無人農(nóng)場系統(tǒng)分析與發(fā)展展望

李道亮 李 震

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國家數(shù)字漁業(yè)創(chuàng)新中心， 北京 100083)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，耕地面積占全世界的7%，農(nóng)業(yè)人口眾多，占全國人口的70%[1]。農(nóng)業(yè)勞動力是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的資源，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)需要大量的人力和物力，隨著我國人口老齡化的日趨嚴(yán)重，人口紅利即將消失，農(nóng)業(yè)勞動力缺乏問題日漸突顯。按照國際勞工組織的劃分標(biāo)準(zhǔn)，老年勞動力是指45歲以上的勞動人口。在全部勞動力中，我國老年人口占比從2010年的29.20%上升到2015年的39.42%，平均每年上升2.04個百分點(diǎn)。勞動力成本增加，農(nóng)村勞動力向城市流動趨勢明顯[2]，勞動生產(chǎn)率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率亟需提高，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已無法適應(yīng)市場要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、智能裝備制造、5G等新一代信息技術(shù)的不斷進(jìn)步使得機(jī)器換人成為可能[3-10]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成農(nóng)場信息的感知和傳輸，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)智能裝備的互聯(lián)；大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)完成農(nóng)業(yè)信息的獲取、存儲、分析和處理，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化；人工智能與智能裝備技術(shù)能夠完成智能學(xué)習(xí)、智能決策以及裝備與機(jī)器人的自主精準(zhǔn)作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人。因此，無人農(nóng)場能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入和個性化服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全等可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[11]。無人農(nóng)場是推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措，能夠以現(xiàn)代化、自動化裝備提升傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理全程的無人化，從而大大提高勞動生產(chǎn)效率。無人農(nóng)場的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器換人，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，英國、美國、以色列、挪威、荷蘭、德國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)陸續(xù)開始構(gòu)建無人大田、無人溫室、無人豬場、無人漁場等。2017年，英國哈珀亞當(dāng)斯大學(xué)創(chuàng)建了全球第一家無人農(nóng)場，同年，日本的無人蔬菜工廠和挪威的深海半潛式無人漁場也相繼投入使用。2019年，我國山東、福建、北京等地也開始了對無人大田、無人豬場的研究探索。無人農(nóng)場作為未來農(nóng)業(yè)的一種新技術(shù)，已經(jīng)開啟全新的農(nóng)場模式。本文針對無人農(nóng)場的內(nèi)涵、發(fā)展歷程，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能裝備與機(jī)器人技術(shù)等四大共性關(guān)鍵技術(shù)，基礎(chǔ)設(shè)施、作業(yè)裝備、測控和云管控平臺等四大系統(tǒng)，以及無人農(nóng)場的五種典型應(yīng)用進(jìn)行闡述和總結(jié)，分析無人農(nóng)場的發(fā)展瓶頸，并提出我國無人農(nóng)場的發(fā)展策略。

1 無人農(nóng)場

1.1 無人農(nóng)場概念

無人農(nóng)場是在人不進(jìn)入農(nóng)場的情況下，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、機(jī)器人等新一代信息技術(shù)，通過對農(nóng)場設(shè)施、裝備、機(jī)械等遠(yuǎn)程控制或智能裝備與機(jī)器人的自主決策、自主作業(yè)，完成所有農(nóng)場生產(chǎn)、管理任務(wù)的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產(chǎn)作業(yè)模式，無人農(nóng)場的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。無人農(nóng)場是新一代信息技術(shù)、智能裝備技術(shù)與先進(jìn)種養(yǎng)殖工藝深度融合的產(chǎn)物，是對農(nóng)業(yè)勞動力的徹底解放，代表著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的最先進(jìn)水平。全天候、全過程、全空間的無人化作業(yè)是無人農(nóng)場的基本特征。

全天候無人化是指從種植或養(yǎng)殖的開始到結(jié)束時間段里，農(nóng)場所有業(yè)務(wù)工作都能夠在不需要人參與的情況下由機(jī)器自主完成。全天候無人化需要無人農(nóng)場對農(nóng)業(yè)動植物的生長環(huán)境、生長狀態(tài)、各種作業(yè)裝備的工作狀態(tài)進(jìn)行全天候監(jiān)測，從而根據(jù)監(jiān)測到的信息開展農(nóng)場作業(yè)與管理。全過程無人化是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個工序和環(huán)節(jié)都無需人工參與，由機(jī)器自主完成。特別是在業(yè)務(wù)對接環(huán)節(jié)，無人農(nóng)場裝備之間通過相互通信和識別，完成自主對接。全空間無人化是指在農(nóng)場的物理空間內(nèi)，無人車、無人船、無人機(jī)在不需要人的介入下自主完成移動作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)固定裝備與移動裝備的無縫對接。無人農(nóng)場在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能裝備與機(jī)器人技術(shù)的支撐下，由基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、作業(yè)裝備系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和管控云平臺系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 無人農(nóng)場系統(tǒng)框架Fig.1 Theoretical framework of unmanned farm

