农用无人机推广应用中需要关注的几个问题

何勇　张艳超

本期专题

农用无人机推广应用中需要关注的几个问题

何勇1张艳超2

0　引言

近年来我国迎来农用无人机快速发展新机遇。伴随着我国城镇化的推进，农民从与土地朝夕相处的农村向城镇转移，国内出现了大量规模适中、能够持续发展的小型农场或农业合作组织，农民逐渐从分散型的小型农户作业向集群规模化农业生产演变，土地逐渐集中。工业化进程的加快促进人口向收入更高的第二和第三产业流动，城市经济发展和乡镇工业促使农村劳力转移，农村劳动力成本提升。虽然我国粮食产量连续11年增产，但是粮食安全仍然面临着严峻挑战，主要是以下几方面问题：病虫害防治，食品质量安全，农药残留超标及浪费严重，土地肥力下降等。现代农业已经无法摆脱农药和化肥的使用，中国农业依赖大量化学物质的投入。滥用农药化肥危害甚多，施药过程中，由于缺乏施药技术知识，加之近年来大量不合格喷施器械进入市场，极易造成操作人员中毒。随着农业结构的调整，农民在生产中对适用机械化新技术和各种配套机具的需求越来越迫切。农用无人机以其在农林植保喷药、风力授粉、农田遥感等方面独特的作业优势受到广泛关注，面对农业上的巨大需求，不少科研机构和企业已投入大量人力物力进行农用无人机的相关研究和生产。

目前国内农用无人机领域的研究、生产尚处于起步阶段，各企事业单位对农用无人机的研究、引进和生产力度正在逐渐加强。自2013年中国农用航空产业创新联盟在海南成立到现在，已有33家理事单位在协调技术创新、统一产品标准、促进技术交流方面做出了积极贡献，引导产业健康有序地发展，整合资源，瞄准前沿技术，统筹规划与分工。联盟自创建至今，成为农用无人机应用技术与科研成果转化的重要平台。联盟坚持以科技进步为动力，不断加大科技创新和推广力度，以抓好技术培训，提高生产者素质，增加科技含量为主要手段，对制约农业航空发展的关键共性技术进行攻关，形成了面向市场的技术创新机制。联盟同时向政府建言献策，为推动农用航空发展争取政策优势。2014年中国中央“一号文件”首次将“加强农用航空建设”写入文件，使得农用无人机迎来巨大的发展机遇。在产业崛起的同时，日渐丛生的乱象也令人担忧。为了使农用无人机健康有序地发展，必须关注以下问题。

1　购机中需要关注的问题

1.1生产企业的选择

全国共有200多家单位从事无人机研究生产和销售服务，按照技术水平、生产能力和单位类型大致可分为：农用无人机技术研究与设计生产部门，由航模爱好者或企业转型的农用无人机制造生产部门，农药生产销售商支持的农用无人机制造生产部门。部分公司市场化程度比较高，各个公司都有自己的代表机型。

过去5年，生产无人机产品与装备的企业虽从零发展至200多家，但由于仍未形成集研发、生产、管理与应用服务于一体的完整产业链，以及缺乏相关的检测与作业标准规范，当前，农业无人机产业虽发展迅速，但市场却极为混乱，产品质量参差不齐。农业无人机产业潜力巨大，但对口的监管部门却尚未明确。

应当由行业与相关政府部门共同制定农用植保无人机市场准入标准，并严格监管标准实际执行情况，使得农用无人机能建立一个健康有序的良性市场，减少安全稳定性差等质量缺陷问题，完善操作流程，提高机器普适性，降低操作难度。质量标准应当包括：①机身质量，如机身强度、抗冲击能力、抗风性能、遥控距离、续航时间、平均故障时间等；②作业流程规范，如飞行高度、喷施药量、飞行速度、农药飘失等；③作业质量标准，如喷幅、喷药量、喷幅有效度等；④安全防护措施，如执飞标志、警示标志等；⑤维修保养规范，如发动机最大连续工作时间、电池存放保养等。

