我國無人農(nóng)場的現(xiàn)狀與展望

潘軼群王文強王躍勇高宇

(1.長春市農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130062；2.吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林 長春 130000)

1 農(nóng)場的發(fā)展歷史

隨著人類社會的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式不斷變化，推動了農(nóng)場形式的歷史演替，農(nóng)場經(jīng)歷了人力、機械化、自動化和信息化的發(fā)展過程。

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)場

在以內(nèi)燃機提供動力的農(nóng)業(yè)機械廣泛應(yīng)用以前，傳統(tǒng)農(nóng)場一直是國內(nèi)外農(nóng)場的主流形式。傳統(tǒng)農(nóng)場主要以人力、畜力，并配以簡單的傳統(tǒng)農(nóng)耕生產(chǎn)工具，施用自然肥料，進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。傳統(tǒng)農(nóng)場具有土地面積大、勞動力需求大和農(nóng)耕生產(chǎn)工具作業(yè)效率低等特點。

1.2 機械化農(nóng)場

工業(yè)革命以來,科技不斷發(fā)展，機械化農(nóng)場逐漸走進歷史舞臺。機械化農(nóng)場，在傳統(tǒng)農(nóng)場基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代化農(nóng)機具進行大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅降低了生產(chǎn)成本和勞動強度，而且使得勞動生產(chǎn)率顯著提高。主要發(fā)達國家在20世紀60年代已經(jīng)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械化。我國雖然農(nóng)業(yè)機械化起步較晚，但是目前我國農(nóng)業(yè)機械化水平正在不斷提高，基本實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械化。

1.3 自動化農(nóng)場

20世紀80年代以來，我國信息技術(shù)迅猛發(fā)展，計算機越來越多地被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，促進了自動化農(nóng)場的誕生。自動化農(nóng)場是在機械化農(nóng)場基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械與信息技術(shù)結(jié)合,用自動化裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)機械裝備。然而，自動化農(nóng)場仍然存在一些問題，如不同地塊的環(huán)境差異大，需要使用不同的農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)，仍然離不開人類的操作和管理。

1.4 無人農(nóng)場

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無人農(nóng)場的概念被提出來，英國哈珀·亞當斯大學(Harper Adams University)與 Precision Decision公司建成了世界上首個無人農(nóng)場(Hands-Free Farm)[1]。2017年，世界上首個蔬菜無人農(nóng)場在日本建立。目前，美國、日本和歐洲的一些發(fā)達國家建立的無人農(nóng)場逐漸投入應(yīng)用。我國北京、山東和江蘇的無人農(nóng)場也逐漸開始試驗探索，建設(shè)無人農(nóng)場是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢。無人農(nóng)場，不需要人頻繁進入農(nóng)場，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)等技術(shù)，全天候、全過程自主完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)?！盁o人化”是無人農(nóng)場的本質(zhì)特征。

2 無人農(nóng)場的概念及其進階狀態(tài)

2.1 無人農(nóng)場的概念

無人農(nóng)場是在人不進入農(nóng)場的情況下，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、機器人等新一代信息技術(shù)，通過對農(nóng)場設(shè)施、裝備、機械等遠程控制或智能裝備與機器人的自主決策、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)是實現(xiàn)機器換人[2]。

2.2 無人農(nóng)場的進階狀態(tài)

根據(jù)智能農(nóng)業(yè)裝備參與程度的不同，可將無人農(nóng)場劃分為3個不斷進階的形態(tài)，依次為遠程控制、無人值守和自主作業(yè)的無人農(nóng)場[3]。

2.2.1 遠程控制無人農(nóng)場階段

此階段是無人農(nóng)場的萌芽階段。人類對無人農(nóng)場的遠程操作，通過遠程控制技術(shù)來實現(xiàn)。無人農(nóng)場雖然不需要人類現(xiàn)場介入，但是無人農(nóng)場生產(chǎn)環(huán)節(jié)的規(guī)劃決策和遠程操作仍然需要人類參與。

2.2.2 無人值守無人農(nóng)場階段

此階段是無人農(nóng)場的中級階段，雖然不再需要專人全天候?qū)r(nóng)場設(shè)備進行實時遠程操作，但是需要在規(guī)定時間下達決策指令。人類在無人農(nóng)場中的主要角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由無人農(nóng)場的操作者變?yōu)闆Q策者。

