稻麥輪作“無人化農(nóng)場”建設(shè)探索

姜 婭，顧文威，孫迎波

（1.連云港市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)推廣站，江蘇 連云港 222000；2.灌南縣農(nóng)機(jī)化推廣服務(wù)站，江蘇 連云港 222000）

2021 年江蘇省出臺了《關(guān)于印發(fā)江蘇省糧食生產(chǎn)“無人化農(nóng)場”和特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化示范基地（園區(qū)）建設(shè)指引的通知》，要求進(jìn)一步加快推廣應(yīng)用智能、綠色農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)化轉(zhuǎn)型升級，標(biāo)志著江蘇省正式啟動“無人化”農(nóng)場的建設(shè)和集成示范。2022 年起，連云港市各縣區(qū)陸續(xù)啟動“無人化農(nóng)場”建設(shè)項(xiàng)目，本文旨在通過總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出一套“無人化農(nóng)場”的建設(shè)方案和相關(guān)裝備的配置要求。

1 無人化農(nóng)場的發(fā)展歷程

2017 年英國哈珀亞當(dāng)斯農(nóng)業(yè)大學(xué)率先創(chuàng)建世界第一個(gè)無人大田農(nóng)場;同年，日本創(chuàng)建第一個(gè)蔬菜無人農(nóng)場，挪威建立第一個(gè)無人漁場;隨后，澳大利亞、韓國等國家也陸續(xù)開始了無人農(nóng)場建設(shè)，一場農(nóng)業(yè)技術(shù)革命正式打響[1]。隨著我國通信、大數(shù)據(jù)、北斗導(dǎo)航等高新技術(shù)和設(shè)備的飛速進(jìn)步，中國工程院院士羅錫文團(tuán)隊(duì)在2019 年開始籌建我國第一座無人化大田農(nóng)場。

按照目前的技術(shù)發(fā)展，業(yè)內(nèi)將“無人化農(nóng)場”劃分為3 個(gè)階段。初級階段即通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)控制智能作業(yè)裝備展開作業(yè)，該階段需要專人值守，依靠人工進(jìn)行作業(yè)決策和裝備遙控，實(shí)現(xiàn)了初步的智能化作業(yè)；中級階段是在無人或少人值守下，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主作業(yè)，此階段仍需要人工參與決策并下達(dá)指令；高級階段則要求通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集農(nóng)場內(nèi)的各種環(huán)境信息，所有的作業(yè)均通過智能管理云平臺根據(jù)綜合分析匯集到的信息，自主形成計(jì)劃、決策并下達(dá)指令，最終由智能裝備完成作業(yè)，是一種可全無人的智慧農(nóng)場狀態(tài)。

目前我國“無人化農(nóng)場”的建設(shè)正由中級階段向高級階段發(fā)展。連云港市建設(shè)的“無人化農(nóng)場”符合了高級階段的技術(shù)和裝備要求，基本實(shí)現(xiàn)了理論上的全無人智慧農(nóng)場，但目前還未能實(shí)現(xiàn)全天候全無人值守。

2 建設(shè)目標(biāo)

（1）應(yīng)該具有智慧管理云平臺，負(fù)責(zé)匯總分析農(nóng)場內(nèi)一切數(shù)據(jù)、信息，制定作業(yè)計(jì)劃和下達(dá)作業(yè)指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理的可視化。

（2）應(yīng)該具有農(nóng)田區(qū)域全覆蓋的土壤墑情、作物長勢、病蟲害、氣象、視頻監(jiān)控等信息采集裝置，相關(guān)信息可高速、無延遲的傳輸?shù)街腔酃芾碓破脚_。

（3）應(yīng)該配置可覆蓋全作業(yè)流程的具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動導(dǎo)航、無人駕駛、路徑規(guī)劃等功能的動力機(jī)械、耕整地、種植（栽插）、植保、施肥、收獲等智能農(nóng)機(jī)裝備。

（4）應(yīng)該具有連片適度規(guī)模的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，道路宜機(jī)化并配置智能排灌系統(tǒng)。

（5）應(yīng)該具有辦公區(qū)、停機(jī)庫、烘干庫、糧庫、稱量區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施。

（6）應(yīng)該培養(yǎng)一批能熟練操控、維護(hù)智能農(nóng)機(jī)裝備的技術(shù)人才和高素質(zhì)農(nóng)民。

3 建設(shè)方案

無人化農(nóng)場的建設(shè)主要由基礎(chǔ)設(shè)施、智能農(nóng)機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施和智慧管理云平臺等部分組成。

