植保无人飞机发展现状及建议

杨学军，严荷荣，张 铁，董 祥，孙 星

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

植保无人飞机由于其作业效率高、节水省药、具有航迹规划与全地形作业能力等优势，并且特别适合于丘陵、山地、果园等地面植保机械难以作业区域的农药喷雾作业，加之资本市场的推动、技术不断成熟、农机购置补贴试点启动、农村劳动力短缺等因素的叠加，2015年以后，呈现高速发展的态势[1-2]。

植保无人飞机在发展过程中也遇到不少问题，如技术路线的选择、相关政策、行业标准、市场无序发展等，相关管理部门要统筹规划，科学施策，引导行业规范、健康发展。

1 发展背景

2001年，北京一家农业公司引进了几架日本雅马哈公司生产的RMAX型遥控植保无人飞机，并在北京市昌平区小汤山进行了飞行喷雾演示，部分植保机械专家到现场观看，这是我国植保机械行业第1次接触到遥控植保无人飞机[3]。

2006年3月，农业农村部南京农业机械化研究所主办了“中日密闭空间农药雾化及遥控喷雾学术研讨会”。会上邀请了日本冈山大学农学院毛利建太郎作《无线电直升机农药散布技术》学术报告。毛利建太郎详细介绍了具有GPS导航的小型无人驾驶直升飞机农用喷雾技术，内容包括飞机主要结构、喷雾性能、喷雾方法及防治效果等。

研讨会后，专家们认为，一是日本无人植保机的价格较高，中国农民很难接受；二是效率偏低，不太适合大面积旱地作业；三是我国缺乏高浓度喷施药剂。当时我国植保机械行业的工作重点是研制开发适宜的地面机械替代手动机械或作业效率低、机动性较差的机械。专家们也认为该项技术对于我国水田植保作业具有较好的前景，有必要进行研究，因此由中国农业机械化科学研究院、农业农村部南京农业机械化所、中国农业大学等单位牵头向科技部提出了相关项目建议。

遥控植保无人飞机在我国发展初期的技术路线是油动单旋翼、电动多旋翼技术共同推进。一些有技术和资金的单位按照日本和韩国的发展经验，重点开发油动单旋翼产品，如汉和航空等。2007年左右开始了这方面的产业化工作，并推出相关机型，如中国人民解放军总参谋部第六十研究所推出了Z-3型油动单旋翼无人机。

2008年初，科技部启动了国家863计划“新型施药技术与农用药械”重点项目，其中包括“水田超低空低量施药技术研究和装备创制”课题，中国人民解放军总参谋部第六十研究所是课题主要参加单位之一。

2010年，珠海和深圳一些公司把用于航拍和监测的电动多旋翼无人飞机改装成植保无人飞机。植保机械行业内最早推出植保无人飞机的是山东卫士植保机械有限公司。2012年，该公司推出一款遥控电动18旋翼无人植保飞机，载药量5 kg，喷幅3.5～5.0 m，每架次飞行时间15～20 min。2012—2015年，更多行业外的公司开始进入该领域，出现了300多家生产植保无人飞机的公司，很多公司是购买零部件进行组装。植保无人飞机的火爆从中国国际农机展会就可以反映出来，2013—2015年，植保无人飞机都是展会的热点，而且一年比一年“热”，参展厂商一年比一年多。无人飞机的载药量也发展到10和15 kg。

2 发展现状

2.1 “高速发展”背后的原因

2.1.1金融机构对市场预测巨大

当时某证券机构机械行业分析师测算，截止到2013年底，全国共有1.35亿hm2耕地，2013年农作物病虫草鼠发生面积5亿hm2·次，按全国农作物虫害面积33%的渗透率和作业费225～300元/hm2计算，农业无人飞机年植保服务费为361亿～482亿元。有多个证券机构研究显示，未来农用无人飞机市场空间将达到400亿元。看到这些数字，许多投资商纷纷加大投资。

2.1.2地方政府推动

2004年国家开始实施农机购置补贴政策，补贴资金逐年递增，极大促进了农民的购机热情，农机销量快速增加，也推动了我国农机化水平的大幅提高，但发展不均衡。2015—2016年，耕整地、种植、植保、收获、烘干和秸秆处理6大环节机械化中，许多省把高效植保作为主要薄弱环节之一，“十三五”期间重点投入，力争到2020年把植保机械化水平提升至90%。

