植保無人飛機發展現狀及建議

楊學軍，嚴荷榮，張 鐵，董 祥，孫 星

(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

0 引言

植保無人飛機由于其作業效率高、節水省藥、具有航跡規劃與全地形作業能力等優勢，并且特別適合于丘陵、山地、果園等地面植保機械難以作業區域的農藥噴霧作業，加之資本市場的推動、技術不斷成熟、農機購置補貼試點啟動、農村勞動力短缺等因素的疊加，2015年以后，呈現高速發展的態勢[1-2]。

植保無人飛機在發展過程中也遇到不少問題，如技術路線的選擇、相關政策、行業標準、市場無序發展等，相關管理部門要統籌規劃，科學施策，引導行業規范、健康發展。

1 發展背景

2001年，北京一家農業公司引進了幾架日本雅馬哈公司生產的RMAX型遙控植保無人飛機，并在北京市昌平區小湯山進行了飛行噴霧演示，部分植保機械專家到現場觀看，這是我國植保機械行業第1次接觸到遙控植保無人飛機[3]。

2006年3月，農業農村部南京農業機械化研究所主辦了“中日密閉空間農藥霧化及遙控噴霧學術研討會”。會上邀請了日本岡山大學農學院毛利建太郎作《無線電直升機農藥散布技術》學術報告。毛利建太郎詳細介紹了具有GPS導航的小型無人駕駛直升飛機農用噴霧技術，內容包括飛機主要結構、噴霧性能、噴霧方法及防治效果等。

研討會后，專家們認為，一是日本無人植保機的價格較高，中國農民很難接受；二是效率偏低，不太適合大面積旱地作業；三是我國缺乏高濃度噴施藥劑。當時我國植保機械行業的工作重點是研制開發適宜的地面機械替代手動機械或作業效率低、機動性較差的機械。專家們也認為該項技術對于我國水田植保作業具有較好的前景，有必要進行研究，因此由中國農業機械化科學研究院、農業農村部南京農業機械化所、中國農業大學等單位牽頭向科技部提出了相關項目建議。

遙控植保無人飛機在我國發展初期的技術路線是油動單旋翼、電動多旋翼技術共同推進。一些有技術和資金的單位按照日本和韓國的發展經驗，重點開發油動單旋翼產品，如漢和航空等。2007年左右開始了這方面的產業化工作，并推出相關機型，如中國人民解放軍總參謀部第六十研究所推出了Z-3型油動單旋翼無人機。

2008年初，科技部啟動了國家863計劃“新型施藥技術與農用藥械”重點項目，其中包括“水田超低空低量施藥技術研究和裝備創制”課題，中國人民解放軍總參謀部第六十研究所是課題主要參加單位之一。

2010年，珠海和深圳一些公司把用于航拍和監測的電動多旋翼無人飛機改裝成植保無人飛機。植保機械行業內最早推出植保無人飛機的是山東衛士植保機械有限公司。2012年，該公司推出一款遙控電動18旋翼無人植保飛機，載藥量5 kg，噴幅3.5～5.0 m，每架次飛行時間15～20 min。2012—2015年，更多行業外的公司開始進入該領域，出現了300多家生產植保無人飛機的公司，很多公司是購買零部件進行組裝。植保無人飛機的火爆從中國國際農機展會就可以反映出來，2013—2015年，植保無人飛機都是展會的熱點，而且一年比一年“熱”，參展廠商一年比一年多。無人飛機的載藥量也發展到10和15 kg。

2 發展現狀

2.1 “高速發展”背后的原因

2.1.1金融機構對市場預測巨大

當時某證券機構機械行業分析師測算，截止到2013年底，全國共有1.35億hm2耕地，2013年農作物病蟲草鼠發生面積5億hm2·次，按全國農作物蟲害面積33%的滲透率和作業費225～300元/hm2計算，農業無人飛機年植保服務費為361億～482億元。有多個證券機構研究顯示，未來農用無人飛機市場空間將達到400億元。看到這些數字，許多投資商紛紛加大投資。

2.1.2地方政府推動

2004年國家開始實施農機購置補貼政策，補貼資金逐年遞增，極大促進了農民的購機熱情，農機銷量快速增加，也推動了我國農機化水平的大幅提高，但發展不均衡。2015—2016年，耕整地、種植、植保、收獲、烘干和秸稈處理6大環節機械化中，許多省把高效植保作為主要薄弱環節之一，“十三五”期間重點投入，力爭到2020年把植保機械化水平提升至90%。

