智能控制技術(shù)在無人農(nóng)場的應(yīng)用

任震宇，楊雨濤，彭世杰，李方志，王 璇

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

農(nóng)業(yè)發(fā)展是國家發(fā)展及人民生活水平提升的必要條件[1-2]。隨著近年來我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型智能控制設(shè)備體系不斷完善，將現(xiàn)代化智能技術(shù)融入到農(nóng)業(yè)中解決我國目前勞動力缺乏的問題，對于新型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型是很有必要的。《“十四五”推進農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中指出了未來五年農(nóng)村現(xiàn)代化的建設(shè)思路和重要任務(wù)[3-5]。其中重要任務(wù)為提升糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量提供保障水平。相信在國家政策的帶動下，我國新型智能農(nóng)業(yè)建設(shè)必將取得突破性進展。

1 智能控制技術(shù)的概述

智能控制的思想產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，由美籍華人傅景孫教授提出。智能控制是指智能機器獨立實現(xiàn)目標(biāo)的驅(qū)動過程[6]。機器可獨立操作，無需直接人工干預(yù)即可自動控制目標(biāo)。智能控制最重要的方法為專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其主要研究對象是不確定模型、高度非線性和復(fù)雜的任務(wù)需求。智能控制以控制理論、科學(xué)信息學(xué)、人工智能等學(xué)科為基礎(chǔ)，擴展了相關(guān)理論和技術(shù)。生產(chǎn)過程中的智能控制首先包括局部智能控制和全局智能控制。

智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用[7]。在現(xiàn)代先進制造系統(tǒng)中，我們不得不依靠這些不完整和不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來解決不可預(yù)測的情況。近年來，智能控制技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展迅速，進入了技術(shù)實踐階段。但作為一種新的理論和技術(shù)，它仍處于發(fā)展階段。隨著人工智能和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制將進入一個新的發(fā)展階段。

2 無人農(nóng)場的發(fā)展進程對比

2.1 傳統(tǒng)農(nóng)場

中國是世界農(nóng)業(yè)的發(fā)祥地之一。自古以來，中國人就以勤勞勇敢著稱，野生植物的馴化和栽培是很久以前的事了。因此，中國對世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出了重大貢獻。戰(zhàn)國時期《墨子》一書中提到“農(nóng)夫早出暮入，耕稼樹藝。[8-9]”體現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的繁忙表現(xiàn)，傳統(tǒng)農(nóng)場模式具有效率低、枯燥、勞累等問題且務(wù)農(nóng)工作者要面臨各種氣候變化，會直接影響到收獲成果。傳統(tǒng)耕種依賴牲畜以及人工播種、施肥、收割。

2.2 機械化農(nóng)場

隨著社會主義工業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化事業(yè)從無到有，從少到多，并取得了顯著成果[10]。到目前為止，盡管一些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)勞動力。但農(nóng)業(yè)機械化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。

不同時期農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展方式不同。在集體化時期，由于大眾合作社生產(chǎn)合作形式的出現(xiàn)，他們享有共同的生產(chǎn)資料，生產(chǎn)大中型農(nóng)業(yè)機械。在此期間，小型拖拉機以其靈活的性能和低廉的成本迅速發(fā)展。隨著經(jīng)濟水平的提高以及農(nóng)業(yè)人工的減少，大中型農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)效率進一步提高。農(nóng)業(yè)機械化可以節(jié)省部分勞動力，減輕勞動強度，提高部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。從1978年開始，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展環(huán)境發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)機械化需求快速增長與國家政策的強力扶持。但由于勞動力價格迅速上漲，該時期還是達不到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)的穩(wěn)定[11]。

2.3 智能控制無人農(nóng)場

近年來我國在計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面都取得了舉世矚目的進展。隨著這些技術(shù)的突破，智能控制無人農(nóng)場的概念被提出。隨著農(nóng)業(yè)科技的跨越式發(fā)展，一場由智能科技“領(lǐng)跑”的革命正在蓬勃興起，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域在發(fā)生巨變。我國在2019年6月實現(xiàn)了國內(nèi)首個由智能控制技術(shù)實現(xiàn)的生態(tài)無人農(nóng)場，該農(nóng)場實現(xiàn)了農(nóng)機自動化作業(yè)，只需手機APP控制，就能輕松實現(xiàn)整個農(nóng)場的灌溉和施肥，生長過程都是在無人監(jiān)控下完成的。無人農(nóng)場是把各種現(xiàn)代化技術(shù)一齊運用，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕、種、管、收等環(huán)節(jié)的全方面支撐，將大大提高農(nóng)場的作業(yè)效率，節(jié)約人工成本。