2014年，湖南省和河南省把植保无人飞机列入省农机购置补贴范围，其他有些省也表示考虑补贴。很多地方除了省级补贴外，市级还给予配套补贴，这无疑会提高植保无人飞机的销量。据不完全统计，仅2015年推出植保无人飞机的企业就增加了100多家。

2.1.3市场需求迫切

据农业部门统计，2011年我国农作物病虫害发生面积约3.7亿hm2·次(不含草、鼠害)，70%以上的防治面积是由手动植保机具完成的。手动植保机械作业效率低、劳动强度大、作业质量差，不仅污染环境，而且操作者中毒事件频频发生。尤其是水田病虫害防治，难度更大。2011年我国水稻病虫害发生面积0.93亿hm2·次，80%以上的作业量是由手动植保机具完成的[4]。

随着农村劳动力的大量转移，农村务农主力军基本是老人和妇女，这使得病虫害防治工作更加艰难，所以市场对适宜的植保机械，尤其是水田植保机械的需求非常迫切。

2.2 市场由无序到形成新格局

实际上2015年植保无人飞机的市场容量仅有1 500～2 000台，平均每家企业最多卖出不到7台。连续几年没有利润，很多企业生存遇到困难。

“一哄而上”导致了竞争无序，一些规模较大的植保无人飞机企业纷纷抱怨市场混乱，要求设立“门槛”。大疆公司的进入，客观上起到加速植保无人飞机市场重新洗牌、整治市场的作用。

2015年11月，大疆公司正式进入农业领域，推出第1款10 kg级MG-1型植保无人飞机，即药箱容量为10 kg，售价52 999元。随后几年陆续推出同平台升级机型MG-1S(图1)、MG-1S Advanced和MG-1P。2018年12月，推出第2代全新品牌T16，药箱容量提升到15 kg，含避障雷达，售价31 888元(单机)。2019年11月，大疆又发布了T20型植保无人飞机(图2)，药箱容量20 kg，搭载全向数字雷达，可对水平全向障碍物进行识别，同时具备自动绕障及仿地飞行功能，效率提升至12 hm2·次/h，单机价格为29 999元。

图1 大疆MG-1S型植保无人飞机Fig.1 MG-1S plant protection UAV

图2 大疆T20型植保无人飞机Fig.2 T20 plant protection UAV

大疆公司充分发挥了在无人飞机技术和工业化制造领域的领先优势，推动植保无人飞机产品性能不断升级，同时价格也持续走低，真正实现了“加量不加价”。在技术水平的快速提升和价格的大幅下降双重压力下，市场开始重新洗牌，许多没有核心技术和生产规模的公司发现，一是技术跟不上，发展太快；二是生产成本也降到极限，有的甚至高于大疆等产品的市场价。大疆基于人、机、剂和技4个方面构建的智慧农业飞防生态，更是让许多公司难以追赶。

推动这种变化的还有一家企业，即极飞科技。极飞科技进入植保无人飞机行业不算早，2015年4月才发布第1代P20型植保无人飞机，起点也不高，P20的载药量5 kg，而这时候市场的主流机型已经是10 kg了。不过极飞当时不卖机器，而是用自己的机器在新疆组织了一个500人的植保服务队。直到2016年10月，极飞才推出售卖型P20植保无人飞机。

极飞XP2020款植保无人飞机(图3)，集智能播撒、精准喷洒于一体，可灵活搭载不同容量的作业箱，通过手机或智能遥控器，在所有地形条件下轻松高效地开展播种、撒肥、施药和投饲工作，相比其他产品，高度智能化的XP系列可以节省一半以上的人力成本，并且大幅度减少因人工操作失误导致的重喷、漏喷甚至飞行事故。XP系列采用高效能4旋翼设计，作业载荷达到20 kg，全新动力系统配合101.6 cm(40英寸)螺旋桨让风场更稳定，喷洒更广更均匀，螺旋桨产生的垂直气流可以携带药物穿透农作物叶片，进一步提高着药率和吸收效果，智能离心雾化喷洒系统，喷洒流量大，雾化颗粒范围更广。

图3 极飞XP2020款植保无人飞机Fig.3 XP2020 plant protection UAV

在随后的3年，两家企业在营销策略、技术、服务和价格等方面展开全方位竞争。从2018年底一些省的统计看，大疆和极飞两个品牌的植保无人飞机约占总销量的70%，且呈现二强并立的局面；而无锡汉和、珠海羽人等企业占据第2阵营，占市场的20%；其余企业属于第3阵营，仅占市场的10%。

