嘉定区无人农场发展现状与展望

冯敏康

（嘉定区农机技术推广站，上海市 201800）

1 无人农场的概念

无人农场的实质是机器换人的最终形态，是利用现代科技与传统农业机械相结合的方法，使得原本需要人工操作的传统农业机械具有自动化、数字化、智能化的水平，并且结合物联网技术、信息化技术，让农业也具备大数据处理功能，从而提高生产效率、降低人工成本，最后全面提升对农场的管理水平。

2 国内外研究现状和水平

近年来，随着科技的发展，数字化、自动化、智能化的概念在各行各业中都被社会广泛关注，尤其是传统农业机械与现代科技的相结合，从而初步产生了无人化农场的概念。无人化农场以全过程作业无人化、智能化、精准化为核心，通过大数据指导生产运行，能够实现节约成本、提高效率、精准作业、绿色环保的农机作业方式，是未来农业的一个发展趋势。总体上看，发达国家无人化农场研发起步早，在一些领域和环节虽有推广，但应用还不广泛。我国在这方面起步较晚，但发展速度较快。

我国无人化农业机械在技术创新、制造水平和产品可靠性等方面飞速提升，在装备质量、机具种类、智能化水平上发展升级趋势加快。总体来看，我国农机自动导航驾驶系统已经在大田种植中开始示范推广应用，但受技术成熟度、机具质量和使用成本等方面制约，我国自动化农机正处于初步发展的阶段。

3 嘉定区无人农场的基本情况

为切实解决当前农业生产“后继乏人”和用工贵的难题，2020年起，嘉定区外冈镇在全市率先启动“数字化无人农场产业片区”建设。

嘉定区外冈镇农业体量大、土地规模广，目前共种植水稻约1333.33 hm2，其中1133.33 hm2是连片的标准化农田，且有超866.67 hm2已获得“绿色认证”，便于无人机械在起步阶段的试验研究。同时，外冈镇农机服务社共有动力机械约250台，大部分适宜无人化操作改造。

外冈镇选择联适导航作为技术合作方，依托镇农机服务专业合作社开展“数字化无人农场产业片区”建设。在20 hm2试验田里，利用北斗导航定位技术、无线通信技术和检测传感技术，对农作物生长全程自动监控，对农机作业过程实施准确检测。插秧机、自走式植保车、收割机在无人驾驶的情况下，自动完成插秧、植保、收割等水稻生产作业。目前，外冈镇20 hm2试验稻田内已初步实现耕、种、管、收等各环节的无人化作业。进入“十四五”时期，外冈镇结合实际，明确推进数字化无人农场产业片区建设，计划通过3～5年的创建，使整个产业片区成为“技术装备先进、生产绿色循环、品牌优势突出”的都市现代绿色农业样板区。

4 嘉定区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：各种物联网传感器，替代了人类的感知器官；大数据和人工智能组成智慧云大脑，替代了人类的大脑；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）替代了需要人类驾驶的传统农机。

4.1 无人拖拉机改装

当前，嘉定区的无人耕整作业机械以51.45～88.2 kW拖拉机为主，针对该项目的作业需求，目前已完成对久保田1104、135 G等车型进行无人化的改造，可实现的功能主要有：作业过程无人化、云端车辆控制、自动出入库、作业路径自动规划等，实现耕整地的无人化作业。

4.2 无人插秧机改装

无人插秧作业计划完成对久保田插秧机无人化改装和结构上的优化。主要实现：云端控制、变速巡航、路径自动规划、农具自动控制、自动出入库、作业质量监测等，结合北斗定位系统与智能控制器，从而实现全过程无人驾驶作业。

4.3 无人直播机的改装

与无人插秧机的改装结构相似，在久保田无人插秧机的基础上将久保田直播机进行无人化改装。主要新增功能：倒车进行种子加注、记录作业地块轨迹、自动继续上次作业。

4.4 无人植保机改装

田间管理主要是追肥和植保作业，久保田自走式打药机同时具备打药和抛肥作业的功能，无人化改装之后可对农药的喷洒量和喷洒路径自动进行规划，避免了传统作业过程中农机对农作物的破坏，实现精准施药、施肥，在整个作业周期内会有多次植保、追肥作业，通过调用云端地块信息，实现路径规划作业，使车轮在作物苗行之间行进，避免伤苗，从而实现整个植保过程无人化。

4.5 无人收割作业

项目区目前主要使用的收割器械是半喂入式收割机，计划对洋马YH6115半喂入式收割机的无人化改造，收割机的无人驾驶涉及割台升降、倾角、拨禾轮高低、割台运转、脱粒系统运转等等，通过ISOBUS协议对收割机各个执行机构进行电控操作，主要结合农艺要求制定对应的控制逻辑，从而实现无人收割作业。