3 智能控制下無人農(nóng)場具有的功能進階

智能控制無人農(nóng)場，主要體現(xiàn)在智能化、無人化，通過物聯(lián)網(wǎng)，將萬物互聯(lián)，通過人工智能代替人工操作并做出判斷，這便是智能控制無人農(nóng)場的特征。

3.1 遠程控制

由管理人員在異地通過計算機無線或電信號對農(nóng)場設(shè)備進行控制。無人農(nóng)場尚處在初期階段，雖然自動化農(nóng)場已經(jīng)基本實現(xiàn)自動化作業(yè)，但由于軟件系統(tǒng)尚未成熟，各種設(shè)備之間還未實現(xiàn)互聯(lián)，做不到設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，仍需相關(guān)工作人員進行遠程操作發(fā)出指令。

3.2 無人值守

該階段無需通過遠程操作使設(shè)備運作。各種農(nóng)業(yè)設(shè)備通過數(shù)據(jù)處理等網(wǎng)絡(luò)連接，建立起一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但由于此時農(nóng)業(yè)設(shè)備不夠智能化，部分決策機器無法自主選擇執(zhí)行命令，致使管理人員還必須在指定時間進行遠程操作，確保設(shè)備完成工作[8]。此階段管理員的主要任務(wù)不是操作任務(wù)，而是給設(shè)備下達命令。

3.3 自主作業(yè)

此階段智能化無人農(nóng)場通過計算機在農(nóng)業(yè)設(shè)備中植入程序，再利用5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)收集等眾多智能化技術(shù)讓其變得有自主判斷、自主選擇、自主執(zhí)行的能力。此時智能控制技術(shù)向農(nóng)業(yè)設(shè)備提供自主執(zhí)行的支撐。管理人員僅對設(shè)備進行清洗維護，對不能正常工作的設(shè)備部件進行更換。此時的智能化無人農(nóng)場系統(tǒng)已有自己的“大腦”。

4 智能控制技術(shù)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用

智能控制的“無人農(nóng)場”是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的標(biāo)志，它的出現(xiàn)代表著未來智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)方向。此技術(shù)的技術(shù)核心涉及到物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等。農(nóng)場的生產(chǎn)、濕度、溫度光照和作物生長的階段都是通過以上技術(shù)控制。大數(shù)據(jù)及人工智能組成無人農(nóng)場的智慧大腦。按照模塊劃分關(guān)鍵技術(shù)可分為感知數(shù)據(jù)模塊和決策模塊。感知模塊主要包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及各種視覺傳感器的應(yīng)用。決策模塊主要由人工智能、智能控制、大數(shù)據(jù)進行應(yīng)用[2]。智能控制技術(shù)的支撐是為無人農(nóng)場配備“智能大腦”，使無人農(nóng)場“能思考”，如圖1所示。

圖1 無人農(nóng)場示意圖

4.1 視覺傳感在無人農(nóng)場中的應(yīng)用

視覺傳感作為人工智能技術(shù)下一個最為重要的技術(shù)，在無人農(nóng)場也是最為關(guān)鍵的技術(shù)。農(nóng)業(yè)設(shè)備在自主采摘過程中需要有適當(dāng)?shù)墓庹蘸鸵欢ǖ目臻g范圍并具備在其他遮擋物遮擋的情況下確定物體空間位置的能力。果實于農(nóng)業(yè)設(shè)備距離的確定就顯得尤為重要，視覺傳感技術(shù)的測量距離就是一種最為有效的方法。

給農(nóng)業(yè)設(shè)備裝入CCD攝像機，在農(nóng)機移動過程中CCD攝像機實時開啟距離測算，進行距離精準(zhǔn)定位。如在遇到果實前方有障礙物的情況時可以有效避開障礙物進行采摘。視覺傳感還可在農(nóng)機設(shè)備需要解決部分特殊問題時提供幫助，如在收獲果實時，對于篩選一些未成熟的果實和殘次品的鑒別有很大幫助。

