面向農機自動駕駛的5G/大數據技術應用展望

秦 宇，周 宇，趙 亮（.諾基亞通信系統(tǒng)技術（北京）有限公司，北京 000；.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽 036）

1 概述

目前全球農機的發(fā)展趨勢是具有自動駕駛系統(tǒng)的大型化、精準化農機，要求農機通過衛(wèi)星和基站導航等手段具有一定的自動駕駛功能，要求農機操作人員具備更豐富的農機知識儲備和更專業(yè)的農機操作技術。我國是農機大國，但在自動駕駛農機系統(tǒng)生產配套和操作人員知識體系上還相對落后。

國務院《全國農業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016—2020 年）》計劃我國農作物耕種收的綜合機械化率由2015 年的63%提高到2020 年的70%，并加快智能裝備的推廣應用，促進農業(yè)機械化提檔升級，創(chuàng)建500個全程機械化示范縣［1］。我國5G建設正在大規(guī)模展開，截至2019年底全國共建成5G 基站超13 萬個，2020 年預計建成5G基站超過60～80 萬個，幾年內將實現(xiàn)全國范圍的5G 信號的廣域和密集覆蓋。

利用5G 技術支撐的自動化駕駛農機可以通過實現(xiàn)農機駕駛的精確定位、遠程的大數據回傳、AI 智能分析等促進農機智能化發(fā)展，另外結合5G回傳農機的高清視頻、設備運行參數等，采用大數據分析可以實現(xiàn)從農機保養(yǎng)、農作物生產、收貨等全流程化、全生命周期的科學管理，促進農業(yè)機械化發(fā)展的同時，降低專業(yè)農機操作人員的需求數量，加快我國農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展步伐，縮小與發(fā)達國家技術水平的差距。

為了深入探討5G 和大數據對自動駕駛農機的推動作用，將結合5G 和大數據，對農機自動駕駛技術的發(fā)展趨勢進行闡述。

2 自動駕駛農機的發(fā)展現(xiàn)狀

自動駕駛農機是以定位系統(tǒng)為核心技術，通過車載的轉向控制裝置和導航控制算法控制農機沿預定作業(yè)路線行走的農業(yè)機械。自動駕駛的智能化農業(yè)機械裝備已成為當今世界農業(yè)裝備發(fā)展的新潮流，是近幾年來國際上農業(yè)科學研究的熱點之一［2］。

歐美等發(fā)達國家的農機自動駕駛技術是隨著90年代GPS 導航技術興起的，已經歷二三十年的發(fā)展歷程，其主要技術是借助RTK（Real Time Kinematic）基站完成自動駕駛農機的定位和導航。RTK 是一種載波相位差分技術，RTK 基站通過數據通信鏈實時地把載波相位觀測值和已知坐標送給附近工作的農機，農機根據接收到基準站和衛(wèi)星的載波信號實時差分消除部分誤差來提高定位精度［3］。

農機自動駕駛系統(tǒng)主要分為RTK 基站系統(tǒng)和農機車載系統(tǒng)2個部分，涉及RTK基站接收機、后臺運算服務器、車載接收機、方向傳感器、控制器等［4］，單點的RTK系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 RTK自動導航拓撲圖

目前自動駕駛農機在美國、德國、法國、丹麥、加拿大等國家發(fā)展比較成熟，有很多RTK 基站系統(tǒng)的運營公司，但收費較高，為了節(jié)約費用，在美國，一些農場主通過自行建設RTK基站，搭建自動導航平臺［5］。

我國農機自動駕駛導航系統(tǒng)的市場在2000 年以后開始逐步發(fā)展，商業(yè)的農機自動駕駛系統(tǒng)由國內科研院所開始牽頭研制并逐步市場化，主要功能為通過衛(wèi)星定位實現(xiàn)農機直線作業(yè)路線的自動跟蹤行走［6］，典型應用場景為新疆地區(qū)棉花覆膜播種、東北地區(qū)起壟、內蒙地區(qū)馬鈴薯播種等。我國農機自動駕駛和導航發(fā)展總體相對比較落后，主要原因是種植規(guī)模化低、導航RTK 基站較少且價格較高等。未來隨著5G的深入部署，利用5G 導航、5G 大數據回傳等技術優(yōu)勢，可以有效推動農機自動駕駛市場的發(fā)展。

