大田無人農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與實現(xiàn)路徑

徐 峰，朱慧琴，程勝男，彭俊明

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定總站，北京100122)

0 引言

近年來，智能化、信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用步伐加快，無人農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展。在2020年新冠疫情防控春耕備耕關(guān)鍵時期，無人農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)揮了其絕對優(yōu)勢，對減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員聚集，有效防控農(nóng)村疫情擴散起到了重要作用，保證了在重大災(zāi)情下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品保供不受影響。

無人農(nóng)業(yè)是指通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G和機器人等新一代信息技術(shù)，在人工不進(jìn)入農(nóng)場的情況下，實現(xiàn)對設(shè)施、裝備和機械等遠(yuǎn)程控制、全程自動控制或機器人自主控制，完成全程無人化作業(yè)的生產(chǎn)模式。無人農(nóng)業(yè)技術(shù)由生產(chǎn)信息采集設(shè)施、生產(chǎn)作業(yè)裝備和生產(chǎn)管理平臺3部分組成，以全過程智能化管理、精準(zhǔn)化作業(yè)為核心，以智能感知、決策和執(zhí)行為基本技術(shù)方案，通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各要素的數(shù)據(jù)化，實現(xiàn)智能化決策、可視化管理和無人化操作。

1 發(fā)展大田無人農(nóng)業(yè)的必要性

我國糧食作物、經(jīng)濟作物等大田農(nóng)業(yè)相比歐美等發(fā)達(dá)國家，種植習(xí)慣更加傳統(tǒng)、地形地貌更加復(fù)雜、種植模式更加多樣、機藝融合難度更大，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、生產(chǎn)效率低、競爭力差，保障國家糧食安全壓力大，迫切需要推進(jìn)無人農(nóng)業(yè)生產(chǎn)根本性變革，提升農(nóng)業(yè)種植科學(xué)化、規(guī)模化水平，增強農(nóng)業(yè)競爭力，保障國家糧食安全[1]。

1.1 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的“加速器”

目前，農(nóng)業(yè)機械化雖然一定程度上解放了生產(chǎn)力，但還需要大量的農(nóng)村勞動力駕駛操作機器、輔助人員全程跟機。在無人農(nóng)場，用腦力勞動代替體力勞動的智能化管理模式，人力要素從土地耕作中、辛苦勞作中徹底解放出來，破解農(nóng)村勞動力不足難題。無人農(nóng)業(yè)能大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率，促使綜合資源得到最大化利用。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革，是提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)化水平的重要技術(shù)手段。同時，智能農(nóng)機、無人農(nóng)業(yè)也帶來了農(nóng)業(yè)機械化服務(wù)和管理方式的巨大變革，實現(xiàn)由人工向智能管理服務(wù)方向的迭代轉(zhuǎn)變，有利于助推農(nóng)業(yè)、農(nóng)村現(xiàn)代化。智能農(nóng)機提高了機手駕駛的舒適性和操作的方便性，讓機手成為體面的職業(yè)，吸引更多高學(xué)歷人才回流農(nóng)村，造就一批高素質(zhì)職業(yè)農(nóng)民，讓農(nóng)業(yè)成為有奔頭的產(chǎn)業(yè)，讓農(nóng)民成為有吸引力的職業(yè)，讓農(nóng)村成為富有活力的家園，加快改變“三農(nóng)”面貌[2]。

1.2 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“催化劑”