1.2 無人農(nóng)場發(fā)展歷程

1.2.1農(nóng)場的歷史變遷

人類經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會后，目前正處在信息社會階段[12]。隨著勞動工具的改進(jìn)，農(nóng)業(yè)也經(jīng)歷了從青銅器到鐵器，從畜力到農(nóng)業(yè)機(jī)械，從自動化農(nóng)業(yè)到智能化生產(chǎn)的過程。因此勞動工具的演變體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)1.0到農(nóng)業(yè)4.0的演變[13]。

農(nóng)業(yè)1.0——傳統(tǒng)農(nóng)場：所謂農(nóng)場是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位、生產(chǎn)組織或生產(chǎn)企業(yè)，以從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖為主。傳統(tǒng)農(nóng)場歷史悠久，是農(nóng)業(yè)社會的產(chǎn)物。傳統(tǒng)農(nóng)場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以人力、畜力為主，勞動力和土地處于核心地位，勞動工具是簡單的手工工具(如鐵器)和畜力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式延續(xù)了古老而原始的傳統(tǒng)農(nóng)耕方式。17世紀(jì)，農(nóng)場成為歐洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本單位[14]。目前，我國傳統(tǒng)農(nóng)場基本消失。

農(nóng)業(yè)2.0——機(jī)械化農(nóng)場：機(jī)械化農(nóng)場起源于工業(yè)革命時代，是工業(yè)社會的產(chǎn)物。機(jī)械化農(nóng)場是指利用各種動力和配套農(nóng)機(jī)具裝備農(nóng)業(yè)，使用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械取代人力和畜力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工具的機(jī)械化，從而進(jìn)行大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)場形態(tài)。歐美國家是最早實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化的國家，我國目前的農(nóng)場已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化[15]。

農(nóng)業(yè)3.0——自動化農(nóng)場：自動化農(nóng)場出現(xiàn)在20世紀(jì)后期，是信息社會的產(chǎn)物。自動化農(nóng)場是將計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備結(jié)合，使用自動化裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理自動化的農(nóng)場[16]。美國、荷蘭和挪威等歐美國家已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了大田種植、設(shè)施蔬菜、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖等大部分農(nóng)場的高度自動化，我國目前處于機(jī)械化與自動化的過渡階段[17]。

農(nóng)業(yè)4.0——無人農(nóng)場：隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與機(jī)器人的發(fā)展，無人農(nóng)場將會在21世紀(jì)中后期逐漸出現(xiàn)。無人農(nóng)場是指在人不需要進(jìn)入農(nóng)場情況下，采用新一代信息技術(shù)，通過智能裝備與機(jī)器人自主完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理任務(wù)的農(nóng)場終極形態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代人。歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的無人農(nóng)場已進(jìn)入小范圍應(yīng)用階段，以日本為首的發(fā)達(dá)國家各種農(nóng)場作業(yè)機(jī)器人已相繼研制成功，我國目前無人農(nóng)場還處于試驗(yàn)示范階段[18]。

1.2.2無人農(nóng)場的階段形態(tài)

無人農(nóng)場的發(fā)展目標(biāo)是智能裝備與機(jī)器人深度參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程，逐步替代人力，并參與決策管理。根據(jù)機(jī)器人參與深度的不同，無人農(nóng)場可以劃分為3個不同階段的形態(tài)，依次為遠(yuǎn)程控制、無人值守和自主作業(yè)的無人農(nóng)場。

初級階段——遠(yuǎn)程控制：初級階段的無人農(nóng)場采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，通過對智能裝備與機(jī)器人等遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場的無人化作業(yè)。遠(yuǎn)程控制階段是機(jī)器代替勞力的初級階段，其特點(diǎn)是不需要人到現(xiàn)場勞作農(nóng)場，但需要人工遠(yuǎn)程操作、參與決策與控制，因此也稱徒手農(nóng)場(Handfree farm)，或者是有人值守的無人農(nóng)場。

