國內外無人農場技術發展對比與分析

宋世圣，彭才望，宋 玲，付昌星

（1.湖南農業大學 機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000）

中國是農業大國。如圖1所示，2018年我國農業總產值約為61 719.69億元，對當年國民生產總值的貢獻超過13.9%。農業農村部刊出的《中國農業展望報告（2018—2027）》提出，在 2018年至 2022年期間，我國將投入約6000億元建設高水平農場。預計2020年我國將建成面積約為2670萬公頃的高標準農場。

在加大農業建設投入力度的同時，也需要正視農業發展中出現的問題。中國雖地大物博，但人均農業用地僅為1.38畝（1畝=667m2），不及世界平均水平的40%。即便我國的耕地如此稀少，耕地面積還在逐年減少。不僅如此，我國農業勞動力不足、勞動力老齡化、勞動力成本越來越高的問題也日益突出；因此，亟需建立一種新型的農業模式，實現“以機易人”。

1 世界范圍內農場的四個發展階段

近年一些學者提出了農業4.0的理念，很好地詮釋了農場的發展歷程。

1.1 傳統農場

中國是人類的發源地之一。大約在距今12 000年前，中國在新石器時代早期就出現了原始農業的雛形。一些歷史學家認為，原始的采集活動逐漸發展為種植業，原始的狩獵活動孕育了之后的畜牧業。

傳統農場的生產模式是使用傳統農耕用具、施用自然肥料以及以牲畜為主要耕作動力。簡單來說，經營傳統農場可以概括為“靠天吃飯”。

1.2 機械化農場

隨著科技不斷發展，農場的生產模式也發生了巨大變革。地球上超過40%的無冰土地都被用來耕作，20%～30%的地表水被用來灌溉[1]。數量如此龐大的農田自然不能一直依靠人畜耕作。19世紀中葉至末期，美國少數農場開始使用一些簡單的畜力農業機械，當時的農業機械還不能自己提供動力。20世紀初拖拉機被應用于農業生產后，一些農場將各種農業機械相繼投入田間作業，取代了傳統農場中的牲畜動力。據1975年聯合國糧食及農業組織公布的數據，約占92%的農用拖拉機與收獲機械為第一世界和第二世界國家所有，其中美國、英國、日本等發達國家的機械化程度高[2]。

由表1可以看出，主要發達國家在20世紀60年代就已經實現了農業機械化，只需投入較少的勞動力就可以滿足本國的糧食生產需求。隨著發達國家成功走上農業機械化道路，農業機械化也成為了時代潮流，目前我國也基本實現了農業機械化。

表1 主要發達國家完成農業機械化的情況

1.3 自動化農場

20世紀80年代，計算機被應用到農業生產中。20世紀90年代初，GPS開始由軍用化轉為民用化，美國、加拿大等國家提出了精準農業的構想。精準農業利用工具和技術識別田間土壤和農作物，改變耕作方式并優化農藝。精準農業的提出開啟了農業自動化新篇章。農業自動化將大數據、機電控制技術、傳感器技術完美結合，運用到農業生產管理中，實現了勞動力的解放，完成了精準種植、精準灌溉、精準噴藥以及智能化采摘[3-4]等任務，使作物得到最適合的生長環境，實現了生產者的利益最大化。

農業自動化技術雖然革新了農業生產模式，但是目前該技術的應用還存在著一些問題，例如不同地區的土壤水分條件不同、種植作物不同、環境因素差別大。因此需要因地制宜，使用不同的自動化技術[5]。

1.4 無人農場

2017年，世界糧食安全會議宣布：預計2050年世界人口數量將增長到100億，食品需求將比2013年增長約50%。需要進一步改變農業生產模式，優化全球食品系統[6]。無人農場，顧名思義，就是沒有人的農場，即全程沒有人類勞動力參與農業生產環節、由智能計算機進行操控、勞動機器人自主決策和自主作業的一種新型農場模式[7]。其本質就是圍繞無人化、自動化、精準化、智能化、數據可視化的理念[8]，以智能代替人工，涵蓋物聯網、大數據、人工智能以及智能裝備等一系列新興技術[9]。可以說，建設無人農場是精準農業等新型農業發展的必然趨勢，也是中國農業現代化的必經之路。傳統農場如果是“靠天吃飯”，無人農場則是“人定勝天”。

