广东省智慧果园与智能农机现状分析与发展建议*

文/李沐桐

[编者按]

广东水果生产主要以丘陵山区的亚热带果园为主，果园的复杂环境限制了传统农业机械装备和数字信息化建设。5G技术的逐渐成熟和人工智能技术的快速发展，为智能农机与智慧果园的发展提供了新的技术支撑和转型空间。本文结合目前国内外相关前沿技术，针对广东省果园机械化、智能化和信息化现状，分析了近几年亟待解决的关键技术，并围绕广东省果园分布概况和种植特点，对未来智能农机装备和数字化智慧果园的建设发展提出了若干建议。

根据《广东省统计年鉴》统计，截至2018年，广东省果园种植面积约1500万亩，占全国水果种植总面积的8.55%；水果总产量1547.81 万吨，占全国水果总产量的8.67%，尤其是广东省的水果品种根据地区差异具有多元化特性（具体产业带和产量分布如图1、2所示）。然而，由于多处于非结构地形的丘陵山区复杂环境，传统农业机械化装备和智能化设备并不能较好地应用到果园的生产和使用中，严重制约了广东果园的生产效率和经济发展。本文从科技创新、技术支撑、政策导向、资源融合等方面梳理了广东省果园的现状和问题，并提出在未来几年内需要重点建设和突破的方向，为加速推动广东省林果产业在智能装备和智慧管控方向的建设发展提供参考和指导意见。

图1 广东省主要水果产业带分布

图2 2017年广东省果园水果种类产量结构

广东省智慧果园与智能农机现状分析

近年来，政府为促进农业产业高质量发展，陆续制定支持政策和措施。如《广东省人民政府关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的实施意见》（粤府函〔2019〕428号）提出加快推进智能农机示范应用、推广先进适用的农机装备与机械化技术、提升农机装备技术创新能力、完善农机装备产业配套等目标；此外，国家《乡村振兴战略规划（2018－2022年）》也进一步提出大力发展数字农业，实施智慧农业工程和“互联网+”现代农业行动，鼓励对农业生产进行数字化改造，加强农业遥感和物联网应用，提高农业精准化水平。

随着相关政策的加大推进和有力支持，不难发现，未来农机装备的信息化、智能化建设和果园生产的智慧化管理模式将开始全面升级和转型。围绕广东省果园农业生产链发展需求，下文将探讨加强农机装备信息化、智能化建设的具体方式，分析农业机器人、农机作业监测等方面研制路线，为加快推动物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等信息技术在农机装备和果园管理方向上的应用提出实施手段（总体建设架构见图3），具体形成如下内容和观点。

1.果园人工辅助式智能农机装备模式升级

（1）智能农机装备拥有较大发展空间

首先，按劳动力走势和产业导向现状来看，据国家统计局大数据显示，2009－2018年，我国城镇人口与乡村人口比例发生了巨大的变化，10年内，乡村人口大量涌向城镇，乡村人口由2009年的6.8亿人降至2018年的5.6亿人（如图4所示），在珠三角、长三角区域尤为集中。另一方面，根据2010－2018年三产业对国内生产总值（GDP）贡献率的统计数据可知（如图5所示），10年内，我国的第二产业产值出现了严重下滑，实体经济节节败退，取而代之的是第三产业的崛起性爆发。截至2018年年底，第三产业总产值约为一二产业产值总和的2倍，市场占有量约为62%，其中网络、文娱、虚拟消费按行业的占比较多，其消费群体也占多数。

图3 智慧果园与智能装备协同模式

图4 2009-2018年我国城镇人口与乡村人口

图5 2010-2018年我国各产业对GDP的贡献率

传统的农业机械装备属于服务于第一产业的第二大产业范畴。近年来，我国各省份农业种植面积和产量的变化幅度较小，第一产业相对稳定，而第二产业出现产值下滑。主要原因：一是供求关系失衡，具体表现为农村劳动力大幅度减少，作为主要消费群体的青年集中流向城镇，田间农用作业装备操作人员老龄化严重，导致农机行业类的企业产品滞销，高校、科研院所的高成本研发投入不能得到有效应用；二是第三产业多元化发展，消费者结构发生巨大改变，且虚拟消费模式、文娱行业对第二产业冲击较大，青年劳动力多数进入第三产业就业，导致实体农机装备产业就业者逐步递减，形成了目前无人种地、产能过剩的现状，因此，传统的农机装备作业模式进入了升级转型的必要阶段。

（2）智能农机装备发展新模式

根据上述背景，将传统农业机械装备与第三产业相关领域融合，建立适合广东省果园生产的可消费式远程作业平台，全面完善各类特色农机装备，提供真实-虚拟实施操控就业岗位，规范标准化培训体系，形成新型农机装备产业雏形，进一步加速农业装备向智能化转型。具体建设内容如下：

