我國無人農場的現狀與展望

潘軼群王文強王躍勇高宇

(1.長春市農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130062；2.吉林農業(yè)大學，吉林 長春 130000)

1 農場的發(fā)展歷史

隨著人類社會的不斷發(fā)展，農業(yè)生產模式不斷變化，推動了農場形式的歷史演替，農場經歷了人力、機械化、自動化和信息化的發(fā)展過程。

1.1 傳統(tǒng)農場

在以內燃機提供動力的農業(yè)機械廣泛應用以前，傳統(tǒng)農場一直是國內外農場的主流形式。傳統(tǒng)農場主要以人力、畜力，并配以簡單的傳統(tǒng)農耕生產工具，施用自然肥料，進行農業(yè)生產。傳統(tǒng)農場具有土地面積大、勞動力需求大和農耕生產工具作業(yè)效率低等特點。

1.2 機械化農場

工業(yè)革命以來,科技不斷發(fā)展，機械化農場逐漸走進歷史舞臺。機械化農場，在傳統(tǒng)農場基礎上，利用現代化農機具進行大規(guī)模農業(yè)生產，不僅降低了生產成本和勞動強度，而且使得勞動生產率顯著提高。主要發(fā)達國家在20世紀60年代已經實現了農業(yè)機械化。我國雖然農業(yè)機械化起步較晚，但是目前我國農業(yè)機械化水平正在不斷提高，基本實現了農業(yè)機械化。

1.3 自動化農場

20世紀80年代以來，我國信息技術迅猛發(fā)展，計算機越來越多地被應用到農業(yè)生產中，促進了自動化農場的誕生。自動化農場是在機械化農場基礎上，將傳統(tǒng)農業(yè)機械與信息技術結合,用自動化裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)農業(yè)機械裝備。然而，自動化農場仍然存在一些問題，如不同地塊的環(huán)境差異大，需要使用不同的農業(yè)自動化技術，仍然離不開人類的操作和管理。

1.4 無人農場

隨著信息技術的迅速發(fā)展，無人農場的概念被提出來，英國哈珀·亞當斯大學(Harper Adams University)與 Precision Decision公司建成了世界上首個無人農場(Hands-Free Farm)[1]。2017年，世界上首個蔬菜無人農場在日本建立。目前，美國、日本和歐洲的一些發(fā)達國家建立的無人農場逐漸投入應用。我國北京、山東和江蘇的無人農場也逐漸開始試驗探索，建設無人農場是農業(yè)現代化的必然趨勢。無人農場，不需要人頻繁進入農場，采用物聯(lián)網技術、大數據技術、人工智能技術和無人智能農業(yè)裝備技術等技術，全天候、全過程自主完成農業(yè)生產作業(yè)。“無人化”是無人農場的本質特征。

2 無人農場的概念及其進階狀態(tài)

2.1 無人農場的概念

無人農場是在人不進入農場的情況下，采用物聯(lián)網、大數據、人工智能、5G、機器人等新一代信息技術，通過對農場設施、裝備、機械等遠程控制或智能裝備與機器人的自主決策、自主作業(yè)，完成所有農場生產、管理任務的一種全天候、全過程、全空間的無人化生產作業(yè)模式，無人農場的本質是實現機器換人[2]。

2.2 無人農場的進階狀態(tài)

根據智能農業(yè)裝備參與程度的不同，可將無人農場劃分為3個不斷進階的形態(tài)，依次為遠程控制、無人值守和自主作業(yè)的無人農場[3]。

2.2.1 遠程控制無人農場階段

此階段是無人農場的萌芽階段。人類對無人農場的遠程操作，通過遠程控制技術來實現。無人農場雖然不需要人類現場介入，但是無人農場生產環(huán)節(jié)的規(guī)劃決策和遠程操作仍然需要人類參與。

2.2.2 無人值守無人農場階段

此階段是無人農場的中級階段，雖然不再需要專人全天候對農場設備進行實時遠程操作，但是需要在規(guī)定時間下達決策指令。人類在無人農場中的主要角色發(fā)生了轉變，由無人農場的操作者變?yōu)闆Q策者。