無人農(nóng)業(yè)實現(xiàn)經(jīng)營效率的最大化和產(chǎn)品品質(zhì)的最優(yōu)化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效和降低成本，確保糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。在實踐中，無人駕駛技術(shù)有效解決了農(nóng)機作業(yè)中出現(xiàn)的“播不直、接不上茬”，以及起壟作業(yè)不直、中耕傷苗和植保重噴漏噴的老大難問題，土地利用率可提高0.5%～1.0%，作業(yè)質(zhì)量大幅提高。新疆棉花種植使用自動駕駛技術(shù)，原先僅能播種10行的地塊可播11行，土地利用率提高了2.5%，單產(chǎn)增加5%。河北等地小麥生產(chǎn)全程智能化試驗示范結(jié)果顯示，可減少用工25%、節(jié)水20%、減少農(nóng)藥30%和節(jié)約燃油消耗10%，大大提高了機械化生產(chǎn)經(jīng)濟效益。在收割季節(jié)，機械精準(zhǔn)度越高對農(nóng)作物的損傷就越小，自動駕駛農(nóng)機精度在2.5 cm，農(nóng)作物產(chǎn)量減損約3%，燃油消耗節(jié)約10%左右。當(dāng)前，糧食機械化收獲損失率備受社會關(guān)注，加裝智能減損監(jiān)測裝置的自動駕駛收割機，確保在最佳行駛速度下收割損失率最低，可使機械化收獲損失降低10%以上[3]。

1.3 農(nóng)機化和農(nóng)機裝備轉(zhuǎn)型升級的“助推器”

2020年全國主要農(nóng)作物耕種收綜合機械化率已達(dá)71%。小麥、玉米和稻谷3種大田類作物基本實現(xiàn)機械化，我國農(nóng)業(yè)機械化已進(jìn)入全程全面高質(zhì)高效發(fā)展的關(guān)鍵時期。大田農(nóng)業(yè)機械化如何突破目前的發(fā)展瓶頸進(jìn)入新的發(fā)展階段，加快無人農(nóng)業(yè)發(fā)展無疑是重要的破解之法和路徑選擇。大力發(fā)展無人農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)機有助于破除農(nóng)機化轉(zhuǎn)型升級的制約因素，推動農(nóng)機智能化、作業(yè)精準(zhǔn)化和操作無人化等技術(shù)，以及先進(jìn)適用農(nóng)機裝備的普及應(yīng)用，成為農(nóng)業(yè)機械化轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的重要舉措。同步引領(lǐng)農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)能力和制造水平，提高農(nóng)機裝備信息化、智能化程度，實現(xiàn)從農(nóng)機生產(chǎn)大國向農(nóng)機生產(chǎn)強國邁進(jìn)[4]。

2 國內(nèi)外無人農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 發(fā)達(dá)國家無人農(nóng)業(yè)發(fā)展情況

無人農(nóng)業(yè)在世界各國有著十分廣泛的應(yīng)用，按照應(yīng)用領(lǐng)域主要包括無人大田作物、無人設(shè)施栽培和無人設(shè)施養(yǎng)殖。無人設(shè)施栽培主要應(yīng)用于水果、蔬菜和花卉等作物的水肥、植保、采收、運輸、加工和包裝等環(huán)節(jié)。美國、日本和歐洲的技術(shù)最為先進(jìn)，已實現(xiàn)了環(huán)境調(diào)控、水肥管理、采摘收獲和分級包裝的無人化、智能化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人技術(shù)也比較成熟。無人設(shè)施養(yǎng)殖主要應(yīng)用于生豬、奶牛和蛋雞等畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境控制、飼喂、擠奶、防疫和廢棄物處理等作業(yè)環(huán)節(jié)。發(fā)達(dá)國家已將信息化、智能化技術(shù)應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)，技術(shù)比較成熟，實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用[5]。

大田種植作業(yè)工況條件復(fù)雜，實現(xiàn)無人作業(yè)難度較大，各國發(fā)展都處于探索階段。北美、西歐具備基礎(chǔ)但需求不緊迫，對發(fā)展無人農(nóng)業(yè)還沒有明顯需求。北美、澳洲等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始將智能農(nóng)機裝備技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一些大中型農(nóng)場都逐步使用自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)來實現(xiàn)拖拉機、播種機、收割機和植保機械等無人作業(yè)，2020年美國農(nóng)機安裝自動導(dǎo)航、無人駕駛系統(tǒng)普及率已經(jīng)達(dá)到90%。日本、韓國等國家雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小、產(chǎn)值不高，但農(nóng)業(yè)面臨著從業(yè)人口老齡化、從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人力成本高等問題，已逐步重視和發(fā)展無人農(nóng)業(yè)，小型無人機、無人駕駛農(nóng)機和智能農(nóng)用機器人等智能農(nóng)機裝備發(fā)展較快。

