5T智慧農場管理系統構建與應用探索

吳文福，張 娜， 李姝峣 ，王雨佳，徐 文， 孟憲梅，朱 航，齊江濤，周曉光，劉厚清

（1. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022； 2. 吉林工商學院糧食學院，長春 130507； 3. 北京郵電大學自動化學院，北京 100876）

0 引言

智慧農場是以農業數字信息技術為主導的第三次農業革命發展骨干方向，是農業4.0發展的核心內容，已引起全社會高度重視，已投入大量人力、物力進行智慧農場的研究與實踐[1]。

中國工程院陳學庚院士指出利用信息技術促進農業機械的發展，能夠最大化發揮信息技術的引導效應，提高農業生產效率；其主要方向包括促進智能感知技術發展與導航技術研究、推進農業機械裝備智能化、構建農機智慧作業系統[2]。陳貴珍等[3]通過移動互聯網等技術進行資源整合，并依托地理信息系統（Geographic Information System, GIS）地圖，實現了“人、事、地、物、情、組織、單位”等信息直觀展示、有效管理、智能分析，同時整合了智慧農場區域的事件資源，構建了“智慧農場在線綜合服務信息平臺”體系。孫治貴等[4]通過多重因素關聯規則學習方法，構建了農業氣象災害預警和生產管理專家知識規則，開發了基于互聯網數據挖掘和專家知識決策技術的設施農業氣象災害監測預警及智能決策推送服務系統，對惡劣天氣等北方主要氣象災害進行早期預警提醒；穆悅等[5]認為智慧農場是一個蘊含著精準生產、智能分銷和先進管理的農業創新方向，提出了一種包含品質營養池、種子培育和育秧、控制中心、智能溫室和大田等的智能農場水稻生產管理方案，主要包括水稻生長環境管控和智能農場云平臺兩部分。吳久江等[6]設計了一種智慧管理系統，這套系統能夠利用環境控制模型等執行系統，還具備微信互動模式，將環境監控與草莓栽培技術相結合，能夠較好地智能指導種植戶對大棚進行精細化管理，保證草莓的產量和質量。

總體來說，中國智慧農場的發展還處在摸索階段，存在管理模式、架構和邊界不清晰，信息組織、感知、傳輸、處理技術等技術分散、不成熟和產業化程度較低等問題，應從不同的角度展開大膽的探索。本研究根據農作物生長及產品存續的鮮明鏈特性、時間的連續性、效果的促控性，基于5T管理方法結合智慧農場理念，構建了智慧農場系統的模式和架構，并針對水稻生產全過程開發了5T智慧農場管理信息系統，在吉林省進一步圍繞優質水稻嘗試了智慧農場管理系統的推廣及應用，總結了智慧農場系統架構應用情況和5T智慧農場管理系統的運行效果。5T智慧農場系統對中國農業現代化具有重要意義，可對農作物生產起到增收、減損、提質的效果，5T智慧農場管理系統可智能控制無人農機設備，為最終實現真正意義的自主無人農場提供參考。

1 基于5T管理的智慧農場理念與模式

1.1 智慧農場理念

智慧農場是以先進科學技術為基礎的新型活動科技領域，可對農業產前、產中和產后數據分析，指導農業生產，實現農業的智能化生產、自動化調節與精準化管理。智慧農場三大核心是農場數字化、農機作業監管和精準種植管理，智慧農場實現了高產量與高效管理[7-9]。

智慧農場是一個逐步在農業生產過程環節上無人化、時間上精準化、指標上精細化的系統工程，體現對人的解放，是農業的技術革命；是信息技術、管理技術、生物技術和智能農機的深度融合，信息管理技術具有主導作用，管理技術具有中介作用；智慧農場的基礎是多維度物聯，物聯的廣度和深度決定系統運行的效果；核心是數據驅動，獲得數據、記憶數據、分析數據和使用數據；目標是在不同情境下讓數據發揮威力；特點是全面物聯、裝備智控和系統慧管；智慧農場所需要的共性關鍵技術包括信息感知技術、物聯網技術、大數據技術、智慧管理技術和智能控制與機器人技術等；在現階段智慧農場的意義在于打通信息、品質和價值通道，提升農業生產的質量和效益。