2014年，湖南省和河南省把植保無人飛機列入省農機購置補貼范圍，其他有些省也表示考慮補貼。很多地方除了省級補貼外，市級還給予配套補貼，這無疑會提高植保無人飛機的銷量。據不完全統計，僅2015年推出植保無人飛機的企業就增加了100多家。

2.1.3市場需求迫切

據農業部門統計，2011年我國農作物病蟲害發生面積約3.7億hm2·次(不含草、鼠害)，70%以上的防治面積是由手動植保機具完成的。手動植保機械作業效率低、勞動強度大、作業質量差，不僅污染環境，而且操作者中毒事件頻頻發生。尤其是水田病蟲害防治，難度更大。2011年我國水稻病蟲害發生面積0.93億hm2·次，80%以上的作業量是由手動植保機具完成的[4]。

隨著農村勞動力的大量轉移，農村務農主力軍基本是老人和婦女，這使得病蟲害防治工作更加艱難，所以市場對適宜的植保機械，尤其是水田植保機械的需求非常迫切。

2.2 市場由無序到形成新格局

實際上2015年植保無人飛機的市場容量僅有1 500～2 000臺，平均每家企業最多賣出不到7臺。連續幾年沒有利潤，很多企業生存遇到困難。

“一哄而上”導致了競爭無序，一些規模較大的植保無人飛機企業紛紛抱怨市場混亂，要求設立“門檻”。大疆公司的進入，客觀上起到加速植保無人飛機市場重新洗牌、整治市場的作用。

2015年11月，大疆公司正式進入農業領域，推出第1款10 kg級MG-1型植保無人飛機，即藥箱容量為10 kg，售價52 999元。隨后幾年陸續推出同平臺升級機型MG-1S(圖1)、MG-1S Advanced和MG-1P。2018年12月，推出第2代全新品牌T16，藥箱容量提升到15 kg，含避障雷達，售價31 888元(單機)。2019年11月，大疆又發布了T20型植保無人飛機(圖2)，藥箱容量20 kg，搭載全向數字雷達，可對水平全向障礙物進行識別，同時具備自動繞障及仿地飛行功能，效率提升至12 hm2·次/h，單機價格為29 999元。

圖1 大疆MG-1S型植保無人飛機Fig.1 MG-1S plant protection UAV

圖2 大疆T20型植保無人飛機Fig.2 T20 plant protection UAV

大疆公司充分發揮了在無人飛機技術和工業化制造領域的領先優勢，推動植保無人飛機產品性能不斷升級，同時價格也持續走低，真正實現了“加量不加價”。在技術水平的快速提升和價格的大幅下降雙重壓力下，市場開始重新洗牌，許多沒有核心技術和生產規模的公司發現，一是技術跟不上，發展太快；二是生產成本也降到極限，有的甚至高于大疆等產品的市場價。大疆基于人、機、劑和技4個方面構建的智慧農業飛防生態，更是讓許多公司難以追趕。

推動這種變化的還有一家企業，即極飛科技。極飛科技進入植保無人飛機行業不算早，2015年4月才發布第1代P20型植保無人飛機，起點也不高，P20的載藥量5 kg，而這時候市場的主流機型已經是10 kg了。不過極飛當時不賣機器，而是用自己的機器在新疆組織了一個500人的植保服務隊。直到2016年10月，極飛才推出售賣型P20植保無人飛機。

極飛XP2020款植保無人飛機(圖3)，集智能播撒、精準噴灑于一體，可靈活搭載不同容量的作業箱，通過手機或智能遙控器，在所有地形條件下輕松高效地開展播種、撒肥、施藥和投飼工作，相比其他產品，高度智能化的XP系列可以節省一半以上的人力成本，并且大幅度減少因人工操作失誤導致的重噴、漏噴甚至飛行事故。XP系列采用高效能4旋翼設計，作業載荷達到20 kg，全新動力系統配合101.6 cm(40英寸)螺旋槳讓風場更穩定，噴灑更廣更均勻，螺旋槳產生的垂直氣流可以攜帶藥物穿透農作物葉片，進一步提高著藥率和吸收效果，智能離心霧化噴灑系統，噴灑流量大，霧化顆粒范圍更廣。

圖3 極飛XP2020款植保無人飛機Fig.3 XP2020 plant protection UAV

在隨后的3年，兩家企業在營銷策略、技術、服務和價格等方面展開全方位競爭。從2018年底一些省的統計看，大疆和極飛兩個品牌的植保無人飛機約占總銷量的70%，且呈現二強并立的局面；而無錫漢和、珠海羽人等企業占據第2陣營，占市場的20%；其余企業屬于第3陣營，僅占市場的10%。

