胡炼：无人农场的关键技术与实践

胡炼教授“无人农场的关键技术与实践”直播回放

“无人”概念在这几年可以说是风风火火地占据了各大头条，无人机、无人商店、无人仓库等，在我们的农业领域也是紧跟着这个潮流，启动了无人农场农业项目。其实早在2017年，山东理工大学兰玉彬教授就已经提出了国内首个生态无人农场设想，并且落地山东淄博建立国内首个无人农场试验项目，而我们健坤网络也全程参与到首个无人农场项目的大田物联网以及大数据云平台的建设中，项目效果多次获得行业和媒体的高度点评。

无人农场已经不再是一个未来的概念，它已经落地成型，也是农业发展的一个趋势。依托生物技术、智能农机和信息技术，通过天、空、地一体化获取农情信息，采用地、空一体化智能农业机器人和农业装备等协同作业，实现农业生产环境的智能感知、智能分析、智能决策、智能预警以及专家在线指导，达到绿色生态化、农业生产的无人化、精准化种植，可视化管理和智能化操控的目的，形成可复制易推广的生态无人农场新模式。

今天 “AI·农业智汇云讲堂”的第十九期，主题是“无人农场的关键技术与实践”。直播嘉宾是无人农场关键技术领域的专家——华南农业大学工程学院教授、硕士生导师胡炼教授。‍

