智能控制技術在無人農(nóng)場的應用

任震宇，楊雨濤，彭世杰，李方志，王 璇

（綿陽職業(yè)技術學院，四川 綿陽 621000）

農(nóng)業(yè)發(fā)展是國家發(fā)展及人民生活水平提升的必要條件[1-2]。隨著近年來我國科學技術的飛速發(fā)展，各種新型智能控制設備體系不斷完善，將現(xiàn)代化智能技術融入到農(nóng)業(yè)中解決我國目前勞動力缺乏的問題，對于新型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型是很有必要的?！丁笆奈濉蓖七M農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中指出了未來五年農(nóng)村現(xiàn)代化的建設思路和重要任務[3-5]。其中重要任務為提升糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量提供保障水平。相信在國家政策的帶動下，我國新型智能農(nóng)業(yè)建設必將取得突破性進展。

1 智能控制技術的概述

智能控制的思想產(chǎn)生于20世紀60年代，由美籍華人傅景孫教授提出。智能控制是指智能機器獨立實現(xiàn)目標的驅(qū)動過程[6]。機器可獨立操作，無需直接人工干預即可自動控制目標。智能控制最重要的方法為專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。其主要研究對象是不確定模型、高度非線性和復雜的任務需求。智能控制以控制理論、科學信息學、人工智能等學科為基礎，擴展了相關理論和技術。生產(chǎn)過程中的智能控制首先包括局部智能控制和全局智能控制。

智能控制技術在農(nóng)業(yè)中廣泛應用[7]。在現(xiàn)代先進制造系統(tǒng)中，我們不得不依靠這些不完整和不準確的數(shù)據(jù)來解決不可預測的情況。近年來，智能控制技術在國內(nèi)外發(fā)展迅速，進入了技術實踐階段。但作為一種新的理論和技術，它仍處于發(fā)展階段。隨著人工智能和計算機技術的飛速發(fā)展，智能控制將進入一個新的發(fā)展階段。

2 無人農(nóng)場的發(fā)展進程對比

2.1 傳統(tǒng)農(nóng)場

中國是世界農(nóng)業(yè)的發(fā)祥地之一。自古以來，中國人就以勤勞勇敢著稱，野生植物的馴化和栽培是很久以前的事了。因此，中國對世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出了重大貢獻。戰(zhàn)國時期《墨子》一書中提到“農(nóng)夫早出暮入，耕稼樹藝。[8-9]”體現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的繁忙表現(xiàn)，傳統(tǒng)農(nóng)場模式具有效率低、枯燥、勞累等問題且務農(nóng)工作者要面臨各種氣候變化，會直接影響到收獲成果。傳統(tǒng)耕種依賴牲畜以及人工播種、施肥、收割。

2.2 機械化農(nóng)場

隨著社會主義工業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化事業(yè)從無到有，從少到多，并取得了顯著成果[10]。到目前為止，盡管一些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)勞動力。但農(nóng)業(yè)機械化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。

不同時期農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展方式不同。在集體化時期，由于大眾合作社生產(chǎn)合作形式的出現(xiàn)，他們享有共同的生產(chǎn)資料，生產(chǎn)大中型農(nóng)業(yè)機械。在此期間，小型拖拉機以其靈活的性能和低廉的成本迅速發(fā)展。隨著經(jīng)濟水平的提高以及農(nóng)業(yè)人工的減少，大中型農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)效率進一步提高。農(nóng)業(yè)機械化可以節(jié)省部分勞動力，減輕勞動強度，提高部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。從1978年開始，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展環(huán)境發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)機械化需求快速增長與國家政策的強力扶持。但由于勞動力價格迅速上漲，該時期還是達不到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)的穩(wěn)定[11]。

2.3 智能控制無人農(nóng)場

近年來我國在計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面都取得了舉世矚目的進展。隨著這些技術的突破，智能控制無人農(nóng)場的概念被提出。隨著農(nóng)業(yè)科技的跨越式發(fā)展，一場由智能科技“領跑”的革命正在蓬勃興起，農(nóng)業(yè)領域在發(fā)生巨變。我國在2019年6月實現(xiàn)了國內(nèi)首個由智能控制技術實現(xiàn)的生態(tài)無人農(nóng)場，該農(nóng)場實現(xiàn)了農(nóng)機自動化作業(yè)，只需手機APP控制，就能輕松實現(xiàn)整個農(nóng)場的灌溉和施肥，生長過程都是在無人監(jiān)控下完成的。無人農(nóng)場是把各種現(xiàn)代化技術一齊運用，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕、種、管、收等環(huán)節(jié)的全方面支撐，將大大提高農(nóng)場的作業(yè)效率，節(jié)約人工成本。