2.2.3 自主作業(yè)無人農(nóng)場階段

該階段是無人農(nóng)場的高級階段。無人農(nóng)場生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)均由無人農(nóng)場自主完成，整個的生產(chǎn)過程不需要人類參與。

3 無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù)

無人農(nóng)場是機器換人所要展現(xiàn)的最終形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)替換了人類的感知器官；大數(shù)據(jù)和人工智能組成智慧云大腦，替換了人類的大腦；無人駕駛的農(nóng)業(yè)機械(簡稱無人駕駛農(nóng)機，泛指用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的所有機器人、無人機、機械裝備等)替換了需要人類四肢參與執(zhí)行的有人駕駛農(nóng)機[4]。

無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù)主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)等。無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù)按照模塊一般可以劃分為感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)模塊、規(guī)劃決策技術(shù)模塊和控制執(zhí)行技術(shù)模塊等。感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)模塊主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，規(guī)劃決策技術(shù)模塊主要包括大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，控制執(zhí)行技術(shù)模塊主要包括無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

近年來，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，衍生出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將環(huán)境、作物和智能農(nóng)業(yè)裝備等信息實時連接，構(gòu)建無人農(nóng)場的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，為無人農(nóng)場提供精準的數(shù)據(jù)支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是無人農(nóng)場智能化的基礎(chǔ)，有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學、準確地進行。

傳感器廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)裝備中，使得無人農(nóng)場的各個生產(chǎn)過程可視可控。如，耕整地機械利用超聲波傳感器、紅外傳感器和壓力傳感器等實時感知機具的耕作深度和耕作阻力等信息。

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)包括有線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。5G技術(shù)作為一種新型無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有傳輸速度快、延時低等優(yōu)點，5G技術(shù)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用將成為智慧農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。

3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要包括大數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和分析等技術(shù)。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠科學合理地分析農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系，進而指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新型資源。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)可以建立并不斷完善無人農(nóng)場經(jīng)驗庫，形成更加科學、準確的方法論來指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)，主要包括智能識別、智能學習、智能推理和智能決策等技術(shù)。人工智能技術(shù)讓無人農(nóng)場擁有智慧的大腦，讓機器具有類似人類的思考能力。無人農(nóng)場在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通過人工智能技術(shù)，自主學習訓練并增長智慧，從而能夠做出更加科學合理的規(guī)劃決策。人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)上主要有農(nóng)作物識別與檢測、農(nóng)作物病蟲害與缺素診斷、農(nóng)作物生產(chǎn)精準管控、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量分揀和溯源、土地與種植資源管理等應(yīng)用場景[5]。

3.4 無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)

無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，主要包括狀態(tài)數(shù)字化監(jiān)測、智能信息感知、自動導航控制、智能動力驅(qū)動和裝備智能作業(yè)等技術(shù)。無人智能農(nóng)業(yè)裝備，主要包括無人駕駛農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)機器人和農(nóng)業(yè)無人機等。

農(nóng)業(yè)機械無人駕駛是無人農(nóng)場的重要表現(xiàn)形式。無人駕駛農(nóng)業(yè)機械主要包括無人駕駛精量播種機械、無人駕駛耕整地機械、無人駕駛植保機械和無人駕駛收獲機械等。在農(nóng)田作業(yè)時，無人駕駛農(nóng)業(yè)機械需要進行合理路徑規(guī)劃、準確姿態(tài)控制、靈敏自動避障和自主停止。

無人駕駛農(nóng)業(yè)機械在實際運行時需要進行行為決策和合理路徑規(guī)劃?？茖W合理的決策和規(guī)劃可以確保無人駕駛農(nóng)業(yè)機械安全工作。規(guī)劃決策技術(shù)模塊是無人駕駛農(nóng)業(yè)機械的大腦，主要由計算單元組成。各種傳感器采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)接嬎銌卧M行計算、規(guī)劃和決策。

無人駕駛農(nóng)業(yè)機械控制執(zhí)行技術(shù)模塊接收由規(guī)劃決策技術(shù)模塊形成的控制命令，并將這些指令輸送給轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)，完成自主轉(zhuǎn)向、制動等操作，實現(xiàn)準確姿態(tài)控制、靈敏自主避障和自主停止。