中級階段——無人值守：中級階段的無人農(nóng)場無需專人24 h在遠(yuǎn)程監(jiān)控室里對農(nóng)場裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。無人值守階段作業(yè)裝備可以自主巡航作業(yè)，但仍需要人參與計(jì)劃，并負(fù)責(zé)指令的下達(dá)與生產(chǎn)的決策。人在此階段無需時刻值守，是無人值守(Unattended operation farm)的無人農(nóng)場。

高級階段——自主作業(yè)：高級階段的無人農(nóng)場完全不需要人的參與。農(nóng)場所有的作業(yè)與管理，都通過云管控平臺自主計(jì)劃、自主決策、自主作業(yè)，并由裝備自主完成所有農(nóng)場業(yè)務(wù)。高級階段的無人農(nóng)場徹底地將人從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中解放出來，是完全無人的 (Unmanned farm)，是農(nóng)場發(fā)展的頂級水平。

2 農(nóng)場無人化的共性關(guān)鍵技術(shù)

無人農(nóng)場是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物。無人農(nóng)場通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源、環(huán)境、種養(yǎng)對象、裝備等各要素的在線化、數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)殖對象的精準(zhǔn)化管理、生產(chǎn)過程的智能化決策和無人化作業(yè)，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和智能裝備與機(jī)器人技術(shù)等4大技術(shù)在無人農(nóng)場中起關(guān)鍵性作用(如圖2所示)。

圖2 無人農(nóng)場共性關(guān)鍵技術(shù)框架Fig.2 Common key technology framework of unmanned farm

2.1 物聯(lián)網(wǎng)與無人農(nóng)場

物聯(lián)網(wǎng)是通過各種傳感器、射頻識別(RFID)、視頻采集終端、激光掃描儀、空間信息裝備等信息感知設(shè)備及無線傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息的采集和傳輸，最終形成一個萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[19-30]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大田種植、果園種植、溫室大棚、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理過程的信息感知和可靠傳輸[31-36]。

農(nóng)場要實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)，智能裝備、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖對象和云管控平臺如何形成一個實(shí)時通信的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)是面臨的首要問題。農(nóng)場裝備能夠根據(jù)環(huán)境、動植物生長實(shí)時狀態(tài)開展相應(yīng)作業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使農(nóng)場裝備網(wǎng)聯(lián)化成為可能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為無人農(nóng)場重要的支撐技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下方面：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無人農(nóng)場提供以傳感器為基礎(chǔ)的環(huán)境全面感知技術(shù)，確保動植物生長在最佳環(huán)境下[37-39]；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供以機(jī)器視覺和遙感為核心的動植物表型技術(shù)和視覺導(dǎo)航技術(shù)，確保動植物生長狀態(tài)的實(shí)時感知，為其生長調(diào)控提供關(guān)鍵參數(shù)[40-41]；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供裝備的位置和狀態(tài)感知技術(shù)，為裝備導(dǎo)航、作業(yè)的技術(shù)參數(shù)獲取提供可靠保證[42-44]；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供以5G或更高通信協(xié)議的實(shí)時通信技術(shù)，確保裝備間的實(shí)時通信[45-46]。

高精度、高精準(zhǔn)、可現(xiàn)場測量為主要特征的新一代農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)是推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的底層驅(qū)動力[47-54]。集無線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)為一體的5G，以及未來的6G等新一代無線傳輸技術(shù)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了一條“高速公路”。無人農(nóng)場環(huán)境、裝備、動植物信息的全面感知技術(shù)和信息可靠傳輸技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于無人農(nóng)場的兩大關(guān)鍵支撐技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)場無人化作業(yè)的基礎(chǔ)。

2.2 大數(shù)據(jù)與無人農(nóng)場

無人農(nóng)場通過智能裝備完成精準(zhǔn)作業(yè)，而裝備是依靠農(nóng)場海量實(shí)時數(shù)據(jù)的分析開展精準(zhǔn)作業(yè)。無人農(nóng)場時刻產(chǎn)生大量高維、異構(gòu)、多源數(shù)據(jù)，因此如何獲取、處理、存儲、應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，并從中挖掘出有用的信息，是必須解決的問題。大數(shù)據(jù)應(yīng)用于無人農(nóng)場體現(xiàn)在4方面[55-64]：大數(shù)據(jù)為無人農(nóng)場提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)去粗存精、去偽存真、分類等處理方法；大數(shù)據(jù)能在眾多數(shù)據(jù)中挖掘分析和知識發(fā)現(xiàn)，形成規(guī)律性的農(nóng)場管理知識庫；大數(shù)據(jù)能對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲，形成歷史數(shù)據(jù)，以備農(nóng)場管控平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)與調(diào)用；大數(shù)據(jù)與云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)結(jié)合，形成高效的計(jì)算能力，確保裝備作業(yè)的迅速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自主作業(yè)[65-69]。

