展望無人農(nóng)場的未來發(fā)展

在全球農(nóng)業(yè)勞動力持續(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)場為現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有效技術支撐。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，構建了玉米全程無人化生產(chǎn)農(nóng)場，實現(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)林科學院智能裝備技術研究中心在吉林省公主嶺市參與建設的玉米無人農(nóng)場為例，無人駕駛收獲機可以24小時不間斷工作，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)，無人化播種機在節(jié)省人力的同時，還可以實現(xiàn)精量播種和區(qū)段播種控制，有效避免了地頭重復作業(yè)，提高了作業(yè)質量，減少了種子投入。

一、建設內容

玉米無人農(nóng)場由信息感知系統(tǒng)、智能農(nóng)機裝備、管控云平臺三部分組成。

1、信息感知系統(tǒng)

包含無人機遙感設備、田間綜合監(jiān)測站、物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的天空地一體化觀測和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，能夠自動監(jiān)測農(nóng)場環(huán)境及作物生長信息，并傳輸至智慧農(nóng)機管理系統(tǒng)。無人機遙感設備用于開展農(nóng)田地塊信息、作物信息采集監(jiān)測，為農(nóng)場生產(chǎn)管理和農(nóng)機裝備無人作業(yè)提供基礎地塊邊界、作物長勢等信息數(shù)據(jù)。

此外，無人農(nóng)場部署了田間綜合監(jiān)測站點和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時采集土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、日照輻射等玉米生長環(huán)境信息和葉齡等生長狀態(tài)的信息，為農(nóng)場生產(chǎn)管理和農(nóng)機裝備精準作業(yè)提供基礎數(shù)據(jù)。

2、智能農(nóng)機裝備

面向無人農(nóng)場高效、精準作業(yè)需求，將現(xiàn)有的拖拉機及其配套機具、植保機、收割機、運糧車等進行無人化改造，加裝無人駕駛系統(tǒng)、精準作業(yè)控制裝置、遠程監(jiān)測終端等，通過與無人農(nóng)場云平臺進行數(shù)據(jù)共享和指令交互，實現(xiàn)玉米的耕、種、管、收無人化作業(yè)。

無人拖拉機可搭載深松機、秸稈還田機等農(nóng)機具進行無人耕整作業(yè)，可實現(xiàn)自主規(guī)劃路徑、運行狀態(tài)實時監(jiān)測、作業(yè)效果實時拍攝上傳、作業(yè)機具自動升降。掛接電驅播種機，并集成高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)、導航控制系統(tǒng)、精量播種控制系統(tǒng)、作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)和網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，實現(xiàn)主從機協(xié)作，完成無人播種作業(yè)。

在植保環(huán)節(jié)，利用無人機搭載多光譜相機采集農(nóng)田作物信息，采用機器視覺算法對田間作物長勢和養(yǎng)分等信息進行分析，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;通過云平臺管控系統(tǒng)將施肥、施藥處方圖下發(fā)至地面作業(yè)機器端，由無人植保機實現(xiàn)精準變量噴施。

采用無人駕駛高地隙噴桿噴霧機實現(xiàn)精量變量噴灑作業(yè)，實現(xiàn)了作業(yè)路徑自主規(guī)劃、高精度路徑跟蹤、地頭自動轉向、行進速度自動調控、噴桿升降折疊融合控制、緊急避障、遠程遙控等功能，減少了藥害產(chǎn)生，降低了用人成本，提升了高地隙植保機利用率，為玉米無人農(nóng)場植保作業(yè)提供關鍵技術裝備。

無人收獲機集成了作業(yè)信息檢測系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)和收獲作業(yè)智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了玉米無人收獲作業(yè)狀態(tài)、工況自動檢測、無人駕駛、自動避障、作業(yè)自動控制等功能，收獲效率提高3~4倍，為農(nóng)場玉米的無人化收獲提供了有力支撐。