前言

01

农业1.0至农业4.0的演进‍‍‍

01

农业1.0

是以人力与畜力为主的传统农业，是农业社会的产物。

02

农业2.0

是指机械化农业时代，是工业社会的产物。

03

农业3.0

是高速发展的自动化农业时代，是信息社会的产物。‍

04

农业4.0

是以无人化为特征的智能农业时代，是智能社会的产物。‍

02

农机1.0至农机4.0的演进‍

01

农机1.0 从无到有（补课）

特点：机器代替人力和畜力作业

02

农机2.0 从有到全（普及）

特点：全程全面机械化

03

农机3.0 从全到好（示范）

特点：用信息技术提升农机化水平‍

04

农机4.0 从好到强（探索）

特点：自动代，智能化，农机+互联网‍

03

无人农场概念‍

全天候、全过程、全空间的无人化生产作业是无人农场的基本特征。

01

耕种管收生产环节全覆盖

即覆盖农作物生产中的耕整、种植、田间管理（水、肥、药）和收获的各个环节；

02

机库田间转移作业全自动

即农机自动从机库转移到田间，完成田间作业后自动回到机库；

03

自动避障异况停车保安全

即在农机转移和作业过程中能实现自动避障，遇到异常情况能自动停车，以确保安全；‍

04

作物生产过程实时全监控

即能对作物生产过程中的长势和病虫草害情况进行实时监控；

05

智能决策精准作业全无人

即能根据作物的长势和病虫草害情况及时作出决策并自动进行精准作业，包括精准灌溉、精准施肥和精准施药等。‍

无人农场的关键技术

生物技术主要为无人农场生产提供适应机械化作业的品种和栽培模式；

智能农机主要为无人农场生产提供智能感知、智能导航、智能作业（精准作业）和智能管理；

信息技术主要为无人农场生产的信息获取、传输和处理，农机导航与自动作业，农机远程运维管理提供支持。

智能农机

01

智能感知‍

带

GNSS

的土壤耕作阻力测量装置‍

带

GNSS

的土壤采样器 ‍

稻田水层高度及土壤含水量无线传感器网络

作物养分信息

飞翼无人机遥感监测平台

多旋翼无人直升机遥感监测平台

基于主动光源的作物长势测量传感器

02

自动导航‍

导航定位与姿态检测技术

基于北斗和MEMS惯性传感器的农机姿态估计

农机北斗定位的多传感器信息融合技术

导航控制技术

01

路径规划

02 
路径追踪

03 
自动规避

04
主从导航

全区域规划作业路径规划方法

路径跟踪控制

旱地：在行驶速度18km/h内，路径跟踪精度2.5cm（2RMS）。‍

水田：在行驶速度8km/h内，路径跟踪精度4.4cm（RMS）。‍

农机避障导航

对于固定的障碍物采用绕行方法，而移动障碍物采用停止作业的方法。‍

农机主从导航技术

液压转向自动导航系统

电机转向自动导航系统

实现的全自动导航作业

03

精准作业‍

精准耕整

平整路径智能规划

水稻直播

系统生成的施肥作业处方图

变量施肥无人机

作物株间机械除草

水稻机械除草

无人驾驶水稻联合收获机

水稻联合收获机测产系统

研制成功双板差分冲击式产量传感器，通过软件差分算法，消除了联合收割机振动信号对产量传感器的影响,不同的流量下测产系统的误差在3%以内。

无人驾驶花生收获机

04

智能管理‍

智能管理系统

无人农场实践

01

无人农场是现代农业的发展方向

现代高科技技术集成;

提高作业质量：对行精度2-3cm；

提高产量2-3%降低生产成本：3-8元/亩

实现全天候不间断作业：提高农机利用率

提高土地利用率：0.5-1%

提高肥药利用率：5-10%

02

无人农场是产业化发展需求国家建设智慧农业的需要

为现代农业建设提供总体解决方案

为解决“谁来种田”和“怎样种田”提供科技支撑‍

无人农场1.0技术路线

旱地旋耕

旋耕作业

播种作业

喷雾

施肥

收获

结论

※※※※

无人农场是智慧农业的一种生产方式，是实现智慧农业的一种途径。

无人农场应有五个功能：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；智能决策精准作业全无人。

无人农场依托三大技术支持：生物技术、智能农机和信息技术。

智能农机应有四个功能：智能感知，自动导航，精准作业，智能管理。

推广无人农场应有较好的基础条件，地块较大，机耕道和灌排设施较好，卫星信号和网络信号好。‍

胡炼教授“无人农场的关键技术与实践”直播

——观众提问集中回答

目前在国内，无人农场的一些实际案例更多是在北方，那在我们南方推广无人农场模式是否可行呢？与北方的无人农场的推广区别在哪里呢？

为什么要把无人农场分南方和北方？可能原因是认为北方地块比较大，南方地块小，丘陵山地多。

我认为从技术上面来讲，不管是南方、北方，大田块、小田块，在技术上是没有问题的。但是会涉及到如小地块作业效率低，小地块大机械下去是否合适等问题。

南方也有很多地方是平整的、比较大规模的。比如目前有很多对接开展无人农场的地方，包括上海、贵州、北方黑龙江等地都有一些探讨如何开展无人农场的研究。目前只需要基础设施能够满足就能够开展无人农场。

无人农场也是一个逐步推进的过程，不可能一下子全部实现无人农场，还需要一个比较长期的过程。可以先从有条件的地方开始示范推广。

胡教授，无人农场在实施的成本上较高，推广的社会价值是否能够与之相匹配呢？

现在还处于研究阶段，所以并没有过多考虑成本。但是从做的过程中，我们发现无人农场的成本高在实现无人驾驶这方面。将原来的机械进行改造，这方面的成本比较高。

从导航这方面来讲，中国的农机导航成本很低。目前的趋势来看，以后的拖拉机会直接配上导航系统。

无人农场是未来的趋势，随着自动化程度提高，愿意种地的农民越来越少。像这样工作都是较热气候的比较辛苦与重复劳动的事，慢慢都会实现无人化的趋势。

目前还未算经济账，但是未来肯定会成为趋势。因为解决了人们在重复劳作上耗费的时间，可以花时间在更有意义的事上。

胡教授，无人农场要求基础条件比较好，连片的土地，那实际应用实践受限因素还是很多，毕竟在很多的场景上不一定满足这类条件，有没有一些关键技术能够破除这些困境呢？

这个还是在关键技术方面。一个是农机本身，自动化程度会越来越高，各个农机的厂商也都投入了更多的研发，也研制了很多自动化程度比较高的农机。这些智能农机可以帮助我们克服各种困难。以后大型机器、小型机器可以适应农业各个阶段的生产。

