機(jī)作業(yè)決策模型少，模型缺乏普適性?？傮w上，中國(guó)在精量播種與變量施肥控制、精準(zhǔn)噴灑控制、高效高質(zhì)收獲作業(yè)控制等領(lǐng)域尚處于研究發(fā)展階段，與國(guó)外存在一定差距，這也是中國(guó)未來無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域需要著力發(fā)展的方向。

②無人農(nóng)場(chǎng)作為新型生產(chǎn)方式，目前在技術(shù)上尚不完全成熟，普遍還存在農(nóng)田非結(jié)構(gòu)環(huán)境多模態(tài)信息融合感知模型缺乏、無人化農(nóng)機(jī)裝備自主性差等問題。未來無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)研究將主要聚焦于農(nóng)田非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知、復(fù)雜多變農(nóng)田環(huán)境下農(nóng)機(jī)無人駕駛、無人農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)分配與路徑自主規(guī)劃、無人化農(nóng)機(jī)機(jī)群自主協(xié)同作業(yè)控制等核心技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)既是難點(diǎn)，也是未來最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)制高點(diǎn)。中國(guó)與國(guó)外在該領(lǐng)域基本處于同一起跑線，是未來最有可能超越國(guó)外同類技術(shù)產(chǎn)品的領(lǐng)域。

③中國(guó)無人農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展需要瞄準(zhǔn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重大需求，突破一批無人農(nóng)場(chǎng)卡脖子與短板技術(shù)，創(chuàng)制適用于中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無人化農(nóng)機(jī)裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人力、電腦代替人腦、自主取代進(jìn)口的轉(zhuǎn)變，并通過技術(shù)產(chǎn)品的廣泛推廣應(yīng)用，加速改善中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的困局，提高中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與效益，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，早日成為世界農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。

審核編輯 黃宇