全球范圍內，農田棄耕的趨勢顯著上升，這直接影響到了農民生計，威脅到了世界糧食安全[10]。農業食品系統需要向可持續性轉型，以實現可持續的糧食安全[11]。20世紀80年代，各發達國家開始對發展無人農場進行探索，研制出各種新型農業機器人并將其用于無人農場中的種植、植保、收獲等環節。其中又以日本最為成功，研發的智能機器人目前處于世界領先地位[12]。

2 無人農場概念

2.1 無人農場發展階段

李道亮教授等人[7]根據計算機參與程度將無人農場的發展分為遠程操控、無人值守、自主作業三個階段。而筆者根據無人農場工作人員參與程度的不同，將無人農場的演進過程分為四個階段：遠程操控、按時操控、自主作業、自主運行。

（1）初級階段——遠程操控。這是自動化農場向無人農場演進的過渡階段。雖然農業機械已基本實現自動化，但是各個機械無法實現互聯，不能聯合作業，需要工作人員在操控室內進行遠程操控。因為無需勞動力進入農場從事體力勞動，所以也被稱為解放雙手的農場（Handsfree Farm）。2017年9月，英國Harper Adams大學與Precision Decision公司聯合成立的一個“Handsfree Farm”，成功完成了第一批小麥收割。

（2）中級階段——按時操控。工作人員無需實時在操控室內進行遠程操控。各農業機械之間通過傳感器、機器視覺、數據處理以及信息傳輸等技術建立起了物聯網。但此時農業機械沒有完全智能化，需要人工決策，工作人員要在指定的時間進入操控室對工作機械進行操控以完成工作環節之間的交替。在這一階段，稱之為按時工作的農場（On Time Farm）。

（3）高級階段——自主作業。無人農場的最終目標是實現“以機易人”。這就要求被使用的智能農業機械擁有和人類一樣的判斷與決策能力。利用物聯網與大數據，可以為智能農業機械的運轉工作提供理論數據支持。同時，人工智能可以為農業機械的自我決策提供技術支撐。在這一階段，因為工作人員只需日常維護機械、更換老舊機械而無需對農業機械作業進行判斷與決策，所以被稱為解放大腦的農場（Brainfree Farm）。

（4）終極階段——自主運行。無人農場發展到這個階段，自動化技術成熟，物聯網、大數據、智能裝備、人工智能配合達到完美。農場無需人的參與，從種植、收獲到更換廢舊農業機器甚至產品分銷等全過程都由計算機完成。這就是真正意義上的“無人農場”（Unmanned Farm）。

2.2 建設無人農場的關鍵技術

古代謀士運籌帷幄之中就可決勝于千里之外，而無人農場的建設則可以實現農民“足不逾戶就能種好田”的夢想。現代農業中，智能化與精準化不可或缺，需要實現“哪里缺漏補哪里，哪里需要給哪里”，利用現代農業技術完成對農場中“四情”[13]的監測，就必須掌握其核心技術——物聯網、大數據、人工智能以及智能機械[7]。

2．2．1 物聯網技術

近年來，傳統的互聯網概念逐漸淡去，物聯網成為互聯網的擴展。在物聯網中，數以億計的物理對象搭載了傳感器等智能裝備，以在周圍環境中收集信息[14]。利用物聯網技術構建無人農場模式，就是在生產基地安裝密度足夠、相應功能的物理傳感器，將物理傳感器傳遞回來的電子信號經計算機處理后發送給農場的工作人員，使工作人員及時了解農田的信息[15]。利用物聯網，可以為農作物的生長提供最適宜的環境，使無人農場各作業環節之間聯系更為緊密。

2．2．2 大數據技術

近年來隨著科學研究、工業應用、社交網絡等眾多領域的發展，全球的數據流量呈指數級增長。到2022年，數據的年增長量有望達到4.8 ZB，如此超大規模的數據也推進了大數據技術的發展[16]。如今，大數據技術被廣泛應用于耕地生態保護、農業資源利用與管理、氣象災害預警等方面[17]。利用大數據要注重以下三個環節：采集、分析、應用，而且這些環節應當形成一個封閉的工作循環[18]。通過物聯網與大數據技術對農場的數據進行聯合收集與分析，工作人員可利用移動終端清晰地了解農場內部情況。

2．2．3 人工智能技術

人工智能通常可以定義為處理數據并將其轉換為信息以告知目標導向的能力，旨在模仿人類大腦的能力，并在準確性上將其超越[19]。例如人工智能傳感器可以在農田內完成作物或雜草的判斷，同時對農田進行分塊，根據各區域雜草種類與數量的不同決定施用不同種類和劑量的農藥[20]。這有利于減少除草劑對作物的影響，提高農藥的利用率。

