丘陵山區(qū)水稻無人化農(nóng)場應(yīng)用及實(shí)踐
——以劍河縣水稻無人農(nóng)場為例分析

袁 旭，陸建彬，郭林杰

（1.貴州省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣總站，貴州 貴陽 550004；2.黔東南州農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，貴州 凱里 556099）

0 引言

隨著世界人口的不斷增長，糧食安全問題一直被世界各國廣泛關(guān)注。我國土地遼闊，一直是農(nóng)業(yè)大國，但不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度與農(nóng)業(yè)強(qiáng)國相比還有很大的差距[1-3]。智能農(nóng)機(jī)與無人農(nóng)場是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高級形式，而農(nóng)業(yè)裝備的智能化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路。我國三分之二的土地為丘陵山區(qū)，其耕地面積超過我國總耕地面積的30%。丘陵山區(qū)的多樣性表現(xiàn)在地理環(huán)境和種植模式的多樣性，對作業(yè)農(nóng)機(jī)的要求較高，而智能農(nóng)機(jī)裝備能在動態(tài)環(huán)境下，將農(nóng)業(yè)技術(shù)與先進(jìn)的電子技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)等相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)與管理的智能化。所以在田塊較小且不規(guī)則等復(fù)雜的土地環(huán)境下，智能農(nóng)機(jī)能夠充分凸顯作業(yè)的柔性，自動調(diào)整作業(yè)參數(shù)，按照土地條件進(jìn)行作業(yè)規(guī)劃，滿足丘陵山區(qū)對于農(nóng)機(jī)適地能力強(qiáng)、一機(jī)多用的現(xiàn)實(shí)需求[4]。2023 年中央1 號文件指出，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和資本積累支撐，加快先進(jìn)農(nóng)機(jī)研發(fā)推廣，加快開發(fā)大型智能農(nóng)機(jī)裝備和適用于丘陵山區(qū)的小型機(jī)械和園藝機(jī)械，將輔助駕駛系統(tǒng)集成技術(shù)及北斗智能監(jiān)測終端應(yīng)用在智能農(nóng)機(jī)與無人農(nóng)場中[5]。

當(dāng)前，關(guān)于無人化農(nóng)場技術(shù)的應(yīng)用越來越多，國內(nèi)外有關(guān)無人化農(nóng)場的研究成果廣泛，但目前適用于丘陵山區(qū)的水稻無人化農(nóng)場仍處于小范圍試驗(yàn)驗(yàn)證階段。本文介紹了貴州省劍河縣南明水稻無人化農(nóng)場中應(yīng)用的智能農(nóng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，通過分析其實(shí)施與應(yīng)用狀況，為加速發(fā)展我國丘陵山區(qū)水稻無人化農(nóng)場提供參考。

1 智能農(nóng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

無人化農(nóng)場是未來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，而智能農(nóng)機(jī)作為無人農(nóng)場的核心設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)更是發(fā)展的重中之重。智能農(nóng)機(jī)主要為無人農(nóng)場生產(chǎn)提供智能感知、智能導(dǎo)航、智能作業(yè)（精準(zhǔn)作業(yè)）和智能管理，可以減少農(nóng)機(jī)在作業(yè)過程中的人工需求，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的機(jī)械化作業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，其關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）智能機(jī)械技術(shù)。通過無人機(jī)、智能傳感器等采集地理信息、農(nóng)作物生長信息、水肥和病蟲害信息等，同時(shí)利用環(huán)境感知實(shí)現(xiàn)障礙物識別和自動避障；利用轉(zhuǎn)向控制和輔助駕駛控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)無人化自主行駛；基于液壓控制和控制策略等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能拖拉機(jī)自動換擋。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等科研院所針對智能機(jī)械做了大量研究，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械的自動化控制，能滿足信息采集和精準(zhǔn)作業(yè)的要求。

