人工智能技術在農業機械上的應用

策劃/本刊編輯部 文/本刊記者 陳艮霞

農業的痛點是減少作業人員，提高作業質量，提升作業效率，降低生產成本。智能農機舉足輕重，自動駕駛農機將成為現代農業的重要組成部分。我國智慧農業和人工智能總體發展處于初級階段，要苦練基本功，研究行業具有類人智能的核心機器，推進AI 農業領域產業應用研究。創新驅動農業農村現代化發展，要認真研究農業農村發展的現實問題，要突出強化問題意識，堅持問題導向的創新驅動發展研究。

人工智能技術自1956年誕生以來，就開始了在農業領域內的探索，但由于當時技術水平限制，并未給農業帶來太多實質性的變革。進入21世紀后，人工智能技術在工業等領域得到了廣泛應用，也給農業的進步帶來了機遇。應用農業人工智能技術可以提高勞動生產率、資源利用率和土地產出率，增強農業抗風險能力，保障國家糧食安全和生態安全，實現農業可持續發展，促進從傳統農業向現代農業的跨越式發展。一直以來，人們都在關注人工智能是如何影響醫療、服務、工業生產等行業的發展和改變的，卻忽視了人工智能在農業上的重要地位和作用。隨著科技的不斷發展，人們逐漸意識到人類已經具備了設計和建造智慧型設施農業所需的硬件和軟件技術條件，完成工廠化農業生產的智慧農業時代已經到來。

本世紀初,部分發達國家如美、英、日等國家，已經做出了將高新技術應用于農業機械上的大膽嘗試，如美國首次將GPS應用于農業機械，英國成功研制出一種激光拖拉機，利用計算機系統進行精確定位，土壤及濕度分析，極大地提高了生產效率，并節約成本約50%，由此開啟了農業機械智能化的先河。我國的農業領域也正在由機械化走向智能化。

農業機械的智能化應用

隨著植保無人機、農業機器人等高科技智能化農業機械以其生產高效率、操作簡便化等優勢，受到很多農民的青睞，許多農民紛紛選購各種高科技智能化農機用于當前農業生產，依靠高科技力量助力農業，傳統的農業生產方式正悄然發生著變化。農業機械的智能化應用正在改變我們的生活，那么農業機械的智能化應用體現在哪些方面呢？

農機自動駕駛技術的應用實現自動耕地和收割：農機自動駕駛是指拖拉機、收獲機通過感知、定位技術實現作業環境、位置感知，利用路徑規劃技術及液壓控制技術，實現農機按規劃軌跡自主行駛。農機自動駕駛有助于減少人工勞動成本、提高作業精準性和提升作業效率。當前農機自動駕駛多采用導航定位的方式，實現全局路徑規劃、自動駕駛。一方面可在衛星導航的基礎上，利用視覺結合神經網絡深度學習，實現對局部環境的狀態解析，對障礙物進行識別、檢測，進而實現全局及局部多維度環境感知。另一方面可以根據地貌和土地材質進行耕深的自動調節。Kinze大型農機企業早在2012年就參考谷歌的自駕系統打造出自動農耕機、收割機，只要在耕作時把會遇到的狀況與田地信息一同輸入GPS系統，拖拉機會根據GPS系統紀錄指示行駛，依循前方進行紅外線掃射，以避免撞上障礙物。

精準播種技術應用：精準播種是指在播種過程中，確保種子與種子之間有合理的間距，適宜的播量。進而確保作物較大化攝取陽光、水分和礦物質，充分利用土地等資源，保證作物產量。當前，播種機多為純機械式結構，其工作方式為按一定時間間隔排出種子，進而實現種子間距一致。排出種子的時間間隔可根據拖拉機行走的速度設定，但機械作業的不穩定性，存在單次排不出種子或單次排出多個種子的問題。因此，可在播種機上加裝攝像頭，利用神經網絡對種子拋灑過程進行分析，實時記錄，標識未播、多播種子的位置或編號，替代人工識別方式，減少勞動成本。智能播種機器人還可以通過探測裝置獲取土壤信息，然后通過算法得出較優化的播種密度并且自動播種。美國愛荷華州的發明家DavidDorhout 研發的智能播種機器人Prospero 就是這樣的智能機器人。