1.2 5T管理

從農作物全株生長和存續的自然區塊特性[10]，將農作物生產分為種期（TⅠ）、苗期（TⅡ）、秧期（TⅢ）、籽期（TⅣ）和產品期（TⅤ）5個時效通道，即為大5T；整個種期（TⅠ）時效通道包含1個種期（T01）時效區塊、苗期（TⅡ）時效通道包含1個苗期（T02）時效區塊、秧期TⅢ時效通道包含1個秧期（T03）時效區塊；按照農作物籽粒的生長和存續可將籽期（TⅣ）分為熟收（T1）、田場（T2）、干燥（T3）、收倉（T4）和倉儲（T5）5個時效區塊，即為小5T；在產品期（TⅤ）包括加工（TP1）、銷售（TP2）和食用（TP3）3個時效區塊。時效通道和時效區塊將物、物主、物主時間等融合為一體，便于科學觀察和管理。

5T管理按照農作物生產周期時效通道和區塊特性，對農作物生產各個時期進行十二元管理。十二元管理是指針對農作物各個時效區塊的要素信息管理，包括人、土、時、種、機、數、水、肥、藥、溫、濕、水分。例如在苗期溫室棚內的調溫信息，秧期田地的灌溉信息，對應地塊種植的農作物用藥、施肥、除草操作的時間和用量等信息，最后根據后臺預設的專家評判系統判斷十二元管理執行情況是否合理并提出相應建議。

農作物生產全過程分為種苗成長3個時效區塊（T01、T02、T03）、籽粒成長5個時效區塊（T1、T2、T3、T4、T5）和產品存續3個時效區塊（TP1、TP2、TP3），按照生產階段將其分為不同的管理階段，分別為耕種管理、收儲管理和食前管理，結合十二元管理，構建了5T管理指標體系，如圖1所示，以基于科學指標體系的標準為引領，實施數據驅動的全方位、多層次管理，達到管控目標最優化。

1.3 智慧農場的基元模型

智慧農場管理的基礎是物聯網，本研究超越以“物”為對象，而是以活動體“時效區塊”為對象，將5T管理信息進行鏈式管理，形成智慧農場基本元素模型，如圖2所示。

1）物聯類別序位碼：時效區塊不指向具體的物體，而是同時指向物主和物體結合體；物主就是時效區塊主，以其身份為標識；物體是指對智慧農場生產有決定性影響固定資產、設施和裝備等，以類別、順序和位置信息來共同標識。物聯類別序位碼是由時效區塊主身份標識、資產類別碼和資產順序碼或位置信息組成。

2）上鏈碼：是時效區塊唯一標識，上鏈碼是由物聯類別序位碼、時間戳信息生成，是對智慧農場作業的標識，面向事。

3）區塊信息：是上鏈碼指向的內容，具體指一項作業的數量、質量和管理信息。數量和質量是指作業環節所涉及產出品的信息。而管理信息是指對人、土、時、種、機、數、水、肥、藥、溫、濕、水分十二元信息的投入或者監測，決定數量和質量。

1.4 智慧農場的管理體系

參照美國學者霍爾提出的系統工程方法論的霍爾三維結構[11]，將智慧農場看作時間維、邏輯維和目標維作用下的5T智慧農場。時間維是按照農作物生長和存續的時間階段進行排序的全過程，物元維是指農作物生產時間維的每一個階段內所需要管理的重要元素，目標維是完成每個階段和重要元素管理所要達到的農作生產目標。智慧農場管理架構如圖3所示，此架構按農作物的生理和物理特性為基礎實施管理。

5T智慧農場按農作物及產品的生長和存續曲線的通道和區塊特性構造系統架構，該架構的運行在底層需要通過作業記錄APP、作業裝備及設施測控單元、實驗室儀器、農用無人機測控單元、氣象監測單元和衛星定位系統，智慧農場系統架構如圖4所示。以時效區塊為基元，以時效區塊為對象，不以具體物為研究對象，可以實現對作業質量和產品質量的雙追溯，體現管理、信息和技術的高度融合。

2 5T智慧農場管理系統的構建

智慧管理系統是智慧農場的關鍵核心技術[12]，本研究從科學改變理念和習慣入手，借助信息新技術，以標準為引領，將物聯碼、物聯網、移動終端、大數據技術結合，將基于5T管理的智慧農場管理理念在水稻生產全過程進行初探索，開發了5T智慧農場管理系統，融合以時效區塊為管理基本單元，5T智慧農場管理系統技術框架如圖5所示，以綠色減損保優為目標進行追溯和管理，數據分布存儲，線上線下評價結合，最終要取得數據驅動價格效果。

2.1 5T智慧農場管理系統關聯網絡

長期以來，信息和價值通道不通暢，消費者對產品和生產“無感”、“無知”、“盲認同”。水稻生產5T管理布局涵蓋生產者、監管者及消費者等多方利益主體，構建智慧農場的關聯網絡，各企業、機構、部門信息互聯互通，5T智慧農場用戶關聯網絡如圖6所示，讓消費者“有感”于質量之“好”，“有知”于信息之“真”，“有意”于產品之“吃”，“有認同”于價值之“優”。