2）智能控制技術(shù)。通過北斗衛(wèi)星定位和MEMS慢性傳感相結(jié)合，融合了外部加速度補(bǔ)償?shù)木€性時(shí)變自適應(yīng)卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)不同作業(yè)工況下的高精度連續(xù)穩(wěn)定定位和測姿，從而保證位置實(shí)時(shí)測量精度；運(yùn)用路徑規(guī)劃方法規(guī)劃出入農(nóng)機(jī)庫路徑、機(jī)庫與田塊間運(yùn)移路徑和田間全自動覆蓋作業(yè)路徑；基于預(yù)瞄跟隨的復(fù)合路徑跟蹤控制器，采用非線性狀態(tài)觀測器對決策期望輪角進(jìn)行側(cè)滑補(bǔ)償，提高農(nóng)機(jī)跟蹤精度；基于車載線控局域網(wǎng)和自動導(dǎo)航作業(yè)局域網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將轉(zhuǎn)向控制、油門調(diào)節(jié)、機(jī)具升降、動力換擋、PTO 輸出和發(fā)動機(jī)啟/停等自動操縱控制裝置有效集成，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)的控制。

3）智慧管理技術(shù)?；跈C(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，利用智慧農(nóng)業(yè)綜合管控平臺，可實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長、病蟲害發(fā)生、環(huán)境和智能農(nóng)機(jī)作業(yè)情況等數(shù)據(jù)的采集、分析和定量決策，通過遠(yuǎn)程命令控制智能農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)[6]。王慧平等[7]基于ArcGIS Server 的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)量和實(shí)時(shí)工況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并對不符合作業(yè)質(zhì)量要求的智能農(nóng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。謝婷婷[8]開發(fā)了一套基于遺傳算法的農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，通過采集地理位置信息，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航，能夠掌握農(nóng)機(jī)分布情況，便于農(nóng)機(jī)統(tǒng)一調(diào)度。

2 劍河縣南明無人農(nóng)場的實(shí)施應(yīng)用情況

為貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略，深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記“毫不放松抓好糧食生產(chǎn)，加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，在探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展道路上創(chuàng)造更多經(jīng)驗(yàn)”的重要指示精神，積極搶抓新國發(fā)2 號文件政策機(jī)遇，緊緊圍繞機(jī)耕地、機(jī)育苗、機(jī)插秧、機(jī)械收割等環(huán)節(jié)，加快全程機(jī)械化作業(yè)，提升主要農(nóng)作物耕、種、管、收綜合機(jī)械化率。貴州劍南農(nóng)科技有限公司從2020 年起對國內(nèi)現(xiàn)有無人農(nóng)場的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研考察，并與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，打造了為集產(chǎn)學(xué)研旅為一體的可持續(xù)、可復(fù)制、可推廣的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，并進(jìn)行了無人化生產(chǎn)試驗(yàn)，取得了較好成效。

2.1 建設(shè)內(nèi)容及規(guī)模

2.1.1 農(nóng)田整理

貴州省劍河縣處于丘陵山區(qū)地帶，田塊大小不一，為提高智能農(nóng)機(jī)作業(yè)效率，應(yīng)先對現(xiàn)有地塊進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，規(guī)劃要求為：①土地田埂應(yīng)整理的較為規(guī)則；②土地應(yīng)較平整，高差不超過10 cm；③單塊土地面積應(yīng)盡量大。結(jié)合地形地勢，劍河縣南明無人農(nóng)場地塊設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 劍河縣南明無人農(nóng)場地塊設(shè)計(jì)

2.1.2 灌溉設(shè)施改造

灌溉設(shè)施作為水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的核心，在一定程度上決定了生產(chǎn)效益。劍河縣南明無人農(nóng)場將原有灌溉設(shè)施升級為智能排灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)由管道系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及智能控制系統(tǒng)組成。排灌渠道與原有渠道互通，渠道上安裝自動排灌水閥，通過遠(yuǎn)程控制排灌水，并與控制中心平臺互聯(lián)，組成智能排灌系統(tǒng)，系統(tǒng)平臺上顯示各渠道水量和排灌閥狀態(tài)，基于這些采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺得出最優(yōu)化的排灌方案，通過手動或自動方式進(jìn)行控制。排灌閥由太陽能供電，無需布控電線纜。部分灌溉系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 部分灌溉系統(tǒng)示意圖

2.1.3 機(jī)庫建設(shè)

機(jī)庫建設(shè)涉及諸多核心要素，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)庫是智能農(nóng)機(jī)實(shí)施作業(yè)的基礎(chǔ)，也是高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。機(jī)庫建設(shè)應(yīng)因地適宜，選址應(yīng)確保拖拉機(jī)盡量不經(jīng)過開放公路，智能農(nóng)機(jī)出庫即到機(jī)耕道，保障行駛安全。結(jié)合無人農(nóng)場作業(yè)機(jī)具情況及信息平臺與科普宣傳等相關(guān)設(shè)施，劍河縣南明無人農(nóng)場機(jī)庫建設(shè)如圖3 所示。