标准的建立会对植保无人机的发展带来积极的影响：①为农户购机提供方向性指导。目前植保无人机生产厂家众多，资质不明，农户对植保无人机热情很高，但是需要做大量的考察对比才能做出选择。②为农机监管执法提供依据。植保无人机应当纳入专业部门监理范畴。③为纳入农机购机补贴目录减少障碍。植保无人机作为新型农机，在推广中价格是其不可回避的影响因素，补贴应当严格依据一定的标准来执行，以减少对市场和农户的误导。在日本，以Yamaha的Rmax为代表的植保无人机机型占据了85%以上的市场份额，为保证健康发展建立了一整套完善的管理制度。

1.2机型的选择

农用无人机包括单旋翼直升机、多旋翼飞行器和固定翼飞机三类及其相关变种。其中固定翼飞机主要应用于农田信息采集与农田遥感，如图1所示，其飞行速度可达70km/h，续航时间达到1.5h，升限4 000m，单次飞行覆盖范围可达30km2。

图1　固定翼应用于农田信息采集

单旋翼直升机和多旋翼飞行器多用于植保作业，可以垂直起降，起飞降落的场地占用少，空中飞行速度调节灵活，载质量在5kg到30kg之间，能够满足中小田块的农药喷洒需求。

单旋翼直升机分为燃料动力和电池动力两种机型。电动直升机由于动力源和输出功率与多旋翼相似，所以其续航时间和载质量等与多旋翼接近。燃料动力直升机（如图2所示）载质量可以达到30kg，续航时间可达1.5h，单次起降覆盖面积达到4hm2，适合较大地块的喷洒作业。单旋翼直升机价格较为昂贵，操作手培训周期长。

图2　单旋翼直升机应用于植保喷药

多旋翼植保无人机（如图3所示）采用对称结构的多个旋转中心带动旋翼产生风力进行飞行作业。多旋翼植保无人机价格适中，操作灵活，培训周期短；但由于采用电池作为动力来源，使得多旋翼无人机的作业覆盖半径在300m之内，单次作业时间在30min之内，比较适合于田间小地块（＜6.7hm2）。目前多旋翼无人机存在大量变种，通过增加旋翼数量提高静载荷，笔者认为这样的设计会提高系统复杂度，降低机身结构稳定性，增加能量耗费，减少操作灵活性。

图3　多旋翼飞行器应用于植保喷药

1.3操控方式的选择

施药作业飞机起降次数多、续航时间短，不同于军事飞行或其他民用飞行起降少、续航时间长的特点。目前农用无人机的操控包括手动操控和全自动操控两种，手动操控对操控手的要求较高，操控人员需实时关注无人机的飞行环境、飞行状态，并发出飞行指令，注意力需高度集中，劳动强度大，且无人机作业质量直接受操控人员操控水平的影响。全自动操控使用地面站操控，可以实现一键起飞、自动作业、自动降落，大大减轻操控人员的劳动强度。地面站自动操控需要事先规划航线，作业的准确性受无人机定位精度的影响。国内植保无人机基本上都是手动操纵遥控器远程遥控无人机进行田间作业。农用无人机是目前农用机械中可能实现全自动田间作业的机械，在GPS和机器视觉的导航下，定高定速，按农田所需用药量将农药喷洒到田间消除害虫。随着劳动力成本的增加，无人机控制技术及定位技术的发展，基于地面站的全自动作业将是大规模农田作业的主流方向。

手动遥控对飞行器进行直接控制，然而操作人员需要经过专业严格的培训，并且在实际操作过程中要严格遵守安全须知和规定流程。对于无人机喷药来说，手动操作由于受视力偏差的影响，容易造成漏喷和重喷问题。按照国家民航局规定，无人机操控人员必须到经过民航局批准拥有培训资质的培训机构接受完整培训，只有考核通过获得驾驶证书的人员才能操作无人飞行器。