農(nóng)業(yè)機器人可以分為除草機器人、施肥機器人和收獲機器人等類型。面對復雜工況和惡劣環(huán)境，農(nóng)業(yè)機器人也能正常完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。當農(nóng)業(yè)機器人收到工作指令后，農(nóng)業(yè)機器人能自主移動到作業(yè)位置并進行作業(yè)。

無人駕駛農(nóng)業(yè)機械，與農(nóng)業(yè)機器人和農(nóng)業(yè)無人機等無人智能農(nóng)業(yè)裝備共同組成了無人農(nóng)場地空協(xié)同作業(yè)體系。無人智能農(nóng)業(yè)裝備，是前端物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的重要載體，在前端無人智能感知與規(guī)劃決策的基礎(chǔ)上，完成無人農(nóng)場的具體作業(yè)。

4 無人農(nóng)場的幾種常見應(yīng)用類型和案例

4.1 無人農(nóng)場的幾種常見應(yīng)用類型

4.1.1 大田無人農(nóng)場

大田無人農(nóng)場是最早的無人農(nóng)場應(yīng)用類型。大田場景下的無人農(nóng)場，在控制執(zhí)行技術(shù)模塊上，以大型無人駕駛農(nóng)業(yè)機械為主。

4.1.2 果園無人農(nóng)場

果園無人農(nóng)場，感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)模塊一般包含各類傳感器，實現(xiàn)對果園生產(chǎn)狀態(tài)的實時感知，并通過5G等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將信號實時傳輸至規(guī)劃決策技術(shù)模塊。規(guī)劃決策技術(shù)模塊，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)輸出控制信號至控制執(zhí)行技術(shù)模塊。果園場景下的無人農(nóng)場，在控制執(zhí)行技術(shù)模塊上，以農(nóng)業(yè)機器人、自主作業(yè)車為主。果園中的除草、修剪、施藥、采摘和運輸?shù)戎饕鳂I(yè)環(huán)節(jié)，均由無人機器人和自主作業(yè)車來完成。

4.1.3 溫室無人農(nóng)場

溫室無人農(nóng)場，可以通過溫室環(huán)境傳感器實時獲取、處理溫室作物長勢信息，通過溫室綜合管理平臺對于溫室作物(蔬菜、水果、花卉等)所處的溫度、水分和肥量等進行規(guī)劃決策，通過溫室農(nóng)業(yè)機器人等實現(xiàn)對溫室各參數(shù)的精準調(diào)節(jié)。

4.1.4 養(yǎng)殖無人農(nóng)場

養(yǎng)殖無人農(nóng)場，主要包括養(yǎng)牛、養(yǎng)豬和養(yǎng)雞無人農(nóng)場。感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)模塊一般包括各類傳感器、動態(tài)巡檢裝置，對動物行為和生長狀況進行實時監(jiān)測；規(guī)劃決策技術(shù)模塊即養(yǎng)殖綜合管理平臺，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理并形成科學的規(guī)劃決策；控制執(zhí)行技術(shù)模塊，實現(xiàn)投喂、清理和室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)等功能，使得養(yǎng)殖無人農(nóng)場的生產(chǎn)管理更加精準高效。

無人農(nóng)場除了以上4種常見的應(yīng)用類型，還有漁業(yè)無人農(nóng)場等應(yīng)用類型。然而不同應(yīng)用類型的無人農(nóng)場，其本質(zhì)大同小異，都是以前文所述的4大無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)建立起來的。

4.2 無人農(nóng)場的案例

華南農(nóng)業(yè)大學集成相關(guān)的智能農(nóng)機裝備，創(chuàng)建了水稻無人農(nóng)場，并在廣東增城進行了實踐。水稻無人農(nóng)場具有耕種管收生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋、機庫田間轉(zhuǎn)移作業(yè)全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產(chǎn)過程實時全監(jiān)控和智能決策精準作業(yè)全無人等5個特點[6]。

山東理工大學在智慧大田種植場景下的生態(tài)無人農(nóng)場模式已經(jīng)基本成熟，并且于2020年在吉林省農(nóng)安縣實現(xiàn)了首次推廣。山東理工大學生態(tài)無人農(nóng)場研究團隊正在向生態(tài)無人農(nóng)場技術(shù)體系下的智慧漁場、智慧果園、智慧溫室等探索和推進，將生態(tài)無人農(nóng)場這一模式和理念進行深層次的探索，為未來農(nóng)業(yè)提供寶貴的借鑒[7]。

