国内外无人农场技术发展对比与分析

宋世圣，彭才望，宋 玲，付昌星

（1.湖南农业大学 机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000）

中国是农业大国。如图1所示，2018年我国农业总产值约为61 719.69亿元，对当年国民生产总值的贡献超过13.9%。农业农村部刊出的《中国农业展望报告（2018—2027）》提出，在 2018年至 2022年期间，我国将投入约6000亿元建设高水平农场。预计2020年我国将建成面积约为2670万公顷的高标准农场。

在加大农业建设投入力度的同时，也需要正视农业发展中出现的问题。中国虽地大物博，但人均农业用地仅为1.38亩（1亩=667m2），不及世界平均水平的40%。即便我国的耕地如此稀少，耕地面积还在逐年减少。不仅如此，我国农业劳动力不足、劳动力老龄化、劳动力成本越来越高的问题也日益突出；因此，亟需建立一种新型的农业模式，实现“以机易人”。

1 世界范围内农场的四个发展阶段

近年一些学者提出了农业4.0的理念，很好地诠释了农场的发展历程。

1.1 传统农场

中国是人类的发源地之一。大约在距今12 000年前，中国在新石器时代早期就出现了原始农业的雏形。一些历史学家认为，原始的采集活动逐渐发展为种植业，原始的狩猎活动孕育了之后的畜牧业。

传统农场的生产模式是使用传统农耕用具、施用自然肥料以及以牲畜为主要耕作动力。简单来说，经营传统农场可以概括为“靠天吃饭”。

1.2 机械化农场

随着科技不断发展，农场的生产模式也发生了巨大变革。地球上超过40%的无冰土地都被用来耕作，20%～30%的地表水被用来灌溉[1]。数量如此庞大的农田自然不能一直依靠人畜耕作。19世纪中叶至末期，美国少数农场开始使用一些简单的畜力农业机械，当时的农业机械还不能自己提供动力。20世纪初拖拉机被应用于农业生产后，一些农场将各种农业机械相继投入田间作业，取代了传统农场中的牲畜动力。据1975年联合国粮食及农业组织公布的数据，约占92%的农用拖拉机与收获机械为第一世界和第二世界国家所有，其中美国、英国、日本等发达国家的机械化程度高[2]。

由表1可以看出，主要发达国家在20世纪60年代就已经实现了农业机械化，只需投入较少的劳动力就可以满足本国的粮食生产需求。随着发达国家成功走上农业机械化道路，农业机械化也成为了时代潮流，目前我国也基本实现了农业机械化。

表1 主要发达国家完成农业机械化的情况

1.3 自动化农场

20世纪80年代，计算机被应用到农业生产中。20世纪90年代初，GPS开始由军用化转为民用化，美国、加拿大等国家提出了精准农业的构想。精准农业利用工具和技术识别田间土壤和农作物，改变耕作方式并优化农艺。精准农业的提出开启了农业自动化新篇章。农业自动化将大数据、机电控制技术、传感器技术完美结合，运用到农业生产管理中，实现了劳动力的解放，完成了精准种植、精准灌溉、精准喷药以及智能化采摘[3-4]等任务，使作物得到最适合的生长环境，实现了生产者的利益最大化。

农业自动化技术虽然革新了农业生产模式，但是目前该技术的应用还存在着一些问题，例如不同地区的土壤水分条件不同、种植作物不同、环境因素差别大。因此需要因地制宜，使用不同的自动化技术[5]。

1.4 无人农场

2017年，世界粮食安全会议宣布：预计2050年世界人口数量将增长到100亿，食品需求将比2013年增长约50%。需要进一步改变农业生产模式，优化全球食品系统[6]。无人农场，顾名思义，就是没有人的农场，即全程没有人类劳动力参与农业生产环节、由智能计算机进行操控、劳动机器人自主决策和自主作业的一种新型农场模式[7]。其本质就是围绕无人化、自动化、精准化、智能化、数据可视化的理念[8]，以智能代替人工，涵盖物联网、大数据、人工智能以及智能装备等一系列新兴技术[9]。可以说，建设无人农场是精准农业等新型农业发展的必然趋势，也是中国农业现代化的必经之路。传统农场如果是“靠天吃饭”，无人农场则是“人定胜天”。