綜上，數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取、智能處理、智能存儲和智能分析(圖2)是無人農(nóng)場采用的四大關(guān)鍵大數(shù)據(jù)技術(shù)[70-77]?；诖髷?shù)據(jù)和云計(jì)算的無人農(nóng)場數(shù)據(jù)智能分析、處理與農(nóng)場深度融合，實(shí)現(xiàn)了無人農(nóng)場環(huán)境信息、動植物信息、裝備狀態(tài)信息等各種數(shù)據(jù)的智能快速獲取、處理、存儲及分析，為智能裝備的精準(zhǔn)自主作業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)場的無人化精準(zhǔn)化管控。

2.3 人工智能與無人農(nóng)場

無人農(nóng)場的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器對人的替換，因此機(jī)器必須具有生產(chǎn)者的判斷力、決策力和操作技能。人工智能技術(shù)的支撐給無人農(nóng)場裝上了“智能大腦”，讓無人農(nóng)場具備了“思考能力”[78-81]。一方面人工智能技術(shù)給農(nóng)場裝備端以識別、學(xué)習(xí)、導(dǎo)航和作業(yè)的能力。人工智能技術(shù)首先體現(xiàn)在裝備端的智能感知技術(shù)，包括農(nóng)業(yè)動植物生長環(huán)境、生長狀態(tài)和裝備本身工作狀態(tài)的智能識別技術(shù)[82-85]；其次是裝備端的智能學(xué)習(xí)與推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場各種作業(yè)的歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)與知識的學(xué)習(xí)，基于案例、規(guī)則與知識的推理，機(jī)器智能決策與精準(zhǔn)作業(yè)控制[86-89]；另一方面人工智能技術(shù)為農(nóng)場云管控平臺提供基于大數(shù)據(jù)的搜索、學(xué)習(xí)、挖掘、推理與決策技術(shù)[90-91]。無人農(nóng)場中復(fù)雜的計(jì)算與推理都交由云平臺解決，給裝備提供了智能的大腦。

綜上，人工智能承擔(dān)無人農(nóng)場信息的優(yōu)化和決策任務(wù)，智能識別、智能學(xué)習(xí)、智能推理和智能決策等技術(shù)讓無人農(nóng)場具有“思考能力”，實(shí)現(xiàn)云管控平臺的無人化，是無人農(nóng)場的關(guān)鍵所在，為實(shí)現(xiàn)智能裝備與機(jī)器人的精準(zhǔn)作業(yè)控制奠定了基礎(chǔ)。

2.4 智能裝備、機(jī)器人與無人農(nóng)場

無人農(nóng)場智能裝備與機(jī)器人是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理及產(chǎn)后環(huán)節(jié)等整個過程中所用到設(shè)備的統(tǒng)稱。無人農(nóng)場智能裝備由移動裝備和固定裝備組成。移動裝備主要包括無人車、無人機(jī)、無人船和移動作業(yè)機(jī)器人等，固定裝備主要包括智能飼喂機(jī)、分類分級機(jī)、自動增氧機(jī)和水肥一體機(jī)等[92-98]。無人農(nóng)場機(jī)器人分為采摘機(jī)器人、自動巡航管理機(jī)器人、除草機(jī)器人、種植機(jī)器人、水產(chǎn)養(yǎng)殖水下機(jī)器人等[99-101]。智能裝備與機(jī)器人是人工智能與裝備技術(shù)的深度融合，結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)，智能裝備與機(jī)器人將逐漸滿足農(nóng)場的無人化生產(chǎn)、信息化監(jiān)測、最優(yōu)化控制、精準(zhǔn)化作業(yè)和智能化管理等需求。