2.2.3 自主作業(yè)無人農場階段

該階段是無人農場的高級階段。無人農場生產中的各個環(huán)節(jié)均由無人農場自主完成，整個的生產過程不需要人類參與。

3 無人農場的關鍵技術

無人農場是機器換人所要展現的最終形態(tài)，物聯(lián)網替換了人類的感知器官；大數據和人工智能組成智慧云大腦，替換了人類的大腦；無人駕駛的農業(yè)機械(簡稱無人駕駛農機，泛指用于農業(yè)生產的所有機器人、無人機、機械裝備等)替換了需要人類四肢參與執(zhí)行的有人駕駛農機[4]。

無人農場的關鍵技術主要包括物聯(lián)網技術、大數據技術、人工智能技術和無人智能農業(yè)裝備技術等。無人農場的關鍵技術按照模塊一般可以劃分為感知數據融合技術模塊、規(guī)劃決策技術模塊和控制執(zhí)行技術模塊等。感知數據融合技術模塊主要包括物聯(lián)網技術，規(guī)劃決策技術模塊主要包括大數據技術和人工智能技術，控制執(zhí)行技術模塊主要包括無人智能農業(yè)裝備技術。

3.1 物聯(lián)網技術

近年來，傳統(tǒng)互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，衍生出了物聯(lián)網技術。物聯(lián)網技術主要包括傳感器、數據傳輸等技術。物聯(lián)網技術將環(huán)境、作物和智能農業(yè)裝備等信息實時連接，構建無人農場的“神經網絡”，為無人農場提供精準的數據支持。物聯(lián)網技術是無人農場智能化的基礎，有助于農業(yè)生產科學、準確地進行。

傳感器廣泛應用于各種農業(yè)裝備中，使得無人農場的各個生產過程可視可控。如，耕整地機械利用超聲波傳感器、紅外傳感器和壓力傳感器等實時感知機具的耕作深度和耕作阻力等信息。

數據傳輸技術包括有線數據傳輸技術和無線數據傳輸技術。5G技術作為一種新型無線數據傳輸技術，具有傳輸速度快、延時低等優(yōu)點，5G技術在無人農場中的應用將成為智慧農業(yè)的重要發(fā)展方向。

3.2 大數據技術

大數據技術，主要包括大數據采集、處理、存儲和分析等技術。農業(yè)大數據技術能夠科學合理地分析農業(yè)數據，發(fā)現數據之間的潛在關系，進而指導農業(yè)生產。農業(yè)大數據現在已經成為農業(yè)發(fā)展的新型資源。農業(yè)大數據技術可以建立并不斷完善無人農場經驗庫，形成更加科學、準確的方法論來指導農業(yè)生產。

3.3 人工智能技術

人工智能技術，主要包括智能識別、智能學習、智能推理和智能決策等技術。人工智能技術讓無人農場擁有智慧的大腦，讓機器具有類似人類的思考能力。無人農場在農業(yè)生產過程中，通過人工智能技術，自主學習訓練并增長智慧，從而能夠做出更加科學合理的規(guī)劃決策。人工智能技術在農業(yè)上主要有農作物識別與檢測、農作物病蟲害與缺素診斷、農作物生產精準管控、農產品質量分揀和溯源、土地與種植資源管理等應用場景[5]。

3.4 無人智能農業(yè)裝備技術

無人智能農業(yè)裝備技術，主要包括狀態(tài)數字化監(jiān)測、智能信息感知、自動導航控制、智能動力驅動和裝備智能作業(yè)等技術。無人智能農業(yè)裝備，主要包括無人駕駛農業(yè)機械、農業(yè)機器人和農業(yè)無人機等。

農業(yè)機械無人駕駛是無人農場的重要表現形式。無人駕駛農業(yè)機械主要包括無人駕駛精量播種機械、無人駕駛耕整地機械、無人駕駛植保機械和無人駕駛收獲機械等。在農田作業(yè)時，無人駕駛農業(yè)機械需要進行合理路徑規(guī)劃、準確姿態(tài)控制、靈敏自動避障和自主停止。