全球范围内，农田弃耕的趋势显著上升，这直接影响到了农民生计，威胁到了世界粮食安全[10]。农业食品系统需要向可持续性转型，以实现可持续的粮食安全[11]。20世纪80年代，各发达国家开始对发展无人农场进行探索，研制出各种新型农业机器人并将其用于无人农场中的种植、植保、收获等环节。其中又以日本最为成功，研发的智能机器人目前处于世界领先地位[12]。

2 无人农场概念

2.1 无人农场发展阶段

李道亮教授等人[7]根据计算机参与程度将无人农场的发展分为远程操控、无人值守、自主作业三个阶段。而笔者根据无人农场工作人员参与程度的不同，将无人农场的演进过程分为四个阶段：远程操控、按时操控、自主作业、自主运行。

（1）初级阶段——远程操控。这是自动化农场向无人农场演进的过渡阶段。虽然农业机械已基本实现自动化，但是各个机械无法实现互联，不能联合作业，需要工作人员在操控室内进行远程操控。因为无需劳动力进入农场从事体力劳动，所以也被称为解放双手的农场（Handsfree Farm）。2017年9月，英国Harper Adams大学与Precision Decision公司联合成立的一个“Handsfree Farm”，成功完成了第一批小麦收割。

（2）中级阶段——按时操控。工作人员无需实时在操控室内进行远程操控。各农业机械之间通过传感器、机器视觉、数据处理以及信息传输等技术建立起了物联网。但此时农业机械没有完全智能化，需要人工决策，工作人员要在指定的时间进入操控室对工作机械进行操控以完成工作环节之间的交替。在这一阶段，称之为按时工作的农场（On Time Farm）。

（3）高级阶段——自主作业。无人农场的最终目标是实现“以机易人”。这就要求被使用的智能农业机械拥有和人类一样的判断与决策能力。利用物联网与大数据，可以为智能农业机械的运转工作提供理论数据支持。同时，人工智能可以为农业机械的自我决策提供技术支撑。在这一阶段，因为工作人员只需日常维护机械、更换老旧机械而无需对农业机械作业进行判断与决策，所以被称为解放大脑的农场（Brainfree Farm）。

（4）终极阶段——自主运行。无人农场发展到这个阶段，自动化技术成熟，物联网、大数据、智能装备、人工智能配合达到完美。农场无需人的参与，从种植、收获到更换废旧农业机器甚至产品分销等全过程都由计算机完成。这就是真正意义上的“无人农场”（Unmanned Farm）。

2.2 建设无人农场的关键技术

古代谋士运筹帷幄之中就可决胜于千里之外，而无人农场的建设则可以实现农民“足不逾户就能种好田”的梦想。现代农业中，智能化与精准化不可或缺，需要实现“哪里缺漏补哪里，哪里需要给哪里”，利用现代农业技术完成对农场中“四情”[13]的监测，就必须掌握其核心技术——物联网、大数据、人工智能以及智能机械[7]。

2．2．1 物联网技术

近年来，传统的互联网概念逐渐淡去，物联网成为互联网的扩展。在物联网中，数以亿计的物理对象搭载了传感器等智能装备，以在周围环境中收集信息[14]。利用物联网技术构建无人农场模式，就是在生产基地安装密度足够、相应功能的物理传感器，将物理传感器传递回来的电子信号经计算机处理后发送给农场的工作人员，使工作人员及时了解农田的信息[15]。利用物联网，可以为农作物的生长提供最适宜的环境，使无人农场各作业环节之间联系更为紧密。

2．2．2 大数据技术

近年来随着科学研究、工业应用、社交网络等众多领域的发展，全球的数据流量呈指数级增长。到2022年，数据的年增长量有望达到4.8 ZB，如此超大规模的数据也推进了大数据技术的发展[16]。如今，大数据技术被广泛应用于耕地生态保护、农业资源利用与管理、气象灾害预警等方面[17]。利用大数据要注重以下三个环节：采集、分析、应用，而且这些环节应当形成一个封闭的工作循环[18]。通过物联网与大数据技术对农场的数据进行联合收集与分析，工作人员可利用移动终端清晰地了解农场内部情况。

2．2．3 人工智能技术

人工智能通常可以定义为处理数据并将其转换为信息以告知目标导向的能力，旨在模仿人类大脑的能力，并在准确性上将其超越[19]。例如人工智能传感器可以在农田内完成作物或杂草的判断，同时对农田进行分块，根据各区域杂草种类与数量的不同决定施用不同种类和剂量的农药[20]。这有利于减少除草剂对作物的影响，提高农药的利用率。