① 完善适合广东省农业生产各个环节的农机装备、关键部件、核心装置的基础性技术研究，提高适合在坡地、复杂环境行走底盘的通用性和可靠性。

② 搭建匹配农机装备的网络客户端平台，开发远程沉浸式农机装备终端作业控制程序，实现多感知、人机交互式操控作业，初步建立整体功能性系统，形成可反馈测试模式。根据广东省果园特点，可有针对性开发除草类、喷药类、采摘类、施肥类、运输类等功能装备，建立多接口人工辅助式智能装备工作模式（见图6）。

图6 多接口人工辅助式智能装备工作模式

③ 提高农业地理信息地图定位技术，优化田间地形测绘技术，建立农田领域地图大数据共享数据库，开发适用于农机装备实时路径导航功能软件。

2.基于大数据计算的智慧果园示范建设

2.1 智慧果园辐射示范区基础建设

广东水果产业是最具岭南特色的广东农业标志性产业。但总体而言，广东水果产业仍处于传统农耕生产的状态，大而不强的特征显著，要实现高质量发展尚需克服较多产业短板和技术瓶颈，尤其是机械化与智能化控制水平普遍较低。推进精准农业、绿色农机等标准的落实，积极开展“果园生产全程机械化、果园生产全程信息化、果园生产过程智慧化”的智能装备化绿色高效现代示范园创建工程，建设一批科学化、产业化、机械化和信息化完备的智能装备化绿色高效现代示范园，逐步智能装备化绿色高效现代示范园，积极发挥智能装备化生产引领作用，辐射全省种植主产区，全面提升产业现代化水平。

（1）通过数字农业建设，对种植环境和农机作业精准感知——知天而作，发展精细化种植模式。以高度的农机化信息化融合，实现信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、精准调度、精准灌溉、产业链融合，全面提高种植全流程管理服务和经营效益水平。

（2）利用全面感知、可靠传输、先进处理和智能控制等技术的优势，实现精确、集约、可持续生产。通过物联网技术长期收集有效数据，结合数据平台分析，用科学数据反馈种植，逐步实现优质种植标准化、自动化、智慧化，实现种植提质增效。

（3）运用卫星导航定位、物联网传感、地理信息系统 （GIS）和无线通信技术，实现对种植环境和农机作业精准感知，实现信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、精准调度、精准灌溉、产业链融合，全面提高果园种植全流程管理服务和经营效益水平。

2.2 智慧果园决策指挥云服务平台开发

利用人工智能、物联网、大数据、云计算等新一代新技术，构建智慧果园的“中枢神经”与“智慧大脑”，研发“数+云+端”协同的智慧果园决策指挥云服务平台，实现智能感知、智能分析、智能决策、智能作业、智能调控、智能预警。主要实现内容包括：

（1）决策指挥一张图。

结合电子地图、果园全景、监测数据，在一张图上实现数据管理、数据接收、数据集成、数据可视化功能，实现数据汇聚、数据展示、决策分析等。

（2）一树一码标准管理。

对果园进行数字化建模，对土地资源分区、果树品种资源、农业装备等进行整编入库，实现空间分布管理。对每一株果树进行编码，并能准确定位查找到该株果树的具体位置和相关信息，为果园智能管理提供基础支撑。

（3）果园环境信息感知与决策运算。

集成果园环境感知设备，包括空气温湿度、光照、大气CO2、土壤温湿度、土壤PH 值、土壤EC 值、太阳照度、果园病虫害监测等信息采集传感器或监测器，建立果园感知分析模型，实现果园环境的智能感知和决策分析。

（4）智能农机作业决策指挥。

集成果园多场景目标识别算法，实现对农机装备的决策支持、作业监控、指挥调度和设备预警等，如可远程调度式多功能单轨运输机可自动返航到充电点，可远程操控运行到指定位置，可实时显示轨道运行位置、载重量、行进速度、倾斜角度和轨道状态，同时，可实现启动监测、红外视频监控等，对于超载、超速、障碍物等状况系统自动发出警报。

3.亟待攻克的关键技术

针对广东省果园农业现代化与乡村振兴战略的重大需求，需重点突破智能农机装备、数字信息高速处理等核心技术、“卡脖子”技术与短板技术，实现农业生产“机器替代人力”“电脑替代人脑”的转变，提高山地果园种植智能机械化水平，提高果园生产效率、效能、效益，引领现代农业发展。重点攻克果园环境感知、自主作业避障、精准定位导航等应用基础技术，为果园全程智能机械化装备的研制和智慧管理模式建设提供基础技术支撑。具体涉及的关键技术研究如下：