3 技術路線

對作業效率、機體成本、關鍵部件維護成本、動力能源成本和輔助能源成本等進行核算表明，油動無人飛機成本是34.35元/hm2，電動多旋翼無人飛機成本是33.15元/hm2。兩種機型的使用成本基本一樣，但許多用戶在選擇機型時會考慮許多因素(表1)。

表1 油動無人飛機和電動多旋翼無人飛機比較

當時許多購買油動無人飛機的用戶，最直接的感受是飛手培訓時間長，而且操控難度大，有效載荷越大，操控越難，稍不注意就會摔落，所以必須要培訓專業飛手，而不能是兼職，當時在農業系統很難做到。油動單旋翼飛機摔壞后維修成本較高，使用成本也高，而電動多旋翼飛機則低很多。

以上原因的確影響了一些用戶購買油動無人飛機的積極性，但這不是關鍵，影響技術路線最關鍵的因素可能是大疆公司的進入和極飛的發力。大疆和極飛的競爭，不僅推動了技術進步和價格下降，也使發展的技術路線越來越清晰。隨著這兩家公司產品市場占有率的大幅提升，是油動單旋翼好還是電動多旋翼好的爭論逐漸降溫，因為這兩家公司的產品從一開始就都是電動多旋翼。當然，由于2018年后國家環保政策的收緊，一些省不再給予油動機型補貼，可能會導致油動機型逐步消失。2019年電動機型的占比達到90%以上。

我國植保無人飛機的發展，結合國情走了一條和日韓不同的技術路線，盡管較日本起步晚了30年左右，但發展速度已經遠超日本，現在一年的銷量超過了日本的總保有量[5]。受中國影響，一些日本公司近些年也開始在日本大力推廣電動多旋翼無人飛機用于病蟲害防治、噴施肥料等作業。

4 作業性能和適用范圍

植保無人飛機以每年近2萬臺的數量在增長，這充分說明了其防治效果、作業效率及經濟性等已得到市場的認可。

早期植保行業并不完全認同植保無人飛機的噴霧質量，與地面噴桿噴霧機相比，無人飛機旋翼對空氣攪動產生的紊流導致藥液的霧量分布均勻性較差，而且作業極易受到氣候的影響。當時行業內的主流觀點是，在一些地面機具不易進入的區域，如水田和丘陵山地等可以由無人飛機去實施噴霧作業，無人飛機只是地面植保機械的一個補充，而不是替代。但無人飛機現在的發展速度已遠超很多人的想象，不僅在大量替代人工和小型藥械，已經開始在蠶食中大型噴霧機的市場。

從技術的角度分析，一般情況下水田植保時無人飛機噴藥霧量分布均勻性和霧滴沉降結果不會好于常用地面機械，如噴桿噴霧機和擔架式機動噴霧機，除非是那些藥械使用不當或藥液選擇或配比不合適。龔艷等[6]2014年在南京市江寧區對28.7 hm2水稻所做的田間植保試驗結果表明，幾種機械的施藥對水稻二化螟、稻縱卷葉螟、稻飛虱和紋枯病的防治效果，水田自走式噴桿噴霧機最好，其次是擔架式機動噴霧機，植保無人飛機排在第3位和第4位，背負式手動噴霧器排在最后，這和藥液沉積分布測定結果一致。

袁會珠等[7]在2018年總結了一些有關植保無人飛機防治效果的內容。植保無人飛機對水稻病蟲害如稻飛虱、稻縱卷葉螟、紋枯病和稻曲病等的防效為80%～90%，對小麥病蟲害如麥蚜、吸漿蟲、白粉病、赤霉病的防效為55%～85%，對玉米螟的防效為80%左右，對棉蚜的綜合防效可達90%以上等。綜合來看，應用無人飛機噴霧，基本可滿足農業生產上病蟲害的防治要求。

關于植保無人飛機節約用藥方面，理論上來說，單位面積的用藥量應該都是一樣的。但研究表明，通過在藥液中加入助劑可有效減少霧滴飄移，提高霧滴在作物表面上的沉積，農藥減量施用20%的情況下，對蘋果黃蚜仍有較理想的防治效果[8]。薛新宇等[9]以N-3型植保無人飛機為作業平臺，開展了不同作業參數下稻飛虱和稻縱卷葉螟田間藥效試驗研究，指出與人工背負式施藥作業相比，植保無人飛機作業藥液有效成分可減少20%～30%。目前所得到的數據基本都是無人飛機預防性作業的結果，尚缺乏病蟲害爆發后無人飛機施藥的效果數據。