收獲機械的智能應用：谷物收獲機械智能化有助于小麥、水稻和玉米等谷物的智能化收割。谷物清選檢測是收獲機作業過程中的一個重要環節，如小麥收獲機作業，首先通過割臺對小麥進行收割，然后通過滾筒轉速調節、凹板間隙調節對小麥進行脫粒、分離和清選。收獲機的行駛速度、割臺高度、滾筒轉速、凹板間隙等參數是影響脫粒、分離和清選的關鍵。可在收獲機作業倉中安裝攝像頭，通過神經網絡實現對小麥脫粒破損粒進行實時檢測，利用深度學習方法，找到行駛速度、割臺高度和滾筒轉速，進而根據作物狀態不同，及時調整以便將作物收獲干凈。收獲機械還可以根據收獲谷物的不同來進行行駛速度、割臺高度和滾筒轉速的調整。智能果木采摘機器可以完成蘋果、葡萄等水果采摘。AboundantRobotics是來自美國加州的農業機器人公司，目前他們已經上市的是一款蘋果采摘機器人，可以在不破壞蘋果樹和蘋果的前提下達到一秒一個的采摘速度。蘋果采摘機器人通過攝像裝置獲取果樹的照片，用圖片識別技術去定位那些適合采摘的蘋果，然后用機械手臂和真空管道進行采摘，一點都不會傷到果樹和蘋果。

植保機械的智能應用：植物保護是農林生產的重要組成部分。是確保農林業豐產豐收的重要措施之一。為了經濟而有效地進行植物保護，應發揮各種防治方法和積極作用，貫徹“預防為主，綜合防治”的方針，把病、蟲、草害以及其他有害生物消滅于危害之前，不使其成災。

近日，中國大疆農業公司發布了一系列植保無人飛機包括T20、播撒系統2.0等智能農機。而大疆農業希望以安全基石、高質高效、惠農強農為關鍵舉措，提供更好的工具與服務來支持更多人投身三農。為了提升作業安全，T20 配置了行業首創的全向避障雷達，其采用點云成像，且分辨率較上一代提升一倍，除了可360 度感知農田障礙物并自動繞障外，還可實現定高作業。此外，這款雷達運作不受環境光線及塵土影響，配合實時圖像監控系統及夜間探照燈，讓飛手輕松保障設備的全天候作業安全。T20的發布，也讓目前全球領先的雷達技術，將次降低使用門檻，惠及廣大用戶。

為了保證施藥安全，T20 在精準噴灑模塊同樣有眾多改進與優化。其采用了8噴頭、4水泵、4通道流量設計，噴灑流量可達6 L/min。各通道流量可自動校準，且保證每路藥液輸出的精度。T20 標配了行業首創的主動閥門控制系統，能支持更高的動態流量范圍，自動排氣和更高頻點噴，保證藥液噴灑毫秒級啟停。對噴頭布置與風場進行優化后，T20 噴灑霧滴的均勻度有超過20%的提升，有效噴幅達到7 m。T20 整體結構也進行了優化，強度提升了30%，維修難度降低30%，保證80%的損壞在0.5 h內可完成快修。T20標配雙IMU、雙氣壓計、GNSS RTK雙冗余系統，為復雜的工作環境提供穩定的監控能力。此外，T20的航電板、電調等核心模塊的防護級別達到IP67，讓植保機在作業完后可直接水洗，方便清潔。

播撒系統2.0擁有20 L大容量，流量達到15 kg/min，播幅達到7 m。這款播撒系統還支持快速換裝，只需3 min 即可裝配至T20 上，從容應對多種作業需求。這款播撒系統支持多種作業場景，如水稻直播、油菜籽播撒、草原補播、蝦稻田飼料播撒作業皆可輕松完成，播撒效果均勻出色。以水稻直播為例，這款播撒系統可提供約70～80 倍于人工的作業效率。

農業機械智能化發展方向

現在農業機械已經在很多作物收獲環節進行應用。例如甘蔗、土豆和花生的收獲，青飼收割、牧草收割打捆和大豆的收獲。對于不同收獲對象，人工智能可以自動調節參數，例如收獲土豆、花生等地下作物時，要及時調整入土深度，保證收獲干凈。人工智能還可以通過算法給出各種較優化的方案，比如根據土壤環境狀況，結合市場行情預測，從而給出當年該地適合種玉米還是大豆。人工智能技術在農業領域中的應用實現精準農業，精準農業是現代農業發展的新方向，它需要依靠計算機視覺、機器學習和智能設備來提高作物產量，并降低人工勞動力的投入，減少農藥、水和肥料的浪費。

