我国无人农场的现状与展望

2021-12-06潘轶群王文强王跃勇高宇

农业与技术 2021年20期

关键词：农业装备无人驾驶无人

潘轶群王文强王跃勇高宇

(1.长春市农业机械研究院，吉林长春 130062；2.吉林农业大学，吉林长春 130000)

1 农场的发展历史

随着人类社会的不断发展，农业生产模式不断变化，推动了农场形式的历史演替，农场经历了人力、机械化、自动化和信息化的发展过程。

1.1 传统农场

在以内燃机提供动力的农业机械广泛应用以前，传统农场一直是国内外农场的主流形式。传统农场主要以人力、畜力，并配以简单的传统农耕生产工具，施用自然肥料，进行农业生产。传统农场具有土地面积大、劳动力需求大和农耕生产工具作业效率低等特点。

1.2 机械化农场

工业革命以来,科技不断发展，机械化农场逐渐走进历史舞台。机械化农场，在传统农场基础上，利用现代化农机具进行大规模农业生产，不仅降低了生产成本和劳动强度，而且使得劳动生产率显著提高。主要发达国家在20世纪60年代已经实现了农业机械化。我国虽然农业机械化起步较晚，但是目前我国农业机械化水平正在不断提高，基本实现了农业机械化。

1.3 自动化农场

20世纪80年代以来，我国信息技术迅猛发展，计算机越来越多地被应用到农业生产中，促进了自动化农场的诞生。自动化农场是在机械化农场基础上，将传统农业机械与信息技术结合,用自动化装备代替传统农业机械装备。然而，自动化农场仍然存在一些问题，如不同地块的环境差异大，需要使用不同的农业自动化技术，仍然离不开人类的操作和管理。

1.4 无人农场

随着信息技术的迅速发展，无人农场的概念被提出来，英国哈珀·亚当斯大学(Harper Adams University)与 Precision Decision公司建成了世界上首个无人农场(Hands-Free Farm)[1]。2017年，世界上首个蔬菜无人农场在日本建立。目前，美国、日本和欧洲的一些发达国家建立的无人农场逐渐投入应用。我国北京、山东和江苏的无人农场也逐渐开始试验探索，建设无人农场是农业现代化的必然趋势。无人农场，不需要人频繁进入农场，采用物联网技术、大数据技术、人工智能技术和无人智能农业装备技术等技术，全天候、全过程自主完成农业生产作业。“无人化”是无人农场的本质特征。

2 无人农场的概念及其进阶状态

2.1 无人农场的概念

无人农场是在人不进入农场的情况下，采用物联网、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息技术，通过对农场设施、装备、机械等远程控制或智能装备与机器人的自主决策、自主作业，完成所有农场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间的无人化生产作业模式，无人农场的本质是实现机器换人[2]。

2.2 无人农场的进阶状态

根据智能农业装备参与程度的不同，可将无人农场划分为3个不断进阶的形态，依次为远程控制、无人值守和自主作业的无人农场[3]。

2.2.1 远程控制无人农场阶段

此阶段是无人农场的萌芽阶段。人类对无人农场的远程操作，通过远程控制技术来实现。无人农场虽然不需要人类现场介入，但是无人农场生产环节的规划决策和远程操作仍然需要人类参与。

2.2.2 无人值守无人农场阶段

此阶段是无人农场的中级阶段，虽然不再需要专人全天候对农场设备进行实时远程操作，但是需要在规定时间下达决策指令。人类在无人农场中的主要角色发生了转变，由无人农场的操作者变为决策者。

2.2.3 自主作业无人农场阶段

该阶段是无人农场的高级阶段。无人农场生产中的各个环节均由无人农场自主完成，整个的生产过程不需要人类参与。

3 无人农场的关键技术

无人农场是机器换人所要展现的最终形态，物联网替换了人类的感知器官；大数据和人工智能组成智慧云大脑，替换了人类的大脑；无人驾驶的农业机械(简称无人驾驶农机，泛指用于农业生产的所有机器人、无人机、机械装备等)替换了需要人类四肢参与执行的有人驾驶农机[4]。