2019年7月8日，總部位于英格蘭的農業科技公司Soil Essentials宣布開發出了一個新型機器視覺系統，可用于農田內的精準除草。在日本北海道蘆別市，農民將GNSS（全球衛星導航系統）技術應用于拖拉機上，通過GNSS定位數據幫助拖拉機駕駛員選擇最佳的駕駛路線，防止動力資源的浪費[21]。可見，人工智能在無人農場的建設中是不可或缺的。

2．2．4 智能機械

智能農業機械是無人農場的核心。智能農業機械需要在農場的工作區域內作業，所以對其智能化與精準化的要求更高。與傳統的農業機械相比，智能農業機械的穩定性更好、針對性更強、工作時間更長、工作效率和資源利用率更高[22]。

2018年，國務院提出要大力發展智能化的農業機械，以推動農業的發展。近年來，智能農業機械發展迅速，無人機、無人車以及各種農業機器人也已經投入使用。

根據工程具體信息進行施工組織設置，在最大限度減少交通運輸基礎上，采用分段施工的模式，針對工期緊公路工程做連續作業，人員配置上按照兩班倒的方式，保障施工質量同時，最大限度提升施工效率，使公路施工技術水平充分得以體現。在施工機械設備選擇上，明確攪拌站方位布控合理性，瀝青則采用廠拌法做相應拌制，做好對相應裝載機、推土機、挖掘機、平地機等機械的參數確認，制定專業流程方案，確保機械設備施工質量充分得以保障[1]。

在過去的幾十年里，植保工作主要有地面與空中兩種形式。在實施地面作業時會產生作物被碾壓、土壤被壓實的問題，相比之下，空中作業就可以解決這個問題[23]。利用無人機，可以完成墑情測定、環境監測、作物病蟲害監測、作物生長情況記錄和農業保險勘察等任務[24]。搭載多光譜儀和熱成像儀的無人機可對農作物的生長周期進行實時監測，可精準測算作物需水量[25]。1990年，日本Yamaha公司推出了世界上第一款用于噴灑農藥的植保型無人機。據統計，相較于傳統人工噴灑作業，使用電動農用無人機進行農藥噴灑作業可以節約50%的農藥，減少90%的用水，大大提高了資源利用率。如今中國無人機也已發展到世界領先水平，截至2018年，中國農用植保無人機的保有量突破了30 000架，完成植保作業約3億畝。農用植保無人機工作如圖2所示。

農業機器人是一種通過計算機操控進行農業生產的機械，根據工作的不同可分為育種機器人、施肥機器人、除草機器人、收獲機器人等類型[26]。不管是面對復雜的工作任務還是是惡劣的工作環境，農業機器人都可以準確地完成工作。農業機器人工作周期包括檢測作物、到達作業點、確定作物是否成熟、收獲作物[27]。下達工作指令后，農業機器人就可以在田間或果園中自主移動并進行工作[28]。

四大核心技術共同支撐起了無人農場的建設。通過這些技術的快速發展，相信在不遠的將來，無人農場會廣泛應用于世界各國。

3 國內外無人農場發展

3.1 國外無人農場發展狀況

3．1．1 美國

美國是世界農業第一強國，其農業高度發達，機械化水平領先世界。近年來美國個人農場的數量持續減少，但規模卻越來越大，據統計，美國如今的農場要比20世紀60年代的農場平均大16%左右[29]。美國的農業人口僅僅占總人口的1%，可是其農產品不但可以自給自足，多余農產品還可以出口銷售[30]。由于美國勞動力過少，所以無人農場是其農業發展的必由之路[31]。美國堪薩斯州的一家名為Farmobile的農業科技公司，推出了一款可以記錄設備運營信息的連接器，該連接器適用于市場上的大部分農用機械。通過該連接器，可以將農用機械的數據信息傳至農場主的移動終端，隨后人工智能將會對該數據進行分析、判斷，做出適用于該農場的規劃。同時生產廠家可以支付一定費用來購買該數據，用以優化調整該連接器[32]。整個信息交換過程高度智能化，體現出了無人農場的雛形。

3．1．2 加拿大

加拿大是世界上最大的農產品出口國之一，農業的發展水平僅次于美國。隨著科學技術的發展，數字技術也逐漸滲透到農業建設領域中。ROSE和CHILVERS在2018年發起號召，將數字農業視為第四次農業革命，重新定義農業的概念，建設無人農場[33]。2016年，加拿大的農業用地為62.67萬平方公里，約占世界總農業用地的1.29%。加拿大地處北美洲的北方，一大部分國土處在北極圈內，氣候惡劣，不適合農業耕作。目前加拿大的小型農場正在整合成為大型農場，據加拿大統計局2012年給出的數據，2011年加拿大共有205 730個農場，相比2006年減少10.3%，而農場面積僅僅減少4.1%，如圖3所示。

