農(nóng)用無人機推廣應用中需要關注的幾個問題

何勇　張艷超

本期專題

農(nóng)用無人機推廣應用中需要關注的幾個問題

何勇1張艷超2

0　引言

近年來我國迎來農(nóng)用無人機快速發(fā)展新機遇。伴隨著我國城鎮(zhèn)化的推進，農(nóng)民從與土地朝夕相處的農(nóng)村向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)出現(xiàn)了大量規(guī)模適中、能夠持續(xù)發(fā)展的小型農(nóng)場或農(nóng)業(yè)合作組織，農(nóng)民逐漸從分散型的小型農(nóng)戶作業(yè)向集群規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)演變，土地逐漸集中。工業(yè)化進程的加快促進人口向收入更高的第二和第三產(chǎn)業(yè)流動，城市經(jīng)濟發(fā)展和鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)促使農(nóng)村勞力轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力成本提升。雖然我國糧食產(chǎn)量連續(xù)11年增產(chǎn)，但是糧食安全仍然面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，主要是以下幾方面問題：病蟲害防治，食品質(zhì)量安全，農(nóng)藥殘留超標及浪費嚴重，土地肥力下降等?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)無法擺脫農(nóng)藥和化肥的使用，中國農(nóng)業(yè)依賴大量化學物質(zhì)的投入。濫用農(nóng)藥化肥危害甚多，施藥過程中，由于缺乏施藥技術知識，加之近年來大量不合格噴施器械進入市場，極易造成操作人員中毒。隨著農(nóng)業(yè)結構的調(diào)整，農(nóng)民在生產(chǎn)中對適用機械化新技術和各種配套機具的需求越來越迫切。農(nóng)用無人機以其在農(nóng)林植保噴藥、風力授粉、農(nóng)田遙感等方面獨特的作業(yè)優(yōu)勢受到廣泛關注，面對農(nóng)業(yè)上的巨大需求，不少科研機構和企業(yè)已投入大量人力物力進行農(nóng)用無人機的相關研究和生產(chǎn)。

目前國內(nèi)農(nóng)用無人機領域的研究、生產(chǎn)尚處于起步階段，各企事業(yè)單位對農(nóng)用無人機的研究、引進和生產(chǎn)力度正在逐漸加強。自2013年中國農(nóng)用航空產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟在海南成立到現(xiàn)在，已有33家理事單位在協(xié)調(diào)技術創(chuàng)新、統(tǒng)一產(chǎn)品標準、促進技術交流方面做出了積極貢獻，引導產(chǎn)業(yè)健康有序地發(fā)展，整合資源，瞄準前沿技術，統(tǒng)籌規(guī)劃與分工。聯(lián)盟自創(chuàng)建至今，成為農(nóng)用無人機應用技術與科研成果轉(zhuǎn)化的重要平臺。聯(lián)盟堅持以科技進步為動力，不斷加大科技創(chuàng)新和推廣力度，以抓好技術培訓，提高生產(chǎn)者素質(zhì)，增加科技含量為主要手段，對制約農(nóng)業(yè)航空發(fā)展的關鍵共性技術進行攻關，形成了面向市場的技術創(chuàng)新機制。聯(lián)盟同時向政府建言獻策，為推動農(nóng)用航空發(fā)展爭取政策優(yōu)勢。2014年中國中央“一號文件”首次將“加強農(nóng)用航空建設”寫入文件，使得農(nóng)用無人機迎來巨大的發(fā)展機遇。在產(chǎn)業(yè)崛起的同時，日漸叢生的亂象也令人擔憂。為了使農(nóng)用無人機健康有序地發(fā)展，必須關注以下問題。

1　購機中需要關注的問題

1.1生產(chǎn)企業(yè)的選擇

全國共有200多家單位從事無人機研究生產(chǎn)和銷售服務，按照技術水平、生產(chǎn)能力和單位類型大致可分為：農(nóng)用無人機技術研究與設計生產(chǎn)部門，由航模愛好者或企業(yè)轉(zhuǎn)型的農(nóng)用無人機制造生產(chǎn)部門，農(nóng)藥生產(chǎn)銷售商支持的農(nóng)用無人機制造生產(chǎn)部門。部分公司市場化程度比較高，各個公司都有自己的代表機型。