智能裝備與機(jī)器人能夠完成傳統(tǒng)農(nóng)場人工應(yīng)完成的工作，是無人農(nóng)場實(shí)現(xiàn)機(jī)器完全替換人工勞動的關(guān)鍵。智能裝備與機(jī)器人依靠狀態(tài)智能識別、故障智能診斷以及健康管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人農(nóng)場裝備與機(jī)器人狀態(tài)的數(shù)字化監(jiān)測[102-103]；智能裝備與機(jī)器人依靠智能計(jì)算、機(jī)器視覺、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃以及傳感器、遙感等技術(shù)的支撐，實(shí)現(xiàn)智能裝備與機(jī)器人的自動導(dǎo)航與控制和農(nóng)場信息的智能感知[104-107]；高效發(fā)動機(jī)/電動機(jī)智能控制、智能液壓動力換擋和多動力智能匹配等動力驅(qū)動智能化技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)場裝備與機(jī)器人提供動力來源，保障機(jī)器智能作業(yè)在最佳狀態(tài)下[108]；針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景的各種作業(yè)的運(yùn)動空間、時間、能耗、作業(yè)強(qiáng)度，智能裝備與機(jī)器人通過智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和智能作業(yè)[109-110]。此外，在農(nóng)場數(shù)據(jù)上傳至云端之前，無人農(nóng)場智能裝備與機(jī)器人能夠進(jìn)行源數(shù)據(jù)的邊緣計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送至云端，提升了整個無人農(nóng)場系統(tǒng)的智能化和計(jì)算能力。無人農(nóng)場中固定裝備與移動裝備的協(xié)同作業(yè)，完成了無人農(nóng)場的精準(zhǔn)自主作業(yè)任務(wù)，無人車、無人船、無人機(jī)在移動裝備中發(fā)揮了重要作用[111-113]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等與智能裝備和機(jī)器人的融合應(yīng)用，無人農(nóng)場智能裝備與機(jī)器人將逐步替代農(nóng)民手工勞動進(jìn)入農(nóng)場完成自主作業(yè)任務(wù)。智能裝備與機(jī)器人在無人農(nóng)場中的廣泛應(yīng)用能夠徹底實(shí)現(xiàn)“農(nóng)民足不出戶，通過智能終端發(fā)出指令，就能種好莊稼、種好菜、養(yǎng)好牛、養(yǎng)好魚”等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。無人農(nóng)場四大關(guān)鍵技術(shù)在農(nóng)場中扮演著不同的角色，缺一不可，隨著四大關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步、完善與成熟，機(jī)器換人逐漸成為可能，無人農(nóng)場未來可期。

3 無人農(nóng)場的系統(tǒng)組成

不同場景無人農(nóng)場的具體表現(xiàn)形式不同，但無人農(nóng)場基本是由基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、作業(yè)裝備系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和管控云平臺系統(tǒng)等組成。無人農(nóng)場四大系統(tǒng)各司其職，又相互聯(lián)系、協(xié)同運(yùn)行，共同完成無人農(nóng)場智能生產(chǎn)和管理等任務(wù)，共同保障整個無人農(nóng)場的正常運(yùn)行。無人農(nóng)場系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 無人農(nóng)場的系統(tǒng)組成Fig.3 System composition of unmanned farm

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

無人農(nóng)場基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)通常包括廠房、道路、水、電、倉庫、車庫、通信節(jié)點(diǎn)和傳感器安裝節(jié)點(diǎn)等基礎(chǔ)條件，是無人農(nóng)場的基礎(chǔ)物理構(gòu)架，為農(nóng)場無人化作業(yè)提供了工作環(huán)境保障?；A(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)為無人農(nóng)場作業(yè)裝備系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和管控云平臺系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)工作條件和環(huán)境，是整個無人農(nóng)場運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于農(nóng)業(yè)場景差異大，無人農(nóng)場的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)有較大差異，但基礎(chǔ)前提都是為機(jī)器換人提供必要條件。加強(qiáng)農(nóng)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)水林路電房綜合配套，提高無人農(nóng)場規(guī)模和生產(chǎn)力水平，為無人農(nóng)場的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

3.2 作業(yè)裝備系統(tǒng)