21世紀(jì)以來，隨著中國高校的快速發(fā)展，高校之間各類的學(xué)術(shù)交流、合作等也越來越頻繁。積極引進(jìn)海外優(yōu)質(zhì)教育資源，同時(shí)大力推進(jìn)和支持各種層次的學(xué)生赴海外學(xué)習(xí)與交流活動，是建設(shè)國內(nèi)外有影響力的高水平研究型綜合性大學(xué)的必經(jīng)之路和重要手段。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施

無人化農(nóng)場的建設(shè)一般應(yīng)選擇不小于33.33 hm2的連片田地，單個(gè)田塊宜不小于0.67 hm2，地面應(yīng)具有一定的承壓能力，機(jī)庫距離地塊以不超過500 m為宜。

對田塊進(jìn)行宜機(jī)化改造，使道路暢通、田塊規(guī)整、溝渠合理，在適宜位置規(guī)劃農(nóng)機(jī)的出入口并進(jìn)行硬化，出入口寬度一般為4 m 左右，坡度20～30°為宜，要求坡面防滑，硬化面延伸至犁底層。建設(shè)基于田塊水環(huán)境和作物長勢實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌排水的智能化控制。在農(nóng)場附近新建定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)以滿足無人化作業(yè)的高精度定位要求；網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度弱的地區(qū)應(yīng)增設(shè)網(wǎng)絡(luò)基站以滿足大帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.2 智能農(nóng)機(jī)

根據(jù)稻麥輪作全流程無人化作業(yè)需要，以33.33 hm2為單位，一般至少配置智能拖拉機(jī)、智能插秧機(jī)、智能高地隙植保機(jī)、植保無人機(jī)和智能收割機(jī)各1 臺，同時(shí)配置符合當(dāng)?shù)氐钧溳喿鬓r(nóng)藝習(xí)慣的耕作、播種等作業(yè)機(jī)具。

智能農(nóng)機(jī)應(yīng)滿足的基本要求有：（1）可通過云端、移動端和手動3 種模式進(jìn)行控制，手動自動可一鍵切換；（2）車輛啟停遠(yuǎn)程控制；（3）車輛行駛前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、速度等遠(yuǎn)程控制；（4）同時(shí)滿足云端路徑接收和人工打點(diǎn)自主路徑規(guī)劃；（5）支持回字形、U 形、套圈等多種作業(yè)路徑；（6）自主出入庫，自主行駛至作業(yè)田塊并進(jìn)行作業(yè)；（7）作業(yè)現(xiàn)場的視頻記錄與實(shí)時(shí)回傳；（8）作業(yè)數(shù)據(jù)和機(jī)具狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和回傳；（9）障礙物自動檢測并停車；（10）智能套件故障自動警報(bào)并停車。

目前，滿足無人作業(yè)的智能農(nóng)機(jī)一般是在符合一定基礎(chǔ)配置要求的原廠機(jī)具上進(jìn)行智能化改造，主要運(yùn)用到北斗高精度定位、作業(yè)路徑智能規(guī)劃，農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制和障礙物自動檢測等技術(shù)。

高精度定位技術(shù)是指在機(jī)具作業(yè)前，通過無人機(jī)測繪或RTK 設(shè)備劃定作業(yè)區(qū)域并形成數(shù)字地圖，田間作業(yè)時(shí)可調(diào)取地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，并通過高精度定位實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)具的行走路線；路徑智能規(guī)劃是指在采集到的封閉地塊區(qū)域內(nèi)，管理平臺根據(jù)作業(yè)類型、作業(yè)幅寬自動生成合適的作業(yè)路徑并下發(fā)至智能農(nóng)機(jī)；農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制是指遠(yuǎn)程操控農(nóng)機(jī)的自動點(diǎn)熄火、自動出入庫、自動調(diào)整作業(yè)參數(shù)等；障礙物自動檢測是指在機(jī)具行走和作業(yè)過程中，可自主檢測識別到故障物并停車預(yù)警。