圖3 機(jī)庫建設(shè)圖

2.1.4 智能農(nóng)機(jī)裝備配置

智能農(nóng)機(jī)裝備是運(yùn)行無人農(nóng)場的主體，主要包括無人耕整地作業(yè)機(jī)具、無人播種及無人插秧作業(yè)機(jī)具、無人田間管理機(jī)具、無人收割作業(yè)機(jī)具。負(fù)責(zé)劍河縣南明無人農(nóng)場的貴州劍南農(nóng)科技有限公司成立于2018 年11 月，現(xiàn)該公司擁有大中型拖拉機(jī)（30 馬力以上）5 臺，播種機(jī)2 臺，插秧機(jī)2 臺，聯(lián)合收割機(jī)1 臺，植保無人機(jī)1 臺，其他農(nóng)機(jī)具5 臺。經(jīng)升級處理后的智能農(nóng)機(jī)配置如表1 所示。

表1 劍南縣南明無人農(nóng)場農(nóng)機(jī)配置表

2.2 實(shí)施應(yīng)用情況

2.2.1 耕整地

稻田可采用旱地/水田整地技術(shù)，選用豪豐1GQN-200H 旋耕機(jī)進(jìn)行土地耕整，同步配套智能拖拉機(jī)使用。無人駕駛旋耕機(jī)具備電機(jī)/電液轉(zhuǎn)向、動力換擋/換向、電控液壓提升、耕深自動調(diào)節(jié)、電控離合等功能，作業(yè)時(shí)自動控制機(jī)具升降。耕整作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)速度不低于1 m/s，旋耕2 遍以上。無人駕駛旋耕機(jī)如圖4 所示。

圖4 無人駕駛旋耕機(jī)

2.2.2 種植

采用無人駕駛洋馬2ZGQ-60D 智能高速插秧機(jī)進(jìn)行作業(yè)，21 匹馬力、6 行、30 cm 行距，若天氣不允許，可備選水稻水穴直播方式或無人駕駛機(jī)械插秧。無人駕駛機(jī)械插秧機(jī)如圖5 所示。

圖5 無人駕駛機(jī)械插秧

2.2.3 田間管理

植保噴灑農(nóng)藥采用植保無人飛機(jī)，農(nóng)藥噴施優(yōu)選無人機(jī)噴施，施藥作業(yè)幅寬10 m，單次飛行時(shí)間約為30 min；在特殊情況下采用高地隙無人駕駛噴霧機(jī)施藥，施藥作業(yè)幅寬12 m，藥箱容量為500 L。植保無人機(jī)施藥如圖6 所示。

圖6 植保無人機(jī)施藥

水稻中期施肥采用遙感無人機(jī)采集生成變量施肥處方圖，采用變量施肥無人機(jī)撒施顆粒肥，每天撒肥作業(yè)80～100 畝/臺（1 畝=0.067 hm2）。無人機(jī)撒肥如圖7 所示。

2.2.4 收獲

水稻收獲擬采用主從作業(yè)模式，選用履帶水稻收獲機(jī)和履帶運(yùn)糧車協(xié)同作業(yè)。履帶收獲機(jī)為全喂入，喂入量5 kg/s、割幅2 m，收獲機(jī)糧倉約0.8 t；運(yùn)糧車容積2.6 m3，約1.8 t。水稻收獲時(shí)，當(dāng)收獲機(jī)糧倉快滿時(shí)，召喚運(yùn)糧車進(jìn)行接糧，接糧后收獲機(jī)繼續(xù)工作，運(yùn)糧車將糧食運(yùn)送至干燥中心或加工中心。無人駕駛收獲機(jī)收獲如圖8 所示。