北大荒集團紅衛(wèi)農(nóng)場有限公司，利用5G網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和智慧平臺，打造“無人農(nóng)場”樣板。通過設(shè)備改裝聯(lián)結(jié)智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)平臺，實現(xiàn)了無人駕駛遠程操控和協(xié)同作業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)控制中心可實現(xiàn)遠程操控無人插秧作業(yè)全過程，實現(xiàn)精準作業(yè)，達到節(jié)省人力，提高效率的目的[8]。

阿里巴巴公司將人工智能和養(yǎng)豬進行有機融合，建立了“互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)場”。華為公司利用5G等技術(shù)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級。眾多科技公司也正在投入到無人農(nóng)場的建設(shè)和發(fā)展中。

5 無人農(nóng)場的展望

目前，我國無人農(nóng)場建設(shè)剛剛起步，無人農(nóng)場的發(fā)展仍然面臨著一些不可避免的問題。

5.1 無人農(nóng)場的成本與農(nóng)業(yè)勞動力的成本密切相關(guān)

現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)勞動力的成本雖然在緩慢提高，但是仍普遍低于無人農(nóng)場的成本。無人農(nóng)場大規(guī)模投入應(yīng)用不可避免地受到無人農(nóng)場高昂成本的限制。在我國的城鎮(zhèn)化進程中，農(nóng)村人口將不斷減少，農(nóng)業(yè)勞動力成本將持續(xù)提高。無人農(nóng)場技術(shù)的改進和發(fā)展和無人農(nóng)場的逐漸普及，將逐漸降低無人農(nóng)場成本，促進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

5.2 加快無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

以“機器換人”為主要特征的無人農(nóng)場，需要精準、穩(wěn)定和可靠的技術(shù)支撐。我國迫切需要加快對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和無人智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的攻關(guān)。加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用與示范；推進農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展，建立并不斷完善無人農(nóng)場經(jīng)驗庫，形成更加科學、準確的方法論來指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；加快研發(fā)人工智能技術(shù)和無人智能農(nóng)業(yè)裝備。利用高等院校、科研院所和科技公司的科研優(yōu)勢，加快研發(fā)適應(yīng)不同地域、不同地形、不同種植方式和不同養(yǎng)殖方式的無人農(nóng)場關(guān)鍵技術(shù)，并建立研發(fā)基地、試驗基地，集聚項目、人才等資源，促進無人農(nóng)場技術(shù)的示范和規(guī)?；l(fā)展。只有技術(shù)的發(fā)展，才能推動無人農(nóng)場早日普及。

5.3 加強無人農(nóng)場科技人才培養(yǎng)

建立政府、高等院校、科研院所和科技公司等多方聯(lián)動的培養(yǎng)體系，培養(yǎng)無人農(nóng)場尖端人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。加強對無人農(nóng)場相關(guān)的實際操作技術(shù)人員和實際經(jīng)營人員的技術(shù)培訓，并打造一支專業(yè)的無人農(nóng)場技術(shù)推廣隊伍。

5.4 建設(shè)無人農(nóng)場國家技術(shù)標準體系

我國可以根據(jù)國外現(xiàn)有的無人農(nóng)場技術(shù)標準體系，以及國內(nèi)無人農(nóng)場的發(fā)展現(xiàn)狀，建設(shè)適合國內(nèi)無人農(nóng)場現(xiàn)實需求和未來發(fā)展的無人農(nóng)場國家技術(shù)標準體系，以促進我國無人農(nóng)場的標準化發(fā)展。

5.5 無人農(nóng)場需要政府政策支持

政府在信貸、投資和補貼等方面，可制訂和完善支持無人農(nóng)場發(fā)展的相關(guān)政策，調(diào)動企業(yè)投資無人農(nóng)場的積極性，促進無人農(nóng)場快速、健康發(fā)展；加強土地連片整治，支持無人農(nóng)場經(jīng)營規(guī)模的合理擴大。

5.6 加強宣傳

改變?nèi)藗儗τ趥鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)的固有觀念，提高全社會對農(nóng)業(yè)尤其是無人農(nóng)場等新型農(nóng)業(yè)模式的關(guān)注程度和投入力度。無人農(nóng)場代表著先進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，能夠徹底解放農(nóng)業(yè)勞動力，是未來農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，必將引領(lǐng)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展。