2019年7月8日，总部位于英格兰的农业科技公司Soil Essentials宣布开发出了一个新型机器视觉系统，可用于农田内的精准除草。在日本北海道芦别市，农民将GNSS（全球卫星导航系统）技术应用于拖拉机上，通过GNSS定位数据帮助拖拉机驾驶员选择最佳的驾驶路线，防止动力资源的浪费[21]。可见，人工智能在无人农场的建设中是不可或缺的。

2．2．4 智能机械

智能农业机械是无人农场的核心。智能农业机械需要在农场的工作区域内作业，所以对其智能化与精准化的要求更高。与传统的农业机械相比，智能农业机械的稳定性更好、针对性更强、工作时间更长、工作效率和资源利用率更高[22]。

2018年，国务院提出要大力发展智能化的农业机械，以推动农业的发展。近年来，智能农业机械发展迅速，无人机、无人车以及各种农业机器人也已经投入使用。

根据工程具体信息进行施工组织设置，在最大限度减少交通运输基础上，采用分段施工的模式，针对工期紧公路工程做连续作业，人员配置上按照两班倒的方式，保障施工质量同时，最大限度提升施工效率，使公路施工技术水平充分得以体现。在施工机械设备选择上，明确搅拌站方位布控合理性，沥青则采用厂拌法做相应拌制，做好对相应装载机、推土机、挖掘机、平地机等机械的参数确认，制定专业流程方案，确保机械设备施工质量充分得以保障[1]。

在过去的几十年里，植保工作主要有地面与空中两种形式。在实施地面作业时会产生作物被碾压、土壤被压实的问题，相比之下，空中作业就可以解决这个问题[23]。利用无人机，可以完成墒情测定、环境监测、作物病虫害监测、作物生长情况记录和农业保险勘察等任务[24]。搭载多光谱仪和热成像仪的无人机可对农作物的生长周期进行实时监测，可精准测算作物需水量[25]。1990年，日本Yamaha公司推出了世界上第一款用于喷洒农药的植保型无人机。据统计，相较于传统人工喷洒作业，使用电动农用无人机进行农药喷洒作业可以节约50%的农药，减少90%的用水，大大提高了资源利用率。如今中国无人机也已发展到世界领先水平，截至2018年，中国农用植保无人机的保有量突破了30 000架，完成植保作业约3亿亩。农用植保无人机工作如图2所示。

农业机器人是一种通过计算机操控进行农业生产的机械，根据工作的不同可分为育种机器人、施肥机器人、除草机器人、收获机器人等类型[26]。不管是面对复杂的工作任务还是是恶劣的工作环境，农业机器人都可以准确地完成工作。农业机器人工作周期包括检测作物、到达作业点、确定作物是否成熟、收获作物[27]。下达工作指令后，农业机器人就可以在田间或果园中自主移动并进行工作[28]。

四大核心技术共同支撑起了无人农场的建设。通过这些技术的快速发展，相信在不远的将来，无人农场会广泛应用于世界各国。

3 国内外无人农场发展

3.1 国外无人农场发展状况

3．1．1 美国

美国是世界农业第一强国，其农业高度发达，机械化水平领先世界。近年来美国个人农场的数量持续减少，但规模却越来越大，据统计，美国如今的农场要比20世纪60年代的农场平均大16%左右[29]。美国的农业人口仅仅占总人口的1%，可是其农产品不但可以自给自足，多余农产品还可以出口销售[30]。由于美国劳动力过少，所以无人农场是其农业发展的必由之路[31]。美国堪萨斯州的一家名为Farmobile的农业科技公司，推出了一款可以记录设备运营信息的连接器，该连接器适用于市场上的大部分农用机械。通过该连接器，可以将农用机械的数据信息传至农场主的移动终端，随后人工智能将会对该数据进行分析、判断，做出适用于该农场的规划。同时生产厂家可以支付一定费用来购买该数据，用以优化调整该连接器[32]。整个信息交换过程高度智能化，体现出了无人农场的雏形。

3．1．2 加拿大

加拿大是世界上最大的农产品出口国之一，农业的发展水平仅次于美国。随着科学技术的发展，数字技术也逐渐渗透到农业建设领域中。ROSE和CHILVERS在2018年发起号召，将数字农业视为第四次农业革命，重新定义农业的概念，建设无人农场[33]。2016年，加拿大的农业用地为62.67万平方公里，约占世界总农业用地的1.29%。加拿大地处北美洲的北方，一大部分国土处在北极圈内，气候恶劣，不适合农业耕作。目前加拿大的小型农场正在整合成为大型农场，据加拿大统计局2012年给出的数据，2011年加拿大共有205 730个农场，相比2006年减少10.3%，而农场面积仅仅减少4.1%，如图3所示。