過去5年，生產(chǎn)無人機產(chǎn)品與裝備的企業(yè)雖從零發(fā)展至200多家，但由于仍未形成集研發(fā)、生產(chǎn)、管理與應用服務于一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈，以及缺乏相關的檢測與作業(yè)標準規(guī)范，當前，農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)雖發(fā)展迅速，但市場卻極為混亂，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)潛力巨大，但對口的監(jiān)管部門卻尚未明確。

應當由行業(yè)與相關政府部門共同制定農(nóng)用植保無人機市場準入標準，并嚴格監(jiān)管標準實際執(zhí)行情況，使得農(nóng)用無人機能建立一個健康有序的良性市場，減少安全穩(wěn)定性差等質(zhì)量缺陷問題，完善操作流程，提高機器普適性，降低操作難度。質(zhì)量標準應當包括：①機身質(zhì)量，如機身強度、抗沖擊能力、抗風性能、遙控距離、續(xù)航時間、平均故障時間等；②作業(yè)流程規(guī)范，如飛行高度、噴施藥量、飛行速度、農(nóng)藥飄失等；③作業(yè)質(zhì)量標準，如噴幅、噴藥量、噴幅有效度等；④安全防護措施，如執(zhí)飛標志、警示標志等；⑤維修保養(yǎng)規(guī)范，如發(fā)動機最大連續(xù)工作時間、電池存放保養(yǎng)等。

標準的建立會對植保無人機的發(fā)展帶來積極的影響：①為農(nóng)戶購機提供方向性指導。目前植保無人機生產(chǎn)廠家眾多，資質(zhì)不明，農(nóng)戶對植保無人機熱情很高，但是需要做大量的考察對比才能做出選擇。②為農(nóng)機監(jiān)管執(zhí)法提供依據(jù)。植保無人機應當納入專業(yè)部門監(jiān)理范疇。③為納入農(nóng)機購機補貼目錄減少障礙。植保無人機作為新型農(nóng)機，在推廣中價格是其不可回避的影響因素，補貼應當嚴格依據(jù)一定的標準來執(zhí)行，以減少對市場和農(nóng)戶的誤導。在日本，以Yamaha的Rmax為代表的植保無人機機型占據(jù)了85%以上的市場份額，為保證健康發(fā)展建立了一整套完善的管理制度。

1.2機型的選擇

農(nóng)用無人機包括單旋翼直升機、多旋翼飛行器和固定翼飛機三類及其相關變種。其中固定翼飛機主要應用于農(nóng)田信息采集與農(nóng)田遙感，如圖1所示，其飛行速度可達70km/h，續(xù)航時間達到1.5h，升限4 000m，單次飛行覆蓋范圍可達30km2。

圖1　固定翼應用于農(nóng)田信息采集

單旋翼直升機和多旋翼飛行器多用于植保作業(yè)，可以垂直起降，起飛降落的場地占用少，空中飛行速度調(diào)節(jié)靈活，載質(zhì)量在5kg到30kg之間，能夠滿足中小田塊的農(nóng)藥噴灑需求。

單旋翼直升機分為燃料動力和電池動力兩種機型。電動直升機由于動力源和輸出功率與多旋翼相似，所以其續(xù)航時間和載質(zhì)量等與多旋翼接近。燃料動力直升機（如圖2所示）載質(zhì)量可以達到30kg，續(xù)航時間可達1.5h，單次起降覆蓋面積達到4hm2，適合較大地塊的噴灑作業(yè)。單旋翼直升機價格較為昂貴，操作手培訓周期長。