作業(yè)裝備系統(tǒng)是無人農(nóng)場生產(chǎn)和管理過程中使用的設(shè)備和裝置的統(tǒng)稱，根據(jù)作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)分為固定裝備和移動裝備，是無人農(nóng)場的核心組成部分。固定裝備即不需移動即可完成無人農(nóng)場的自主作業(yè)任務(wù)的設(shè)備，如圖3所示，主要包括無人牧場的飼喂設(shè)備、智能穿戴設(shè)備、奶牛擠奶設(shè)備和雞蛋分揀設(shè)備等，無人漁場的投餌、增氧、計(jì)數(shù)和循環(huán)水處理設(shè)備，無人溫室的水肥一體化設(shè)備、濕簾風(fēng)機(jī)、環(huán)境調(diào)控等設(shè)備。此外，固定裝備還包括農(nóng)產(chǎn)品分揀裝備和包裝裝備等。固定裝備具有單獨(dú)可調(diào)控能力，并可以與其他設(shè)備和移動裝備結(jié)合，在自身不移動的條件下進(jìn)行系統(tǒng)的作業(yè)控制。移動裝備系統(tǒng)是指在移動過程中完成農(nóng)場作業(yè)任務(wù)，如大田農(nóng)場中耕播種機(jī)械、收獲機(jī)械、植保機(jī)械等各種作業(yè)機(jī)械。無人車、無人船、無人機(jī)是無人農(nóng)場中最重要的移動裝備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無人運(yùn)輸任務(wù)，還可以作為搭載其他智能作業(yè)裝備的平臺。此外，移動裝備還包括各種移動機(jī)器人設(shè)備。移動裝備與固定裝備是農(nóng)場作業(yè)的執(zhí)行者，它們之間的有效對接和配合作業(yè)，增加了無人農(nóng)場智能裝備與機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和工作效率，提高了無人農(nóng)場智能化水平，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器對人工作業(yè)的替換。

3.3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)是指無人農(nóng)場信息的智能感知系統(tǒng)和裝置、設(shè)備的智能控制系統(tǒng)，是無人農(nóng)場關(guān)鍵信息的數(shù)據(jù)來源，主要由“測”和“控”兩部分組成。測控系統(tǒng)主要是通過各種傳感器、空間信息設(shè)備、攝像裝置、定位導(dǎo)航裝置和無線傳輸模塊等快速獲取農(nóng)場環(huán)境信息、種養(yǎng)對象的生長狀態(tài)、裝備的運(yùn)行狀態(tài)，以保障各種信息的實(shí)時監(jiān)測和通信，從而進(jìn)行裝備端的精準(zhǔn)自主作業(yè)控制。測控系統(tǒng)是農(nóng)場的感官系統(tǒng)，為無人農(nóng)場提供了關(guān)鍵信息支撐，如畜禽養(yǎng)殖場的畜禽健康狀況、喂養(yǎng)情況、位置信息及發(fā)情預(yù)測等，大田的氣候氣象、農(nóng)作物面積、密度、土壤及病蟲害等數(shù)據(jù)，智能裝備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障診斷以及健康管理等信息。測控系統(tǒng)為無人農(nóng)場建立了數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，提供了數(shù)據(jù)支撐，完成了智能裝備與機(jī)器人的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)了種養(yǎng)對象的精準(zhǔn)生產(chǎn)管理。

3.4 管控云平臺系統(tǒng)

無人農(nóng)場具有海量的信息資源，且不同場景作業(yè)任務(wù)復(fù)雜多變，因此無人農(nóng)場需要對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行智能存儲、識別、學(xué)習(xí)，并完成知識的推理以及機(jī)器的智能決策。無人農(nóng)場云平臺系統(tǒng)能夠進(jìn)行無人農(nóng)場各種信息和數(shù)據(jù)的存儲、學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)處理、推理、決策的云端計(jì)算，以及有效信息的挖掘和各種作業(yè)指令、命令的下達(dá)，并建立可視化模型，是無人農(nóng)場的神經(jīng)中樞。無人農(nóng)場海量數(shù)據(jù)的存儲、處理和大量計(jì)算都在云端進(jìn)行，并通過云平臺進(jìn)行可視化展示。此外，云平臺系統(tǒng)還具有用戶管理和安全管理等基礎(chǔ)功能。整個管控云平臺系統(tǒng)不需人的干預(yù)獨(dú)立完成各項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場無人管理和決策。

無人農(nóng)場四大系統(tǒng)的角色、結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但進(jìn)行無人農(nóng)場作業(yè)時，四大系統(tǒng)之間互相密切配合，形成完整的無人農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)。無人農(nóng)場四大系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，協(xié)同運(yùn)行，系統(tǒng)工作，共同完成無人農(nóng)場農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場機(jī)器對人工作業(yè)的替換。

4 無人農(nóng)場類型

農(nóng)業(yè)一般分為種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)4種產(chǎn)業(yè)模式，根據(jù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用方式及類型的不同，無人農(nóng)場可以分為大田種植、溫室大棚、果園種植、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖等五大典型應(yīng)用場景(圖4)。五大場景的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式各有差異，但本質(zhì)都是實(shí)現(xiàn)完全的機(jī)器代替人工，完成農(nóng)場各種生產(chǎn)、管理任務(wù)。

