在全球農業(yè)勞動力持續(xù)減少、人工成本不斷增加、農業(yè)生產投入不斷加大的現狀下，無人農場為現在農業(yè)發(fā)展提供了有效技術支撐。吉林省公主嶺市圍繞發(fā)展現代農業(yè)的戰(zhàn)略需求，構建了玉米全程無人化生產農場，實現了玉米耕、種、管、收全程無人化作業(yè)，極大提高了玉米生產效率，減少了人工投入。

以北京市農林科學院智能裝備技術研究中心在吉林省公主嶺市參與建設的玉米無人農場為例，無人駕駛收獲機可以24小時不間斷工作，玉米收獲速度提升了3~4倍，67公頃玉米3至5天即可完成收獲，節(jié)省人工50~60人。在其他環(huán)節(jié)，無人化播種機在節(jié)省人力的同時，還可以實現精量播種和區(qū)段播種控制，有效避免了地頭重復作業(yè)，提高了作業(yè)質量，減少了種子投入。

一、建設內容

玉米無人農場由信息感知系統、智能農機裝備、管控云平臺三部分組成。

1、信息感知系統

包含無人機遙感設備、田間綜合監(jiān)測站、物聯網測控系統的天空地一體化觀測和數據感知系統，能夠自動監(jiān)測農場環(huán)境及作物生長信息，并傳輸至智慧農機管理系統。無人機遙感設備用于開展農田地塊信息、作物信息采集監(jiān)測，為農場生產管理和農機裝備無人作業(yè)提供基礎地塊邊界、作物長勢等信息數據。

此外，無人農場部署了田間綜合監(jiān)測站點和物聯網監(jiān)控系統，用于實時采集土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、日照輻射等玉米生長環(huán)境信息和葉齡等生長狀態(tài)的信息，為農場生產管理和農機裝備精準作業(yè)提供基礎數據。

2、智能農機裝備

面向無人農場高效、精準作業(yè)需求，將現有的拖拉機及其配套機具、植保機、收割機、運糧車等進行無人化改造，加裝無人駕駛系統、精準作業(yè)控制裝置、遠程監(jiān)測終端等，通過與無人農場云平臺進行數據共享和指令交互，實現玉米的耕、種、管、收無人化作業(yè)。

無人拖拉機可搭載深松機、秸稈還田機等農機具進行無人耕整作業(yè)，可實現自主規(guī)劃路徑、運行狀態(tài)實時監(jiān)測、作業(yè)效果實時拍攝上傳、作業(yè)機具自動升降。掛接電驅播種機，并集成高精度衛(wèi)星定位系統、導航控制系統、精量播種控制系統、作業(yè)路徑規(guī)劃系統和網絡通信系統，實現主從機協作，完成無人播種作業(yè)。

在植保環(huán)節(jié)，利用無人機搭載多光譜相機采集農田作物信息，采用機器視覺算法對田間作物長勢和養(yǎng)分等信息進行分析，生成葉片氮素含量分布圖，并決策出施肥量;搭載可見光相機采集農田環(huán)境圖像，分析并獲得玉米病蟲害信息，制定施藥處方圖;通過云平臺管控系統將施肥、施藥處方圖下發(fā)至地面作業(yè)機器端，由無人植保機實現精準變量噴施。

采用無人駕駛高地隙噴桿噴霧機實現精量變量噴灑作業(yè)，實現了作業(yè)路徑自主規(guī)劃、高精度路徑跟蹤、地頭自動轉向、行進速度自動調控、噴桿升降折疊融合控制、緊急避障、遠程遙控等功能，減少了藥害產生，降低了用人成本，提升了高地隙植保機利用率，為玉米無人農場植保作業(yè)提供關鍵技術裝備。

無人收獲機集成了作業(yè)信息檢測系統、自動導航系統、障礙物檢測系統和收獲作業(yè)智能控制系統，實現了玉米無人收獲作業(yè)狀態(tài)、工況自動檢測、無人駕駛、自動避障、作業(yè)自動控制等功能，收獲效率提高3~4倍，為農場玉米的無人化收獲提供了有力支撐。