無人駕駛農業(yè)機械在實際運行時需要進行行為決策和合理路徑規(guī)劃。科學合理的決策和規(guī)劃可以確保無人駕駛農業(yè)機械安全工作。規(guī)劃決策技術模塊是無人駕駛農業(yè)機械的大腦，主要由計算單元組成。各種傳感器采集的數據統(tǒng)一傳輸到計算單元進行計算、規(guī)劃和決策。

無人駕駛農業(yè)機械控制執(zhí)行技術模塊接收由規(guī)劃決策技術模塊形成的控制命令，并將這些指令輸送給轉向、制動等系統(tǒng)，完成自主轉向、制動等操作，實現準確姿態(tài)控制、靈敏自主避障和自主停止。

農業(yè)機器人可以分為除草機器人、施肥機器人和收獲機器人等類型。面對復雜工況和惡劣環(huán)境，農業(yè)機器人也能正常完成農業(yè)生產作業(yè)。當農業(yè)機器人收到工作指令后，農業(yè)機器人能自主移動到作業(yè)位置并進行作業(yè)。

無人駕駛農業(yè)機械，與農業(yè)機器人和農業(yè)無人機等無人智能農業(yè)裝備共同組成了無人農場地空協(xié)同作業(yè)體系。無人智能農業(yè)裝備，是前端物聯(lián)網技術、大數據技術和人工智能技術的重要載體，在前端無人智能感知與規(guī)劃決策的基礎上，完成無人農場的具體作業(yè)。

4 無人農場的幾種常見應用類型和案例

4.1 無人農場的幾種常見應用類型

4.1.1 大田無人農場

大田無人農場是最早的無人農場應用類型。大田場景下的無人農場，在控制執(zhí)行技術模塊上，以大型無人駕駛農業(yè)機械為主。

4.1.2 果園無人農場

果園無人農場，感知數據融合技術模塊一般包含各類傳感器，實現對果園生產狀態(tài)的實時感知，并通過5G等數據傳輸技術將信號實時傳輸至規(guī)劃決策技術模塊。規(guī)劃決策技術模塊，通過大數據技術和人工智能技術輸出控制信號至控制執(zhí)行技術模塊。果園場景下的無人農場，在控制執(zhí)行技術模塊上，以農業(yè)機器人、自主作業(yè)車為主。果園中的除草、修剪、施藥、采摘和運輸等主要作業(yè)環(huán)節(jié)，均由無人機器人和自主作業(yè)車來完成。

4.1.3 溫室無人農場

溫室無人農場，可以通過溫室環(huán)境傳感器實時獲取、處理溫室作物長勢信息，通過溫室綜合管理平臺對于溫室作物(蔬菜、水果、花卉等)所處的溫度、水分和肥量等進行規(guī)劃決策，通過溫室農業(yè)機器人等實現對溫室各參數的精準調節(jié)。

4.1.4 養(yǎng)殖無人農場

養(yǎng)殖無人農場，主要包括養(yǎng)牛、養(yǎng)豬和養(yǎng)雞無人農場。感知數據融合技術模塊一般包括各類傳感器、動態(tài)巡檢裝置，對動物行為和生長狀況進行實時監(jiān)測；規(guī)劃決策技術模塊即養(yǎng)殖綜合管理平臺，對監(jiān)測數據進行處理并形成科學的規(guī)劃決策；控制執(zhí)行技術模塊，實現投喂、清理和室內溫度調節(jié)等功能，使得養(yǎng)殖無人農場的生產管理更加精準高效。

無人農場除了以上4種常見的應用類型，還有漁業(yè)無人農場等應用類型。然而不同應用類型的無人農場，其本質大同小異，都是以前文所述的4大無人農場關鍵技術為技術基礎建立起來的。

4.2 無人農場的案例

華南農業(yè)大學集成相關的智能農機裝備，創(chuàng)建了水稻無人農場，并在廣東增城進行了實踐。水稻無人農場具有耕種管收生產環(huán)節(jié)全覆蓋、機庫田間轉移作業(yè)全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產過程實時全監(jiān)控和智能決策精準作業(yè)全無人等5個特點[6]。