在種子檢測方面，種子是農業生產中最重要的生產資料之一，種子質量直接關系到作物產量。種子的純度和安全性檢測，是提升農產品質量的重要手段。因此，利用圖像分析技術以及神經網絡等非破壞性的方法對種子進行準確的評估，對提高農產品產量和質量起到了很好的保障作用。

在智能種植方面，傳統農業中，需要耗費大量的人力、物力。搭載人工智能技術的機器人將有助于緩解農民的負擔，大大降低土地對勞動力的需求量。例如在種植、管理、采摘、分揀等環節都可以通過智能機器人來完成，實現農業種植的智能化與自動化。

在作物監控方面，農業生產的很多方面，大部分工作是通過對農作物外觀的判斷進行的，例如農作物的生長狀態、病蟲害監測以及雜草辨別等。在過去，這些工作是通過人的肉眼去觀察，但是這存在兩個問題：一是農民并不能保證根據經驗做出的判斷是完全正確的；二是由于沒有專業人士及時到現場診斷，可能會使農作物病情延誤或加重。人工智能技術可在農作物檢測中提供強大的技術支持，通過機器人視覺技術，模擬人類的視覺功能，從客觀事物的圖像中獲取信息并處理和分析。

在土壤灌溉方面，人工神經網絡具備機器學習能力，能夠根據檢測得到的氣候指數和當地的水文氣象觀測數據，選擇最佳灌溉規劃策略。通過對土壤濕度的實時監控，利用周期灌溉、自動灌溉等多種方式，提高灌溉精準度和水的利用率。這樣既能節省用水，又能保證農作物良好的生長環境。

在智能圖像識別方面，以前我們在野外看到一個不認識的花草要查閱資料才能知道是什么花草，如今我們可以通過各種識圖軟件對著花草拍照掃描一下就知道了，這就是電腦圖像識別技術。如今借助機器學習和深度學習，智能圖像識別準確率越來越高，而應用也遠遠不止這些。

在土壤、病蟲害探測等智能識別系統方面，人工智能在農業領域可實現土壤探測、病蟲害防護、產量預測、畜禽患病預警等功能。在土壤探測領域，IntelinAir公司開發了一款無人機，通過類似核磁共振成像技術拍下土壤照片，通過電腦智能分析，確定土壤肥力，精準判斷適宜栽種的農作物。

在禽畜智能穿戴產品方面，智能穿戴產品主要應用在畜牧業，其可以實時搜集所養畜禽的個體信息，通過機器學習技術識別畜禽的健康狀況、發情期探測和預測、喂養狀況等，從而及時獲得相應處置。這些數據信息會通過配套的軟件進行分析，采用人工智能技術分析出奶牛是否出現生病、排卵或是生產的情況，并將相應信息自動推送給農戶，以得到及時的處理。

成立國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟

今年5月由40余家產、學、研單位構建的國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟在河南省洛陽市正式成立。這是以智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟為基礎，國家產業技術創新戰略培育聯盟規范、標準培育的又一個覆蓋全國的產業聯盟。數十家媒體齊聚現場，深入了解中國智能農機裝備產業在智能制造、鄉村振興、綠色發展以及國際影響力等方面的卓越成就。

國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟理事長表示，聯盟是創新之舉，務實之舉，共贏之舉。黨中央、國務院一直高度重視“三農”事業的發展。為加快農業現代化進程，出臺各項政策推動農機工業發展，《農機裝備發展行動方案(2016—2025)》明確提出開展農機領域制造業創新中心建設工作。洛陽智能農業裝備研究院有限公司作為由農機裝備領域骨干企業資本組建的公司，形成了院士領銜、行業專家支撐、核心人才保障的高水平人才隊伍，“國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟”的成立，本著“管理創新”與“技術創新”的雙輪驅動戰略，以重點領域關鍵共性技術的研發供給、轉移擴散和商業化為目標，形成農機裝備領域有影響力的技術創新平臺，助力國家農機裝備創新中心建設落地。今后將舉全力推動落實聯盟的各項工作，聯盟成立后，將深耕農機及其相關領域，與聯盟成員形成項目合作、技術交流等方式的緊密合作關系，共同推動聯盟的構建與發展。

科技部中國民營科技促進會常務理事、副秘書長，國家產業技術創新戰略培育聯盟理事長指出，產業聯盟要圍繞產業的關鍵共性問題開展合作，突破產業發展的核心技術，形成產業標準；建立公共平臺，實現資源的有效分工與合理銜接，實行知識產權共享；實施技術轉移，加速科技成果的商業化運用，聯合培養人才。要引導和支持創新要素向企業集聚，促進科技成果向現實生產力轉化。保障科研與生產緊密銜接，推動產業結構優化升級，提升產業核心競爭力。