3、無人農場云平臺

無人農場云平臺主要包括無人農場基礎地理信息管理系統、無人農機遠程管控系統、智能農機精準作業(yè)管理系統和無人農機系統四部分。其中，農場基礎地理信息管理系統通過農場田塊尺度的厘米級數字地圖測繪和處理，為無人農機精準作業(yè)提供基礎地理信息支撐;無人農機遠程管控系統主要面向智能農機裝備的作業(yè)管控，提供農場耕種管收作業(yè)監(jiān)管、工況監(jiān)控、前后臺交互和作業(yè)管理等服務;智慧農機精準作業(yè)管理系統及數據庫主要面向智能農機裝備基準作業(yè)，提供基礎農作數據維護管理、變量處方管理、農機作業(yè)參數共享、農機作業(yè)質量監(jiān)管等服務;無人農機作業(yè)展示系統為農場日常系統運維、運營服務和展示提供基礎平臺。

二、發(fā)展展望

全球農業(yè)生產均存在農業(yè)從業(yè)人員持續(xù)減少、人工成本高、傳統機械作業(yè)質量差等問題，未來誰來種田、怎樣種田甚至無人種田問題是全球農業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著現代信息技術與農業(yè)生產的深度融合，無人農場在農業(yè)生產中發(fā)揮的作用和帶來的效益越發(fā)明顯，以自動導航為代表的無人農場關鍵技術已經或正在改變現代農業(yè)生產方式。

以農機自動導航為標志，中國無人農場關鍵技術已開展了近20年的研究。期間，中國農機自動駕駛系統的發(fā)展經歷了學習、發(fā)展、追趕和超越國外技術的艱辛歷程，形成了具有自主知識產權的農機導航系列產品，打破了國外產品長期壟斷的局面。近些年，中國農機龍頭企業(yè)先后研發(fā)出了無人駕駛拖拉機、無人植保機、無人收獲機以及無人運糧車等無人化農機裝備產品，并在小麥、水稻、玉米等大田生產中進行了大量的應用實踐，初步形成了適應國內農業(yè)生產模式的無人農場雛形。

①與國外無人農場技術橫向相比，中國無人農場技術總體落后。在農機作業(yè)智能決策、精準作業(yè)控制等方面，中國積累農業(yè)生產數據不足、數據維度也不夠，且缺乏對數據的有效分析與利用;此外，中國幅員遼闊，農作物類型南北差異大，作物生長環(huán)境和生產農藝要求也存在時空變異;上述原因導致國內成熟的農機作業(yè)決策模型少，模型缺乏普適性?？傮w上，中國在精量播種與變量施肥控制、精準噴灑控制、高效高質收獲作業(yè)控制等領域尚處于研究發(fā)展階段，與國外存在一定差距，這也是中國未來無人農場技術領域需要著力發(fā)展的方向。

②無人農場作為新型生產方式，目前在技術上尚不完全成熟，普遍還存在農田非結構環(huán)境多模態(tài)信息融合感知模型缺乏、無人化農機裝備自主性差等問題。未來無人農場技術研究將主要聚焦于農田非結構化環(huán)境感知、復雜多變農田環(huán)境下農機無人駕駛、無人農機作業(yè)任務分配與路徑自主規(guī)劃、無人化農機機群自主協同作業(yè)控制等核心技術領域，這些技術既是難點，也是未來最具競爭力的技術制高點。中國與國外在該領域基本處于同一起跑線，是未來最有可能超越國外同類技術產品的領域。

③中國無人農場的發(fā)展需要瞄準農業(yè)現代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重大需求，突破一批無人農場卡脖子與短板技術，創(chuàng)制適用于中國農業(yè)生產的無人化農機裝備，實現機器代替人力、電腦代替人腦、自主取代進口的轉變，并通過技術產品的廣泛推廣應用，加速改善中國農業(yè)生產面臨的困局，提高中國農業(yè)生產效率與效益，引領現代農業(yè)的發(fā)展，早日成為世界農業(yè)強國。

審核編輯 黃宇