姜 婭，顧文威，孫迎波

（1.連云港市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)推廣站，江蘇 連云港 222000；2.灌南縣農(nóng)機(jī)化推廣服務(wù)站，江蘇 連云港 222000）

2021 年江蘇省出臺(tái)了《關(guān)于印發(fā)江蘇省糧食生產(chǎn)“無人化農(nóng)場(chǎng)”和特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化示范基地（園區(qū)）建設(shè)指引的通知》，要求進(jìn)一步加快推廣應(yīng)用智能、綠色農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，標(biāo)志著江蘇省正式啟動(dòng)“無人化”農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)和集成示范。2022 年起，連云港市各縣區(qū)陸續(xù)啟動(dòng)“無人化農(nóng)場(chǎng)”建設(shè)項(xiàng)目，本文旨在通過總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出一套“無人化農(nóng)場(chǎng)”的建設(shè)方案和相關(guān)裝備的配置要求。

1 無人化農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展歷程

2017 年英國(guó)哈珀亞當(dāng)斯農(nóng)業(yè)大學(xué)率先創(chuàng)建世界第一個(gè)無人大田農(nóng)場(chǎng);同年，日本創(chuàng)建第一個(gè)蔬菜無人農(nóng)場(chǎng)，挪威建立第一個(gè)無人漁場(chǎng);隨后，澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)家也陸續(xù)開始了無人農(nóng)場(chǎng)建設(shè)，一場(chǎng)農(nóng)業(yè)技術(shù)革命正式打響[1]。隨著我國(guó)通信、大數(shù)據(jù)、北斗導(dǎo)航等高新技術(shù)和設(shè)備的飛速進(jìn)步，中國(guó)工程院院士羅錫文團(tuán)隊(duì)在2019 年開始籌建我國(guó)第一座無人化大田農(nóng)場(chǎng)。

按照目前的技術(shù)發(fā)展，業(yè)內(nèi)將“無人化農(nóng)場(chǎng)”劃分為3 個(gè)階段。初級(jí)階段即通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)控制智能作業(yè)裝備展開作業(yè)，該階段需要專人值守，依靠人工進(jìn)行作業(yè)決策和裝備遙控，實(shí)現(xiàn)了初步的智能化作業(yè)；中級(jí)階段是在無人或少人值守下，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主作業(yè)，此階段仍需要人工參與決策并下達(dá)指令；高級(jí)階段則要求通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的各種環(huán)境信息，所有的作業(yè)均通過智能管理云平臺(tái)根據(jù)綜合分析匯集到的信息，自主形成計(jì)劃、決策并下達(dá)指令，最終由智能裝備完成作業(yè)，是一種可全無人的智慧農(nóng)場(chǎng)狀態(tài)。

目前我國(guó)“無人化農(nóng)場(chǎng)”的建設(shè)正由中級(jí)階段向高級(jí)階段發(fā)展。連云港市建設(shè)的“無人化農(nóng)場(chǎng)”符合了高級(jí)階段的技術(shù)和裝備要求，基本實(shí)現(xiàn)了理論上的全無人智慧農(nóng)場(chǎng)，但目前還未能實(shí)現(xiàn)全天候全無人值守。

2 建設(shè)目標(biāo)

（1）應(yīng)該具有智慧管理云平臺(tái)，負(fù)責(zé)匯總分析農(nóng)場(chǎng)內(nèi)一切數(shù)據(jù)、信息，制定作業(yè)計(jì)劃和下達(dá)作業(yè)指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理的可視化。

（2）應(yīng)該具有農(nóng)田區(qū)域全覆蓋的土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害、氣象、視頻監(jiān)控等信息采集裝置，相關(guān)信息可高速、無延遲的傳輸?shù)街腔酃芾碓破脚_(tái)。

（3）應(yīng)該配置可覆蓋全作業(yè)流程的具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)導(dǎo)航、無人駕駛、路徑規(guī)劃等功能的動(dòng)力機(jī)械、耕整地、種植（栽插）、植保、施肥、收獲等智能農(nóng)機(jī)裝備。

（4）應(yīng)該具有連片適度規(guī)模的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，道路宜機(jī)化并配置智能排灌系統(tǒng)。

（5）應(yīng)該具有辦公區(qū)、停機(jī)庫(kù)、烘干庫(kù)、糧庫(kù)、稱量區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施。

（6）應(yīng)該培養(yǎng)一批能熟練操控、維護(hù)智能農(nóng)機(jī)裝備的技術(shù)人才和高素質(zhì)農(nóng)民。

3 建設(shè)方案

無人化農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)主要由基礎(chǔ)設(shè)施、智能農(nóng)機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施和智慧管理云平臺(tái)等部分組成。