關于植保無人飛機適應性問題，如新疆200多萬hm2棉花，每年噴施脫葉劑工作量非常大，而且對噴施質量要求較高。這些年來，一些公司在強力推動植保無人飛機進入該領域，盡管作業面積逐年遞增，但還是出現一些問題，尤其是2019年新疆的一些管理部門出臺規定，不允許使用無人飛機噴施脫葉劑。從2019年新疆有關部門組織進行的大面積試驗看，無人飛機噴施脫葉劑影響因素較多，噴施時間的選擇(溫度)、棉花植株的高度和枝葉密度、品種及作業參數的控制(用水量等)、飛手的操控水平(漏噴、重噴等)等都對脫葉效果有較大影響，要想把所有相關因素都控制在理想狀態下，難度較大，還需要做大量的工作，摸索出規律。

植保無人飛機機動靈活、省工、省時、省水，防治效果也能滿足要求，優勢突出，但不是無所不能，在推廣和使用時應注意其適用范圍。

5 相關政策

我國農業農村部在植保無人飛機的發展上是比較謹慎的，尤其是植保無人飛機涉及的法律問題。《中華人民共和國民用航空法》規定，民用航空器在低空沒有開放區域內進行飛行活動，應當取得空中交通管制單位的許可；植保無人飛機尚未開展適航取證工作。

盡管要求補貼的呼聲很高，但農業農村部一直沒有把植保無人飛機列入國家農業機械購置補貼目錄。直到2017年10月，原農業部、財政部、中國民用航空局才聯合決定選擇6省(市)開展以農機購置補貼引導植保無人飛機規范應用試點工作，當年12月工信部也印發了《關于促進和規范民用無人機制造業發展的指導意見》。隨后2018年3月，原農業部、財政部又聯合印發了《關于做好2018—2020年農機新產品購置補貼試點工作的通知》，明確表示鼓勵無人飛機在植保領域的發展創新，推動植保無人飛機行業的發展。

進入補貼試點的有浙江省、安徽省、江西省、湖南省、廣東省、重慶市、黑龍江省、吉林省、福建省、甘肅省、江蘇省等10余個省市，新疆也從2020年開始落實資金實施補貼，各個試點省大都實行千萬元量級的補貼。在單機補貼額度上，大多在1.5萬元左右，如湖南省2019年單機補貼1.6萬元，但黑龍江省較低，為1萬元。

各試點省對補貼的植保無人飛機基本配置和參數要求也有一些差異。如湖南省2019年補貼的具體要求：①空機質量≤116 kg，起飛全部質量≤150 kg，載藥量>10 L。②設計飛行速度≥15 m/s。③有固定的藥箱安裝位置和唯一匹配緊固件，一款機型只能匹配一款藥箱。④有操作人員身份密鑰接入裝置，能夠做到經密鑰連接后方可作業飛行。⑤加裝有飛行控制芯片、電子圍欄、避障系統軟件、作業飛行數據實時記錄存儲設備和施藥作業系統，具備防重噴漏噴、防農藥飄移功能，能夠實現作業飛行可識別、可監測且可追查。⑥多旋翼、電動型。

黑龍江省的補貼目錄，沒有對操作人員身份密鑰的要求，也沒有規定必須是多旋翼、電動型，但增加了GPS雙模及以上衛星導航系統，同時具備手動控制模式和自動控制模式；增加了試點產品的生產企業必須建有智能化管控平臺，能夠對其產品的作業飛行實行遠程實時監測、安全管控，且該平臺已直接或間接接入中國民用航空局無人飛機云交換系統，并可實現接入黑龍江省農機作業指揮平臺及擁有健全的植保無人飛機操作人員培訓考核體系。黑龍江省對管控平臺的要求則希望依托植保無人飛機飛防企業建立的管理服務平臺實現飛機飛防作業面積測量、作業過程質量管控及實時作業統計等信息過程自動化管理，有利于加強對無人飛機作業的監管和提高病蟲防治效果及植保大數據的收集積累。

湖南省等沒有把油動機型納入補貼范圍，可能考慮了污染的問題。

國家補貼政策在促進植保無人飛機快速發展的同時，也保證了用戶買到合格的產品。一是通過各省對補貼無人飛機的具體要求控制植保無人飛機的總體技術水平。二是通過補貼歸檔過程篩選掉質量和服務投訴較多、口碑差和規模過小的廠家。如2018年湖北省從40多家無人飛機企業申報的68款無人飛機中篩選確定了11家企業13款產品進入湖北省補貼試點，歸檔通過率僅20%[10]。