農(nóng)業(yè)機械的自主操作必須基于導(dǎo)航系統(tǒng)的控制。基于視覺檢測原理的視覺導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方式中最為深入的研究。視覺導(dǎo)航是在農(nóng)業(yè)機械中安裝CCD攝像機，獲取周圍環(huán)境的圖像，進行路徑規(guī)劃，并命令農(nóng)業(yè)機械移動到預(yù)定的工作地點的采摘過程（圖2）。視覺導(dǎo)航具備目標(biāo)成像完整，探測范圍廣等優(yōu)點。能在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下進行精準(zhǔn)定位，因此高速圖傳處理和硬件及合理算法是保證視覺導(dǎo)航正常運作的基礎(chǔ)。視覺傳感技術(shù)具有可靠性高、成本低、圖像處理容易實現(xiàn)等優(yōu)點，因此運用于無人農(nóng)場是最為合適，也是農(nóng)場最為重要的技術(shù)之一。

圖2 視覺傳感技術(shù)采摘過程

4.2 大數(shù)據(jù)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)為智能化、無人農(nóng)場提供了一種異構(gòu)多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)了消除虛假保真度、消除厚度和保持精度、分類等處理方法。它可以提取、分析和發(fā)現(xiàn)許多云數(shù)據(jù)知識，形成傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)知識庫。它實際上可以存儲所有類型的數(shù)據(jù)并形成歷史數(shù)據(jù)，還可以用來學(xué)習(xí)農(nóng)場管理和控制。可與云技術(shù)和邊緣計算相結(jié)合，形成高效的計算能力。從而保證農(nóng)業(yè)運營，特別是農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的快速響應(yīng)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為無人農(nóng)場智能管理的重要支撐技術(shù)，提供了全面的傳感器識別技術(shù)，確保動植物在最佳環(huán)境中生長，并提供以圖像處理為核心的表型動植物技術(shù)和視覺導(dǎo)航技術(shù)，確保遙感技術(shù)實時捕捉動植物生長和生長調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)；提供設(shè)備現(xiàn)場和最先進的檢測技術(shù)，確保設(shè)備導(dǎo)航和維護技術(shù)運行參數(shù)。總之，科技物聯(lián)網(wǎng)使農(nóng)業(yè)裝備無人聯(lián)網(wǎng)成為可能，保證在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理過程中對可靠信息和傳輸?shù)母兄?/p>

5 智能控制無人農(nóng)場的實際案例

5.1 碧桂園全球首個萬畝無人農(nóng)場投運

2020年10月11 日，碧桂園收割萬畝無人農(nóng)場正式試驗投放。各種嘈雜的設(shè)備正在田野中移動，17家公司的智能農(nóng)機設(shè)備組裝完成，成功展示了世界上最先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)，覆蓋農(nóng)作物從春到秋的作業(yè)。整個操作過程均已實現(xiàn)無人化農(nóng)業(yè)設(shè)備作業(yè)（圖3）。

圖3 無人駕駛收割

5.2 四川首個無人農(nóng)場投運

2021年12月2 日，由西華大學(xué)和成都大邑縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局聯(lián)合建設(shè)的四川首個無人化農(nóng)場正式投運，在300畝的農(nóng)場試驗田內(nèi)田間工作人員點擊電腦發(fā)出指令，無人駕駛的農(nóng)業(yè)設(shè)備便從機庫駛出，開始有序地工作。此次投運全程只用2-3名工作人員，他們負責(zé)用電腦對系統(tǒng)進行智能控制，閑余時間去田間視察和對設(shè)備進行能源補給及維護。

6 結(jié)束語

本文主要介紹隨著人工智能近年來的不斷發(fā)展，智能控制已經(jīng)向農(nóng)業(yè)大幅度推廣。智能控制在無人農(nóng)場的應(yīng)用已經(jīng)在我國多個地區(qū)開始進行，加之近些年來國家相繼出臺多項農(nóng)業(yè)相關(guān)政策，大力支持現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)，全面推廣無人化農(nóng)場規(guī)劃和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)并提高應(yīng)用水平。了解智能控制無人農(nóng)場所需用到的核心技術(shù)，并解決短板技術(shù)，防止過度依賴于他國技術(shù)而在關(guān)鍵技術(shù)上被“卡脖子”。智能控制無人農(nóng)場代表以先進技術(shù)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，相信在現(xiàn)代化建設(shè)的今天。智能控制下的無人農(nóng)場必將在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。