3 農機自動駕駛中的5G關鍵技術及平臺設計

5G 技術在農機自動駕駛中的應用主要包括精確定位、視頻大數據回傳等。

3.1 5G精確定位技術

由于傳統(tǒng)基于RTK 基站的農機定位系統(tǒng)在我國的發(fā)展落后于歐美發(fā)達國家，5G的精確定位技術將彌補這一不足。5G 的精確定位技術是5G 發(fā)展過程中的一項增強技術，依托大規(guī)模天線、波束賦形和毫米波等方法綜合實現(xiàn)，未來在5G基站密度和覆蓋足夠良好的情況下可以達到或超過RTK基站系統(tǒng)的定位精度。

3GPP 早在R13、R14 版中就已開展針對3G 和4G室內定位技術增強的研究，增強了RAT 定位方法，完善了非RAT的室內定位方法等［7］。由于沒有對定位至關重要的同步技術深入研究和標準化，4G定位精度不高。3GPP R16 版本開始對5G 定位進行了定義，并將在3GPP R17版本中進行細化，在2020年3季度開始進行標準的完善，涵蓋內容包括：工業(yè)園區(qū)定位、物聯(lián)網/車聯(lián)網定位、3D 定位、厘米級別的定位、終端相位定位［8］。關于定位的精度，歐盟地平線計劃在5G 按步驟實現(xiàn)從30 cm、10 cm、1 cm的定位精度［9］，如表1所示。

具體方法是在大規(guī)模天線、波束賦形、毫米波、衛(wèi)星導航等多種技術的基礎上，結合更先進的數學算法進行精確定位。

表1 5G各個階段的指標要求

首先，大規(guī)模天線可以實現(xiàn)基站和終端之間的多波束密集傳輸，波束越密集則天線系統(tǒng)可識別的收發(fā)信號角度就越精確，終端根據這些角度可以精確計算自己的相對位置，在4G 也有類似的定位技術，但是由于天線數量少，定位精度只有幾十米。其次，采用波束賦形技術可以提高波束指向精度，繼續(xù)提高角度識別精度。而毫米波技術則是因為高頻率指向性好，同樣也可以提高波束指向的精度，同時由于波長更短，同等大小的天面下可以安裝更多的天線，繼續(xù)提高波束賦形的量級。另外衛(wèi)星導航定位可以進行前期粗略定位，并輔助完成后續(xù)定位糾偏等。

在具體的定位數學算法實現(xiàn)上，常用的無線定位算法包括到達時間（TOA——Time of Arrival）、到達時間差（TDOA——Time Difference of Arrival）、往返到達時間（RTTOA——Round-Trip Time of Arrival）、到達角（AOA——Angle of Arrival）等［10］，現(xiàn)實中的實現(xiàn)技術是多種技術的結合。

如圖2 所示，假定在2 維的直射和反射傳播條件下，（xb，yb），（xt，yt），（xi，yi）分別表示基站、終端和反射體的位置，（xb，yb）已知，（xt，yt），（xi，yi）未知，利用已知基站位置，根據公式（1）～（6）和可觀測值Di、α2i、β2i，可對未知的5G終端位置進行估計。其中α2i和β2i分別為從5G基站到5G終端的第i條路徑的到達角和離開角，Di為距離差。由于路徑衰減、角度計算的誤差等定位結果還不夠精確，利用折射體并結合最小二乘法等算法多次運算可以比較精確的計算終端的具體位置［11］

圖2 借助反射體的TDOA/AOA定位算法

3.2 大帶寬、低延遲技術

在自動駕駛農機具有精確定位功能后，還需要具有障礙避讓、農作物成熟度識別、病害識別等功能，這些功能在傳統(tǒng)衛(wèi)星導航的傳統(tǒng)自動駕駛中還沒有應用或由需要車載駕駛員輔助車載系統(tǒng)完成，并非完全的無人駕駛，而5G由于具備大帶寬、低延遲的優(yōu)勢，非常適合在農機自動駕駛中應用。

車載的高清攝像頭可實現(xiàn)農作物高分辨率拍照、攝像，通過5G 網絡快速地回傳到后臺農業(yè)數據服務器，通過基于大數據和AI 的圖像識別和視頻識別技術，快速地進行自動駕駛線路輔助糾正、農作物成熟度分析、病蟲害分析等。細節(jié)分析時需要超高的分辨率，而超高清（Ultra HD）是指國際電信聯(lián)盟ITU-T 定義“4K 分辨率（3 840×2 160 像素）”的正式名稱，實現(xiàn)了高分辨率、高幀率、高色深、寬色域、高動態(tài)范圍、三維聲共6 個維度技術的全面提升。采用4K 的高清攝像頭［12］，理論上如果不壓縮需要12 Gbit/s 的速率進行傳輸，按接近極限的壓縮算法，也需要50 Mbit/s 以上的速率，如果有多個攝像頭同時回傳數據，4G LTE 網絡是無法滿足需求的，而當前非獨立組網（NSA）的5G在100 MHz帶寬時的最高下載速度約在1.25 Gbit/s，后續(xù)獨立組網（SA）的5G 架構可以提供更大規(guī)模的連接和更低的延遲，其切片化的服務能力可以有效降低延遲，非常適合農機自動駕駛的各種應用。例如在自動農機果樹采摘過程中需要對大量圖像進行實時處理，以獲得果實或者果樹的位置坐標，特別是對成熟果實的識別，在進行定位時采摘農機需要對成熟度較高的果實進行優(yōu)先采摘，因此還需要根據顏色特征對圖像進行處理，最后根據對成熟果實圖像的位置識別實現(xiàn)自主定位［13］。這些占用高帶寬且需要接近實時的業(yè)務處理工作，最適合利用5G網絡進行連接。