2.2 我國大田作物無人農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

總體上看，發(fā)達(dá)國家無人農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)起步早、技術(shù)強，但是大田作物無人農(nóng)業(yè)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用還不廣泛。我國雖然起步較晚，但是發(fā)展速度很快，近些年逐漸呈現(xiàn)出加速趕超的趨勢。我國信息技術(shù)水平可以和發(fā)達(dá)國家媲美，但是在無人農(nóng)業(yè)的普及面、應(yīng)用面還很窄，僅停留在示范型的展示范圍內(nèi)，無人農(nóng)機發(fā)展還處于半自動化的初級階段，呈現(xiàn)“三多三少”的局面[6]。

2.2.1試驗示范多，普及應(yīng)用少

多個糧棉主產(chǎn)省份相繼開展了全過程無人農(nóng)業(yè)生產(chǎn)試驗。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)字農(nóng)業(yè)項目已經(jīng)形成了棉花全程數(shù)字化生產(chǎn)管理模式。國家糧食生產(chǎn)功能示范區(qū)江蘇省興化市建立了農(nóng)業(yè)全過程無人作業(yè)試驗示范基地。山東理工大學(xué)與淄博禾豐種業(yè)建設(shè)的生態(tài)無人農(nóng)場，可達(dá)到綠色生態(tài)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無人化和精準(zhǔn)化種植。碧桂園農(nóng)業(yè)控股有限公司與黑龍江省建三江管理局聯(lián)手在黑龍江二道河農(nóng)場建設(shè)大型無人作業(yè)示范農(nóng)場。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻生產(chǎn)無人農(nóng)場已經(jīng)建成。但是目前由于設(shè)備成本普遍較高、成本回收周期較長、設(shè)備重復(fù)利用率低和壽命短、上下游銜接不暢、投入和產(chǎn)出不成正比、企業(yè)創(chuàng)新模式和商業(yè)模式適應(yīng)性差等問題，導(dǎo)致大面積推廣應(yīng)用還不成熟，對于單個農(nóng)戶或其他地區(qū)推廣難度較大[7]。

2.2.2智能裝備多，集成技術(shù)少

我國大田無人化技術(shù)快速產(chǎn)業(yè)化。一是無人機技術(shù)廣泛應(yīng)用。除了簡單的植保、播種和撒肥等作業(yè)外，還可以借助成像技術(shù)對作物進(jìn)行生長評估、疾病監(jiān)測和機械傳粉等。通過地面遙感進(jìn)行控制，采集的數(shù)據(jù)及動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳遞到地面工作站。二是智能農(nóng)機方興未艾。北斗導(dǎo)航自動駕駛技術(shù)目前在無人農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最廣泛、最成熟，搭載了全球衛(wèi)星定位、電控液壓自動轉(zhuǎn)向、作業(yè)裝置自動控制、雷達(dá)視覺測量及遠(yuǎn)程視頻傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)了耕、種、管、收、運全程無人駕駛，實現(xiàn)了從“鐵牛”向“智?！钡娜A麗轉(zhuǎn)變。但是目前大多停留在智能裝備作業(yè)，處于無人農(nóng)業(yè)“1.0”狀態(tài)，多機協(xié)同技術(shù)、全程無人化的技術(shù)集成還不成熟。