（1）农机自动驾驶底盘研究。

研究提升机器对环境的适应能力及灵活性；研究基于S 函数控制算法，根据转弯半径的大小自动调整两侧履带的速度，提升底盘运行稳定性；研究采用锂电池动力驱动系统，通过实时监测终端与云平台分析，对底盘的工作能力进行判断与分析，利用自插自充技术维持电量稳定性，提升底盘续航能力。

（2）自动导航控制技术研究。

通过在机器两端设置距离自适应调节器、车辆运动状态预估器和抗饱和积分器，构建基于预瞄跟随的复合路径跟踪控制方法，提高农机导航控制的精确性、稳定性和适应性。利用全球导航卫星系统（GNSS）定位和数传通信，研究相对定位定向反馈的平行跟踪解耦控制算法，构建多机协同作业的农机主从导航技术，降低农机作业跟踪误差。利用三次样条曲线拟合的避障路径规划方法，研究障碍物绕行的Bug 避障导航算法，实现动静态障碍物的避障作业。

（3）自动驾驶精准路径技术研究。

根据一般山地果园非标准化的特点，建立用户示教模式，实现基于深度学习的人工示教规划路径：①根据果园的特定环境及作业模式，示教出果园作业路线，并对该路线做稀疏化和格式化技术处理；②建立路线循迹耦合模型，通过高精度定位终端来循迹示教路线；③无人农机自行走动态调整算法，并结合循迹耦合模型，使无人农机能够精准地再现示教路线。

（4）作业工况监测技术研究。

构建多点多源无线传感器监测系统，实时监测农机具的运行参数、运作状态、地理位置等信息，并进行综合分析，掌握各农机具的工作状态。利用北斗系统，绘制农机作业轨迹；发展多模式的面积计算方式，结合视频图像识别，解决作业轨迹交叠、地块重复作业等问题。

（5）基于深度学习的识别网络模型研究。

基于人工智能深度学习，研究建立识别网络模型，通过训练样本，同时调节网络模型及参数，不断降低损失因子，提高模型识别准确率；研究双目视觉识别算法，通过相机内、外参数，建立双目相机数学模型和相机误差校正模型，计算双目图像的视差；根据深度学习识别结果获取视差图中水果的深度信息，最终计算出相机坐标系下的空间三维坐标。

（6）基于空天地一体化高精度果园动态监测体系研究。

综合应用天基（高分卫星、多源卫星）、空基（无人机航测、机载激光雷达）、地基（固定式传感器、便携式采集设备），构建基于空天地一体化高精度果树动态立体化监测体系；提供面向观测任务的优化组合方法和观测模型评价指标，以支撑空天地多传感器的协同、动态、立体观测。

（7）“数-云-端”融合应用模式研究。

研究数据模型、云平台、智能农机的融合应用模式，智能化和多样化的农机极大优化和丰富了云平台的功能，形成云端互动；云平台的大范围使用能够极大地提升数据采集汇聚能力，汇聚大量数据；通过数据运算，融合深度学习和模型算法，将进一步提升智能农机的智能化和多样化，满足智慧果园不断变化的场景需求。

对广东智慧果园未来发展的对策与建议

扩大果园配套机械研发支持

支持果园果树修剪、碎枝技术及装备研制，果园智能除草技术及装备研制，果园开沟施肥装备研制，果实高架采摘平台研制，输运装备与非定向运输装备研制，果园植保喷药技术及装备研制，为产业机械化作业、规模化生产创造条件，构建果园高效机械化生产模式。形成一批整形修剪碎枝、除草作业、土壤改良、收获作业、搬运运输作业装备、病虫害防治等“专精特新”的农机装备。

加速建设标准化果园、示范园建设工程

鼓励主产区建设标准化果园，涵盖园区机耕路建设、施肥施药配套设施建设、品种优化、绿色防控、果品商品化处理、品牌推广、质量体系建立等项目。选取部分条件成熟的果园进行果园道路硬底化，建设照明系统、农资仓库等，建设简易水肥一体化灌溉和喷药系统。以绿色增产、节水高效、智慧精准为导向，以技术装备集成推广为支撑，建立现代化栽培技术体系，全面推广标准化生产，打造一批立地条件好、配套设施完善的规模化标准园。

实施三产融合行动，推进产业化转型发展

着力推动农业果园产业与休闲、旅游、文化、科普教育、养生养老等产业深度融合发展的新模式，以加工业和现代服务业带动产业转型升级，建设产业大数据平台。通过连接在建和拟建的现代产业园、智慧果园、数字农业示范园等项目的数据网络，对接国家龙眼产业技术体系数据库，建设高水平的产业数据资源平台。通过及时监测、收集、整理、分析产业生产、流通和消费领域实践运行数据，及时掌握一二三产业发展动态，发现问题，研究解决方案。