3.3 自動駕駛平臺

除了具備精確定位、大數據回傳功能的農機設備，還需要有后臺數據平臺和支撐模塊，共同構成一個整體的自動駕駛平臺。5G 可以為農機大數據在網絡側的傳輸、匯集、分析等打通網絡層通道，通過聯(lián)通車輛、駕駛員、農場主、農機管理人員、農機生產廠家、5G 運營商及設備廠家、專業(yè)的農業(yè)大數據分析企業(yè)、農機和生產的政府相關管理部門、科研單位等搭建農機大數據平臺，并完成相關數據挖掘和應用工作。圖3為基于5G網絡搭建的農機計算及大數據平臺構架。

圖3 基于5G網絡搭建的農機邊緣計算及大數據平臺構架

a）應用層：實現(xiàn)農機自動駕駛功能。應用層包括各種農機車輛、農機駕駛員、GPS/北斗定位平臺。農機實現(xiàn)功能包括各種播種、收割、裝載、翻整等，1 臺或多臺車輛配備少量現(xiàn)場駕駛員，車輛均配備GPS/北斗導航系統(tǒng)以提供定位數據，配備5G收發(fā)單元完成數據傳輸，其他傳感、高清攝像等單元根據實際業(yè)務需求進行配置。

b）網絡層：實現(xiàn)5G 網絡承載和提供移動邊緣計算服務。主要包括5G無線承載、傳輸以及移動邊緣計算設備（MEC），其中移動邊緣服務器根據網絡規(guī)模及應用層延遲要求等進行配置及地址位置規(guī)劃。

c）數據層：對5G 網絡采集的自動駕駛農機各種數據進行存儲、融合、轉發(fā)，實現(xiàn)對數據的處理利用，同時根據支撐層用戶的不同需求進行接口和數據匹配。例如可將農機內部的設備運行日志回傳給農機廠家進行遠程監(jiān)測和維護，將5G 收發(fā)模塊的速率、延遲、抖動等指標回傳給5G網絡運營商等。

d）支撐層：對數據層獲取的各種現(xiàn)場數據進行分類支撐。支撐層可以包括農場管理人員、生廠商維護部門、專業(yè)的大數據分析挖掘公司、提供5G 網絡的運營商和設備商、具有創(chuàng)新科研能力的研發(fā)機構等。數據層和支撐層通過大量的數據交換、分析和處理，實現(xiàn)了農機大數據商業(yè)價值的分類、分層挖掘，改進農機行業(yè)作業(yè)方式，增加經濟和社會效益。

4 5G/大數據與農機自動駕駛社會效益及展望

4.1 加持5G的大數據平臺對農機發(fā)展的社會效益

當前農業(yè)物聯(lián)網業(yè)務平臺都是異構化、垂直化和碎片化的，使企業(yè)之間的數據共享和服務協(xié)同變得非常困難，形成了諸多“信息孤島”［14］。5G可以為農機大數據在網絡側的傳輸、匯集、創(chuàng)新等創(chuàng)造了條件，通過聯(lián)通車輛、駕駛員、農場主、農機管理人員、農機生產廠家、5G 運營商及設備廠家、專業(yè)的農業(yè)大數據分析企業(yè)、農機和生產的政府相關管理部門、科研單位等搭建農機大數據平臺，完成相關挖掘和應用。