21世紀(jì)以來，隨著中國(guó)高校的快速發(fā)展，高校之間各類的學(xué)術(shù)交流、合作等也越來越頻繁。積極引進(jìn)海外優(yōu)質(zhì)教育資源，同時(shí)大力推進(jìn)和支持各種層次的學(xué)生赴海外學(xué)習(xí)與交流活動(dòng)，是建設(shè)國(guó)內(nèi)外有影響力的高水平研究型綜合性大學(xué)的必經(jīng)之路和重要手段。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施

無人化農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)一般應(yīng)選擇不小于33.33 hm2的連片田地，單個(gè)田塊宜不小于0.67 hm2，地面應(yīng)具有一定的承壓能力，機(jī)庫(kù)距離地塊以不超過500 m為宜。

對(duì)田塊進(jìn)行宜機(jī)化改造，使道路暢通、田塊規(guī)整、溝渠合理，在適宜位置規(guī)劃農(nóng)機(jī)的出入口并進(jìn)行硬化，出入口寬度一般為4 m 左右，坡度20～30°為宜，要求坡面防滑，硬化面延伸至犁底層。建設(shè)基于田塊水環(huán)境和作物長(zhǎng)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌排水的智能化控制。在農(nóng)場(chǎng)附近新建定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)以滿足無人化作業(yè)的高精度定位要求；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度弱的地區(qū)應(yīng)增設(shè)網(wǎng)絡(luò)基站以滿足大帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.2 智能農(nóng)機(jī)

根據(jù)稻麥輪作全流程無人化作業(yè)需要，以33.33 hm2為單位，一般至少配置智能拖拉機(jī)、智能插秧機(jī)、智能高地隙植保機(jī)、植保無人機(jī)和智能收割機(jī)各1 臺(tái)，同時(shí)配置符合當(dāng)?shù)氐钧溳喿鬓r(nóng)藝習(xí)慣的耕作、播種等作業(yè)機(jī)具。

智能農(nóng)機(jī)應(yīng)滿足的基本要求有：（1）可通過云端、移動(dòng)端和手動(dòng)3 種模式進(jìn)行控制，手動(dòng)自動(dòng)可一鍵切換；（2）車輛啟停遠(yuǎn)程控制；（3）車輛行駛前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、速度等遠(yuǎn)程控制；（4）同時(shí)滿足云端路徑接收和人工打點(diǎn)自主路徑規(guī)劃；（5）支持回字形、U 形、套圈等多種作業(yè)路徑；（6）自主出入庫(kù)，自主行駛至作業(yè)田塊并進(jìn)行作業(yè)；（7）作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻記錄與實(shí)時(shí)回傳；（8）作業(yè)數(shù)據(jù)和機(jī)具狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和回傳；（9）障礙物自動(dòng)檢測(cè)并停車；（10）智能套件故障自動(dòng)警報(bào)并停車。

目前，滿足無人作業(yè)的智能農(nóng)機(jī)一般是在符合一定基礎(chǔ)配置要求的原廠機(jī)具上進(jìn)行智能化改造，主要運(yùn)用到北斗高精度定位、作業(yè)路徑智能規(guī)劃，農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制和障礙物自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)。

高精度定位技術(shù)是指在機(jī)具作業(yè)前，通過無人機(jī)測(cè)繪或RTK 設(shè)備劃定作業(yè)區(qū)域并形成數(shù)字地圖，田間作業(yè)時(shí)可調(diào)取地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，并通過高精度定位實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)具的行走路線；路徑智能規(guī)劃是指在采集到的封閉地塊區(qū)域內(nèi)，管理平臺(tái)根據(jù)作業(yè)類型、作業(yè)幅寬自動(dòng)生成合適的作業(yè)路徑并下發(fā)至智能農(nóng)機(jī)；農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程控制是指遠(yuǎn)程操控農(nóng)機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)熄火、自動(dòng)出入庫(kù)、自動(dòng)調(diào)整作業(yè)參數(shù)等；障礙物自動(dòng)檢測(cè)是指在機(jī)具行走和作業(yè)過程中，可自主檢測(cè)識(shí)別到故障物并停車預(yù)警。