加拿大的Saskatchewan省被誉为“产粮之篮”，其中部地区有一名为Battleford的城市，该市大型农场占地可达24 000多亩，在大型农场内进行农业作业时，智能化显得尤为重要。Farmers Edge公司据此推出了一款APP，该APP能从农场以及周边气象观测站提取数据，再利用人工智能进行分析，可得出耕作施肥的最佳时间。不仅如此，利用采集的数据，人工智能系统还可以建造数学模型，实时监测作物植株生长状况[34]。随着一系列智能程度较高的APP投入使用，无人农场的成功建设指日可待。

日本地少人多，国土面积仅有37.8万平方公里，人口却达到了1.26亿，所以农业对其来说至关重要。日本针对农业建立了一套科学的研究体系，通过科研院所、高校以及各民营农业公司的协同研究，使其农业发展迅速[35]。日本正在经历耕地向大型非家庭农场集中的过程，据2012年日本农业部的统计，日本的大型稻田机械设备资金投入占农场运营成本的30.8%[36]。

目前日本在推行一种叫“植物工厂”的农业模式。该模式始于二十世纪中叶的美国，但没有获得美国人的青睐。1974年，日本将该模式投入使用。如今，日本的“植物工厂”自动化程度较高，操控人员通过计算机来获取作物的生长数据（如环境温度、植物墒情、光合作用强度等），获取数据之后利用人工智能进行分析，从而得到植物生长的最佳参数。因为这种模式在密闭的温室工厂内运行，所以不受外界环境的制约[37]。“植物工厂”就是无人农场的初级阶段。

3.2 国内无人农场发展状况

1998年，时任国家主席的江泽民同志在两院院士大会上提出发展“数字中国”的概念，数字农业由此而生。发展至今，数字农业、智慧农业、精准农业共同推动中国现代化农业的发展[38]。我国对于数字农业相当重视且投入逐年上涨[39]，见表2。

表2 农业农村部数字农业项目概况

位于湖南长沙的湖南湘数公司是一家研究农业大数据终端的公司，该公司推出了一款名为“农业123”的APP。只要在农机具上安装物联网数据采集传感器（如图4所示），就可将农机具工作的路线轨迹、作业强度、作业时间等数据上传云端，经人工智能分析后，就能把完整的数据传到用户手机的APP上，从而可以实现足不出户就能了解农机的整个工作情况。

随着我国北斗卫星导航系统技术的突破，我国农机装备的导航系统摆脱了依赖进口的不利形势[40]，我国农机行业发展也焕然一新。2005年我国开始研发植保无人机，历时五年生产出我国第一架植保无人机[41]。目前，我国在民用无人机的研发达到世界领先水平，足以与美国等发达国家分庭抗礼，其中又以大疆的农用无人机最为出色。新一代的大疆T20植保无人机（如图5所示），不仅将最大载重提高到了20kg，还将工作效率提高到了180亩/h。在工作时，只需输入农田参数，无人机即可进入自主作业模式，配合大疆的农业服务平台，在手机上即可获取无人机的工作信息，自动化水平极高。

目前，华南农业大学罗锡文教授及其团队已经开展了关于无人农场的初步实践。在广州市增城区的试验田内，该团队通过智能化机械与技术，实现了“耕、种、管、收”四环节无人化作业，收获了第一批水稻，亩产量可达五百余公斤。这意味着我国的无人农场建设正逐步展开。

3.3 国内外无人农场技术发展对比

我国在物联网技术方面发展迅速。由表3、表4可以看到我国被SCI收录的有关物联网技术的论文数量世界领先。但根据被引情况可以发现，我国发表的论文被引用的情况低于世界平均水准，影响力不及其他发达国家[42]。