國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟秘書長表示，未來國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟將站在國家戰略高度推進農業機械裝備產業發展，聚集產業界和科研機構各方力量共同投入，探索可持續發展的產業共性關鍵技術研發組織模式，整合共享優勢資源，構建集成研發平臺，加速農機產業創新發展，攻核心、補短板、強智能、建體系，構建我國自主可控新一代農機創新體系。

在成立大會上，來自中國科學院計算技術研究所、中國科學院合肥物質科學研究院、電子科技大學、河南科技大學的多位專家被聘為國家智能農機裝備產業技術創新戰略聯盟專家。

自動化和機器人為農業帶來新變革

近年來，自動化和機器人的應用隨處可見，從金融、醫療、家居到物聯網，再到交通、傳統制造業等，我們已經看見了人工智能為我們構建的多元化藍圖，同時還給我們帶來了在其他應用場景的想象空間。其實，當人工智能遇到傳統農業，同樣也給我們帶來了非同一般的驚喜。

各國農業部門正在迅速采用各種先進技術，以提高農作物的總產量。人工智能是當今數字農業中最重要的技術之一，正在不斷實施和部署各大農業細分領域，以更可持續地利用相關可用資源。全球各國政府和私人研究組織一直在通過自動化、強效殺蟲劑和其他各種新型措施來不斷提高農業土地的生產力和生產效率。人工智能為農業提供了各種優勢，例如使用機器學習和圖像處理技術使農作物的產量最大化。其中，國際半干旱熱帶作物研究所（ICRISAT）與微軟合作開發了一個基于人工智能的播種應用程序，該應用程序會向農民不定期發送播種建議，并注明日期。它幫助了印度安得拉邦的許多農民，Microsoft 和ICRISAT 將此作為試點計劃進行了實踐研究。參與項目的農民的反饋，通過采用這些基于人工智能的播種建議，光單產就提高了30%，而且在這個過程中不會產生任何額外的資本支出或需要在田間安裝任何傳感器。

隨著農業無人機和智能機器人的引入，與農產品增長有關的一些問題可以得到解決，包括農業勞動力結構的轉變以及與快速增長的人口相比耕地減少的問題。根據BIS Research 最近發布的題為《全球農業無人機和機器人市場：分析與預測，2018—2028 年》的市場報告，農業無人機和機器人市場在2018年產生了25.2億美元的收入，預計還將持續以24.76%的復合年增長率增長，在2018—2028年的預測期內，報告表明預計到2028 年，農業無人機和機器人市場總值將達到230.6億美元。

報告根據市場的類型，應用和區域進一步細分農業無人機市場。分別針對各個細分市場，按類型農業無人機市場可以被細分為固定翼無人機、單旋翼無人機多旋翼無人機和混合VTOL無人機。無人機市場應用領域的細分包括土壤和田間制圖和分析、田間農作物監督、農作物健康評估和作物農藥和試劑噴灑。另一方面，按應用和操作對象類型將農業機器人市場細分為擠奶機器人、水果蔬菜收割和采摘機器人、除草機器人、自動機器人拖拉機等。在2018 年，擠奶機器人占領了市場，但是預測表明到2028年，收割和采摘機器人有望在市場上占據主導地位。自主機器人拖拉機是其中更細分的領域，預計它將在所有其他相關細分市場中呈現最有希望的增長。

市場的農產品細分市場進一步分為畜牧業水果和蔬菜、田間作物等。在2018 年，畜牧產品領域主導了市場，但是到2028 年，預計水果和蔬菜市場將占據主導地位。農業機器人即產品（ARaaP）和農業機器人即服務（ARaaS）是市場業務模型細分的子類別。在這兩個細分市場中，ARaaP在2018年占據了該細分市場的主導地位，預計到2028年將繼續占據主導地位。但是，在2019—2028 年的預測期內，ARaaS 預計將以最高的復合年增長率增長。此外，室內和室外農業是農業機器人在細分環境領域的主要市場。室內耕作環境在2018年主導了市場，預計到2028年將繼續占據主導地位。但是在預測期內，室外耕作環境預計將以兩者之間的最高復合年增長率增長。