3 技术路线

对作业效率、机体成本、关键部件维护成本、动力能源成本和辅助能源成本等进行核算表明，油动无人飞机成本是34.35元/hm2，电动多旋翼无人飞机成本是33.15元/hm2。两种机型的使用成本基本一样，但许多用户在选择机型时会考虑许多因素(表1)。

表1 油动无人飞机和电动多旋翼无人飞机比较

当时许多购买油动无人飞机的用户，最直接的感受是飞手培训时间长，而且操控难度大，有效载荷越大，操控越难，稍不注意就会摔落，所以必须要培训专业飞手，而不能是兼职，当时在农业系统很难做到。油动单旋翼飞机摔坏后维修成本较高，使用成本也高，而电动多旋翼飞机则低很多。

以上原因的确影响了一些用户购买油动无人飞机的积极性，但这不是关键，影响技术路线最关键的因素可能是大疆公司的进入和极飞的发力。大疆和极飞的竞争，不仅推动了技术进步和价格下降，也使发展的技术路线越来越清晰。随着这两家公司产品市场占有率的大幅提升，是油动单旋翼好还是电动多旋翼好的争论逐渐降温，因为这两家公司的产品从一开始就都是电动多旋翼。当然，由于2018年后国家环保政策的收紧，一些省不再给予油动机型补贴，可能会导致油动机型逐步消失。2019年电动机型的占比达到90%以上。

我国植保无人飞机的发展，结合国情走了一条和日韩不同的技术路线，尽管较日本起步晚了30年左右，但发展速度已经远超日本，现在一年的销量超过了日本的总保有量[5]。受中国影响，一些日本公司近些年也开始在日本大力推广电动多旋翼无人飞机用于病虫害防治、喷施肥料等作业。

4 作业性能和适用范围

植保无人飞机以每年近2万台的数量在增长，这充分说明了其防治效果、作业效率及经济性等已得到市场的认可。

早期植保行业并不完全认同植保无人飞机的喷雾质量，与地面喷杆喷雾机相比，无人飞机旋翼对空气搅动产生的紊流导致药液的雾量分布均匀性较差，而且作业极易受到气候的影响。当时行业内的主流观点是，在一些地面机具不易进入的区域，如水田和丘陵山地等可以由无人飞机去实施喷雾作业，无人飞机只是地面植保机械的一个补充，而不是替代。但无人飞机现在的发展速度已远超很多人的想象，不仅在大量替代人工和小型药械，已经开始在蚕食中大型喷雾机的市场。

从技术的角度分析，一般情况下水田植保时无人飞机喷药雾量分布均匀性和雾滴沉降结果不会好于常用地面机械，如喷杆喷雾机和担架式机动喷雾机，除非是那些药械使用不当或药液选择或配比不合适。龚艳等[6]2014年在南京市江宁区对28.7 hm2水稻所做的田间植保试验结果表明，几种机械的施药对水稻二化螟、稻纵卷叶螟、稻飞虱和纹枯病的防治效果，水田自走式喷杆喷雾机最好，其次是担架式机动喷雾机，植保无人飞机排在第3位和第4位，背负式手动喷雾器排在最后，这和药液沉积分布测定结果一致。

袁会珠等[7]在2018年总结了一些有关植保无人飞机防治效果的内容。植保无人飞机对水稻病虫害如稻飞虱、稻纵卷叶螟、纹枯病和稻曲病等的防效为80%～90%，对小麦病虫害如麦蚜、吸浆虫、白粉病、赤霉病的防效为55%～85%，对玉米螟的防效为80%左右，对棉蚜的综合防效可达90%以上等。综合来看，应用无人飞机喷雾，基本可满足农业生产上病虫害的防治要求。

关于植保无人飞机节约用药方面，理论上来说，单位面积的用药量应该都是一样的。但研究表明，通过在药液中加入助剂可有效减少雾滴飘移，提高雾滴在作物表面上的沉积，农药减量施用20%的情况下，对苹果黄蚜仍有较理想的防治效果[8]。薛新宇等[9]以N-3型植保无人飞机为作业平台，开展了不同作业参数下稻飞虱和稻纵卷叶螟田间药效试验研究，指出与人工背负式施药作业相比，植保无人飞机作业药液有效成分可减少20%～30%。目前所得到的数据基本都是无人飞机预防性作业的结果，尚缺乏病虫害爆发后无人飞机施药的效果数据。