3 智能控制下無人農(nóng)場具有的功能進階

智能控制無人農(nóng)場，主要體現(xiàn)在智能化、無人化，通過物聯(lián)網(wǎng)，將萬物互聯(lián)，通過人工智能代替人工操作并做出判斷，這便是智能控制無人農(nóng)場的特征。

3.1 遠程控制

由管理人員在異地通過計算機無線或電信號對農(nóng)場設備進行控制。無人農(nóng)場尚處在初期階段，雖然自動化農(nóng)場已經(jīng)基本實現(xiàn)自動化作業(yè)，但由于軟件系統(tǒng)尚未成熟，各種設備之間還未實現(xiàn)互聯(lián)，做不到設備聯(lián)合作業(yè)，仍需相關工作人員進行遠程操作發(fā)出指令。

3.2 無人值守

該階段無需通過遠程操作使設備運作。各種農(nóng)業(yè)設備通過數(shù)據(jù)處理等網(wǎng)絡連接，建立起一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但由于此時農(nóng)業(yè)設備不夠智能化，部分決策機器無法自主選擇執(zhí)行命令，致使管理人員還必須在指定時間進行遠程操作，確保設備完成工作[8]。此階段管理員的主要任務不是操作任務，而是給設備下達命令。

3.3 自主作業(yè)

此階段智能化無人農(nóng)場通過計算機在農(nóng)業(yè)設備中植入程序，再利用5G技術、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)收集等眾多智能化技術讓其變得有自主判斷、自主選擇、自主執(zhí)行的能力。此時智能控制技術向農(nóng)業(yè)設備提供自主執(zhí)行的支撐。管理人員僅對設備進行清洗維護，對不能正常工作的設備部件進行更換。此時的智能化無人農(nóng)場系統(tǒng)已有自己的“大腦”。

4 智能控制技術在無人農(nóng)場中的應用

智能控制的“無人農(nóng)場”是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設的標志，它的出現(xiàn)代表著未來智慧農(nóng)業(yè)的技術方向。此技術的技術核心涉及到物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、5G技術、大數(shù)據(jù)、人工智能等。農(nóng)場的生產(chǎn)、濕度、溫度光照和作物生長的階段都是通過以上技術控制。大數(shù)據(jù)及人工智能組成無人農(nóng)場的智慧大腦。按照模塊劃分關鍵技術可分為感知數(shù)據(jù)模塊和決策模塊。感知模塊主要包含物聯(lián)網(wǎng)技術應用及各種視覺傳感器的應用。決策模塊主要由人工智能、智能控制、大數(shù)據(jù)進行應用[2]。智能控制技術的支撐是為無人農(nóng)場配備“智能大腦”，使無人農(nóng)場“能思考”，如圖1所示。

圖1 無人農(nóng)場示意圖

4.1 視覺傳感在無人農(nóng)場中的應用

視覺傳感作為人工智能技術下一個最為重要的技術，在無人農(nóng)場也是最為關鍵的技術。農(nóng)業(yè)設備在自主采摘過程中需要有適當?shù)墓庹蘸鸵欢ǖ目臻g范圍并具備在其他遮擋物遮擋的情況下確定物體空間位置的能力。果實于農(nóng)業(yè)設備距離的確定就顯得尤為重要，視覺傳感技術的測量距離就是一種最為有效的方法。

給農(nóng)業(yè)設備裝入CCD攝像機，在農(nóng)機移動過程中CCD攝像機實時開啟距離測算，進行距離精準定位。如在遇到果實前方有障礙物的情況時可以有效避開障礙物進行采摘。視覺傳感還可在農(nóng)機設備需要解決部分特殊問題時提供幫助，如在收獲果實時，對于篩選一些未成熟的果實和殘次品的鑒別有很大幫助。

