久保田智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（KSAS）引領(lǐng)農(nóng)業(yè)技術(shù)新潮流

（1.山東理工大學(xué)；2.山東省旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

圖1 久保田智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（KSAS）

KSAS是久保田公司推出的一種新型人工智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，如圖1，通過KSAS系統(tǒng)中的農(nóng)機(jī)聯(lián)動和信息通用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化的農(nóng)機(jī)作業(yè)，利用各種信息系統(tǒng)以及外部數(shù)據(jù)，分析收集的大數(shù)據(jù)，制定最佳農(nóng)業(yè)計(jì)劃。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)營基礎(chǔ)，提供迅速對應(yīng)的服務(wù)體制。

1 久保田智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)概況

久保田智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（KSAS）是利用智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備和ICT農(nóng)業(yè)服務(wù)支援系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超省力和高產(chǎn)量生產(chǎn)的新農(nóng)業(yè)。系統(tǒng)通過利用最先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械和數(shù)據(jù)檢索及運(yùn)營系統(tǒng)，控制農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備高精度和高效率的工作，解決農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的勞動力短缺、成本降低、生產(chǎn)技術(shù)傳統(tǒng)和規(guī)?；葐栴}。目前，久保田正在努力推進(jìn)智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，其主軸是“開發(fā)智能農(nóng)機(jī)裝備”和“通過數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”。

1.1 智能農(nóng)機(jī)服務(wù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)是農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和途徑。日本作為農(nóng)業(yè)自動化和無人駕駛領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，久保田公司于2016年首次推出具有內(nèi)置直行保持功能的水稻插秧機(jī)和支持自動轉(zhuǎn)向的大馬力拖拉機(jī)，以提高其實(shí)際應(yīng)用的準(zhǔn)確性。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人的引入，2018年，在拖拉機(jī)、水稻插秧機(jī)和耕整地機(jī)械三類設(shè)備上，久保田公司將配備GPS的農(nóng)業(yè)設(shè)備商業(yè)化，將農(nóng)業(yè)裝備的自動化、智能化程度推向了新的高度。

通過信息通信與拖拉機(jī)的聯(lián)動控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)優(yōu)化的內(nèi)置，可以執(zhí)行各種任務(wù)，如耕作、施肥、施藥、割草和運(yùn)輸收獲，如圖2。同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)上的地圖信息，輕松的進(jìn)行田間管理和工作記錄，以進(jìn)一步提高工作效率。

圖2 KSAS 農(nóng)機(jī)

如圖3所示，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的完全無人化分為以下三個(gè)階段：一，在農(nóng)業(yè)機(jī)械引入GPS自動駕駛系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械在人搭乘下的自動操作，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作性能減輕駕駛員負(fù)擔(dān)；二，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械在有人監(jiān)視下的自動化和無人化操作，實(shí)現(xiàn)自動控制行駛，自動完成作業(yè)等；三，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，了解機(jī)器的位置和操作信息，在農(nóng)場實(shí)現(xiàn)無人值守的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)完全無人化。

圖3 推進(jìn)智能農(nóng)機(jī)發(fā)展階段

作為本項(xiàng)技術(shù)的推廣普及，目前仍需進(jìn)一步的研究與開發(fā)，包括采用汽車制造商使用3D動態(tài)地圖技術(shù)，以及需要進(jìn)一步優(yōu)化安全系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高自動駕駛和無人駕駛農(nóng)機(jī)的運(yùn)行效率，久保田推進(jìn)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)用于管理和操作多個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器，創(chuàng)建最佳行駛路線，并收集、監(jiān)控和使用自動農(nóng)業(yè)設(shè)備的信息。

1.2 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化服務(wù)

KSAS是一種由云組成的農(nóng)業(yè)支持服務(wù)系統(tǒng)，將久保田的拖拉機(jī)、水稻插秧機(jī)等農(nóng)機(jī)與ICT技術(shù)相結(jié)合，通過智能手機(jī)、PC等終端采集和使用與兼容農(nóng)業(yè)設(shè)備合作的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的可視化，提高工作效率，降低施肥、施藥等成本，生產(chǎn)安全可靠的糧食。為了推進(jìn)精密農(nóng)業(yè)，KSAS將朝以下三方面繼續(xù)研究和開發(fā)：

（1）機(jī)械化集成系統(tǒng)與數(shù)據(jù)協(xié)作的擴(kuò)展。除了在拖拉機(jī)、水稻插秧機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)推廣應(yīng)用外，還推出兼容KSAS的干燥制備系統(tǒng)，通過平板或智能手機(jī)遠(yuǎn)程檢測干燥機(jī)的情況，將收獲和干燥制備工作連接在一起，根據(jù)在收獲時(shí)測量的蛋白質(zhì)、水分、產(chǎn)量情況，通過蛋白質(zhì)和水分進(jìn)行分類干燥。此外，還與農(nóng)藥噴灑無人機(jī)結(jié)合，在水稻種植、田間和蔬菜生產(chǎn)方面也取得重大進(jìn)展。

（2）助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。通過利用分層地圖，將采集的收獲和生長信息以及外部天氣信息等大數(shù)據(jù)疊加在地圖信息上，實(shí)現(xiàn)可變施肥、施藥、生長預(yù)測、病蟲害預(yù)測等。