3、無人農(nóng)場云平臺

無人農(nóng)場云平臺主要包括無人農(nóng)場基礎地理信息管理系統(tǒng)、無人農(nóng)機遠程管控系統(tǒng)、智能農(nóng)機精準作業(yè)管理系統(tǒng)和無人農(nóng)機系統(tǒng)四部分。其中，農(nóng)場基礎地理信息管理系統(tǒng)通過農(nóng)場田塊尺度的厘米級數(shù)字地圖測繪和處理，為無人農(nóng)機精準作業(yè)提供基礎地理信息支撐;無人農(nóng)機遠程管控系統(tǒng)主要面向智能農(nóng)機裝備的作業(yè)管控，提供農(nóng)場耕種管收作業(yè)監(jiān)管、工況監(jiān)控、前后臺交互和作業(yè)管理等服務;智慧農(nóng)機精準作業(yè)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫主要面向智能農(nóng)機裝備基準作業(yè)，提供基礎農(nóng)作數(shù)據(jù)維護管理、變量處方管理、農(nóng)機作業(yè)參數(shù)共享、農(nóng)機作業(yè)質量監(jiān)管等服務;無人農(nóng)機作業(yè)展示系統(tǒng)為農(nóng)場日常系統(tǒng)運維、運營服務和展示提供基礎平臺。

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)機械作業(yè)質量差等問題，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)代信息技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度融合，無人農(nóng)場在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用和帶來的效益越發(fā)明顯，以自動導航為代表的無人農(nóng)場關鍵技術已經(jīng)或正在改變現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

以農(nóng)機自動導航為標志，中國無人農(nóng)場關鍵技術已開展了近20年的研究。期間，中國農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了學習、發(fā)展、追趕和超越國外技術的艱辛歷程，形成了具有自主知識產(chǎn)權的農(nóng)機導航系列產(chǎn)品，打破了國外產(chǎn)品長期壟斷的局面。近些年，中國農(nóng)機龍頭企業(yè)先后研發(fā)出了無人駕駛拖拉機、無人植保機、無人收獲機以及無人運糧車等無人化農(nóng)機裝備產(chǎn)品，并在小麥、水稻、玉米等大田生產(chǎn)中進行了大量的應用實踐，初步形成了適應國內農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的無人農(nóng)場雛形。

①與國外無人農(nóng)場技術橫向相比，中國無人農(nóng)場技術總體落后。在農(nóng)機作業(yè)智能決策、精準作業(yè)控制等方面，中國積累農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)維度也不夠，且缺乏對數(shù)據(jù)的有效分析與利用;此外，中國幅員遼闊，農(nóng)作物類型南北差異大，作物生長環(huán)境和生產(chǎn)農(nóng)藝要求也存在時空變異;上述原因導致國內成熟的農(nóng)機作業(yè)決策模型少，模型缺乏普適性。總體上，中國在精量播種與變量施肥控制、精準噴灑控制、高效高質收獲作業(yè)控制等領域尚處于研究發(fā)展階段，與國外存在一定差距，這也是中國未來無人農(nóng)場技術領域需要著力發(fā)展的方向。

②無人農(nóng)場作為新型生產(chǎn)方式，目前在技術上尚不完全成熟，普遍還存在農(nóng)田非結構環(huán)境多模態(tài)信息融合感知模型缺乏、無人化農(nóng)機裝備自主性差等問題。未來無人農(nóng)場技術研究將主要聚焦于農(nóng)田非結構化環(huán)境感知、復雜多變農(nóng)田環(huán)境下農(nóng)機無人駕駛、無人農(nóng)機作業(yè)任務分配與路徑自主規(guī)劃、無人化農(nóng)機機群自主協(xié)同作業(yè)控制等核心技術領域，這些技術既是難點，也是未來最具競爭力的技術制高點。中國與國外在該領域基本處于同一起跑線，是未來最有可能超越國外同類技術產(chǎn)品的領域。

③中國無人農(nóng)場的發(fā)展需要瞄準農(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)場卡脖子與短板技術，創(chuàng)制適用于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無人化農(nóng)機裝備，實現(xiàn)機器代替人力、電腦代替人腦、自主取代進口的轉變，并通過技術產(chǎn)品的廣泛推廣應用，加速改善中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的困局，提高中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與效益，引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，早日成為世界農(nóng)業(yè)強國。

審核編輯 黃宇