圖2　單旋翼直升機應用于植保噴藥

多旋翼植保無人機（如圖3所示）采用對稱結構的多個旋轉(zhuǎn)中心帶動旋翼產(chǎn)生風力進行飛行作業(yè)。多旋翼植保無人機價格適中，操作靈活，培訓周期短；但由于采用電池作為動力來源，使得多旋翼無人機的作業(yè)覆蓋半徑在300m之內(nèi)，單次作業(yè)時間在30min之內(nèi)，比較適合于田間小地塊（＜6.7hm2）。目前多旋翼無人機存在大量變種，通過增加旋翼數(shù)量提高靜載荷，筆者認為這樣的設計會提高系統(tǒng)復雜度，降低機身結構穩(wěn)定性，增加能量耗費，減少操作靈活性。

圖3　多旋翼飛行器應用于植保噴藥

1.3操控方式的選擇

施藥作業(yè)飛機起降次數(shù)多、續(xù)航時間短，不同于軍事飛行或其他民用飛行起降少、續(xù)航時間長的特點。目前農(nóng)用無人機的操控包括手動操控和全自動操控兩種，手動操控對操控手的要求較高，操控人員需實時關注無人機的飛行環(huán)境、飛行狀態(tài)，并發(fā)出飛行指令，注意力需高度集中，勞動強度大，且無人機作業(yè)質(zhì)量直接受操控人員操控水平的影響。全自動操控使用地面站操控，可以實現(xiàn)一鍵起飛、自動作業(yè)、自動降落，大大減輕操控人員的勞動強度。地面站自動操控需要事先規(guī)劃航線，作業(yè)的準確性受無人機定位精度的影響。國內(nèi)植保無人機基本上都是手動操縱遙控器遠程遙控無人機進行田間作業(yè)。農(nóng)用無人機是目前農(nóng)用機械中可能實現(xiàn)全自動田間作業(yè)的機械，在GPS和機器視覺的導航下，定高定速，按農(nóng)田所需用藥量將農(nóng)藥噴灑到田間消除害蟲。隨著勞動力成本的增加，無人機控制技術及定位技術的發(fā)展，基于地面站的全自動作業(yè)將是大規(guī)模農(nóng)田作業(yè)的主流方向。

手動遙控對飛行器進行直接控制，然而操作人員需要經(jīng)過專業(yè)嚴格的培訓，并且在實際操作過程中要嚴格遵守安全須知和規(guī)定流程。對于無人機噴藥來說，手動操作由于受視力偏差的影響，容易造成漏噴和重噴問題。按照國家民航局規(guī)定，無人機操控人員必須到經(jīng)過民航局批準擁有培訓資質(zhì)的培訓機構接受完整培訓，只有考核通過獲得駕駛證書的人員才能操作無人飛行器。

1.4噴施部件的選擇

小霧滴是實現(xiàn)航空高效低量噴霧的關鍵，但其極易受到飛行器流場、氣候條件的影響，可采用離心噴頭等提高液滴霧化程度，提高沉降效果。亦可合理選擇航空噴霧制劑與助劑，通過采用航空噴霧制劑與改進噴霧過程中藥液霧滴霧化、飄失控制技術相結合進行，提高農(nóng)藥利用率和施藥安全性。

選擇適應不同作業(yè)條件的霧化噴頭、適宜的霧滴尺寸可以解決飛機飛行氣流條件下的霧滴飄失嚴重的問題，使霧滴沉降在靶標上，并在作物叢中有較好的穿透性，從而達到最佳的航空施藥防治效果。

在實施現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)中所需遵循的各個要素中，高效精準的田間管理是必不可少的環(huán)節(jié)之一，它與環(huán)境質(zhì)量、資源利用、物種多樣性和人類健康等指標都有密切關系。可采用航空噴霧量可變量控制系統(tǒng)，做到根據(jù)噴灑要求流量可調(diào)、壓力可調(diào)。與作物生長信息、地理信息、定位信息、作業(yè)要求等協(xié)同，應用可變量作業(yè)的通訊和控制系統(tǒng)。如此，可以有效提高噴灑均勻性，減少少噴漏噴現(xiàn)象，實現(xiàn)精準管理。