圖8 無人駕駛收獲機(jī)收獲

劍河縣南明水稻無人農(nóng)場建成運(yùn)營后，減少了農(nóng)業(yè)勞動力的投入，節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。由于無人農(nóng)場耕種管收全過程無人化，水稻生產(chǎn)過程中提高了水田平整度、水稻行直線度，行距更均勻，通風(fēng)透氣采光好，有利于作物生長，減少病蟲害的發(fā)生；由于接行準(zhǔn)確，可提高土地利用率；另外，無人農(nóng)機(jī)可以全天候作業(yè)，提高了農(nóng)機(jī)利用率，節(jié)本增效，效果顯著。無人農(nóng)場農(nóng)機(jī)生產(chǎn)作業(yè)信息可用于分析優(yōu)化無人農(nóng)機(jī)作業(yè)模式，分析人工成本與田間管理的效益，進(jìn)一步降低勞動力成本。項(xiàng)目應(yīng)用了無人機(jī)遙感技術(shù)，可快速采集病蟲害的發(fā)生，通過作物長勢判斷作物施肥和施藥的處方圖，實(shí)現(xiàn)作物田間管理無人農(nóng)業(yè)機(jī)械的變量施肥和變量施藥作業(yè)，減少對環(huán)境的污染。項(xiàng)目實(shí)施能有效改善土壤、水分、水質(zhì)和農(nóng)村生活環(huán)境，提高食品安全，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)步入良性循環(huán)狀態(tài)，也能促進(jìn)大眾食品安全和環(huán)境意識的進(jìn)一步提高。

3 丘陵山區(qū)無人農(nóng)場的制約因素與前景

3.1 制約因素

當(dāng)前制約我國丘陵山區(qū)地帶無人化農(nóng)場發(fā)展因素主要有以下幾點(diǎn)：

1）丘陵山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善。現(xiàn)如今我國丘陵山區(qū)地形地貌特征復(fù)雜，氣候特征、土壤特性多種多樣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不均衡等原因?qū)е虑鹆晟絽^(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善。農(nóng)田的水網(wǎng)、路網(wǎng)、電網(wǎng)、通信信號在一定地區(qū)不能同時(shí)完善，這些都限制了丘陵山區(qū)無人農(nóng)場的發(fā)展。

2）地塊較為分散。首先，丘陵山區(qū)特殊的地形條件形成了地塊面積小、坡度大、不均勻、較為零散的特點(diǎn)，常規(guī)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備無法適合這種地貌特征，這嚴(yán)重限制了大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行大規(guī)模作業(yè)。其次，丘陵山區(qū)的耕地形式主要為梯田，各地塊之間有較大落差，田間道路不通或機(jī)耕道狹窄崎嶇，這使得農(nóng)業(yè)機(jī)械難以進(jìn)入場地進(jìn)行作業(yè)[9-10]。這些因素導(dǎo)致智能農(nóng)機(jī)作業(yè)效率低，從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量低。

3）無人農(nóng)場前期投入成本高，存在技術(shù)門檻，導(dǎo)致無人農(nóng)場難以普及從而不能較快的產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 發(fā)展前景

隨著高度集成化、智能化的農(nóng)業(yè)裝備加快發(fā)展和無人農(nóng)場在全國不斷的推廣與實(shí)踐，無人農(nóng)場在丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普及，農(nóng)業(yè)向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展也必將成為趨勢。智能農(nóng)機(jī)的輕型、高效、可靠的特點(diǎn)也適合丘陵山區(qū)獨(dú)特的地理特征。未來，貴州劍河縣南明無人農(nóng)場將在完善現(xiàn)有的無人水稻種植、植保、收獲基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的培訓(xùn)，以提升農(nóng)民在生產(chǎn)作業(yè)過程中對智能農(nóng)機(jī)保養(yǎng)和維護(hù)的意識。除此之外，加大推廣力度，為我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)創(chuàng)新提供示范和樣板。

無人農(nóng)場是對農(nóng)業(yè)勞動力的徹底解放，緩解了我國大多數(shù)丘陵山區(qū)地帶勞動力不足的現(xiàn)狀，從根本解決“誰來種田”的問題。同時(shí)無人農(nóng)場能有效提高作業(yè)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高土地、肥料和農(nóng)藥的利用率，實(shí)現(xiàn)全天不間斷作業(yè)從而極大地提高生產(chǎn)效率。除此之外，丘陵山區(qū)各地應(yīng)結(jié)合自身地理環(huán)境和農(nóng)作物特點(diǎn)，建立合適的無人農(nóng)場，從而加快無人農(nóng)場在全國的普及和應(yīng)用。