a）提高經濟效益。首先可以降農機低維護費用，通過5G回傳數據到大數據服務器以后，農機運行狀態(tài)信息可以通過接口回傳給廠家集中處理，通過專業(yè)的檢查及時確認農機是否需要進行保養(yǎng)或維修等，節(jié)省傳統(tǒng)的現(xiàn)場維修保養(yǎng)費用。再則可以降低農機駕駛員成本，傳統(tǒng)農機對農機駕駛員尤其是富有經驗的駕駛員需求很大，通過5G 遠程駕駛，可以對多臺農機進行監(jiān)測和操控。隨著攝像單元、數據采集裝置、5G 收發(fā)終端模塊價格的不斷降低，5G 支撐下的無人駕駛農機作業(yè)，可有效降低支出，提高經濟效益。

b）具有社會效益。促進精準農業(yè)發(fā)展，通過地面5G 網絡高速率、低延遲的數據傳輸，結合空中GPS/北斗衛(wèi)星定位輔助，實現(xiàn)空天一體化，可以加快我國精準農業(yè)的發(fā)展，促進農業(yè)現(xiàn)代化升級，對實現(xiàn)我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到良好的示范和帶動作用，具有明顯的社會效益。

c）增加環(huán)保效益。自動駕駛農機，需要很少甚至沒有現(xiàn)場人員，減少了對駕駛員的潛在傷害，例如現(xiàn)場高噪聲傷害、粉塵傷害、噴灑化學農藥的傷害、惡劣天氣造成潛在雷電、滑坡、洪水傷害等。另外駕駛艙的縮減和取消，將減化農機結構，減輕質量，降低碳排放。

4.2 基于5G大數據的自動駕駛農機應用展望

目前道路自動駕駛，面臨著各種路況識別、高速下車輛控制等諸多技術瓶頸，并且我國的復雜路況還對道路自動駕駛技術提出了更高要求［15］，而基于5G的農機自動駕駛卻擁有諸多優(yōu)勢，這是由于農機的駕駛環(huán)境相對道路車輛要簡單的多：

a）農機作業(yè)時駕駛速度低，只是道路車輛的幾分之一。國外一些公司推出的自動駕駛農機的重要參數之一是系統(tǒng)支持的最低行駛速度，如美國約翰迪爾ATU 自動導航系統(tǒng)支持的最低行駛速度是0.5 km/h，低于一般系統(tǒng)1.6 km/h的指標［16］。

b）農機作業(yè)時，區(qū)域內的車輛、人員密度非常低。

c）農機作業(yè)時基本不涉及信號燈問題。因此農機自動駕駛應用特別適合與5G技術結合，先期進行一些創(chuàng)新性的突破，在農機行業(yè)大展拳腳，并可以為后續(xù)道路上的自動駕駛提供大量經驗。

可以暢想，基于5G 回傳高清的視頻流數據、各種機械傳感數據，通過大數據平臺對高清視頻后臺自動分析，實現(xiàn)精準的農機自動操作；基于紅外視頻數據大數據處理，實現(xiàn)良好的夜間操作，規(guī)避和牲畜、人員、野生動物的碰撞；基于大數據平臺的作物雜草數據庫，實現(xiàn)精準的雜草和秸稈粉碎；基于實時壓力檢測，精準調節(jié)翻耕深度及旋耕轉速，控制胎壓改變對土壤的壓痕；基于氣象精準預報，實現(xiàn)遠程自動化作物搶收等。在5G 及大數據加持下的農機自動駕駛應用將給農業(yè)產業(yè)帶來驚喜。

5 結束語

5G 及大數據技術應用于自動農機駕駛，給我國加速農業(yè)現(xiàn)代化帶來了機遇和挑戰(zhàn)。帶來的機遇如下。

a）農機無人駕駛的要求相對道路駕駛要求較低，適宜優(yōu)先發(fā)展。

b）我國的農業(yè)模式和土地分配方式不適合RTK類導航基站建設，更適合建設以運營商主導的導航網絡。

c）我國正著手大力建設5G 網絡，相信可以較快地實現(xiàn)廣域覆蓋。

面臨的挑戰(zhàn)如下。

a）3GPP 的5G 標準化還需要一段路要走，3GPP R17 RAN4計劃2022年第1季度全部制定完成［17］。

b）毫米波相關的頻段分配等還待頒布，且頒布后需要產業(yè)鏈逐步成熟。

c）5G 頻率更高，尤其到毫米波段，雨衰、氧衰等帶來的影響需要克服。

總之，通過5G 和大數據對農機的加持，可以實現(xiàn)較好的自動農機駕駛，加速我國在農機設備和技術上對發(fā)達國家的追趕和超越。在5G發(fā)展的前期，農機自動駕駛可以實現(xiàn)率先突破，實現(xiàn)自動駕駛的產業(yè)突破和行業(yè)大數據的應用經驗積累，同時運營商和設備提供商還可以拓展相關ICT市場，實現(xiàn)產業(yè)共贏。