農(nóng)業(yè)機械的自主操作必須基于導航系統(tǒng)的控制。基于視覺檢測原理的視覺導航技術是農(nóng)業(yè)機械導航方式中最為深入的研究。視覺導航是在農(nóng)業(yè)機械中安裝CCD攝像機，獲取周圍環(huán)境的圖像，進行路徑規(guī)劃，并命令農(nóng)業(yè)機械移動到預定的工作地點的采摘過程（圖2）。視覺導航具備目標成像完整，探測范圍廣等優(yōu)點。能在復雜惡劣的環(huán)境下進行精準定位，因此高速圖傳處理和硬件及合理算法是保證視覺導航正常運作的基礎。視覺傳感技術具有可靠性高、成本低、圖像處理容易實現(xiàn)等優(yōu)點，因此運用于無人農(nóng)場是最為合適，也是農(nóng)場最為重要的技術之一。

圖2 視覺傳感技術采摘過程

4.2 大數(shù)據(jù)在無人農(nóng)場中的應用

大數(shù)據(jù)為智能化、無人農(nóng)場提供了一種異構(gòu)多源數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)了消除虛假保真度、消除厚度和保持精度、分類等處理方法。它可以提取、分析和發(fā)現(xiàn)許多云數(shù)據(jù)知識，形成傳統(tǒng)的業(yè)務知識庫。它實際上可以存儲所有類型的數(shù)據(jù)并形成歷史數(shù)據(jù)，還可以用來學習農(nóng)場管理和控制。可與云技術和邊緣計算相結(jié)合，形成高效的計算能力。從而保證農(nóng)業(yè)運營，特別是農(nóng)業(yè)機械設備的快速響應。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)在無人農(nóng)場中的應用

物聯(lián)網(wǎng)作為無人農(nóng)場智能管理的重要支撐技術，提供了全面的傳感器識別技術，確保動植物在最佳環(huán)境中生長，并提供以圖像處理為核心的表型動植物技術和視覺導航技術，確保遙感技術實時捕捉動植物生長和生長調(diào)控關鍵參數(shù)；提供設備現(xiàn)場和最先進的檢測技術，確保設備導航和維護技術運行參數(shù)?？傊萍嘉锫?lián)網(wǎng)使農(nóng)業(yè)裝備無人聯(lián)網(wǎng)成為可能，保證在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理過程中對可靠信息和傳輸?shù)母兄?/p>

5 智能控制無人農(nóng)場的實際案例

5.1 碧桂園全球首個萬畝無人農(nóng)場投運

2020年10月11 日，碧桂園收割萬畝無人農(nóng)場正式試驗投放。各種嘈雜的設備正在田野中移動，17家公司的智能農(nóng)機設備組裝完成，成功展示了世界上最先進的農(nóng)業(yè)技術，覆蓋農(nóng)作物從春到秋的作業(yè)。整個操作過程均已實現(xiàn)無人化農(nóng)業(yè)設備作業(yè)（圖3）。

圖3 無人駕駛收割

5.2 四川首個無人農(nóng)場投運

2021年12月2 日，由西華大學和成都大邑縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局聯(lián)合建設的四川首個無人化農(nóng)場正式投運，在300畝的農(nóng)場試驗田內(nèi)田間工作人員點擊電腦發(fā)出指令，無人駕駛的農(nóng)業(yè)設備便從機庫駛出，開始有序地工作。此次投運全程只用2-3名工作人員，他們負責用電腦對系統(tǒng)進行智能控制，閑余時間去田間視察和對設備進行能源補給及維護。

6 結(jié)束語

本文主要介紹隨著人工智能近年來的不斷發(fā)展，智能控制已經(jīng)向農(nóng)業(yè)大幅度推廣。智能控制在無人農(nóng)場的應用已經(jīng)在我國多個地區(qū)開始進行，加之近些年來國家相繼出臺多項農(nóng)業(yè)相關政策，大力支持現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設，全面推廣無人化農(nóng)場規(guī)劃和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)并提高應用水平。了解智能控制無人農(nóng)場所需用到的核心技術，并解決短板技術，防止過度依賴于他國技術而在關鍵技術上被“卡脖子”。智能控制無人農(nóng)場代表以先進技術進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，相信在現(xiàn)代化建設的今天。智能控制下的無人農(nóng)場必將在精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。