人工智能在農業領域的應用才剛剛開始，面臨的挑戰比其他任何行業都要大，因為農業涉及的不可知因素太多了。地理位置、周圍環境、氣候水土、病蟲害、生物多樣性、復雜的微生物環境等，這些因素都在影響著農業生產。你在一個特定環境中測試成功的算法，換一個環境未必就有用了。我們現階段看到的一些人工智能成功應用的例子大都是在特定的地理環境或者特定的種植養殖模式。當外界環境變換后，如何挑戰算法和模型是這些人工智能公司面臨的挑戰，這需要來自行業間以及農學家之間更多的協作。

2017 年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》提出，加快推進產業智能化升級。在智能農業方面，要研制農業智能傳感與控制系統、智能化農業裝備、農機田間作業自主系統等。建立完善的天、空、地一體化的智能農業信息遙感監測網絡及農業大數據智能決策分析系統。除去國家層面的政策之外，各地政府也開始密集出臺相關政策，以解決人工智能技術在農業領域應用中面臨的實際問題。

伴隨著新一輪科技革命浪潮的到來，人工智能技術已經進入到各個領域。人工智能技術成為助推我國農業機械升級，助推農業機械制造升級發展核心動力。本文以人工智能在農業機械領域中的應用，進而分析農業機械智能化發展方向，淺析人工智能技術在農業機械智能化發展中的應用，為現代化智能型農業機械的發展方向和趨勢提供一些建設性意見。

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盤點我國幾大智能農機企業

中聯重科：發力人工智能

2018 年7 月，中聯重科與吳恩達公司旗下Landing.AI 簽署了“合作框架協議”——Landing.AI將為中聯重科農機板塊開發農業的人工智能策略，交付人工智能產品，提供人工智能和相關領域的培訓，并為公司建立一支人工智能團隊，目標是將中聯重科重機公司發展為一家人工智能農機公司。至此，與Landing.AI 達成合作，中聯重科高起點跨入人工智能技術領域，成為國內首家AI 農業裝備制造企業。

中聯重科表示，當今世界正處在新科技革命與產業變革的交匯點上，智能制造已成趨勢，未來已來，中聯重科在智能化發展、人工智能轉型升級上已搶占先機，致力領跑行業。另外，中聯重科也發力高端農機。2015 年，中聯重科洲際平臺產品——ZS1354拖拉機全球首發，標志著中聯重科農業機械整合全球資源，同步全球科技，歐美兩大研究院聯袂推出的第一款高端農機產品正式面世。

雷沃重工：攜手百度發力自動駕駛

2018 年4 月，百度與雷沃重工簽署戰略合作協議，雙方以實現自動駕駛量產為目標，就農機智慧化展開合作，用AI 賦能農機制造，共同解決自動駕駛領域的技術難題，攜手開拓新領域，共同開啟人工智能在農業領域運用的新場景，推進智慧農業的升級發展。

據悉，未來雙方的合作將首先利用Apollo1.0和1.5的開放技術，雷沃重工將提供研發車輛，在此基礎上充分利用Apollo平臺的高精地圖及感知避障的解決方案，充分發揮雙方各自的技術優勢，并充分使用Apollo 開放平臺眾多合作伙伴的力量，實現農用場景的自動駕駛，提升農機實施作業的精準度，保證作業質量，提高效率。未來，播種、收割等環節將逐漸實現無人駕駛，大大提升農業耕作效率，解放大量勞動力。

三一重工：發力高端農機

三一重工進入農業比較晚，但切入農業領域比較深，主要在高端農機和無人機上發力。早在2013年，三一重工到中國農業機械工業協會進行調研時，協會便建議三一重工依托技術實力和資金進行高端農機產品的研發和制造。2015年，三一重工正式發力高端農機產業，并為新疆大田棉花作業推出液壓翻轉犁，此款產品可極大地節省拖拉機的油耗，降低成本、提升作業效率。

當前，面對第四次工業革命的浪潮，三一更是瞄準未來，大膽突破，創造性推出了無人挖掘機、無人壓路機、無人起重機、消防無人機等重量級無人裝備，引領行業率先邁入“無人時代”。

奔野重工：自動駕駛拖拉機

2019 年3 月，寧波奔野重工（浙拖奔野的母公司）與浙江理工大學舉行產學研合作簽約儀式，計劃2020年至2025年推出自動駕駛拖拉機。

該公司將在拖拉機中使用物聯網技術，將智能和傳感“植入”拖拉機，使得拖拉機有能力感知、學習并與環境互動。拖拉機物聯網的核心就是實現人、機、信息的全面統一。