智能機(jī)具改造的一般程序?yàn)椋涸谵r(nóng)機(jī)頂棚安裝GNSS 天線接受位置信息，在駕駛座椅附近安裝姿態(tài)傳感器接受姿態(tài)信息，在車輪轉(zhuǎn)交處安裝角度傳感器接收車輪角度信息，將原手動方向盤改裝為方向盤電機(jī)，加裝控制器使原本機(jī)械操作的動作轉(zhuǎn)換成電控操作，將以上裝置采集的信息反饋到行車電腦和智能管理平臺，再通過智能算法計(jì)算出最佳的作業(yè)參數(shù)并反饋到作業(yè)機(jī)具，通過無人控制器自動調(diào)節(jié)機(jī)具的擋位、離合、啟停、油門、轉(zhuǎn)向、燈光、PTO、懸掛等，最終實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整、路徑規(guī)劃、自主作業(yè)、障礙識別、故障報(bào)警等，滿足無人化作業(yè)要求。

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可將農(nóng)田內(nèi)與生產(chǎn)有關(guān)的一切信息通過各種裝置采集匯總，包括數(shù)字化農(nóng)場構(gòu)建、智能灌溉系統(tǒng)、氣象、長勢、病蟲害、墑情的監(jiān)測以及田塊的視頻監(jiān)控等模塊[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建是建設(shè)無人化農(nóng)場的基礎(chǔ)。

3.3.1 數(shù)字化農(nóng)場

利用測繪裝置采集機(jī)庫、道路、田塊、農(nóng)資等一切農(nóng)場基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)確位置和邊界信息，形成電子地圖，便于智慧管理平臺直觀展示，同時(shí)有助于各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的合理規(guī)劃。

3.3.2 智能灌溉

通過對灌溉系統(tǒng)的智能化改造滿足作物生長過程中對水的需求，主要包括對泵房的智能化改造、大田的合理分區(qū)及智能進(jìn)排水閥門的設(shè)置、水源水位的監(jiān)測、墑情的監(jiān)測等。

3.3.3 氣象監(jiān)測

通過氣象監(jiān)測站及時(shí)測定農(nóng)田小氣候，遠(yuǎn)程在線獲取高精度農(nóng)業(yè)氣象信息，監(jiān)測參數(shù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、氣壓、光照、降雨量、輻射等，當(dāng)作物因這些因素生長受限或某項(xiàng)數(shù)值超出正常范圍，可迅速預(yù)警并及時(shí)采取應(yīng)對措施以減輕損失。

3.3.4 長勢監(jiān)測

利用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)進(jìn)行遙感監(jiān)測，獲取作物植被指數(shù)，通過光譜解析技術(shù)形成作物長勢分布圖，可用于指導(dǎo)施肥作業(yè)。通過連續(xù)多年對作物長勢遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析或建模分析，還可以預(yù)測不同環(huán)境、不同位置田塊的產(chǎn)量水平，為后期的栽培管理方案提供依據(jù)，使得農(nóng)場的智能化管理更加精細(xì)和高效。

3.3.5 病蟲害監(jiān)測

蟲情監(jiān)測是利用自動蟲情燈進(jìn)行害蟲誘捕并拍照，根據(jù)照片自動識別蟲害類型，其還具有分類統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)報(bào)傳、遠(yuǎn)程監(jiān)測、蟲害預(yù)警和防治指導(dǎo)等功能。病害監(jiān)測則是利用智能孢子捕捉儀收集隨空氣流動傳播的病菌孢子并拍攝照片，系統(tǒng)自動檢測病害孢子的類型、存量及擴(kuò)散動態(tài)，預(yù)測大田病害程度。病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置為智慧農(nóng)場的病蟲害自主作業(yè)決策提供了依據(jù)。

3.4 智慧管理云平臺

智慧管理云平臺是無人農(nóng)場運(yùn)行的核心，通過管理平臺可以查看人員、農(nóng)機(jī)、田塊、作業(yè)參數(shù)、坐標(biāo)、面積、軌跡、警報(bào)信息、作業(yè)類型、環(huán)境信息等；可以對各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動進(jìn)行直觀展示；可以對農(nóng)機(jī)具、人員、農(nóng)資等進(jìn)行記錄和調(diào)度；智慧管理平臺還可以匯集并分析大田內(nèi)的各類傳感器獲取的環(huán)境、土壤肥力、作物生長等信息，對作物全生育周期進(jìn)行長勢監(jiān)測，科學(xué)制定作業(yè)及管理計(jì)劃，結(jié)合產(chǎn)量數(shù)據(jù)，最終可得出農(nóng)場年度生產(chǎn)情況報(bào)告[3]。通過積累多年份的生產(chǎn)信息，還可以建立生產(chǎn)模型、病蟲害預(yù)測模型等，為制定更精細(xì)的作業(yè)方案提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的生產(chǎn)和管理。