加拿大的Saskatchewan省被譽為“產糧之籃”，其中部地區有一名為Battleford的城市，該市大型農場占地可達24 000多畝，在大型農場內進行農業作業時，智能化顯得尤為重要。Farmers Edge公司據此推出了一款APP，該APP能從農場以及周邊氣象觀測站提取數據，再利用人工智能進行分析，可得出耕作施肥的最佳時間。不僅如此，利用采集的數據，人工智能系統還可以建造數學模型，實時監測作物植株生長狀況[34]。隨著一系列智能程度較高的APP投入使用，無人農場的成功建設指日可待。

日本地少人多，國土面積僅有37.8萬平方公里，人口卻達到了1.26億，所以農業對其來說至關重要。日本針對農業建立了一套科學的研究體系，通過科研院所、高校以及各民營農業公司的協同研究，使其農業發展迅速[35]。日本正在經歷耕地向大型非家庭農場集中的過程，據2012年日本農業部的統計，日本的大型稻田機械設備資金投入占農場運營成本的30.8%[36]。

目前日本在推行一種叫“植物工廠”的農業模式。該模式始于二十世紀中葉的美國，但沒有獲得美國人的青睞。1974年，日本將該模式投入使用。如今，日本的“植物工廠”自動化程度較高，操控人員通過計算機來獲取作物的生長數據（如環境溫度、植物墑情、光合作用強度等），獲取數據之后利用人工智能進行分析，從而得到植物生長的最佳參數。因為這種模式在密閉的溫室工廠內運行，所以不受外界環境的制約[37]。“植物工廠”就是無人農場的初級階段。

3.2 國內無人農場發展狀況

1998年，時任國家主席的江澤民同志在兩院院士大會上提出發展“數字中國”的概念，數字農業由此而生。發展至今，數字農業、智慧農業、精準農業共同推動中國現代化農業的發展[38]。我國對于數字農業相當重視且投入逐年上漲[39]，見表2。

表2 農業農村部數字農業項目概況

位于湖南長沙的湖南湘數公司是一家研究農業大數據終端的公司，該公司推出了一款名為“農業123”的APP。只要在農機具上安裝物聯網數據采集傳感器（如圖4所示），就可將農機具工作的路線軌跡、作業強度、作業時間等數據上傳云端，經人工智能分析后，就能把完整的數據傳到用戶手機的APP上，從而可以實現足不出戶就能了解農機的整個工作情況。

隨著我國北斗衛星導航系統技術的突破，我國農機裝備的導航系統擺脫了依賴進口的不利形勢[40]，我國農機行業發展也煥然一新。2005年我國開始研發植保無人機，歷時五年生產出我國第一架植保無人機[41]。目前，我國在民用無人機的研發達到世界領先水平，足以與美國等發達國家分庭抗禮，其中又以大疆的農用無人機最為出色。新一代的大疆T20植保無人機（如圖5所示），不僅將最大載重提高到了20kg，還將工作效率提高到了180畝/h。在工作時，只需輸入農田參數，無人機即可進入自主作業模式，配合大疆的農業服務平臺，在手機上即可獲取無人機的工作信息，自動化水平極高。

目前，華南農業大學羅錫文教授及其團隊已經開展了關于無人農場的初步實踐。在廣州市增城區的試驗田內，該團隊通過智能化機械與技術，實現了“耕、種、管、收”四環節無人化作業，收獲了第一批水稻，畝產量可達五百余公斤。這意味著我國的無人農場建設正逐步展開。

3.3 國內外無人農場技術發展對比

我國在物聯網技術方面發展迅速。由表3、表4可以看到我國被SCI收錄的有關物聯網技術的論文數量世界領先。但根據被引情況可以發現，我國發表的論文被引用的情況低于世界平均水準，影響力不及其他發達國家[42]。