2.2 5T智慧農場管理系統架構

5T智慧農場管理系統建設遵循先進的建設理念，在進行系統建設時，從系統性能、系統功能、產品穩定性、系統經濟性能等方面考慮系統的先進性、兼容性和可擴展性。具有與其他信息系統進行數據交換和數據共享的能力，結合硬件應用，對水稻生產管理數據進行綜合分析，直觀反應水稻生產5T工作開展情況；系統能夠支持瀏覽器/服務器模式（B/S）架構體系，具有良好的可擴展性，支持各種應用的接口協議，使系統具有高度靈活性和擴展性[13-17]。

5T智慧農場管理系統包括四個層次，綜合展示層、業務應用層（面向終端）、數據資源層、保障支撐層對水稻生產5T管理數據進行采集、處理、存儲、分析并最終形成可追溯信息鏈。5T智慧農場管理系統架構如圖7所示。

1）綜合展示層

5T智慧農場管理系統各類用戶通過綜合展示層訪問系統，企業、農戶及監管部門等通過電腦端或者智能移動終端進入系統，公眾查詢掃碼追溯可直接進入公眾端。

2）業務應用層

利用智能傳感器和其他接口設備以及人工錄入相結合的方式采集水稻生產5T管理信息，同時可對接多個子系統接入的物聯網硬件設備和網絡系統的數據；利用采集數據為用戶提供智能化信息展現服務，支持智能化數據分析、智能化數據統計、精準數據預測，達到幫助用戶對已有數據進行高效的利用和檢索，協助公眾追溯查詢。

3）數據資源層

通過數據采集、轉換等，將5T智慧農場管理系統數據資源關聯和資產化管理，使不同數據源的離散數據、管理對象之間建立關聯關系，構建相互具有內在關系的統一的公共數據資源庫。通過云計算中心，基于大數據體系架構，提供分布式計算框架，利用集群資源，實現計算任務的分布式并行執行。

4）保障支撐層

5T智慧農場管理系統的基礎運行環境需要主機系統、網絡系統、平臺硬件和軟件系統等的支撐和保障。

2.3 5T智慧農場管理系統的功能模塊設計

在研發多種物聯感知應用的基礎上，集成開發了5T智慧農場管理系統，根據系統的總體需求和結構設計，將系統分為8個功能模塊，分別為基礎信息模塊，5T管理模塊、產品追溯模塊、統計查詢模塊、綜合評價模塊、5T認證模塊、糧情監測模塊和大數據駕駛艙模塊，5T智慧農場管理系統功能模塊劃分如圖8所示。

1）基礎信息模塊

用戶管理個人或企業的基本信息，同時利用物聯類別序位碼是將企業或農戶的所有設施設備及地塊等資產按類別和序位進行編碼，在進行5T管理時便可智能選擇作業環節相應的資產，5T管理物聯類別序位碼如表1所示。例如，在熟收（T1）時期，在地塊1收割了水稻，則此資產類別為地塊，類別碼為A1，在根據用戶的實際情況將此地塊的序位編碼（可自定義編碼），為6位阿拉伯數字，如000024，則此地塊類序位編碼為A1000024。

表1 5T管理的物聯類別序位碼 Table 1 Internet of Things (IoT) classification subsequence code for 5T management

2）5T管理模塊

5T管理模塊分別將水稻生產從種期（TⅠ）開始記錄5T十二元管理信息，并根據基礎信息中的物聯類序位碼對相關資產進行匹配，將水稻每個環節的作業時間（時間戳）和作業量（數量戳）進行編碼，將物聯類序位碼與時間戳和數量戳串聯起來，便可體現每個環節的作業信息，利用物聯碼將系統的數據進行關聯，對水稻生產信息整合管理，形成5T管理全鏈條的追溯。

物聯碼由社會信用代碼（18位）或業主個人身份證號碼（18位）、物聯類序位碼（8位）、數量戳（萬位，小數點后兩位，共7位）和時間戳（10位，年月日時）組成。

3）產品追溯

產品追溯模塊主要根據采集5T管理信息，形成水稻生產作業物聯碼，再將物聯碼轉換為二維碼，通過掃描二維碼可追溯到水稻生產5T管理過程全鏈條的詳細信息，可為公眾提供產品質量追溯和消費跟蹤，深度保障人民“吃得好、吃得健康”。

4）統計查詢

根據水稻生產各時期采集的數據，形成多維度多方位的統計報表。將5T管理中復雜的數據進行整理以簡單易懂的形式，更直觀更智能的為用戶提供數據展示方式，清晰明了的查看當前5T智慧農場管理的趨勢和情況，并給用戶提供相應的決策分析。