关于植保无人飞机适应性问题，如新疆200多万hm2棉花，每年喷施脱叶剂工作量非常大，而且对喷施质量要求较高。这些年来，一些公司在强力推动植保无人飞机进入该领域，尽管作业面积逐年递增，但还是出现一些问题，尤其是2019年新疆的一些管理部门出台规定，不允许使用无人飞机喷施脱叶剂。从2019年新疆有关部门组织进行的大面积试验看，无人飞机喷施脱叶剂影响因素较多，喷施时间的选择(温度)、棉花植株的高度和枝叶密度、品种及作业参数的控制(用水量等)、飞手的操控水平(漏喷、重喷等)等都对脱叶效果有较大影响，要想把所有相关因素都控制在理想状态下，难度较大，还需要做大量的工作，摸索出规律。

植保无人飞机机动灵活、省工、省时、省水，防治效果也能满足要求，优势突出，但不是无所不能，在推广和使用时应注意其适用范围。

5 相关政策

我国农业农村部在植保无人飞机的发展上是比较谨慎的，尤其是植保无人飞机涉及的法律问题。《中华人民共和国民用航空法》规定，民用航空器在低空没有开放区域内进行飞行活动，应当取得空中交通管制单位的许可；植保无人飞机尚未开展适航取证工作。

尽管要求补贴的呼声很高，但农业农村部一直没有把植保无人飞机列入国家农业机械购置补贴目录。直到2017年10月，原农业部、财政部、中国民用航空局才联合决定选择6省(市)开展以农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作，当年12月工信部也印发了《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》。随后2018年3月，原农业部、财政部又联合印发了《关于做好2018—2020年农机新产品购置补贴试点工作的通知》，明确表示鼓励无人飞机在植保领域的发展创新，推动植保无人飞机行业的发展。

进入补贴试点的有浙江省、安徽省、江西省、湖南省、广东省、重庆市、黑龙江省、吉林省、福建省、甘肃省、江苏省等10余个省市，新疆也从2020年开始落实资金实施补贴，各个试点省大都实行千万元量级的补贴。在单机补贴额度上，大多在1.5万元左右，如湖南省2019年单机补贴1.6万元，但黑龙江省较低，为1万元。

各试点省对补贴的植保无人飞机基本配置和参数要求也有一些差异。如湖南省2019年补贴的具体要求：①空机质量≤116 kg，起飞全部质量≤150 kg，载药量>10 L。②设计飞行速度≥15 m/s。③有固定的药箱安装位置和唯一匹配紧固件，一款机型只能匹配一款药箱。④有操作人员身份密钥接入装置，能够做到经密钥连接后方可作业飞行。⑤加装有飞行控制芯片、电子围栏、避障系统软件、作业飞行数据实时记录存储设备和施药作业系统，具备防重喷漏喷、防农药飘移功能，能够实现作业飞行可识别、可监测且可追查。⑥多旋翼、电动型。

黑龙江省的补贴目录，没有对操作人员身份密钥的要求，也没有规定必须是多旋翼、电动型，但增加了GPS双模及以上卫星导航系统，同时具备手动控制模式和自动控制模式；增加了试点产品的生产企业必须建有智能化管控平台，能够对其产品的作业飞行实行远程实时监测、安全管控，且该平台已直接或间接接入中国民用航空局无人飞机云交换系统，并可实现接入黑龙江省农机作业指挥平台及拥有健全的植保无人飞机操作人员培训考核体系。黑龙江省对管控平台的要求则希望依托植保无人飞机飞防企业建立的管理服务平台实现飞机飞防作业面积测量、作业过程质量管控及实时作业统计等信息过程自动化管理，有利于加强对无人飞机作业的监管和提高病虫防治效果及植保大数据的收集积累。

湖南省等没有把油动机型纳入补贴范围，可能考虑了污染的问题。

国家补贴政策在促进植保无人飞机快速发展的同时，也保证了用户买到合格的产品。一是通过各省对补贴无人飞机的具体要求控制植保无人飞机的总体技术水平。二是通过补贴归档过程筛选掉质量和服务投诉较多、口碑差和规模过小的厂家。如2018年湖北省从40多家无人飞机企业申报的68款无人飞机中筛选确定了11家企业13款产品进入湖北省补贴试点，归档通过率仅20%[10]。

