我国智能农机的研究进展与无人农场的实践

　　摘要:智慧农业是现代农业的高级形式，无人农场是实现智慧农业的重要途径，智能农机是无人农场的物质支撑。本文以植物生产为例，介绍了智能农机的智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理4项功能在智慧农业中的地位和关键技术的研究进展；介绍了华南农业大学集成相关智能农机创建水稻无人农场的实践和无人农场的5个特点，包括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。在2020年的中稻和2021年的早稻生产中，水稻无人农场的稻谷产量均高于当地的平均产量，表明了其巨大的发展潜力。无人农场的建设为解决“谁来种田”和“如何种田”的问题提供了重要途径。

　　关键词:智慧农业；智能农机；自动导航；精准作业；无人农场；信息技术；水稻生产

　　2012年一号文提出，要突出农业科技创新重点，在精准农业技术等方面取得重大突破[1]。2017年一号文提出，要实施智慧农业工程[2]。智慧农业是未来农业的发展方向，是现代农业的高级形式[3]。智慧农业是以数据、知识和智能装备为核心要素，通过将现代科学技术与农业深度融合，实现农业生产全过程的数字化感知、智能化决策、精准化作业和智慧化管理的全新农业生产方式[4]。当前，新一轮科技革命和产业变革正在兴起，信息技术、生物技术、新材料技术和新能源技术广泛渗透到农业领域，催生了一大批战略性新兴产业，农机装备先进制造、农业物联网、农业大数据和农业机器人等高新技术逐步应用到农业生产各个领域，智慧农业呈现出强劲的发展势头。无人农场是实现智慧农业的重要途径。无人农场以生物技术、智能农机和信息技术为支撑。生物技术为无人农场提供适应机械化作业的品种和栽培模式，智能农机为无人农场自动化作业提供装备支撑，信息技术为农机作业的精准定位、数据传输和无人农场的智慧管理提供支撑。无人农场采用4G/5G、物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术远程控制各种智能农机，使之自主决策和自主作业，实现各个生产环节的智能化[5]。智能农机具有智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理4个功能，是无人农场的物质支撑，是农业机械的转型升级[6]。毛泽东同志在1959年就提出农业的根本出路在于机械化。改革开放以来，经过40多年的发展，我国的农业机械化取得了举世瞩目的成就，为提高我国农业生产率作出了巨大贡献。目前，我国用不到世界10%的耕地生产了世界25%的粮食、养活了世界20%的人口[7]。今天，随着我国农业农村现代化加快推进，对农业机械提出了更高的要求，提高农业机械的智能化水平成为必然选择，也是农业现代化的重要建设内容。国内外实践表明，提高农业机械化和智能化可以大幅度提高劳动生产率、资源利用率和土地产出率。只有在智能农机的支持下，无人农场才能成为现实。

　　1智能农机研究

　　1.1智能感知

　　农作物生长环境、作物长势和作物病虫草害信息是智能农机进行精准作业的依据[8]。“星?机?地”是获取这些信息的主要技术，“星”指根据卫星影像分析获取所需要的各种农情信息，“机”指根据飞机或无人机获取所需要的各种农情信息，“地”指在地面用仪器直接获取所需要的各种农情信息。

　　1.2自动导航

　　自动导航是智能农机的核心。我国农机导航的研究起步较晚，但经过10多年的努力，我国农机导航取得了长足进展，目前与世界上先进水平基本上处于“并跑”的态势。华南农业大学[46-47]、上海交通大学[48-49]、农业信息工程技术研究中心[50]、上海联适导航技术股份有限公司[51-52]和潍柴雷沃重工股份有限公司[53]等单位为我国农机导航技术的发展作出了重要贡献。针对我国地域广、作物品种多、作物环境和种植制度复杂等问题，我国农机的自动导航与作业需要重点解决导航定位、导航控制和系统集成三大难题，华南农业大学等单位对此进行了系统深入的研究并取得了重大突破。目前，我国已研制出了适应旱地和水田不同作物的耕、种、管、收等作业环节的电液转向和电机转向的农机北斗自动导航产品，达到了国外同类产品先进水平，可满足无人农场生产的需要。

　　2无人农场的实践

　　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，2020年的中稻试验面积为1.87hm2，2021年的早稻和晚稻试验面积为3.33hm2。增城水稻无人农场从2020年5月3日开始旋耕，至8月30日收获，历时120d，实现了水稻生产耕种管收全程无人作业。水稻无人农场的稻谷产量均高于当地的平均产量，表明了其巨大的发展潜力。2021年早稻生产采用优质丝苗米品种‘19香’，产量9943.35kg/hm2，高于当地的平均产量7500kg/hm2。2021年在广东三水启动了花生无人农场建设，产量3164.10kg/hm2，高于广东省花生种植的平均产量2400kg/hm2。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。

　　2.1耕种管收生产环节全覆盖

　　2.1.1耕整采用无人驾驶旋耕机进行旱旋耕，直线行驶横向误差不超过2.5cm，田头转弯对行误差不超过3.0cm。作业质量好、作业效率高，2021年在3.33hm2试验田中的旋耕作业效率可达到1.33hm2/h。

　　2.1.2种植采用无人驾驶直播机进行精量旱直播，这是华南农业大学近10年来在国内推广的一种轻简栽培技术，在新疆采用精量旱直播技术3年平均产量均超过15000kg/hm2[100]。播种时将水稻干种或浸泡24h后的湿种(不催芽)直接播在播种机开出的播种沟中并覆土(2cm左右)，然后上水5~10cm；几天后，待水自然落下后，稻种吸饱了水，土壤湿润，稻种扎根出苗情况特别好。