无人农场的关键技术主要包括物联网技术、大数据技术、人工智能技术和无人智能农业装备技术等。无人农场的关键技术按照模块一般可以划分为感知数据融合技术模块、规划决策技术模块和控制执行技术模块等。感知数据融合技术模块主要包括物联网技术，规划决策技术模块主要包括大数据技术和人工智能技术，控制执行技术模块主要包括无人智能农业装备技术。

3.1 物联网技术

近年来，传统互联网技术的不断发展，衍生出了物联网技术。物联网技术主要包括传感器、数据传输等技术。物联网技术将环境、作物和智能农业装备等信息实时连接，构建无人农场的“神经网络”，为无人农场提供精准的数据支持。物联网技术是无人农场智能化的基础，有助于农业生产科学、准确地进行。

传感器广泛应用于各种农业装备中，使得无人农场的各个生产过程可视可控。如，耕整地机械利用超声波传感器、红外传感器和压力传感器等实时感知机具的耕作深度和耕作阻力等信息。

数据传输技术包括有线数据传输技术和无线数据传输技术。5G技术作为一种新型无线数据传输技术，具有传输速度快、延时低等优点，5G技术在无人农场中的应用将成为智慧农业的重要发展方向。

3.2 大数据技术

大数据技术，主要包括大数据采集、处理、存储和分析等技术。农业大数据技术能够科学合理地分析农业数据，发现数据之间的潜在关系，进而指导农业生产。农业大数据现在已经成为农业发展的新型资源。农业大数据技术可以建立并不断完善无人农场经验库，形成更加科学、准确的方法论来指导农业生产。

3.3 人工智能技术

人工智能技术，主要包括智能识别、智能学习、智能推理和智能决策等技术。人工智能技术让无人农场拥有智慧的大脑，让机器具有类似人类的思考能力。无人农场在农业生产过程中，通过人工智能技术，自主学习训练并增长智慧，从而能够做出更加科学合理的规划决策。人工智能技术在农业上主要有农作物识别与检测、农作物病虫害与缺素诊断、农作物生产精准管控、农产品质量分拣和溯源、土地与种植资源管理等应用场景[5]。

3.4 无人智能农业装备技术

无人智能农业装备技术，主要包括状态数字化监测、智能信息感知、自动导航控制、智能动力驱动和装备智能作业等技术。无人智能农业装备，主要包括无人驾驶农业机械、农业机器人和农业无人机等。

农业机械无人驾驶是无人农场的重要表现形式。无人驾驶农业机械主要包括无人驾驶精量播种机械、无人驾驶耕整地机械、无人驾驶植保机械和无人驾驶收获机械等。在农田作业时，无人驾驶农业机械需要进行合理路径规划、准确姿态控制、灵敏自动避障和自主停止。

无人驾驶农业机械在实际运行时需要进行行为决策和合理路径规划。科学合理的决策和规划可以确保无人驾驶农业机械安全工作。规划决策技术模块是无人驾驶农业机械的大脑，主要由计算单元组成。各种传感器采集的数据统一传输到计算单元进行计算、规划和决策。

无人驾驶农业机械控制执行技术模块接收由规划决策技术模块形成的控制命令，并将这些指令输送给转向、制动等系统，完成自主转向、制动等操作，实现准确姿态控制、灵敏自主避障和自主停止。

农业机器人可以分为除草机器人、施肥机器人和收获机器人等类型。面对复杂工况和恶劣环境，农业机器人也能正常完成农业生产作业。当农业机器人收到工作指令后，农业机器人能自主移动到作业位置并进行作业。

无人驾驶农业机械，与农业机器人和农业无人机等无人智能农业装备共同组成了无人农场地空协同作业体系。无人智能农业装备，是前端物联网技术、大数据技术和人工智能技术的重要载体，在前端无人智能感知与规划决策的基础上，完成无人农场的具体作业。

