無人化農場關鍵技術應用分析與展望

摘 "要：因為農業人口眾多，耕地面積有限，我國農業一直以小農場為主的生產方式進行，但是隨著人口老齡化的逐步加劇，同時伴隨著城市化的推進，現在農業勞動力開始減少，未來中國糧食安全面臨“誰來種地”和“如何種地”的挑戰。解決這一問題的實現路徑之一就是無人化農場技術。該文通過對上海市嘉定區無人化農場的技術實踐，對無人化農場的概念、技術架構，以及基礎設施、作業設備、數據監測系統和管控服務平臺等關鍵技術進行系統闡述，對無人化農場的發展進行深入探討，對無人化農場的發展有一定指導意義。

關鍵詞：無人化農場；自主作業；無人駕駛；北斗導航；技術應用

中圖分類號：F304 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）03-000１-0６

Abstract： Owing to the large agricultural population and the limited area of arable land， China's agriculture has been carried out mainly by small farms， but with the gradual intensification of population aging and the promotion of urbanization， the agricultural labor force is beginning to decrease. China's food security will face the challenges of \"who will farm\" and \"how to farm\" in the future. One of the ways to solve this problem is unmanned farm technology. Based on the technical practice of Jiading unmanned farm in Shanghai， this paper systematically expounds the concept， technical framework and key technologies of unmanned farm， such as infrastructure， operating equipment， data monitoring system， management and control service platform， etc. This paper also makes an in-depth discussion on the development of uninhabited farms， which has a certain guiding significance for the development of uninhabited farms.

Keywords： unmanned farm; autonomous operation; self-driving; Beidou navigation; technical application

中國是一個農業大國，同時也是人口大國。我國歷來對農業與農村的發展都高度重視，不斷推進農業結構的調整和優化，但由于我國耕地資源相對短缺，人均耕地面積1.5畝（1畝約等于667 m2，下同），遠低于亞洲人均2.5畝的水平。由此可見，糧食安全始終是我們面臨的一個挑戰。

雖然我國農業生產在水稻、小麥和玉米等主要農作物已經基本實現機械化，但仍然是基于傳統農業而應用的傳統農業機械，在全液壓控制、智能化和信息化等方面與發達國家存在較大差距，隨著人口老齡化的日益嚴重，農業勞動力缺乏對農業生產的影響日益突出，我國農業生產面臨的挑戰越來越大，農業生產面臨的壓力也與日俱增。勞動力成本增加，務工收入遠超務農收入，農村勞動力也大量涌入城市[1]，傳統農業機械化模式已無法適應社會和技術的發展，農業勞動生產率還需進一步提高。

面對勞動力人口快速下降的危機和挑戰，無人化農場作為未來農業的一種趨勢，是解決未來糧食問題的必經之路。目前我國無人化農場還處于試驗示范階段[2]，中國農業大學李道亮教授曾提出，我國從現在開始布局無人化農場技術研發、商業機制、模式集成及支撐政策，對加速推進我國現代農業發展意義重大。然而，無人化農場必定離不開大數據與人工智能、機器人等技術。隨著科技的發展，新一代信息技術的不斷進步，如物聯網、大數據、人工智能、機器人、智能設備制造和5G等，使得機器可以代替人。這就為無人化農場的實現做好了堅實的基礎。

本文結合上海嘉定區一家試點無人化農場的設計、實施和運營狀態，闡述了農場四大共性關鍵技術的實踐應用，包括大數據、人工智能、物聯網、智能裝備和機器人技術。對無人化農場的發展瓶頸進行了系統介紹，如農場基礎設施、作業設備和測控與控制平臺等，并對其進行了總結，提出了中國無人化農場的發展戰略。

1 "基本概念與技術架構

1.1 "基本概念

無人化農場是指在人不進入農場的情況下，利用新型信息技術，通過對農場設施設備、機械等與機器人自主決策與作業的自動控制，完成對農場所有生產、管理任務的全天候、全過程、全空間的無人化生產作業模式，實現機器替代人的目的[3]。

無人化農場是現代農業建設的最重要內容之一，中國工程院院士羅錫文用高度概括的5句話來描述無人化農場：耕種管收生產環節全覆蓋；機庫田間轉移作業全自動；自動避障異況停車保安全；作物生產過程實施全監控；智能決策精準作業全無人。這說明，在未來全球農業發展的制高點上，“無人化農場”是一個重要的進軍手段。