2.2.3信息技術(shù)多，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)少

無人農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)是海量數(shù)據(jù)的收集、分析與應(yīng)用，通過大數(shù)據(jù)分析用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策，并為智能設(shè)備開發(fā)、改進(jìn)和自動作業(yè)等提供依據(jù)。目前，我國在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地理信息遙感技術(shù)、農(nóng)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算及5G網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大成就；在信息采集、數(shù)據(jù)處理等方面技術(shù)已經(jīng)比較成熟；在農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)機定位、倉儲管理和食品溯源等方面都取得了不錯的成績。但是在大田作物無人農(nóng)業(yè)的融合推廣應(yīng)用和農(nóng)情信息采集方面還有較大空間，面臨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏少、信息共享不便和資源整合困難等問題。

3 無人農(nóng)業(yè)實現(xiàn)路徑

3.1 加快技術(shù)集成示范，分區(qū)分級梯次遞進(jìn)

在示范作物上，重點開展小麥、玉米、水稻和棉花等主要農(nóng)作物生產(chǎn)的無人作業(yè)試驗示范，分類建設(shè)示范推廣高標(biāo)準(zhǔn)基地。在示范區(qū)域上，選擇農(nóng)業(yè)社會化程度高、土地規(guī)模化經(jīng)營好和農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展成熟的地區(qū)先行推廣，在糧食生產(chǎn)全程機械化示范縣中率先建設(shè)一批智能農(nóng)機、無人農(nóng)機“示范農(nóng)場”。其他代表性地區(qū)分級、分期、分步建立無人農(nóng)場，如東北地區(qū)選擇耕作面積大的農(nóng)墾、在西南地區(qū)選擇淺丘陵。在示范環(huán)節(jié)上，協(xié)調(diào)推進(jìn)耕、種、管、收、儲、運等環(huán)節(jié)的無人化生產(chǎn)，努力形成可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗和成果。

3.2 加大科技攻關(guān)力度，重點突破階次漸進(jìn)

加強無人農(nóng)業(yè)理論體系、技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，統(tǒng)籌技術(shù)研發(fā)、人才建設(shè)和產(chǎn)品開發(fā)?？萍肌⒇斦块T應(yīng)予重點支持，推動國家和省部級重點研發(fā)計劃專項向無人農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)等方面傾斜，建立無人農(nóng)業(yè)國家科技創(chuàng)新平臺，加大協(xié)同攻關(guān)力度，著力突破專用傳感器、精準(zhǔn)算法、智能作業(yè)和管理平臺等關(guān)鍵、核心關(guān)鍵技術(shù)。推動建立產(chǎn)學(xué)研推深度融合的無人農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系，促進(jìn)智能農(nóng)機、無人農(nóng)業(yè)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

3.3 建立政策支持體系，立體扶持驅(qū)動躍進(jìn)

無人農(nóng)業(yè)屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，商業(yè)化應(yīng)用模式和可持續(xù)發(fā)展機制還不成熟，需要建立支持無人農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策體系，加快制定包括政府補貼、金融支持、減免稅收、重大項目投資和土地優(yōu)惠等一攬子支持政策，刺激和帶動民營資本進(jìn)入，促進(jìn)無人農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。制定無人農(nóng)業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和工作指引，積極爭取財政、金融等部門支持，推進(jìn)大田作物無人農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、改造。推進(jìn)無人農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。加大農(nóng)機購置補貼政策支持力度，將更多先進(jìn)適用無人農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備納入農(nóng)機購置補貼范圍，拓展作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制平臺和農(nóng)業(yè)信息采集裝置等新產(chǎn)品補貼試點范圍，積極探索成套智能農(nóng)機裝備補貼路徑，試點開展無人農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)補貼[8-9]。

3.4 提升公共服務(wù)能力，技術(shù)支撐引領(lǐng)邁進(jìn)

