嘉定區(qū)無人農(nóng)場發(fā)展現(xiàn)狀與展望

馮敏康

（嘉定區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，上海市 201800）

1 無人農(nóng)場的概念

無人農(nóng)場的實(shí)質(zhì)是機(jī)器換人的最終形態(tài)，是利用現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合的方法，使得原本需要人工操作的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械具有自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的水平，并且結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)，讓農(nóng)業(yè)也具備大數(shù)據(jù)處理功能，從而提高生產(chǎn)效率、降低人工成本，最后全面提升對農(nóng)場的管理水平。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和水平

近年來，隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的概念在各行各業(yè)中都被社會(huì)廣泛關(guān)注，尤其是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械與現(xiàn)代科技的相結(jié)合，從而初步產(chǎn)生了無人化農(nóng)場的概念。無人化農(nóng)場以全過程作業(yè)無人化、智能化、精準(zhǔn)化為核心，通過大數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約成本、提高效率、精準(zhǔn)作業(yè)、綠色環(huán)保的農(nóng)機(jī)作業(yè)方式，是未來農(nóng)業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢?？傮w上看，發(fā)達(dá)國家無人化農(nóng)場研發(fā)起步早，在一些領(lǐng)域和環(huán)節(jié)雖有推廣，但應(yīng)用還不廣泛。我國在這方面起步較晚，但發(fā)展速度較快。

我國無人化農(nóng)業(yè)機(jī)械在技術(shù)創(chuàng)新、制造水平和產(chǎn)品可靠性等方面飛速提升，在裝備質(zhì)量、機(jī)具種類、智能化水平上發(fā)展升級(jí)趨勢加快。總體來看，我國農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)已經(jīng)在大田種植中開始示范推廣應(yīng)用，但受技術(shù)成熟度、機(jī)具質(zhì)量和使用成本等方面制約，我國自動(dòng)化農(nóng)機(jī)正處于初步發(fā)展的階段。

3 嘉定區(qū)無人農(nóng)場的基本情況

為切實(shí)解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“后繼乏人”和用工貴的難題，2020年起，嘉定區(qū)外岡鎮(zhèn)在全市率先啟動(dòng)“數(shù)字化無人農(nóng)場產(chǎn)業(yè)片區(qū)”建設(shè)。

嘉定區(qū)外岡鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)體量大、土地規(guī)模廣，目前共種植水稻約1333.33 hm2，其中1133.33 hm2是連片的標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田，且有超866.67 hm2已獲得“綠色認(rèn)證”，便于無人機(jī)械在起步階段的試驗(yàn)研究。同時(shí)，外岡鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)服務(wù)社共有動(dòng)力機(jī)械約250臺(tái)，大部分適宜無人化操作改造。

外岡鎮(zhèn)選擇聯(lián)適導(dǎo)航作為技術(shù)合作方，依托鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社開展“數(shù)字化無人農(nóng)場產(chǎn)業(yè)片區(qū)”建設(shè)。在20 hm2試驗(yàn)田里，利用北斗導(dǎo)航定位技術(shù)、無線通信技術(shù)和檢測傳感技術(shù)，對農(nóng)作物生長全程自動(dòng)監(jiān)控，對農(nóng)機(jī)作業(yè)過程實(shí)施準(zhǔn)確檢測。插秧機(jī)、自走式植保車、收割機(jī)在無人駕駛的情況下，自動(dòng)完成插秧、植保、收割等水稻生產(chǎn)作業(yè)。目前，外岡鎮(zhèn)20 hm2試驗(yàn)稻田內(nèi)已初步實(shí)現(xiàn)耕、種、管、收等各環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)。進(jìn)入“十四五”時(shí)期，外岡鎮(zhèn)結(jié)合實(shí)際，明確推進(jìn)數(shù)字化無人農(nóng)場產(chǎn)業(yè)片區(qū)建設(shè)，計(jì)劃通過3～5年的創(chuàng)建，使整個(gè)產(chǎn)業(yè)片區(qū)成為“技術(shù)裝備先進(jìn)、生產(chǎn)綠色循環(huán)、品牌優(yōu)勢突出”的都市現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)樣板區(qū)。

4 嘉定區(qū)無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù)

無人農(nóng)場是機(jī)器換人所要展現(xiàn)的最終形態(tài)：各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器，替代了人類的感知器官；大數(shù)據(jù)和人工智能組成智慧云大腦，替代了人類的大腦；無人駕駛的農(nóng)業(yè)機(jī)械（簡稱無人駕駛農(nóng)機(jī)，泛指用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的所有機(jī)器人、無人機(jī)、機(jī)械裝備等）替代了需要人類駕駛的傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)。

4.1 無人拖拉機(jī)改裝

當(dāng)前，嘉定區(qū)的無人耕整作業(yè)機(jī)械以51.45～88.2 kW拖拉機(jī)為主，針對該項(xiàng)目的作業(yè)需求，目前已完成對久保田1104、135 G等車型進(jìn)行無人化的改造，可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：作業(yè)過程無人化、云端車輛控制、自動(dòng)出入庫、作業(yè)路徑自動(dòng)規(guī)劃等，實(shí)現(xiàn)耕整地的無人化作業(yè)。