從技術角度，無人化農場的實驗在多個國家都有示范性應用，但示范性應用距離商業化應用還有很長的路要走。想要把無人化農場正式投入使用，涉及的技術眾多，需要融合傳感、精密導航、人工智能、云計算和大數據等。比如，想要得知單臺農機設備的作業狀態、數據、衛星定位、軌跡；通過各種設備、各類傳感器和攝像頭上傳的田間土壤、農業氣象、田間空氣溫度與濕度、作物長勢和病蟲草害預警等信息；通過云計算、大數據、人工智能和精密導航對各個不同設備進行作業協同、數據可視化呈現；通過算法自動化操作減少人工參與等，考驗的是平臺數據處理分析、智能決策能力。

1.2 "無人化農場技術架構

無人化農場主要包括4大系統，分別是基礎設施系統、作業設備系統、數據監控系統和管控服務平臺系統。將物聯網、大數據、人工智能、智能裝備和機器人技術有機組合在一起，技術架構如圖1所示。

嘉定無人化農場是采用集中監控管理、分布式控制的自動化解決方案，能滿足較高的控制水平，具有一定先進性，本著合理實用的原則，以較低的成本達到運行可靠性和穩定性，系統所用的技術規范形成了相關標準，便于推廣維護。

無人化控制系統分別由應用層、傳輸層和感知層3個層次構成。

應用層由操作員站、工程師站、數據服務器、交換機、路由器和防火墻等設備組成，負責執行數據管理并做出與生產和運營相關的決策。

傳輸層是基于5G、GPRS、Ethernet和CAN總線等技術，負責完成數據的傳輸。

感知層包括各類執行機構（電機、泵類）、智能傳感器等組成，負責收集農場各類生產數據。

2 "無人化農場的共性關鍵技術

無人化農場作為新一代信息技術不斷發展的產物，是一個復雜的系統工程[4]。在無人化農場中起關鍵作用的有4大技術，包括大數據、物聯網、人工智能和機器人技術，關鍵技術框架如圖2所示。無人化農場通過對農業生產資源、環境、生產對象和裝備等要素的在線化、可視化及數據化，實現對生產對象的全方位管理、生產過程的精準管控和無人化作業。

以上海嘉定區某無人化農場的實踐為例，該農場以實現農業生產效率提升為目的，以高精度北斗衛星導航技術、5G通信技術為基礎，集成物聯網、大數據、人工智能和地理信息系統（GIS）等技術為支撐，完成全天候、全過程、全空間的無人化農業生產作業，達到農業生產全流程（耕、種、管、收）的數字化、精準化、智能化和無人化，系統的技術方案架構如圖3所示。

2.1 "農機無人駕駛系統

近年來，隨著國家各方面政策的推動與實施，農業機械發展迅速，主要智能產品無人車、無人機和農業機器人等新產品相繼投入使用，且可適應各種不同工況下作業，可完成水田和旱地環境下的不同作物的耕、種、管和收等作業，已經達到了國內外同類產品的領先水平。

然而，在無人干涉自主作業的情況下，與傳統的農業機械相比，無人機械的作業針對性強、工作周期長、工作效率和土地等資源利用率高[5]。怎樣確保機械設施自主操作安全性是一大難題，所以高精度的自動導航系統是無人農機的一大核心。針對農場作業的各種不同工況、不同條件和不同場地等問題，農機作業需要重點解決3大難題，即導航定位、導航控制和系統集成。

案例中主要采用無人機的視覺系統創設地圖、農機的5G定位與北斗導航相結合，完成農機無人駕駛作業。

農機車身硬件方面搭載四驅驅動發動機，雷達探測器、自動駕駛控制器、GNSS天線接收模塊等設施。

無人機主要完成農機的人機交互地圖的信息上傳，自身搭載模塊有GIS模塊、視覺系統、傳感系統和雷達探測器等。不僅可以完成地圖勘測，而且還可以完成墑情測定、環境監測、農業保險勘察等任務[6]，主要避免障礙物如電線桿、植株和人等，并反饋至終端[7]，給予操作人員導航提醒。

2.2 "環境感知系統

環境感知系統主要由無人機及生長環境檢測傳感器組成。其中無人機上搭載了環境檢測和遙感傳感器，在作物生長過程中，無人機負責監測和分析大氣、作物和土壤實地信息[8]，起到農情預警和農作物產量預測的作用[9]。其中對作物的分析是通過光學遙感技術與熱血遙感技術，檢測作物表面反射的能量來創建作物圖像[10]，一方面可監測作物的葉面積、植物覆蓋、生物量和葉綠素含量，及時發現害蟲等[11]。另一方面，可監測作物雜草、養分等，以實現精準規劃、優化管理和農業生產與投入[12]，不僅為管理者及時提供準確信息，而且能有效預防和降低害蟲所導致的經濟損失[13]。

生長環境檢測傳感器主要負責監測土壤包括酸堿度、N（氮）、P（磷）、K（鉀）、濕度、溫度、緊實度和電導率等參數。通過對土壤進行監測，可隨時掌握土壤的質量。通過目標函數，可控制土壤的施肥、灑水、夯實等