表3 2009～2018年SCI收錄有關物聯網的論文數前五名

表4 2009～2018年SCI收錄有關物聯網的論文被引情況

目前我國的傳感器芯片制造能力遠不及美國，傳感器芯片大多依賴進口。物聯網感知技術落后于發達國家。但在5G等方面我國領先于其他國家。

我國地域廣闊、地形復雜等原因，大數據發展較為困難。推行無人農場模式需要精準的數據，但我國農業生產數據老舊、丟失的情況極為常見，發展并沒有預期的那么快。近年來，我國不斷推進大數據的發展，目前正在一些農業大省進行試點試驗，如新疆、黑龍江等。不僅中國，美國也將發展大數據技術作為其增強國際影響力的一種重要手段。美國通過將大數據技術滲透到國民經濟中，實施多方面的計劃，以此實現其科技的進步。二戰后，美國提出了“西裝革履的農民”新概念[43]。依靠先進的手段，農場工作管理性越來越強，入農田實地耕作的情況則越來越少。

在人工智能技術方面，我國發展趨勢良好。根據《中國新一代人工智能發展報告 2019》的數據，在2013～2018年，世界關于人工智能（AI）領域共發表了304 914篇論文，我國以發表74 408篇論文位居第一，美國發表論文數量比我國少兩萬余篇，位居第二。我國不僅發表的論文數量多，論文質量含金量也高。據統計，在世界AI領域排名前1%的被引用論文中，我國被引用的論文數量排名世界第二，僅次于美國，領先于其他發達國家[44]。雖然我國關于人工智能領域的研究世界領先，但我國人工智能基礎端建設薄弱的問題也不能被忽視。目前，我國關于人工智能的研究主要集中在高校，已經有31所高校建成了AI院，但與企業聯動較少。我國應當加強高校與民營企業的聯動，共同推進人工智能的發展。

在中國成為世貿組織成員國之前，中國農機行業發展緩慢，所占全球農機市場的份額不足1%。自2001年中國加入世貿組織以來，中國農機產業開始快速發展，所占全球農機市場份額由2001年的0.9%上升到2017年的9%。1994～2017年世界各國農機行業市場份額如圖6所示。

2004～2013年，我國農機發展平均年增長20%左右。2014年開始，我國經濟由高速增長轉為中高速增長，農機行業也由此進入了農機發展“新常態”。2015年，國務院印發《中國制造2025》的通知，明確地將農機行業列入了十大重點發展領域。我國在農機行業快速發展的同時，也要正視農機行業底子薄弱、核心技術掌握遠不如發達國家的情況。

由表5可知，我國農機核心專利整體落后于農業強國[45-47]。

表5 Innography檢索關于農機專利強度統計

美法德日等國家在農機各領域均有各自的核心技術。美國約翰迪爾（John Deere）公司，通過在森林機械上搭載全球導航衛星系統（GNSS）和地理信息系統（GIS），可使機械在林間工作時，減少對土壤的潛在損害[48]。法國庫恩（KUHN）公司使用了一種漸進式偏導數線性回歸模型，以此可以集中運算，尋求最佳參數[49]。其他農機行業的國際巨頭也各有關鍵技術。我國農機企業如一拖、雷沃、沃德等還需要繼續追趕，爭取能在國際農機行業內占有更重要的位置。

4 結論

4.1 無人農場發展現階段存在的問題

目前我國的無人農場發展仍存在多方面問題。一方面，我國農機裝備的技術問題仍有待突破。只有掌握核心技術，才能生產出與無人農場相匹配的高級別農業裝備[50]。一方面，因為無人農場所需的大型智能農業機械較多，所以無人農場的建設需要一定的土地面積并且對網絡的要求也較高。我國國土雖然面積遼闊，但地形復雜，全面推行無人農場較為困難。另一方面，由于無人農場是智慧農業的最終形態，所以對農業從業者的綜合素質要求較高。例如德國雖然是農業大國，但是由于智慧農業對民眾普及不全面，導致德國民眾對數字化農業批評反對的聲音居多[51]。而目前我國從事農業生產的主體力量還是知識儲備較少的普通農民，所以想要成功建設無人農場，對農民的知識普及工作任重道遠。最后，由于智慧農業的基礎設施較為昂貴，想要推廣無人農場，仍需國家加強對基礎端的持續投入。

4.2 無人農場發展展望

無人農場的發展是智慧農業的最終形態，是歷史的需求。我國在無人農場方面雖然起步比農業發達國家晚，但近些年來發展迅速，在多方面的研究均有不錯的進展。

中國工程院院士羅錫文在接受采訪時，談及無人農場，他說：“無人農場預計在五年之內投入使用，五年后進行推廣，十年后加速推廣”。面對未來建設無人農場的機遇和挑戰，首先，應加強農業尖端人才的培養，高校與企業聯動，形成一個良好的培養體系[52]。其次，應加強對農業的投入力度，加大農業的曝光度，改變人們固有的農業觀念，讓農民不再是“沒出息”、“辛苦”的代名詞。