2　無人機使用需要注意的問題

2.1飛機登記備案

無人機制造出廠必須有生產(chǎn)編號，進行數(shù)據(jù)管理，包括：生產(chǎn)記錄，使用記錄，維修保養(yǎng)記錄等數(shù)據(jù)。無人機在合法飛行之前須向民航總局進行歸屬登記，登記文件頒發(fā)后由飛機所有者隨時隨機攜帶，處于安全運行的飛機經(jīng)過檢查并滿足局方要求，可由局方代表頒發(fā)無人機特許適航文件，同時局方把處于適航條件的無人機的維護責任寄予所有者和運營者，要求所有的民用無人機按照特定的時間間隔來確定總體運行狀態(tài)。目前無人機登記備案工作大多由銷售方進行。

2.2人員培訓

由于目前無人機結構復雜，培訓起來注意事項較多，上手難度較高，同時市場規(guī)模較小，缺乏專業(yè)飛行服務團隊。在目前自動化程度較低的手動操控情況下，操作人員的技術水平直接決定飛行安全和噴灑效果。售后服務和維修等問題難以妥善解決，農(nóng)民群眾抗風險能力匱乏，在墜機并造成重大事故時，難以抵御風險。目前浙江省內(nèi)浙江大學成為首批5家獲得中國民航認可的AOPA核發(fā)的無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員訓練機構之一（授權證如圖4所示），可以招收、培訓無人機駕駛員并進行結業(yè)考核。

圖4　駕駛員培訓機構授權證

2.3飛機保險

無人機飛行存在大量不確定因素，如果造成了人和物的損害，無人機操控手需要承擔全責。推廣植保無人機，需要通過設置相應的保險產(chǎn)品來提高農(nóng)民的抗風險能力，避免造成不必要的悲劇。

中華聯(lián)合保險公司與浙江大學達成合作協(xié)議，對無人機設置了機身險和第三方損失險的保險產(chǎn)品，由浙江大學進行質(zhì)量檢驗與定損，全國聯(lián)保。

2.4適航審查

目前我國民用無人機技術總體上比較薄弱，適航性較差，很多無人機還無法達到民航局的適航要求。依據(jù)國家民航局2009年6月頒發(fā)的《民用無人機空中交通管理辦法》、2009年6月頒發(fā)的《關于民用無人機管理有關問題的暫行規(guī)定》，以及2012年1月民航局適航審定司頒發(fā)的適航管理文件《民用無人機適航管理工作會議紀要》和2013年11月頒布的咨詢通告《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，對能夠安全飛行于低空空域的無人機頒發(fā)I類特許飛行證。由浙江大學研制的無人機已經(jīng)獲得特許飛行。沒有獲得適航證的無人機隨意飛行會受到民航管理局的懲罰。無人機的使用者在進行無人機飛行作業(yè)前應當確定飛行是否合法，飛機是否有適航證。

2.5維護保養(yǎng)

在無人機手動操作中，安全問題十分重要，包括起飛前檢查、周圍環(huán)境觀察、空中情況應急處理及緊急迫降等操作。起飛前要對機載電池與遙控設備電源電壓進行核查，檢查電池狀態(tài)，是否有鼓包等情況，檢查機身是否存在裂紋等。碳纖結構在陽光直射和溫濕度較高下容易老化變性，強度降低，在維修保養(yǎng)的時候需要注意。無人機自購機起應當經(jīng)專業(yè)機構每年進行一次檢查，降低隱藏風險。

3　管理和組織方式上需要關注的問題

3.1明確主管部門

目前從事該領域研究的科研院所和生產(chǎn)企業(yè)已達200多家，已形成一個非常有潛力的大產(chǎn)業(yè)，但農(nóng)業(yè)無人機的主管部門還不明確，無人機的購置、登記、年檢等工作處于空白狀態(tài)。按照國家民航局的規(guī)定，無人機操作人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓機構培訓并頒發(fā)培訓結業(yè)證書，并且嚴格依據(jù)所培訓的操作規(guī)程進行操作，目前操作人員的監(jiān)督管理仍處空白。相關部門必須盡早明確一個主管部門對我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)加強管理，通過指定或者委托有資質(zhì)的培訓機構進行統(tǒng)一培訓管理。無人機的購機仍然缺乏健全的監(jiān)管機制，將我國農(nóng)業(yè)航空飛行器早日納入購機補貼目錄，為我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅實的政策保障。