5）綜合評價模塊

通過水稻生產相關標準及技術規程對作業指標進行管理評價，按照權重算法進行綜合等級評價，對比預設的等級分值，判斷用戶作業等級。對經過5T管理后水稻的品質進行檢測，檢測后根據水稻的外觀，口感，爆腰率，硬度，黏性等對水稻品質等級進行評價。

6）5T認證

與中國檢驗認證集團吉林有限公司合作共同制定了5T認證體系標準，只有通過認證的產品才會授予優質水稻品牌。進行5T管理用戶，認證用戶資質具有穩定地提供滿足顧客消費者要求和適用的法律法規要求的水稻生產能力；認證其具備按照5T管理進行水稻生產的能力。

7）糧情監測

5T智慧農場管理子系統二維和三維掃倉模塊監測水稻倉儲時期的糧情情況[18-20]，通過外部設備傳遞的參數內容，對糧倉內儲糧的監管狀態進行分析，根據報警數據和問題數據及時對糧倉進行調整，保證糧倉內部穩定。

8）大數據駕駛艙

通過大數據對水稻的質量進行分析，可排列出當前納入到5T智慧農場管理系統中的用戶水稻5T管理作業排名和產品質量排名，讓用戶之間產生競爭機制，促進企業更精細地執行5T管理；通過對5T管理中水稻生產各個環節產量和流量分析，可得到水稻省內、省外的輸入輸出數量，結合流量可分析產品、資金、商譽等信息流相關情況；通過水稻生產5T管理大數據可分析出水稻的5T作業各個環節的最佳作業時間和最佳作業方法。

3 5T智慧農場管理系統的實施與應用

3.1 系統的開發

5T智慧農場管理系統開發采用Java語言，Jeeplus開發框架，根據應用環境采用了SQL Server 5.7數據庫服務器和Tomcat應用服務器，選用模型、視圖、控制器（Model、View、Controller, MVC）三層架構進行Web應用開發，開發中為了緩解數據庫訪問壓力以及提升請求響應速度采用了Redis緩存技術[21-23]。

系統開發使用服務器軟件Apache和多個應用服務器Tomcat 配置了一個可應用Web網站，同時應用Apache進行分流，把請求按照平均分給多個應用服務器處理，即開放源代碼的網頁服務器Apache Http Server，通過一個可插入模塊mod_jk連接器連接多個應用服務器應用實例，并進行負載均衡，同時還配置了會話控制Session屬性及配置信息復制。

本研究物聯碼貫穿整個水稻生產過程，實現了水稻流動信息的實時添加、導入、查看、分析、預警等，完成了水稻生產全過程管理及追溯，物聯碼是系統實施運行的核心，具體生成流程如圖9所示。

3.2 系統的應用

系統建設完成后進行試運行測試，并不斷根據實際業務需求進行改進。以《優質稻谷收儲作業5T管理技術規程》的相關管控指標作為基礎[24]如表2所示，5T智慧農場管理系統于2020年秋季在吉林省正式進行了推廣和應用。由于是在水稻收獲季節，對優質水稻籽期（TⅣ）開展了應用。

表2 優質稻谷收儲作業5T管理技術規程（吉林DB22/T 3113-2020）[24] Table 2 5T post-harvest management technique code for high-quality paddy (Jilin DB22/T 3113-2020)[24]

1）依托吉林大米產業聯盟分批安裝和運行，將12家企業相關的耕地11 973 hm2、收割機51臺、干燥機41臺、田場總面積201 487 m2、庫場總面積191 697 m2和倉房總容量為619 563 t的信息上鏈，形成一批上鏈信息，初步實現了優質水稻生產過程的管理信息和質量信息雙追溯，為“以質論價”奠定了基礎，智慧農場管理系統上鏈信息用戶界面如圖10所示。目前正在持續進行系統的推廣工作，現有20家水稻收儲相關企業陸續進行注冊，預計2021年秋季展開大面積應用。

2）2020年5T智慧農場管理系統采集的6個水稻品種收獲數據中發現，在收獲時期，當達到水稻最佳收割日期后，隨著抽穗天數的延后，水稻產量隨之減少，其與抽穗后天數間的關系如圖11所示，在抽穗后60～65 d 6個品種水稻的產量有小幅度增長，松粳16產量增加最多，為254 kg/hm2；而65～75 d大部分品種水稻的產量持續下降，稻花香產量下降最多，為789 kg/hm2。由圖11可知，經線性擬合后6個品種水稻在抽穗后的55～75 d中產量整體呈下降趨勢，可見延時收獲會導致隱形損失現象。