　　2.1.3管理在水稻生产前期采用无人机施肥和施药，作业前先用无人机获取水稻生长的养分胁迫和病虫害情况，然后制定施肥和施药处方图，实现了精准对靶喷施。在水稻生长后期，采用无人驾驶高地隙喷杆喷雾机(地隙1m、喷幅12m)，雾化效果好、作业效率高，由于作业路径采用了优化规划方法，实现了喷雾时“不重不漏”。

　　2.1.4收获华南农业大学成功研制出2种无人驾驶主从收获系统：第1种为随车卸粮模式，作业时无人驾驶卸粮车与无人驾驶收获机并行，在直线段卸粮，直线行驶时收获机和运粮车横向位置误差不超过5cm、纵向位置误差不超过10cm，可保证收获机准确地将稻谷卸至运粮车中。第2种为等待卸粮模式，无人驾驶收获机在田中收获时，无人驾驶卸粮车在田边等待；收获机粮仓快满时，通过云端服务器向卸粮车发出卸粮通知，卸粮车随即自动行驶至收获机旁边，收获机准确地将收获的稻谷卸至运粮车中；卸粮后收获机继续收获，卸粮车粮仓装满后自动开至田边，将稻谷卸至运粮卡车中，由运粮卡车将稻谷运至干燥中心。在广东增城水稻无人农场的收获中，采用了第2种模式，即等待卸粮模式。

　　2.2机库田间转移作业全自动

　　农机自动从机库转移至田间，完成田间作业后自动回到机库。基于无人农场高精度数字地图设计运移路径关键点，自动生成直线行驶和圆弧过渡路径，并采用预瞄点跟踪方法实现高精度路径跟踪，采用路径信息有限状态机理实现机库至田间的运移和田间作业的状态切换。

　　2.3自动避障异况停车保安全

　　智能农机装有障碍物识别传感器，识别到障碍物为移动式物体(如人、车、动物等)时，则采用等待模式，待移动式物体通过后再行驶；若是固定式的障碍物，则利用三次样条函数的避障路径规划和纯追踪算法的路径跟踪控制，实现自动避障。作业时如遇异常情况，如机器故障(收获机堵塞等)或信号问题(卫星或RTK信号丢失等)，则自动停车，并向管理中心发出警告信号。

　　2.4作物生产过程实时全监控

　　在无人农场田头安装了多个监控装置，可以全程全方位实时监控水稻生长过程中的长势和病虫害情况，并通过无线网络传输至管理中心和相关人员的计算机或手机中，必要时，再辅以无人机拍摄全局和局部的各种信息。

　　2.5智能决策精准作业全无人

　　根据作物的长势和病虫草害情况，结合专家知识，及时作出决策，并指挥相关智能农机进行精准作业，包括精准灌溉、精准施肥和精准施药等。

　　3结论与展望

　　农业的根本出路在于机械化，随着工业化和城镇化的发展，我国农业生产面临劳动力短缺和老龄化的严峻挑战。现代农业要求大幅提高劳动生产率、土地产出率和资源利用率，智慧农业技术可为“三率”的提高和现代农业建设提供强有力的科技支撑。

　　智慧农业是农业现代化的高级形式，依托生物技术、智能农机和信息技术建设的无人农场是实现智慧农业的重要途径。具有智能感知、自动导航、精准作业和智慧管理功能的智能农机是建设无人农场的物质支撑。改革开放以来，我国农业机械化取得了巨大成就，智能农机装备和无人农场技术也取得了一定进展。华南农业大学集成相关智能农机建设的水稻无人农场在智慧农业发展中表现出巨大的潜力，对我国无人农场建设起到了示范作用。

　　建设无人农场可有效缓解农村劳动力短缺的现状，积极推进现代农业建设。无人农场技术可彻底将农民从繁重的劳动中解放出来，为解决“谁来种田”提供了重要的途径。

　　目前，我国的无人农场建设刚刚起步，要实现大范围推广应用还需要解决以下5个问题：1)关键技术的突破，包括适应不同区域、不同地形、不同作物和不同种植制度的无人农场关键技术，特别是智能农机技术及集成和管控平台；2)适应无人农场的经营规模和土地整治，要大力支持新型农业经营主体，扩大经营规模和加强土地连片整治；3)要因地制宜，探索各种适宜的无人农场建设模式和制定相应的标准；4)要加强无人农场建设需要的各类人才的培养和培训，包括各种技术人员和经营管理人员；5)要加强无人农场建设相关政策制定，调动政府、企业和社会资金投资建设无人农场的积极性。

　　当前，以互联网、大数据和人工智能为代表的新一代信息技术蓬勃发展，给经济发展、社会进步和人民生活带来重大而深远的影响，也推动了农业机械化和智能化的快速发展，这都必将促进我国无人农场建设进入快速发展期，进而为我国现代农业发展作出重要贡献。

　　参考文献：

　　[1].关于加快推进农业科技创新持续增强农产品供给保障能力的若干意见[EB/OL].(2012-08-30)[2021-07-21]..提出深入推进农业供给侧结构性改革[EB/OL].(2017-02-15)[2021-08-03].

　　[2]唐华俊.智慧农业赋能农业现代化高质量发展[J].农机科技推广,2020(6):4-5.

　　[3]赵春江.智慧农业发展现状及战略目标研究[J].智慧农业,2019,1(1):1-7.

　　罗锡文，廖娟，胡炼，周志艳，张智刚，臧英，汪沛，何杰