（3）利用人工智能構(gòu)建先進(jìn)的農(nóng)業(yè)支持系統(tǒng)。利用各種信息系統(tǒng)以及外部數(shù)據(jù)合作，分析收集的大數(shù)據(jù)，通過AI進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，制定最佳農(nóng)業(yè)種植計(jì)劃，包括種植、施肥、施藥、水管理、成本等計(jì)劃，如圖4。

圖4 大數(shù)據(jù)處理

2 久保田智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能介紹

2.1 農(nóng)場管理

運(yùn)用智能化農(nóng)場管理服務(wù)系統(tǒng)，通過智能手機(jī)查看農(nóng)場電子地圖，如圖5，通過自動計(jì)算農(nóng)場的面積，對不同的作物品種農(nóng)田編碼，形成透明化的管理體系，記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過智能手機(jī)、PC等終端采集和使用與兼容農(nóng)業(yè)設(shè)備合作的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的可見化，提高工作效率，使用KSAS管理農(nóng)場和工作內(nèi)容，同時(shí)可以管理所有者信息和合同信息等。

2.2 工作記錄

圖5 農(nóng)場管理

使用智能手機(jī)或電腦輕松查看工作記錄?？梢酝ㄟ^智能手機(jī)從地圖上選擇種植計(jì)劃田地，使用直接通信單元設(shè)備，可自動創(chuàng)建日志。如圖6，可以從日歷和地圖上查找過去的作業(yè)信息，同時(shí)作物的生長情況也按時(shí)間順序保存并記錄，可以實(shí)時(shí)檢查工作內(nèi)容、使用農(nóng)藥、肥料和機(jī)器等信息，提高農(nóng)場工作的智能化管理。

圖6 作業(yè)信息記錄

2.3 工作進(jìn)度

如圖7所示，通過工作室內(nèi)的監(jiān)視器，實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)場作業(yè)工作進(jìn)展，同時(shí)可以共享進(jìn)度信息，可以解決田地作業(yè)疏漏等問題。根據(jù)地圖上田地的顏色情況可知作業(yè)進(jìn)度，同時(shí)可以自動計(jì)算進(jìn)度，預(yù)估工作結(jié)束時(shí)間，制定合適的工作計(jì)劃。

圖7 工作進(jìn)度監(jiān)控

2.4 生產(chǎn)計(jì)劃

在KSAS中，可以模擬種植材料成本。如圖8，從電子地圖上選擇計(jì)劃種植田地，通過自動計(jì)算種植田地的面積，自動規(guī)劃農(nóng)場中的需要的農(nóng)藥和肥料量，最后自動計(jì)算出需要的產(chǎn)品數(shù)以及需要的物料成本總和。

2.5 食味與產(chǎn)量檢測

KSAS系統(tǒng)大部分可以在收獲機(jī)中安裝食味和產(chǎn)量傳感器，利用蛋白質(zhì)越高食味感越低的原理，KSAS感應(yīng)系統(tǒng)可以在農(nóng)作物收割過程中實(shí)時(shí)或收割完成后便知曉蛋白質(zhì)、水分及產(chǎn)量情況，如圖9、10所示。將采集的信息自動發(fā)送至KSAS，通過采集的數(shù)據(jù)分析，可以對下一年施肥計(jì)劃和水管理進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行肥田的單獨(dú)管理，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)量、高品質(zhì)。

2.6 收獲與干燥制備

如圖11所示，KSAS將收獲和干燥制備工作連接在一起，在收獲的同時(shí)測量蛋白質(zhì)、水分、產(chǎn)量情況，根據(jù)蛋白質(zhì)和水分含量進(jìn)行分類干燥，通過平板電腦或智能手機(jī)遠(yuǎn)程檢查干燥機(jī)的狀態(tài)（操作狀態(tài)、結(jié)束時(shí)間、水分值）和顏色分選機(jī)的狀態(tài)（設(shè)置值和檢測率），實(shí)現(xiàn)收割、干燥作業(yè)的可見化，通過分類干燥提高質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)高利潤。

圖9 食味與產(chǎn)量監(jiān)視器

圖10 信息數(shù)據(jù)分布圖

圖11 干燥制備系統(tǒng)

3 前景展望

KSAS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動、高精度作業(yè)的"自動駕駛拖拉機(jī)"、具有直行保持功能的"水稻插秧機(jī)"、在收獲的同時(shí)測量和收集田地稻米蛋白質(zhì)、水分和產(chǎn)量數(shù)據(jù)的"復(fù)合收割機(jī)"等農(nóng)機(jī)。此外，KSAS通過收集和利用與相應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)器合作的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的可見化，提高生產(chǎn)效率和作物質(zhì)量。

今后，日本將加大在KSAS中引入人工智能來支持業(yè)務(wù)規(guī)劃的功能，并研究和開發(fā)目前尚未投入實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域，比如農(nóng)機(jī)的完全無人駕駛。同時(shí)將利用大數(shù)據(jù)（如天氣信息）進(jìn)行生長預(yù)測，將各種信息系統(tǒng)（如會計(jì)和銷售）與金融機(jī)構(gòu)的外部數(shù)據(jù)集成，通過 AI 處理實(shí)現(xiàn)利潤最大化，從而提供先進(jìn)的農(nóng)業(yè)管理解決方案，并進(jìn)一步發(fā)展更加完善的管理系統(tǒng)，向世界各國推進(jìn)智能農(nóng)業(yè)，促進(jìn)未來農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。