根據經驗，適時收獲一般在抽穗后45～55 d之間[25]，此時間段為最佳收獲期，而當地現行收獲方式收割時間集中在抽穗后75 d左右，與最佳收割期相差20 d。以最佳收獲日期抽穗后55 d為基準，超過該日期收獲即視為產生了損失，本研究分別計算了6個品種不同抽穗后天數的產量和損失率的變化如表3所示，6個品種75 d松粳16的產量最大為7 203 kg/hm2，吉宏6-300N的產量最小為5 733 kg/hm2，而吉宏6-300N損失率在75 d最大，達到了13.19%，吉宏6-260N的損失最小，為0.56%。由表3可知，以抽穗后55 d為基準，對6個品種不同抽穗后天數的平均產量和平均損失率進行了測定，其結果顯示現行收獲方式存在顯著的7.16%隱性損失，以吉林省年產水稻667萬t[26]，理論測算損失在田間的水稻量為47.8萬t。

表3 抽穗后六個水稻品種在不同天數的產量和損失率 Table 3 Yield and loss rate of six rice varieties in different days after heading

根據延時收獲會導致隱性損失這一現象，5T智慧農場管理系統設計了當用戶記錄水稻抽穗日期后，便可自動計算收割時間偏差，并提示用戶及時收割。移動終端延時收獲提示界面如圖12所示。通過實踐證明5T管理系統借助精細化的管理方式嚴格把控水稻產后收獲時期，可挽回這部分造成的直接經濟損失，使農民增產增收。

3）5T管理方法與5T智慧農場管理系統智能化管理模式應用結合，為優質水稻生產的精細管理提供了有效工具。目前在吉林省推行兩家大型優質水稻種植基地為5T智慧農場，對水稻全時效通道進行精細管控，配套適時收獲、短時田場、低溫干燥、控水收倉、適積溫出倉、適度加工等先進技術，實現減損、保質和生防的目標，助力糧食顆粒歸倉[27-28]。吉林省優質水稻品種覆蓋率超過80%，中高端大米產量由45萬t增加到100萬t，帶動農民增收10億元[29]，5T管理方法及系統應用將在其中大有用武之地。

4 結論與展望

4.1 結 論

1）深化了智慧農場的理念，是一個逐步在農業生產過程環節上智能化、時間上精準化、指標上精細化的系統工程，將信息技術、管理技術、生物技術和智能農機的深度融合。智慧農場的基礎是多維度物聯，核心是數據驅動，特點是全面物聯、裝備智控和系統慧管。

2）在創新5T精準時效農業生產管理方法和標準的基礎上，提出基于農作物生長和存續時效通道和時效區塊的智慧農場基元模型、管理架構以及5T智慧農場管理信息系統架構。

3）以5T管理方法、標準及信息系統為基礎，圍繞水稻探索了智慧農場建設的運行模式，利用物聯網、智能感知、大數據和云計算、移動終端等技術，開發了5T智慧農場管理信息系統，以動態物聯碼為抓手，融合信息、技術和管理為一體，實現了作業質量和產品質量雙追溯機制。

4）在吉林大米產業聯盟12家企業的初步應用中，使優質水稻籽期（TⅣ）產生了5T管理的應用效果，發現了水稻不當管理導致的7.16%隱性損失，以吉林省年產水稻667萬t計，理論測算損失在田間的水稻量為47.8萬t，系統能夠及時提供用戶5T管理提示及預警，取得了顯著增效、減損和提質的效果。

4.2 展 望

1）在開展5T智慧農場收儲作業管理基礎上，加強耕種管理和產品管理，從農作物生產種植方法的評判決策到銷售流量的數據分析，為農作物生產提供精準化、個性化的信息服務，使5T智慧農場管理系統最終構建成為多元化、適應性強、數據范圍廣、鏈條通暢的服務終端。

2）需增強5T管理各時期的指標控制，減少因外界環境因素導致的品質劣變，從而控制成品質量，達到減損保優的效果。

3）未來可實現5T智慧農場全方位管理，加大智能裝備應用，加入生物技術在黑土地保護的應用，將農作物產量預測，病蟲害診斷等先進技術高度集成，充分體現綠色、環保、優質和高效，真正實現智慧農場自主無人系統的構建。

4）基于5T管理的智慧農場管理信息系統將于2021年在吉林省展開大面積推廣和應用，除優質水稻外，系統將應用在所有水稻品種生產中；并可開展多種農作物5T管理生產技術規程管控指標的研究，實現5T智慧農場管理模式全覆蓋。