圖4 中農機3WFD型多旋翼植保無人飛機Fig.4 3WFD multi rotor plant protection UAV

在補貼政策支持下，植保無人飛機市場在全國進入快速發展期(圖4)。據農業部門估計，2019年我國植保無人飛機的保有量約5萬架，防治面積0.3億hm2·次。

6 行業標準

2017年10月，原農業部啟動開展以農機購置補貼引導植保無人飛機規范應用試點工作后，相關部門和單位陸續制訂和推出涉及植保無人飛機的技術規范和標準等。

2018年3月，原農業部發布了《植保無人飛機質量評價技術規范》。中國農藥工業協會、中國農技推廣協會、中國植保協會于2019年4月發布了《植保無人飛機安全使用農藥作業規范》《植保無人飛機防治小麥病蟲害施藥指南》和《植保無人飛機防治水稻病蟲害施藥指南》。2019年，中國農機化協會先后發布了《植保無人飛機農藥使用規范》《植保無人飛機安全操作規程》和《植保無人飛機作業質量》3個團體標準。

《植保無人飛機》國家標準也已通過平臺申報處于立項審批階段，其將對植保無人飛機的術語和定義、型號編制、安全要求、試驗方法、檢測方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸和儲存做出規定。植保無人飛機國際標準也在討論過程中，2019年6月10—14日，我國5位代表參加了在西班牙巴塞羅那召開的ISO/TC23/SC6分會年會，其中一項重要內容就是討論植保無人飛機標準，我國相關企業也積極參與了這項工作。我國植保無人飛機的市場保有量比世界其他所有國家的總量都要大很多，必須在國際標準的制訂中充分行使話語權。

7 亟待解決的問題和發展建議

7.1 亟待解決的問題

很多關于植保無人飛機發展的文章都提到了專用藥劑少、標準缺失和監管不足等，這些問題有的已經解決，有的正在解決過程中，在此不再討論[11]。這里重點關注的是如何解決植保無人飛機市場快速擴張所帶來的問題[12]。

隨著植保無人飛機價格一路走低，再加上國家補貼，購買門檻越來越低，銷量急速上升，飛手的隊伍快速增大，如果僅靠廠家簡單培訓，很難讓這個越來越龐大的隊伍都達到要求，這樣會導致作業質量大幅下滑，而且還可能帶來安全隱患，對飛手自身、周邊人、動物及作物等造成損害。由于操控不當或霧滴飄移造成的傷害時有發生，一定要引起高度重視。

植保無人飛機銷量的快速增加，也促使飛防服務組織在局部區域蓬勃發展。盡管從2019年的數據看，植保無人飛機的飛防面積占全國病蟲害防治總面積的比例不到10%，似乎發展空間還很大，但發展非常不均衡。在一些省的局部區域，飛防服務組織或個人似乎飽和了，作業量被嚴重擠壓，結果造成飛防服務的無序競爭，其直接的體現就是植保服務費不斷下降。過度購置其結果就是服務掙不到錢了，最終會導致銷量大幅下滑。

如何引導局部區域過剩的飛防能力向其他區域轉移，是主管部門應該盡快解決的問題。

7.2 發展建議

在解決機手的問題上，一方面希望政府給予操控手培訓補貼，加大對飛手的培訓和管理力度。另一方面，則期望用戶買到的機型具備以下特點：一是做到“傻瓜”操作，一鍵起飛和降落；二是“無人”，可全自主飛行、自動航線規劃，能根據預先測量的航線設置飛行參數和航線自動定高定速仿形飛行、智能避障及自動降落，安全穩定；三是智能精準噴灑，可以依據不同的作物和氣象條件等，自動調整飛行速度和噴灑流量等參數，確保精準噴灑。

這種真正的“傻瓜機”對飛手的操控水平要求大幅降低，保證植保無人飛機市場更加持久地發展。

在解決飛防服務發展不均勻的問題上，建議各省主管部門統籌規劃，實施靈活的補貼政策。各省的補貼額應依據各市的購機情況有所變化，對于購機達到一定密度(植保無人飛機保有量/農作物面積)的市，可以減少補貼額，甚至暫時取消補貼；對于購機數量嚴重不足的市可以加大補貼額，引導當地用戶購機。主管部門可以通過植保無人飛機作業管控平臺，嚴控無人飛機跨市流動作業。鼓勵植保無人飛機購置密度高的市向購機不足的市流動跨區作業，但不允許反向流動，只有這樣才能保證植保無人飛機服務市場持續均衡發展，也才能促進植保無人飛機銷量持續增長。