表3 2009～2018年SCI收录有关物联网的论文数前五名

表4 2009～2018年SCI收录有关物联网的论文被引情况

目前我国的传感器芯片制造能力远不及美国，传感器芯片大多依赖进口。物联网感知技术落后于发达国家。但在5G等方面我国领先于其他国家。

我国地域广阔、地形复杂等原因，大数据发展较为困难。推行无人农场模式需要精准的数据，但我国农业生产数据老旧、丢失的情况极为常见，发展并没有预期的那么快。近年来，我国不断推进大数据的发展，目前正在一些农业大省进行试点试验，如新疆、黑龙江等。不仅中国，美国也将发展大数据技术作为其增强国际影响力的一种重要手段。美国通过将大数据技术渗透到国民经济中，实施多方面的计划，以此实现其科技的进步。二战后，美国提出了“西装革履的农民”新概念[43]。依靠先进的手段，农场工作管理性越来越强，入农田实地耕作的情况则越来越少。

在人工智能技术方面，我国发展趋势良好。根据《中国新一代人工智能发展报告 2019》的数据，在2013～2018年，世界关于人工智能（AI）领域共发表了304 914篇论文，我国以发表74 408篇论文位居第一，美国发表论文数量比我国少两万余篇，位居第二。我国不仅发表的论文数量多，论文质量含金量也高。据统计，在世界AI领域排名前1%的被引用论文中，我国被引用的论文数量排名世界第二，仅次于美国，领先于其他发达国家[44]。虽然我国关于人工智能领域的研究世界领先，但我国人工智能基础端建设薄弱的问题也不能被忽视。目前，我国关于人工智能的研究主要集中在高校，已经有31所高校建成了AI院，但与企业联动较少。我国应当加强高校与民营企业的联动，共同推进人工智能的发展。

在中国成为世贸组织成员国之前，中国农机行业发展缓慢，所占全球农机市场的份额不足1%。自2001年中国加入世贸组织以来，中国农机产业开始快速发展，所占全球农机市场份额由2001年的0.9%上升到2017年的9%。1994～2017年世界各国农机行业市场份额如图6所示。

2004～2013年，我国农机发展平均年增长20%左右。2014年开始，我国经济由高速增长转为中高速增长，农机行业也由此进入了农机发展“新常态”。2015年，国务院印发《中国制造2025》的通知，明确地将农机行业列入了十大重点发展领域。我国在农机行业快速发展的同时，也要正视农机行业底子薄弱、核心技术掌握远不如发达国家的情况。

由表5可知，我国农机核心专利整体落后于农业强国[45-47]。

表5 Innography检索关于农机专利强度统计

美法德日等国家在农机各领域均有各自的核心技术。美国约翰迪尔（John Deere）公司，通过在森林机械上搭载全球导航卫星系统（GNSS）和地理信息系统（GIS），可使机械在林间工作时，减少对土壤的潜在损害[48]。法国库恩（KUHN）公司使用了一种渐进式偏导数线性回归模型，以此可以集中运算，寻求最佳参数[49]。其他农机行业的国际巨头也各有关键技术。我国农机企业如一拖、雷沃、沃德等还需要继续追赶，争取能在国际农机行业内占有更重要的位置。

4 结论

4.1 无人农场发展现阶段存在的问题

目前我国的无人农场发展仍存在多方面问题。一方面，我国农机装备的技术问题仍有待突破。只有掌握核心技术，才能生产出与无人农场相匹配的高级别农业装备[50]。一方面，因为无人农场所需的大型智能农业机械较多，所以无人农场的建设需要一定的土地面积并且对网络的要求也较高。我国国土虽然面积辽阔，但地形复杂，全面推行无人农场较为困难。另一方面，由于无人农场是智慧农业的最终形态，所以对农业从业者的综合素质要求较高。例如德国虽然是农业大国，但是由于智慧农业对民众普及不全面，导致德国民众对数字化农业批评反对的声音居多[51]。而目前我国从事农业生产的主体力量还是知识储备较少的普通农民，所以想要成功建设无人农场，对农民的知识普及工作任重道远。最后，由于智慧农业的基础设施较为昂贵，想要推广无人农场，仍需国家加强对基础端的持续投入。

4.2 无人农场发展展望

无人农场的发展是智慧农业的最终形态，是历史的需求。我国在无人农场方面虽然起步比农业发达国家晚，但近些年来发展迅速，在多方面的研究均有不错的进展。

中国工程院院士罗锡文在接受采访时，谈及无人农场，他说：“无人农场预计在五年之内投入使用，五年后进行推广，十年后加速推广”。面对未来建设无人农场的机遇和挑战，首先，应加强农业尖端人才的培养，高校与企业联动，形成一个良好的培养体系[52]。其次，应加强对农业的投入力度，加大农业的曝光度，改变人们固有的农业观念，让农民不再是“没出息”、“辛苦”的代名词。