1.4喷施部件的选择

小雾滴是实现航空高效低量喷雾的关键，但其极易受到飞行器流场、气候条件的影响，可采用离心喷头等提高液滴雾化程度，提高沉降效果。亦可合理选择航空喷雾制剂与助剂，通过采用航空喷雾制剂与改进喷雾过程中药液雾滴雾化、飘失控制技术相结合进行，提高农药利用率和施药安全性。

选择适应不同作业条件的雾化喷头、适宜的雾滴尺寸可以解决飞机飞行气流条件下的雾滴飘失严重的问题，使雾滴沉降在靶标上，并在作物丛中有较好的穿透性，从而达到最佳的航空施药防治效果。

在实施现代农业可持续生产中所需遵循的各个要素中，高效精准的田间管理是必不可少的环节之一，它与环境质量、资源利用、物种多样性和人类健康等指标都有密切关系。可采用航空喷雾量可变量控制系统，做到根据喷洒要求流量可调、压力可调。与作物生长信息、地理信息、定位信息、作业要求等协同，应用可变量作业的通讯和控制系统。如此，可以有效提高喷洒均匀性，减少少喷漏喷现象，实现精准管理。

2　无人机使用需要注意的问题

2.1飞机登记备案

无人机制造出厂必须有生产编号，进行数据管理，包括：生产记录，使用记录，维修保养记录等数据。无人机在合法飞行之前须向民航总局进行归属登记，登记文件颁发后由飞机所有者随时随机携带，处于安全运行的飞机经过检查并满足局方要求，可由局方代表颁发无人机特许适航文件，同时局方把处于适航条件的无人机的维护责任寄予所有者和运营者，要求所有的民用无人机按照特定的时间间隔来确定总体运行状态。目前无人机登记备案工作大多由销售方进行。

2.2人员培训

由于目前无人机结构复杂，培训起来注意事项较多，上手难度较高，同时市场规模较小，缺乏专业飞行服务团队。在目前自动化程度较低的手动操控情况下，操作人员的技术水平直接决定飞行安全和喷洒效果。售后服务和维修等问题难以妥善解决，农民群众抗风险能力匮乏，在坠机并造成重大事故时，难以抵御风险。目前浙江省内浙江大学成为首批5家获得中国民航认可的AOPA核发的无人驾驶航空器系统驾驶员训练机构之一（授权证如图4所示），可以招收、培训无人机驾驶员并进行结业考核。

图4　驾驶员培训机构授权证

2.3飞机保险

无人机飞行存在大量不确定因素，如果造成了人和物的损害，无人机操控手需要承担全责。推广植保无人机，需要通过设置相应的保险产品来提高农民的抗风险能力，避免造成不必要的悲剧。

中华联合保险公司与浙江大学达成合作协议，对无人机设置了机身险和第三方损失险的保险产品，由浙江大学进行质量检验与定损，全国联保。

2.4适航审查

目前我国民用无人机技术总体上比较薄弱，适航性较差，很多无人机还无法达到民航局的适航要求。依据国家民航局2009年6月颁发的《民用无人机空中交通管理办法》、2009年6月颁发的《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》，以及2012年1月民航局适航审定司颁发的适航管理文件《民用无人机适航管理工作会议纪要》和2013年11月颁布的咨询通告《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，对能够安全飞行于低空空域的无人机颁发I类特许飞行证。由浙江大学研制的无人机已经获得特许飞行。没有获得适航证的无人机随意飞行会受到民航管理局的惩罚。无人机的使用者在进行无人机飞行作业前应当确定飞行是否合法，飞机是否有适航证。

2.5维护保养

在无人机手动操作中，安全问题十分重要，包括起飞前检查、周围环境观察、空中情况应急处理及紧急迫降等操作。起飞前要对机载电池与遥控设备电源电压进行核查，检查电池状态，是否有鼓包等情况，检查机身是否存在裂纹等。碳纤结构在阳光直射和温湿度较高下容易老化变性，强度降低，在维修保养的时候需要注意。无人机自购机起应当经专业机构每年进行一次检查，降低隐藏风险。