3.2植保服務組織方式

植保無人機的操作使用與維修保養(yǎng)涉及很多專業(yè)知識，而且價格昂貴，這對于中小型農(nóng)戶很不現(xiàn)實。在無人機應用最普遍的日本，農(nóng)戶通過自發(fā)組建農(nóng)業(yè)協(xié)會和團體組織等組織購買和使用無人機，其持有無人機占無人機總數(shù)的36.4%，同時在日本有大量的航空植保服務公司組織專業(yè)飛行人員完成田間作業(yè)，其所持有無人機占總登記數(shù)的45.3%，個人持有無人機數(shù)量僅為11%。我國應當借鑒日本推廣的經(jīng)驗，避免不熟練的農(nóng)戶直接操作無人機，利用農(nóng)村合作社等集體組織和組織專業(yè)植保飛行公司進行專業(yè)化的飛行作業(yè)。植保噴藥飛行服務團隊的建設能夠有效地降低農(nóng)民承受的風險，擴大植保無人機的使用范圍，使得農(nóng)技像收割機等大型農(nóng)機具一樣，在植物生長產(chǎn)中病蟲害易發(fā)階段進行快速有效地防治。將無人機推廣與農(nóng)藥噴灑相結合，作為農(nóng)機服務進行推廣，拓展無人機推廣切實可行的路子，向合作社、農(nóng)機服務站等農(nóng)技服務單位進行推廣。

3.3飛機制造和作業(yè)標準制定

無人機制造標準包括了條例和認證、飛機測試，維修與護理、通訊，飛機監(jiān)管、操作規(guī)范、安全性能，整機、部件的設計要求等內(nèi)容。在農(nóng)業(yè)實際作業(yè)中還面臨很多亟待解決的問題，比如在無人機最大的應用領域——植保作業(yè)領域，美國、日本、國際糧農(nóng)組織等都有相關標準出臺，我國還沒有相關無人機標準。作業(yè)標準方面，為保證植保作業(yè)飛行安全，減少航空植保作業(yè)的負面影響，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）制定了《飛機施用農(nóng)藥的正確操作準則》，準則涵蓋了飛行員（或操作員）、飛機、農(nóng)藥、作業(yè)條件、作業(yè)記錄、施藥后處理等各個方面；我國國家民航總局制定了《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術指標》，標準規(guī)定了固定翼飛機從事農(nóng)林牧業(yè)的噴灑作業(yè)（常量、低容量和超低容量噴灑農(nóng)藥和化學肥料等作業(yè)）質(zhì)量技術指標及固定翼飛機從事農(nóng)林業(yè)的播撒作業(yè)（飛機播樹種、草種、稻種等項作業(yè)）的質(zhì)量技術指標。然而這些標準多是針對有人航空噴灑制定的，還沒有制定針對無人機噴灑的作業(yè)規(guī)范與標準。

4　總結

無人機是自動化控制技術、復合材料技術、精密制造技術等先進技術的結晶，代表著工業(yè)最高水平。更好地推廣無人機，讓千家萬戶用上無人機進行快速高效的植保作業(yè)，對提高農(nóng)業(yè)機械化信息化水平，減少勞動力需求和應對糧食危機有著非常重大的意義。在繼續(xù)加大對農(nóng)用航空科技研發(fā)的投入的同時，政府仍需探索更好的植保作業(yè)組織形式，相關部門加強對無人機市場的引導和監(jiān)管，實現(xiàn)無人機駕駛員培訓規(guī)范化。無人機產(chǎn)業(yè)不僅僅是購銷一臺機器，更需要具有專業(yè)素養(yǎng)的培訓團隊提供培訓，還需要植保專家進行田間勘察制定飛行規(guī)劃，更需要完善的售后服務以應對突發(fā)意外情況。

作者信息：1教授、博士生導師；2：浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，310058，杭州