山東理工大學在智慧大田種植場景下的生態(tài)無人農場模式已經基本成熟，并且于2020年在吉林省農安縣實現了首次推廣。山東理工大學生態(tài)無人農場研究團隊正在向生態(tài)無人農場技術體系下的智慧漁場、智慧果園、智慧溫室等探索和推進，將生態(tài)無人農場這一模式和理念進行深層次的探索，為未來農業(yè)提供寶貴的借鑒[7]。

北大荒集團紅衛(wèi)農場有限公司，利用5G網絡、大數據技術和智慧平臺，打造“無人農場”樣板。通過設備改裝聯(lián)結智慧農業(yè)大數據應用服務平臺，實現了無人駕駛遠程操控和協(xié)同作業(yè)。智慧農業(yè)控制中心可實現遠程操控無人插秧作業(yè)全過程，實現精準作業(yè)，達到節(jié)省人力，提高效率的目的[8]。

阿里巴巴公司將人工智能和養(yǎng)豬進行有機融合，建立了“互聯(lián)網農場”。華為公司利用5G等技術，促進農業(yè)生產數字化、智能化轉型升級。眾多科技公司也正在投入到無人農場的建設和發(fā)展中。

5 無人農場的展望

目前，我國無人農場建設剛剛起步，無人農場的發(fā)展仍然面臨著一些不可避免的問題。

5.1 無人農場的成本與農業(yè)勞動力的成本密切相關

現階段，農業(yè)勞動力的成本雖然在緩慢提高，但是仍普遍低于無人農場的成本。無人農場大規(guī)模投入應用不可避免地受到無人農場高昂成本的限制。在我國的城鎮(zhèn)化進程中，農村人口將不斷減少，農業(yè)勞動力成本將持續(xù)提高。無人農場技術的改進和發(fā)展和無人農場的逐漸普及，將逐漸降低無人農場成本，促進我國農業(yè)現代化發(fā)展。

5.2 加快無人農場關鍵技術攻關

以“機器換人”為主要特征的無人農場，需要精準、穩(wěn)定和可靠的技術支撐。我國迫切需要加快對農業(yè)物聯(lián)網技術、大數據技術、人工智能技術和無人智能農業(yè)裝備技術的攻關。加快物聯(lián)網技術集成應用與示范；推進農業(yè)大數據技術發(fā)展，建立并不斷完善無人農場經驗庫，形成更加科學、準確的方法論來指導農業(yè)生產；加快研發(fā)人工智能技術和無人智能農業(yè)裝備。利用高等院校、科研院所和科技公司的科研優(yōu)勢，加快研發(fā)適應不同地域、不同地形、不同種植方式和不同養(yǎng)殖方式的無人農場關鍵技術，并建立研發(fā)基地、試驗基地，集聚項目、人才等資源，促進無人農場技術的示范和規(guī)模化發(fā)展。只有技術的發(fā)展，才能推動無人農場早日普及。

5.3 加強無人農場科技人才培養(yǎng)

建立政府、高等院校、科研院所和科技公司等多方聯(lián)動的培養(yǎng)體系，培養(yǎng)無人農場尖端人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。加強對無人農場相關的實際操作技術人員和實際經營人員的技術培訓，并打造一支專業(yè)的無人農場技術推廣隊伍。

5.4 建設無人農場國家技術標準體系

我國可以根據國外現有的無人農場技術標準體系，以及國內無人農場的發(fā)展現狀，建設適合國內無人農場現實需求和未來發(fā)展的無人農場國家技術標準體系，以促進我國無人農場的標準化發(fā)展。

5.5 無人農場需要政府政策支持

政府在信貸、投資和補貼等方面，可制訂和完善支持無人農場發(fā)展的相關政策，調動企業(yè)投資無人農場的積極性，促進無人農場快速、健康發(fā)展；加強土地連片整治，支持無人農場經營規(guī)模的合理擴大。

5.6 加強宣傳

改變人們對于傳統(tǒng)農業(yè)的固有觀念，提高全社會對農業(yè)尤其是無人農場等新型農業(yè)模式的關注程度和投入力度。無人農場代表著先進農業(yè)生產力，能夠徹底解放農業(yè)勞動力，是未來農業(yè)的重要發(fā)展方向，必將引領我國農業(yè)現代化的快速發(fā)展。