3　管理和组织方式上需要关注的问题

3.1明确主管部门

目前从事该领域研究的科研院所和生产企业已达200多家，已形成一个非常有潜力的大产业，但农业无人机的主管部门还不明确，无人机的购置、登记、年检等工作处于空白状态。按照国家民航局的规定，无人机操作人员需要经过专业培训机构培训并颁发培训结业证书，并且严格依据所培训的操作规程进行操作，目前操作人员的监督管理仍处空白。相关部门必须尽早明确一个主管部门对我国农业航空产业加强管理，通过指定或者委托有资质的培训机构进行统一培训管理。无人机的购机仍然缺乏健全的监管机制，将我国农业航空飞行器早日纳入购机补贴目录，为我国农业航空产业的发展奠定坚实的政策保障。

3.2植保服务组织方式

植保无人机的操作使用与维修保养涉及很多专业知识，而且价格昂贵，这对于中小型农户很不现实。在无人机应用最普遍的日本，农户通过自发组建农业协会和团体组织等组织购买和使用无人机，其持有无人机占无人机总数的36.4%，同时在日本有大量的航空植保服务公司组织专业飞行人员完成田间作业，其所持有无人机占总登记数的45.3%，个人持有无人机数量仅为11%。我国应当借鉴日本推广的经验，避免不熟练的农户直接操作无人机，利用农村合作社等集体组织和组织专业植保飞行公司进行专业化的飞行作业。植保喷药飞行服务团队的建设能够有效地降低农民承受的风险，扩大植保无人机的使用范围，使得农技像收割机等大型农机具一样，在植物生长产中病虫害易发阶段进行快速有效地防治。将无人机推广与农药喷洒相结合，作为农机服务进行推广，拓展无人机推广切实可行的路子，向合作社、农机服务站等农技服务单位进行推广。

3.3飞机制造和作业标准制定

无人机制造标准包括了条例和认证、飞机测试，维修与护理、通讯，飞机监管、操作规范、安全性能，整机、部件的设计要求等内容。在农业实际作业中还面临很多亟待解决的问题，比如在无人机最大的应用领域——植保作业领域，美国、日本、国际粮农组织等都有相关标准出台，我国还没有相关无人机标准。作业标准方面，为保证植保作业飞行安全，减少航空植保作业的负面影响，联合国粮农组织（FAO）制定了《飞机施用农药的正确操作准则》，准则涵盖了飞行员（或操作员）、飞机、农药、作业条件、作业记录、施药后处理等各个方面；我国国家民航总局制定了《农业航空作业质量技术指标》，标准规定了固定翼飞机从事农林牧业的喷洒作业（常量、低容量和超低容量喷洒农药和化学肥料等作业）质量技术指标及固定翼飞机从事农林业的播撒作业（飞机播树种、草种、稻种等项作业）的质量技术指标。然而这些标准多是针对有人航空喷洒制定的，还没有制定针对无人机喷洒的作业规范与标准。

4　总结

无人机是自动化控制技术、复合材料技术、精密制造技术等先进技术的结晶，代表着工业最高水平。更好地推广无人机，让千家万户用上无人机进行快速高效的植保作业，对提高农业机械化信息化水平，减少劳动力需求和应对粮食危机有着非常重大的意义。在继续加大对农用航空科技研发的投入的同时，政府仍需探索更好的植保作业组织形式，相关部门加强对无人机市场的引导和监管，实现无人机驾驶员培训规范化。无人机产业不仅仅是购销一台机器，更需要具有专业素养的培训团队提供培训，还需要植保专家进行田间勘察制定飞行规划，更需要完善的售后服务以应对突发意外情况。

作者信息：1教授、博士生导师；2：浙江大学生物系统工程与食品科学学院，310058，杭州