4.2 無人插秧機(jī)改裝

無人插秧作業(yè)計(jì)劃完成對久保田插秧機(jī)無人化改裝和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。主要實(shí)現(xiàn)：云端控制、變速巡航、路徑自動(dòng)規(guī)劃、農(nóng)具自動(dòng)控制、自動(dòng)出入庫、作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測等，結(jié)合北斗定位系統(tǒng)與智能控制器，從而實(shí)現(xiàn)全過程無人駕駛作業(yè)。

4.3 無人直播機(jī)的改裝

與無人插秧機(jī)的改裝結(jié)構(gòu)相似，在久保田無人插秧機(jī)的基礎(chǔ)上將久保田直播機(jī)進(jìn)行無人化改裝。主要新增功能：倒車進(jìn)行種子加注、記錄作業(yè)地塊軌跡、自動(dòng)繼續(xù)上次作業(yè)。

4.4 無人植保機(jī)改裝

田間管理主要是追肥和植保作業(yè)，久保田自走式打藥機(jī)同時(shí)具備打藥和拋肥作業(yè)的功能，無人化改裝之后可對農(nóng)藥的噴灑量和噴灑路徑自動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，避免了傳統(tǒng)作業(yè)過程中農(nóng)機(jī)對農(nóng)作物的破壞，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥、施肥，在整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)會(huì)有多次植保、追肥作業(yè)，通過調(diào)用云端地塊信息，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃作業(yè)，使車輪在作物苗行之間行進(jìn)，避免傷苗，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)植保過程無人化。

4.5 無人收割作業(yè)

項(xiàng)目區(qū)目前主要使用的收割器械是半喂入式收割機(jī)，計(jì)劃對洋馬YH6115半喂入式收割機(jī)的無人化改造，收割機(jī)的無人駕駛涉及割臺(tái)升降、傾角、撥禾輪高低、割臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)、脫粒系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)等等，通過ISOBUS協(xié)議對收割機(jī)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控操作，主要結(jié)合農(nóng)藝要求制定對應(yīng)的控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)無人收割作業(yè)。

5 嘉定區(qū)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的搭建

無人農(nóng)場的建設(shè)不只是對各個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行無人化改造，更重要的是搭建一個(gè)數(shù)字化的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)就相當(dāng)于是無人農(nóng)場的“大腦”，它的主要作用應(yīng)該包括無人機(jī)遙感作物長勢監(jiān)測、土壤養(yǎng)分分析、水層管理、合作社生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)決策等。

5.1 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要實(shí)施推進(jìn)的方向

5.1.1 構(gòu)建完善的無人駕駛云平臺(tái)。從無人農(nóng)機(jī)的本地決策部署，升級(jí)到平臺(tái)統(tǒng)一決策部署，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)的規(guī)劃、作業(yè)路徑自動(dòng)規(guī)劃、作業(yè)遠(yuǎn)程下發(fā)、無人農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋、作業(yè)信息實(shí)時(shí)回傳，通過AI決策部署，實(shí)現(xiàn)多機(jī)型、多作業(yè)模式的云端協(xié)同作業(yè)。

5.1.2 完善田間管理云平臺(tái)數(shù)據(jù)。對水田土壤養(yǎng)分進(jìn)行取樣分析化驗(yàn)，分析土壤實(shí)際的綜合肥力情況，輔助決策優(yōu)化現(xiàn)有施肥結(jié)構(gòu)；使用無人機(jī)遙感監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)巡田監(jiān)測，分析作業(yè)長勢差異和問題區(qū)域，輔助決策管理者進(jìn)行針對性的田間管理；使用田間病蟲害物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端實(shí)時(shí)監(jiān)測病蟲害數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)指導(dǎo)病蟲害防治工作。

5.1.3 搭建合作社生產(chǎn)管理平臺(tái)。針對合作社具體業(yè)務(wù)需求，開發(fā)針對性的服務(wù)管理工具。

5.2 嘉定區(qū)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過采集嘉定外岡農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和展示，集中展示外岡農(nóng)業(yè)發(fā)展的成果，包括水稻種植區(qū)域分布、品種、合作社人員分布、農(nóng)機(jī)、農(nóng)業(yè)新技術(shù)引進(jìn)、氣象等多個(gè)維度。