圖4 無人農(nóng)場五大類型Fig.4 Five types of unmanned farm

4.1 無人大田

無人大田農(nóng)場是最早提出無人農(nóng)場概念的類型，英國哈珀亞當(dāng)斯農(nóng)業(yè)大學(xué)一個農(nóng)業(yè)工程師團(tuán)隊(duì)建立了全球首家無人大田農(nóng)場。該農(nóng)場的耕、種、播、收、灌和植保作業(yè)等全部流程都通過無人駕駛拖拉機(jī)及相應(yīng)的作業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人操作，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種無人農(nóng)場模式代表了農(nóng)業(yè)未來基本的設(shè)計(jì)思路。研究者在此基礎(chǔ)上通過增加無人機(jī)遙感、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的種植面積、種植密度、長勢信息和病蟲害信息的實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，通過無人車實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料運(yùn)輸和倉儲的無人化作業(yè)等，從而真正實(shí)現(xiàn)了不需要人進(jìn)入農(nóng)場就可以完成所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理任務(wù)。

4.2 無人果園

無人果園是指智能感知、智能分析、智能作業(yè)和智能裝備技術(shù)在果園生產(chǎn)中的集成應(yīng)用。無人果園通過除草機(jī)器人、剪枝機(jī)器人、植保無人機(jī)、套袋機(jī)器人、無人運(yùn)輸車、倉儲搬運(yùn)機(jī)器人等設(shè)備實(shí)現(xiàn)果園的日常無人作業(yè)；通過對水肥一體化裝備的智能調(diào)控實(shí)現(xiàn)果園的精準(zhǔn)灌溉和施肥，確保果樹生長在最佳狀態(tài)；通過采摘機(jī)器人、自動分揀裝備、自動包裝裝備實(shí)現(xiàn)果園的采收；通過無人運(yùn)輸車和裝載機(jī)器人對肥料、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料開展庫房與果園間運(yùn)輸與加注等工作。無人果園模式的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了果園環(huán)境自主調(diào)控、無人植保以及農(nóng)產(chǎn)品的無人收獲、運(yùn)輸和處理。

4.3 無人溫室

無人溫室是指集數(shù)字化、智能化于一體的無人溫室大棚種植。一方面無人溫室通過自主調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、濕簾機(jī)、遮陽網(wǎng)、補(bǔ)光燈等自主調(diào)控溫室環(huán)境，保障溫室作物(蔬菜、花卉、水果)生長在最佳的環(huán)境下；另一方面無人溫室通過園藝整枝機(jī)器人開展日常剪枝打叉等管理，通過水肥一體化施用裝備實(shí)現(xiàn)溫室大棚精準(zhǔn)灌溉和施肥，通過采摘機(jī)器人、無人運(yùn)輸車、自動分揀裝備、自動包裝裝備實(shí)現(xiàn)溫室的采收，通過無人運(yùn)輸車和裝載機(jī)器人運(yùn)輸肥料、農(nóng)藥等以開展庫房與溫室間運(yùn)輸與加注等工作。

4.4 無人牧場

無人牧場是無人畜禽圈舍等養(yǎng)殖牧場的統(tǒng)稱，是指畜禽育種、繁育、飼養(yǎng)和疾病防疫等環(huán)節(jié)以及產(chǎn)后運(yùn)輸、處理等全過程的無人化精細(xì)養(yǎng)殖模式。一方面無人牧場通過無人運(yùn)輸車和裝載機(jī)器人開展飼料等庫房與養(yǎng)殖間運(yùn)輸與飼料倉加注，通過自主飼喂設(shè)備實(shí)現(xiàn)畜、禽等精準(zhǔn)飼喂，通過空氣過濾裝置和溫濕度調(diào)控裝置，確保畜、禽等養(yǎng)殖動物生長在最佳的環(huán)境；另一方面通過擠奶機(jī)器人、糞便清掃機(jī)器人、飼草(料)給喂機(jī)器人、自動撿蛋機(jī)和自動包裝機(jī)完成畜、禽場的日常作業(yè)。此外，無人牧場通過智能穿戴設(shè)備提高畜禽個體特征智能識別水平，加強(qiáng)動物疫病疫情的精準(zhǔn)診斷、預(yù)警和防控。無人牧場利用環(huán)境控制系統(tǒng)、智能裝備系統(tǒng)以及信息化管理系統(tǒng)等進(jìn)行牧場無人化精細(xì)養(yǎng)殖，降低了畜禽死亡率，提升了畜、禽質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了畜、禽養(yǎng)殖場的機(jī)器代人目的。