图4 中农机3WFD型多旋翼植保无人飞机Fig.4 3WFD multi rotor plant protection UAV

在补贴政策支持下，植保无人飞机市场在全国进入快速发展期(图4)。据农业部门估计，2019年我国植保无人飞机的保有量约5万架，防治面积0.3亿hm2·次。

6 行业标准

2017年10月，原农业部启动开展以农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作后，相关部门和单位陆续制订和推出涉及植保无人飞机的技术规范和标准等。

2018年3月，原农业部发布了《植保无人飞机质量评价技术规范》。中国农药工业协会、中国农技推广协会、中国植保协会于2019年4月发布了《植保无人飞机安全使用农药作业规范》《植保无人飞机防治小麦病虫害施药指南》和《植保无人飞机防治水稻病虫害施药指南》。2019年，中国农机化协会先后发布了《植保无人飞机农药使用规范》《植保无人飞机安全操作规程》和《植保无人飞机作业质量》3个团体标准。

《植保无人飞机》国家标准也已通过平台申报处于立项审批阶段，其将对植保无人飞机的术语和定义、型号编制、安全要求、试验方法、检测方法、检验规则及标志、包装、运输和储存做出规定。植保无人飞机国际标准也在讨论过程中，2019年6月10—14日，我国5位代表参加了在西班牙巴塞罗那召开的ISO/TC23/SC6分会年会，其中一项重要内容就是讨论植保无人飞机标准，我国相关企业也积极参与了这项工作。我国植保无人飞机的市场保有量比世界其他所有国家的总量都要大很多，必须在国际标准的制订中充分行使话语权。

7 亟待解决的问题和发展建议

7.1 亟待解决的问题

很多关于植保无人飞机发展的文章都提到了专用药剂少、标准缺失和监管不足等，这些问题有的已经解决，有的正在解决过程中，在此不再讨论[11]。这里重点关注的是如何解决植保无人飞机市场快速扩张所带来的问题[12]。

随着植保无人飞机价格一路走低，再加上国家补贴，购买门槛越来越低，销量急速上升，飞手的队伍快速增大，如果仅靠厂家简单培训，很难让这个越来越庞大的队伍都达到要求，这样会导致作业质量大幅下滑，而且还可能带来安全隐患，对飞手自身、周边人、动物及作物等造成损害。由于操控不当或雾滴飘移造成的伤害时有发生，一定要引起高度重视。

植保无人飞机销量的快速增加，也促使飞防服务组织在局部区域蓬勃发展。尽管从2019年的数据看，植保无人飞机的飞防面积占全国病虫害防治总面积的比例不到10%，似乎发展空间还很大，但发展非常不均衡。在一些省的局部区域，飞防服务组织或个人似乎饱和了，作业量被严重挤压，结果造成飞防服务的无序竞争，其直接的体现就是植保服务费不断下降。过度购置其结果就是服务挣不到钱了，最终会导致销量大幅下滑。

如何引导局部区域过剩的飞防能力向其他区域转移，是主管部门应该尽快解决的问题。

7.2 发展建议

在解决机手的问题上，一方面希望政府给予操控手培训补贴，加大对飞手的培训和管理力度。另一方面，则期望用户买到的机型具备以下特点：一是做到“傻瓜”操作，一键起飞和降落；二是“无人”，可全自主飞行、自动航线规划，能根据预先测量的航线设置飞行参数和航线自动定高定速仿形飞行、智能避障及自动降落，安全稳定；三是智能精准喷洒，可以依据不同的作物和气象条件等，自动调整飞行速度和喷洒流量等参数，确保精准喷洒。

这种真正的“傻瓜机”对飞手的操控水平要求大幅降低，保证植保无人飞机市场更加持久地发展。

在解决飞防服务发展不均匀的问题上，建议各省主管部门统筹规划，实施灵活的补贴政策。各省的补贴额应依据各市的购机情况有所变化，对于购机达到一定密度(植保无人飞机保有量/农作物面积)的市，可以减少补贴额，甚至暂时取消补贴；对于购机数量严重不足的市可以加大补贴额，引导当地用户购机。主管部门可以通过植保无人飞机作业管控平台，严控无人飞机跨市流动作业。鼓励植保无人飞机购置密度高的市向购机不足的市流动跨区作业，但不允许反向流动，只有这样才能保证植保无人飞机服务市场持续均衡发展，也才能促进植保无人飞机销量持续增长。