5.2.1 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用。一是通過無人駕駛云平臺(tái)，從無人農(nóng)機(jī)的本地決策部署，升級(jí)到平臺(tái)統(tǒng)一決策部署，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)的規(guī)劃、作業(yè)路徑自動(dòng)規(guī)劃、作業(yè)遠(yuǎn)程下發(fā)、無人農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋、作業(yè)信息實(shí)時(shí)回傳，通過AI決策部署，實(shí)現(xiàn)多機(jī)型、多作業(yè)模式的云端協(xié)同作業(yè)。二是進(jìn)行農(nóng)場數(shù)字化，獲取田塊、道路、構(gòu)筑物的高精度坐標(biāo)，構(gòu)建數(shù)字化地圖，并將數(shù)字化地圖上傳到平臺(tái)。三是在平臺(tái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)的遠(yuǎn)程部署，實(shí)現(xiàn)作業(yè)車輛和作業(yè)地塊的快速匹配，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的類型、作業(yè)的速度、作業(yè)的幅寬、車輛停放位置和地塊的位置，制定作業(yè)路徑，相比于百度地圖導(dǎo)航一樣，輸入出發(fā)地和目的地就能智能規(guī)劃出路徑。平臺(tái)規(guī)劃的路徑還包含了無人作業(yè)過程中農(nóng)機(jī)、農(nóng)具的控制信息，如插秧機(jī)作業(yè)到地頭的時(shí)候，秧臺(tái)會(huì)自動(dòng)抬升，遇到障礙物，車輛自主檢測并停障。四是車輛無人化作業(yè)過程中會(huì)實(shí)時(shí)回傳作業(yè)信息，如車輛作業(yè)速度、作業(yè)軌跡、前后兩個(gè)視角的影像信息，使得管理人員可以在電腦前實(shí)時(shí)掌握作業(yè)詳情（如圖1）。

5.2.2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的其他功能。一是智能物聯(lián)。使用田間病蟲害物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端實(shí)時(shí)監(jiān)測病蟲害數(shù)據(jù)，包括了氣象數(shù)據(jù)、蟲情數(shù)據(jù)、病害孢子數(shù)據(jù)等，能夠及時(shí)監(jiān)測到病蟲害發(fā)成的類型，為病蟲害防治提供數(shù)據(jù)支持。二是遙感監(jiān)測。使用無人機(jī)遙感監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)巡田監(jiān)測，分析作業(yè)長勢差異和問題區(qū)域，輔助決策管理者進(jìn)行針對性的田間管理，包括可見光遙感圖像、NDVI等遙感指數(shù)進(jìn)行綜合分析，可以快速定位農(nóng)田問題區(qū)域。三是養(yǎng)分分布。對水田土壤養(yǎng)分進(jìn)行取樣分析化驗(yàn)，分析土壤實(shí)際的綜合肥力情況，輔助決策優(yōu)化現(xiàn)有施肥結(jié)構(gòu)，同時(shí)在平臺(tái)上生成肥力分布圖。四是生產(chǎn)管理。搭建合作社生產(chǎn)管理平臺(tái)，針對合作社具體業(yè)務(wù)需求，開發(fā)針對性的服務(wù)管理工具，包括農(nóng)機(jī)管理、農(nóng)田管理、人員管理、效益分析等（見圖2）。

6 嘉定區(qū)無人農(nóng)場的未來展望

無人農(nóng)場采用總體規(guī)劃且分步實(shí)施的原則，發(fā)展規(guī)劃如下：

圖1 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)中展示的無人農(nóng)場

圖2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中展示的田間病蟲害情況

V1.0（已完成）：2020年，無人農(nóng)場建設(shè)在外岡鎮(zhèn)泉涇基地內(nèi)完成了對現(xiàn)有部分農(nóng)用作業(yè)機(jī)械的無人化改造，具體包括旋耕機(jī)、播種機(jī)、插秧機(jī)、自走式打藥機(jī)、收割機(jī)等，在20 hm2試驗(yàn)稻田內(nèi)初步實(shí)現(xiàn)了耕、種、管、收各環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)。

V2.0：2021—2022年，將在已有的工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善機(jī)械的無人化改造，包括改造后無人機(jī)械作業(yè)的精度與穩(wěn)定性、不同無人機(jī)械間的協(xié)同作業(yè)、一人多機(jī)操控作業(yè)、無人機(jī)械由機(jī)庫到田間的路徑規(guī)劃等等，并在此基礎(chǔ)上完成千畝規(guī)模的全程無人化作業(yè)示范。

V3.0：2023—2025年，無人農(nóng)場建設(shè)擴(kuò)大到萬畝規(guī)模，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目從示范研究到產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。與此同時(shí)，進(jìn)行數(shù)字農(nóng)場的改建，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)過程的耕、種、管、收全階段的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)包括所有農(nóng)機(jī)的作業(yè)監(jiān)測、生態(tài)循環(huán)監(jiān)測、土壤肥力監(jiān)測、作物長勢監(jiān)測、作物產(chǎn)量監(jiān)測、年度作業(yè)統(tǒng)計(jì)分析決策等，構(gòu)建綜合無人化農(nóng)場數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)，通過前端的數(shù)據(jù)采集，云端的數(shù)據(jù)管理和分析，形成一套完備的大數(shù)據(jù)專家分析決策系統(tǒng)，用以指導(dǎo)下一年農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)。