智能機(jī)具改造的一般程序?yàn)椋涸谵r(nóng)機(jī)頂棚安裝GNSS 天線接受位置信息，在駕駛座椅附近安裝姿態(tài)傳感器接受姿態(tài)信息，在車輪轉(zhuǎn)交處安裝角度傳感器接收車輪角度信息，將原手動(dòng)方向盤改裝為方向盤電機(jī)，加裝控制器使原本機(jī)械操作的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電控操作，將以上裝置采集的信息反饋到行車電腦和智能管理平臺(tái)，再通過智能算法計(jì)算出最佳的作業(yè)參數(shù)并反饋到作業(yè)機(jī)具，通過無人控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)具的擋位、離合、啟停、油門、轉(zhuǎn)向、燈光、PTO、懸掛等，最終實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整、路徑規(guī)劃、自主作業(yè)、障礙識(shí)別、故障報(bào)警等，滿足無人化作業(yè)要求。

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可將農(nóng)田內(nèi)與生產(chǎn)有關(guān)的一切信息通過各種裝置采集匯總，包括數(shù)字化農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建、智能灌溉系統(tǒng)、氣象、長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害、墑情的監(jiān)測(cè)以及田塊的視頻監(jiān)控等模塊[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建是建設(shè)無人化農(nóng)場(chǎng)的基礎(chǔ)。

3.3.1 數(shù)字化農(nóng)場(chǎng)

利用測(cè)繪裝置采集機(jī)庫(kù)、道路、田塊、農(nóng)資等一切農(nóng)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)確位置和邊界信息，形成電子地圖，便于智慧管理平臺(tái)直觀展示，同時(shí)有助于各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的合理規(guī)劃。

3.3.2 智能灌溉

通過對(duì)灌溉系統(tǒng)的智能化改造滿足作物生長(zhǎng)過程中對(duì)水的需求，主要包括對(duì)泵房的智能化改造、大田的合理分區(qū)及智能進(jìn)排水閥門的設(shè)置、水源水位的監(jiān)測(cè)、墑情的監(jiān)測(cè)等。

3.3.3 氣象監(jiān)測(cè)

通過氣象監(jiān)測(cè)站及時(shí)測(cè)定農(nóng)田小氣候，遠(yuǎn)程在線獲取高精度農(nóng)業(yè)氣象信息，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、氣壓、光照、降雨量、輻射等，當(dāng)作物因這些因素生長(zhǎng)受限或某項(xiàng)數(shù)值超出正常范圍，可迅速預(yù)警并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施以減輕損失。

3.3.4 長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，獲取作物植被指數(shù)，通過光譜解析技術(shù)形成作物長(zhǎng)勢(shì)分布圖，可用于指導(dǎo)施肥作業(yè)。通過連續(xù)多年對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析或建模分析，還可以預(yù)測(cè)不同環(huán)境、不同位置田塊的產(chǎn)量水平，為后期的栽培管理方案提供依據(jù)，使得農(nóng)場(chǎng)的智能化管理更加精細(xì)和高效。

3.3.5 病蟲害監(jiān)測(cè)

蟲情監(jiān)測(cè)是利用自動(dòng)蟲情燈進(jìn)行害蟲誘捕并拍照，根據(jù)照片自動(dòng)識(shí)別蟲害類型，其還具有分類統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)報(bào)傳、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、蟲害預(yù)警和防治指導(dǎo)等功能。病害監(jiān)測(cè)則是利用智能孢子捕捉儀收集隨空氣流動(dòng)傳播的病菌孢子并拍攝照片，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)病害孢子的類型、存量及擴(kuò)散動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)大田病害程度。病蟲害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置為智慧農(nóng)場(chǎng)的病蟲害自主作業(yè)決策提供了依據(jù)。

3.4 智慧管理云平臺(tái)

智慧管理云平臺(tái)是無人農(nóng)場(chǎng)運(yùn)行的核心，通過管理平臺(tái)可以查看人員、農(nóng)機(jī)、田塊、作業(yè)參數(shù)、坐標(biāo)、面積、軌跡、警報(bào)信息、作業(yè)類型、環(huán)境信息等；可以對(duì)各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行直觀展示；可以對(duì)農(nóng)機(jī)具、人員、農(nóng)資等進(jìn)行記錄和調(diào)度；智慧管理平臺(tái)還可以匯集并分析大田內(nèi)的各類傳感器獲取的環(huán)境、土壤肥力、作物生長(zhǎng)等信息，對(duì)作物全生育周期進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，科學(xué)制定作業(yè)及管理計(jì)劃，結(jié)合產(chǎn)量數(shù)據(jù)，最終可得出農(nóng)場(chǎng)年度生產(chǎn)情況報(bào)告[3]。通過積累多年份的生產(chǎn)信息，還可以建立生產(chǎn)模型、病蟲害預(yù)測(cè)模型等，為制定更精細(xì)的作業(yè)方案提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的生產(chǎn)和管理。