2.3 "數字化農田

農業數字化管理具體涉及農業生產過程中結合遙感影像、地理信息、定位信息、植物信息、土壤信息、大氣信息、作物和土壤實時監測等內容[14]。實現定期獲取作物生長、發育狀況、害蟲、水肥狀況及相應環境的信息，生成模擬農業生產中的現象和過程的動態空間信息系統，實現農業資源的合理利用、生產成本的降低、生態環境的改善及作物產量和品質的提供。

嘉定區某無人化農場的實踐案例以更精準的環境感知裝備技術，創建智慧農業生產質量管理體系以可見光、多光譜遙感等技術手段，通過衛星遙感、近地空無人機遙感等多種數據來源，獲取全面作物長勢數據，并對數據進行分析挖掘，指導科學種植管理，數字化農田測控可視化界面如圖4所示。

2.4 "綜合管控平臺

綜合利用數據通信、導航定位、多光譜及視覺遙感多源異構數據融合處理技術，形成了耕種管收全程無人農機裝備協同作業系統。通過智慧農業綜合管控平臺對環境感知系統、智能農機裝備等采集的數據進行存儲、分析和處理，實現信息可視化、定量決策、遠程任務下發和控制等[15]；5G接收模塊裝備接收信息后，按照下發的任務在規定時間自動發出指令，機械設備完成自動點火并完成出入機庫、耕整地、插秧、施肥噴藥、收割和轉儲等工作。

機械裝備在管控平臺的調度和管理下，根據標準的作業規程，完成高質量、標準化的農業生產作業，單機作業精度小于等于2.5 cm，協同作業編隊橫向誤差不超過10 cm，作業精準、智能。

通過衛星平地系統，可將土地平整度、坡度等嚴格按農藝要求的精度來實現，有利于灌溉和節水；通過自動駕駛系統，可以按最優作業路徑高精度完成播種/插秧作業，達到傳統人工駕駛作業遠遠達不到的農藝標準，有利于作物通風、采光等，進而提高產量；可以對耕作地塊的種植提前放樣、排版，從而提高土地利用率，無人化作業路徑規劃場示意圖如圖5所示。

3 "結束語

無人化農場相對于傳統的農業機械化，可以大幅度提高勞動生產率，提高土地和農資等資源的利用率，可以說代表了當前最先進的農業生產力，也是農業發展的新階段，是未來農業的基礎和方向，是對數字化技術、衛星導航和物聯網等新興技術在農業生產中的集成應用。

但是，新技術的應用首先面臨成本問題。當前無人化農場重點解決的是農業勞動力短缺的情況下“誰來種地”的問題，無人化農場的建設成本過高，只有隨著勞動力成本提高和無人化農場技術更成熟，成本會相對變低的時候才可能實現真正規模化應用。預計到2050年前后，隨著國內城鎮化水平進一步提高，農業人口下降，農業勞動力成本更高，技術進一步成熟的時候，無人化農場將迎來快速普及推廣。從現在開始布局無人化農場研究、技術和產品，對加速推進我國農業現代化、糧食安全等都有重大意義。

1）加強無人化農場基礎研究。無人化農場在國內是隨著北斗衛星導航系統而逐步發展起來的，國內在作物長勢、病蟲害等的監控模型及專用傳感器、動植物表型及生長優化調控模型等基礎研究方面還需要深入探索。

在農機自動導航、路徑規劃和高精度定位等關鍵環節已經有所突破，可以進一步通過技術轉讓、聯合開發、共建基地等方式，促進無人化農場技術的不斷發展。

2）加強政策引導和扶持，搭建新興技術的發展環境。農業生產的開展需要因地制宜，各地農業農村主管部門應合理編制相關的規劃，針對技術研發、推廣、應用過程中的重大問題和技術路線做好頂層設計，在各地主導品種和特色經濟的基礎上提出發展方向、重點領域、發展模式及推進路徑，合理布局應用示范和產業化項目。在當前技術和商業化程度還不成熟的情況下，前期投入高、風險大，需要政府構建合適的政策支持環境，通過政府的宏觀指導和統籌協調，為資金、技術和人才等資源提供保障，促進無人化農場產業化發展。

3）充分發揮產學研合作的優勢。無人化農場技術相對前沿，在農業上的應用還在探索、示范階段，參與者包括了政府、高校科研院所、企業、聯盟和協會等，在無人化農場的推廣中要充分發揮各自的優勢，通過實際需求、商業價值等，構建以企業為主體，以市場需求為導向、產學研相結合的無人化農場合作發展模式，鼓勵產學研各方的積極參與和發揮各自作用。

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