另一方面就是路径规划等相关技术。需要更加智能适应不同的地形。包括现在国家的农田改造工程，有越来越多的田改造成高标准农田。如果这方面可以相互配合就能够更加紧密。

再有就是关于地形地图，有关行驶坡度，在地图中都需要考虑。之后从低坡地段到高坡地段都可以在无人农场的地图中体现出来，和行驶的控制做一个紧密的联系。让农机的作业、转移都能够适应比较复杂的环境。

最后还有和汽车的自动驾驶一样，当农机在路上进行转移的时候，可能会要求很高，涉及到和车辆、人的交汇。目前我们希望能够把环境控制住，减少人和车辆的进入。后期当自动驾驶技术更加全面，设施更加完善之后，农机的自动驾驶也会更加智能，实现更加智能的无人农场。

胡教授，无人农场既然推崇“无人”概念，会不会让农民这个职业逐渐消失呢？是否会有冲突？

这是在无人化过程中，大家都在说的一个问题，其他如机器人代替工人都有这样的担忧。其实目前都是替代枯燥的、反复的劳动，用无人化机器人会更加智能与迅速，更加准确，也做的更好，与此同时，人也是少不来了的。

之前在交流时，遇到一位说他是做快递分拣的，但是现在不做分拣了，因为有机器人代替他分拣了，他所做的就是管理机器人。

因为农业是一个非常复杂的过程，涉及到非常多的农业知识，初级阶段还需要人管理无人农场，不仅管理生产，还需管理机器。所以农民是不会减少，或者不会失业，因为目前完全无人还是做不到的，需要人来介入，只是人的工作更加轻松。管理机器、什么时候种什么作物等方面需要人进入。

胡教授，智慧农业在国内发展到了什么程度？有哪几种形式开展推广？

智慧农业随着整个农业使用物联网、传感器等装备已经到了一个比较大的应用阶段。包括现在对农业环境的监测，各个环节都有相关传感器，数据也能传输到大数据中心，这一块已经比较成熟了。后期会进行大数据的挖掘、应用等方面的开展。

智慧农业关于农业技术管理这一方面来讲比无人农场更超前一些，更快一些，它的应用也会有很多，比如温室大棚的设施管理都是智慧农业方面的。这方面已经有一些应用了，后面的大田、养殖会更加深入，更加偏向于生产需要，提高产量，降低成本等方面。

国家有哪一些政策类型是指向智慧农业或者数字农业的？

从国家的科研立项等各方面可以知道都在这方面推进，包括农田建设、智能农机装备的研发等各个方面都往这一块推动。这也是国家非常重视的。这方面会越来越快地发展。

胡教授，在无人作业过程中，我们要如何解决加种加肥的问题？目前这个方面的研究进展如何？

这是我们比较关心的问题，我们在做无人农场实践的时候，我们所有的都是通过分析计算，比如种子肥料前期都规划好了，能否满足这次的作业。

现在我们也遇到了这样的问题，目前满足不了，目前的方法是人工介入。比如拖拉机、无人农机自动回来，到机库进行添加，亦或是在田头某个地方停车之后人为添加。目前种小麦的时候采用这种方式，可以接续补给进行作业。

后期我们的规划是有补给的农机，它会去送，就和收割协同作业一样，两个机器进行协同作业。它将种子或肥料送到无人作业拖拉机的旁边进行协同。就类似把收粮反过来。

这是后期的设想工作，可能下次就能够设计出来。

当然还有更多的方式，也需要更多人的研究，需要更多人参与讨论。将无人农场的相关技术实现好。

如果有问题想继续与胡教授交流，欢迎在评论区下方留言或者发送邮件交流。