加強無人農(nóng)業(yè)裝備及技術(shù)配套標(biāo)準(zhǔn)制訂，設(shè)立相關(guān)的信息接口標(biāo)準(zhǔn)體系，使無人農(nóng)業(yè)服務(wù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，逐步建立以智能化為主導(dǎo)、以精準(zhǔn)作業(yè)為核心的具有中國特色和市場競爭力的無人農(nóng)機和無人農(nóng)藝、標(biāo)準(zhǔn)體系，通過標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)引領(lǐng)無人農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。加快智能裝備、無人駕駛、北斗導(dǎo)航、精準(zhǔn)作業(yè)監(jiān)測和農(nóng)業(yè)信息采集等智能化、信息化裝備和平臺的技術(shù)指標(biāo)、鑒定檢測方法研究，加快相關(guān)產(chǎn)品和系統(tǒng)鑒定大綱的制定，逐步建立無人農(nóng)業(yè)農(nóng)機裝備技術(shù)的試驗鑒定技術(shù)模式，提升試驗鑒定供給能力。將更多無人農(nóng)業(yè)技術(shù)列入農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重大引領(lǐng)性技術(shù)，明確農(nóng)業(yè)農(nóng)機推廣機構(gòu)對無人農(nóng)業(yè)的組織培訓(xùn)、推廣應(yīng)用等工作，建立科學(xué)的技術(shù)推廣試驗示范工作方案，形成生產(chǎn)模式，起到示范和引領(lǐng)作用。依托農(nóng)機合作社等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體打造集成應(yīng)用先進(jìn)裝備技術(shù)的樣板，引導(dǎo)農(nóng)機社會化服務(wù)應(yīng)用智能農(nóng)機和農(nóng)機作業(yè)管理信息平臺[10]。

3.5 加強組織規(guī)劃引導(dǎo)，統(tǒng)籌資源協(xié)同推進(jìn)

無人農(nóng)業(yè)是一項系統(tǒng)工程，涉及農(nóng)機農(nóng)藝、機械化信息化融合，需要農(nóng)機和農(nóng)業(yè)方面的政府部門、生產(chǎn)企業(yè)、推廣機構(gòu)、行業(yè)協(xié)會和科研院所等多方密切協(xié)作，圍繞無人農(nóng)場技術(shù)研究、轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)、推廣、應(yīng)用和服務(wù)等環(huán)節(jié)，做好頂層設(shè)計，強化無人農(nóng)業(yè)的宏觀指導(dǎo)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。加快推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，吸收宜機化、無人農(nóng)業(yè)建設(shè)要求，加快土地流轉(zhuǎn)實現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營，為無人農(nóng)業(yè)創(chuàng)造一個良好發(fā)展環(huán)境。整合并逐步完善農(nóng)業(yè)信息平臺，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)共享，擴寬信息服務(wù)面，協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)信息機構(gòu)做好智能農(nóng)機系統(tǒng)與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的接入、運維等工作。探索完善市場化運行模式，構(gòu)建以科技創(chuàng)新為牽引、生產(chǎn)企業(yè)為主體、市場需求為目標(biāo)的無人農(nóng)業(yè)協(xié)作發(fā)展模式。

4 結(jié)束語

目前，我國無人農(nóng)業(yè)發(fā)展雖然取得一些經(jīng)驗、形成了一定技術(shù)積累，但大部分都屬于試驗示范的探索階段，技術(shù)還不太成熟，智能化程度偏低，應(yīng)用成本偏高，還處于一個無人農(nóng)業(yè)發(fā)展的初級階段。需要緊緊抓住智能農(nóng)業(yè)、無人農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期，匯集行業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)企業(yè)、科研機構(gòu)和服務(wù)組織的力量，齊心協(xié)力、共享合作，在技術(shù)推廣、政策支持和科技引領(lǐng)等方面全方面加大推進(jìn)，加快智能農(nóng)機技術(shù)研發(fā)、模式集成、協(xié)同機制和政策支撐，為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興奠定堅實可靠的科技和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。