5 嘉定区农业大数据平台的搭建

无人农场的建设不只是对各个农业机械进行无人化改造，更重要的是搭建一个数字化的平台，这个平台就相当于是无人农场的“大脑”，它的主要作用应该包括无人机遥感作物长势监测、土壤养分分析、水层管理、合作社生产管理、农业大数据决策等。

5.1 农业大数据平台主要实施推进的方向

5.1.1 构建完善的无人驾驶云平台。从无人农机的本地决策部署，升级到平台统一决策部署，通过云平台实现作业任务的规划、作业路径自动规划、作业远程下发、无人农机作业状态实时反馈、作业信息实时回传，通过AI决策部署，实现多机型、多作业模式的云端协同作业。

5.1.2 完善田间管理云平台数据。对水田土壤养分进行取样分析化验，分析土壤实际的综合肥力情况，辅助决策优化现有施肥结构；使用无人机遥感监测手段实现巡田监测，分析作业长势差异和问题区域，辅助决策管理者进行针对性的田间管理；使用田间病虫害物联网监测终端实时监测病虫害数据，利用该数据指导病虫害防治工作。

5.1.3 搭建合作社生产管理平台。针对合作社具体业务需求，开发针对性的服务管理工具。

5.2 嘉定区农业大数据平台的现状

农业大数据平台，通过采集嘉定外冈农业生产的核心数据进行可视化分析和展示，集中展示外冈农业发展的成果，包括水稻种植区域分布、品种、合作社人员分布、农机、农业新技术引进、气象等多个维度。

5.2.1 农业大数据平台在无人农场中的应用。一是通过无人驾驶云平台，从无人农机的本地决策部署，升级到平台统一决策部署，通过云平台实现作业任务的规划、作业路径自动规划、作业远程下发、无人农机作业状态实时反馈、作业信息实时回传，通过AI决策部署，实现多机型、多作业模式的云端协同作业。二是进行农场数字化，获取田块、道路、构筑物的高精度坐标，构建数字化地图，并将数字化地图上传到平台。三是在平台实现作业任务的远程部署，实现作业车辆和作业地块的快速匹配，根据作业任务的类型、作业的速度、作业的幅宽、车辆停放位置和地块的位置，制定作业路径，相比于百度地图导航一样，输入出发地和目的地就能智能规划出路径。平台规划的路径还包含了无人作业过程中农机、农具的控制信息，如插秧机作业到地头的时候，秧台会自动抬升，遇到障碍物，车辆自主检测并停障。四是车辆无人化作业过程中会实时回传作业信息，如车辆作业速度、作业轨迹、前后两个视角的影像信息，使得管理人员可以在电脑前实时掌握作业详情（如图1）。

5.2.2 农业大数据平台的其他功能。一是智能物联。使用田间病虫害物联网监测终端实时监测病虫害数据，包括了气象数据、虫情数据、病害孢子数据等，能够及时监测到病虫害发成的类型，为病虫害防治提供数据支持。二是遥感监测。使用无人机遥感监测手段实现巡田监测，分析作业长势差异和问题区域，辅助决策管理者进行针对性的田间管理，包括可见光遥感图像、NDVI等遥感指数进行综合分析，可以快速定位农田问题区域。三是养分分布。对水田土壤养分进行取样分析化验，分析土壤实际的综合肥力情况，辅助决策优化现有施肥结构，同时在平台上生成肥力分布图。四是生产管理。搭建合作社生产管理平台，针对合作社具体业务需求，开发针对性的服务管理工具，包括农机管理、农田管理、人员管理、效益分析等（见图2）。

6 嘉定区无人农场的未来展望

无人农场采用总体规划且分步实施的原则，发展规划如下：

图1 农业大数据平台中展示的无人农场

图2 农业大数据中展示的田间病虫害情况

V1.0（已完成）：2020年，无人农场建设在外冈镇泉泾基地内完成了对现有部分农用作业机械的无人化改造，具体包括旋耕机、播种机、插秧机、自走式打药机、收割机等，在20 hm2试验稻田内初步实现了耕、种、管、收各环节的无人化作业。

V2.0：2021—2022年，将在已有的工作基础上进一步完善机械的无人化改造，包括改造后无人机械作业的精度与稳定性、不同无人机械间的协同作业、一人多机操控作业、无人机械由机库到田间的路径规划等等，并在此基础上完成千亩规模的全程无人化作业示范。

V3.0：2023—2025年，无人农场建设扩大到万亩规模，实现项目从示范研究到产业化推广应用。与此同时，进行数字农场的改建，实现水稻生产过程的耕、种、管、收全阶段的数字化，实现包括所有农机的作业监测、生态循环监测、土壤肥力监测、作物长势监测、作物产量监测、年度作业统计分析决策等，构建综合无人化农场数字农业平台，通过前端的数据采集，云端的数据管理和分析，形成一套完备的大数据专家分析决策系统，用以指导下一年农业作业生产。