4 无人农场的几种常见应用类型和案例

4.1 无人农场的几种常见应用类型

4.1.1 大田无人农场

大田无人农场是最早的无人农场应用类型。大田场景下的无人农场，在控制执行技术模块上，以大型无人驾驶农业机械为主。

4.1.2 果园无人农场

果园无人农场，感知数据融合技术模块一般包含各类传感器，实现对果园生产状态的实时感知，并通过5G等数据传输技术将信号实时传输至规划决策技术模块。规划决策技术模块，通过大数据技术和人工智能技术输出控制信号至控制执行技术模块。果园场景下的无人农场，在控制执行技术模块上，以农业机器人、自主作业车为主。果园中的除草、修剪、施药、采摘和运输等主要作业环节，均由无人机器人和自主作业车来完成。

4.1.3 温室无人农场

温室无人农场，可以通过温室环境传感器实时获取、处理温室作物长势信息，通过温室综合管理平台对于温室作物(蔬菜、水果、花卉等)所处的温度、水分和肥量等进行规划决策，通过温室农业机器人等实现对温室各参数的精准调节。

4.1.4 养殖无人农场

养殖无人农场，主要包括养牛、养猪和养鸡无人农场。感知数据融合技术模块一般包括各类传感器、动态巡检装置，对动物行为和生长状况进行实时监测；规划决策技术模块即养殖综合管理平台，对监测数据进行处理并形成科学的规划决策；控制执行技术模块，实现投喂、清理和室内温度调节等功能，使得养殖无人农场的生产管理更加精准高效。

无人农场除了以上4种常见的应用类型，还有渔业无人农场等应用类型。然而不同应用类型的无人农场，其本质大同小异，都是以前文所述的4大无人农场关键技术为技术基础建立起来的。

4.2 无人农场的案例

华南农业大学集成相关的智能农机装备，创建了水稻无人农场，并在广东增城进行了实践。水稻无人农场具有耕种管收生产环节全覆盖、机库田间转移作业全自动、自动避障异况停车保安全、作物生产过程实时全监控和智能决策精准作业全无人等5个特点[6]。

山东理工大学在智慧大田种植场景下的生态无人农场模式已经基本成熟，并且于2020年在吉林省农安县实现了首次推广。山东理工大学生态无人农场研究团队正在向生态无人农场技术体系下的智慧渔场、智慧果园、智慧温室等探索和推进，将生态无人农场这一模式和理念进行深层次的探索，为未来农业提供宝贵的借鉴[7]。

北大荒集团红卫农场有限公司，利用5G网络、大数据技术和智慧平台，打造“无人农场”样板。通过设备改装联结智慧农业大数据应用服务平台，实现了无人驾驶远程操控和协同作业。智慧农业控制中心可实现远程操控无人插秧作业全过程，实现精准作业，达到节省人力，提高效率的目的[8]。

阿里巴巴公司将人工智能和养猪进行有机融合，建立了“互联网农场”。华为公司利用5G等技术，促进农业生产数字化、智能化转型升级。众多科技公司也正在投入到无人农场的建设和发展中。

5 无人农场的展望

目前，我国无人农场建设刚刚起步，无人农场的发展仍然面临着一些不可避免的问题。

5.1 无人农场的成本与农业劳动力的成本密切相关

现阶段，农业劳动力的成本虽然在缓慢提高，但是仍普遍低于无人农场的成本。无人农场大规模投入应用不可避免地受到无人农场高昂成本的限制。在我国的城镇化进程中，农村人口将不断减少，农业劳动力成本将持续提高。无人农场技术的改进和发展和无人农场的逐渐普及，将逐渐降低无人农场成本，促进我国农业现代化发展。

5.2 加快无人农场关键技术攻关

以“机器换人”为主要特征的无人农场，需要精准、稳定和可靠的技术支撑。我国迫切需要加快对农业物联网技术、大数据技术、人工智能技术和无人智能农业装备技术的攻关。加快物联网技术集成应用与示范；推进农业大数据技术发展，建立并不断完善无人农场经验库，形成更加科学、准确的方法论来指导农业生产；加快研发人工智能技术和无人智能农业装备。利用高等院校、科研院所和科技公司的科研优势，加快研发适应不同地域、不同地形、不同种植方式和不同养殖方式的无人农场关键技术，并建立研发基地、试验基地，集聚项目、人才等资源，促进无人农场技术的示范和规模化发展。只有技术的发展，才能推动无人农场早日普及。