4.5 無人漁場

無人漁場類型較多，主要包括無人池塘養(yǎng)殖、陸基工廠養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、海洋牧場等。漁場無人化主要體現(xiàn)在以下方面：無人漁場通過自動增氧和水處理裝備自主調(diào)控養(yǎng)殖水體環(huán)境，保證魚蝦蟹貝等生長在最佳環(huán)境下；通過無人運(yùn)輸船和裝載機(jī)器人開展飼料等庫房與養(yǎng)殖間運(yùn)輸與飼料倉自主加注，并提供自主飼喂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)魚蝦蟹貝的精準(zhǔn)自動飼喂；通過無人機(jī)、無人船、水下機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的巡檢；通過智能吸魚泵、分魚器、捕魚船等裝置實(shí)現(xiàn)魚蝦蟹貝類的收獲；通過水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)死魚撿拾、網(wǎng)衣巡檢、魚類生長監(jiān)測、網(wǎng)衣清洗等智能作業(yè)。

5 結(jié)論與展望

無人農(nóng)場代表著最先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，可以極大提高勞動生產(chǎn)率，提高資源利用率和單位土地產(chǎn)出率，特別是水肥藥的利用率，將實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)勞動力的徹底解放，是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，必將引領(lǐng)數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式的發(fā)展。也必須清醒地認(rèn)識到，無人農(nóng)場的成本與勞動力成本密切相關(guān)，當(dāng)前在農(nóng)業(yè)勞動力成本低的情況下，無人農(nóng)場的成本昂貴，隨著勞動力成本的進(jìn)一步提高和無人農(nóng)場技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，無人農(nóng)場成本會相對越來越低。在2050年前后，當(dāng)2020年以后出生人口以及2030年以后出生人口逐漸成為主流農(nóng)業(yè)勞動力時，無人值守農(nóng)場必將迎來快速推廣普及。從現(xiàn)在開始布局無人農(nóng)場理論、技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)，對加速推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化意義重大。

(1)加強(qiáng)無人農(nóng)場基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)用產(chǎn)品研發(fā)：無人農(nóng)場是新生事物，無人農(nóng)場的基礎(chǔ)理論關(guān)鍵技術(shù)有許多問題值得進(jìn)一步深入探索。當(dāng)前迫切需要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)傳感器、動植物表型及生長優(yōu)化調(diào)控模型、自主作業(yè)機(jī)器人等卡脖子技術(shù)的研發(fā)；在農(nóng)機(jī)無人駕駛、無人機(jī)、無人豬場、無人雞場、無人漁場等數(shù)字化基礎(chǔ)好、可控性強(qiáng)的領(lǐng)域進(jìn)行率先嘗試，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、聯(lián)合開發(fā)、委托開發(fā)和共建研發(fā)基地、產(chǎn)業(yè)化中試基地等手段，促進(jìn)無人農(nóng)場技術(shù)試驗(yàn)示范與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

(2)編制無人農(nóng)場發(fā)展規(guī)劃：圍繞無人農(nóng)場技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)化、推廣、應(yīng)用和服務(wù)過程中的重大問題，做好頂層設(shè)計(jì)，制定無人農(nóng)場在農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和特色區(qū)域的發(fā)展方向、重點(diǎn)領(lǐng)域、發(fā)展模式及推進(jìn)路徑，合理布局無人農(nóng)場重大應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，強(qiáng)化政府對無人農(nóng)場工作的宏觀指導(dǎo)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，集聚項(xiàng)目、資金、科技、人才等資源，促進(jìn)無人農(nóng)場的應(yīng)用發(fā)展。

(3)探索無人農(nóng)場發(fā)展商業(yè)模式：無人農(nóng)場最終都要商業(yè)化、企業(yè)化，要充分發(fā)揮協(xié)會、聯(lián)盟、企業(yè)的作用，構(gòu)建以應(yīng)用需求為牽引，以企業(yè)為主體，以市場需求為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的無人農(nóng)場合作發(fā)展模式，鼓勵大型農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)積極探索。

(4)進(jìn)一步優(yōu)化和完善無人農(nóng)場政策環(huán)境：無人農(nóng)場是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是未來發(fā)展趨勢，在當(dāng)前技術(shù)和商業(yè)模式尚不成熟的條件下，其成本高、投入大，因此需要政府構(gòu)建無人農(nóng)場發(fā)展的政策支持環(huán)境，加快制訂包括補(bǔ)貼、投資、金融、信貸、稅收、重大項(xiàng)目建設(shè)等政策支撐體系，鼓勵民營資本進(jìn)入，促進(jìn)無人農(nóng)場產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。