无人农场的代际演进动力及路径研究

张彦军，刘利永，李道亮，牛曼丽

（1.北京市科学技术情报研究所，北京 100045；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；3.北京市农业技术推广站，北京 100029）

农场是重要的规模化、组织化农业生产模式之一，对于提高劳动生产率、土地产出率和资源利用率具有重要意义。随着技术的不断进步，农业生产力加速提升，农业生产方式持续改进，农场形态也随之经历了1.0到4.0的漫长演替。农场4.0即无人农场，是新一代信息技术、智能装备技术与先进种养殖工艺深度融合的农场发展必然趋势和终极目标。当前，与无人农场有关的信息技术突飞猛进，是无人农场演进的关键驱动因素，国内外关于农业信息技术的研究十分广泛，但是无人农场仍处于概念完善和试验验证阶段，关于无人农场发展的研究尚为空白。本文基于技术发展和历史演进的视角，通过对无人农场不同进阶状态的分析，以探究无人农场演进的动力因素，试图明确无人农场的动态演进路径。

1 农场1.0到4.0的历史演替

农场因其特殊的规模效应，在农业生产领域扮演着重要角色。农业生产方式的变迁，是推动农场历史演替的核心要素。从传统农耕时代到当今的信息时代，在漫长的历史进程中，伴随农业的发展，农场大致经历了4个主要的发展阶段。

1.1 农场 1.0——传统农场

传统农场是指以提高农业生产力为根本目的，通过组织化的方式，大量集中劳动力和生产工具，具有土地规模较大、边界相对固定等特点的农业生产场地。传统农场的农业生产以人力、畜力为主，劳动力和土地处于核心地位，劳动工具基本均为铁器和畜力机械，农业生产方式延续了古老而原始的传统农耕方式。

传统农场历史悠久，中国最早的传统农场是汉武帝时期（公元196年）开始的屯田［1］，屯田制的基础就是大量连片农田形成的农场；欧洲传统农场的源头是中世纪晚期的封建领主庄园［2］，17世纪圈地运动时期农场成为欧洲农业生产的基本单位［3］。在20世纪初以内燃机为动力的农业机械广泛使用前，传统农场一直是农场的主流形态，存在了近两千年。如今只有部分欠发达国家或者立地条件不适宜动力机械作业的区域还存在一定比例的传统农场。我国传统农场基本已消亡，尚存的传统农场规模较小，普遍转型为以农业休闲为主的农耕园区，农业生产的价值早已被文化体验所取代。

1.2 农场 2.0——机械化农场

机械化农场是在传统农场基础上，利用各种动力和配套农机具装备农业，大量使用现代农业机械取代人力和畜力作业，进行更加专业化、社会化和企业化的农业生产组织管理的农场形态。机械化农场促进了生产力的极大发展，不仅大幅提高了劳动生产率，还显著降低了劳动强度和生产成本，推动农业生产由主要依靠劳动者数量增加和土地面积扩大的粗放型生产模式，逐步向主要依靠农业机械等技术进步的集约型生产模式转变。

从全球农场的发展历史来看，机械化农场的发展离不开两次工业革命的推波助澜，伴随农业机械的发展，大致经历了三个阶段。半机械化阶段（19世纪至20世纪初），传统农场大量使用马拉收割机等新式畜力农业机械［4］。基本机械化阶段（20世纪中期前后），第一次工业革命推动以内燃机为动力的拖拉机逐步取代畜力，其后又出现汽油动力和电力，农业机械逐步由牵引式转向自走式，这一阶段欧美主要发达国家先后实现了农业机械化［5］。综合机械化阶段（20世纪70年代），第二次工业革命迅速传导，电气化农业机械不断增多，农业机械在性能、质量、功率、使用率等方面有了巨大提升，并开始融合信息通信技术、计算机网络技术等先进科技，逐步向更高阶的农场形态过渡。

我国农业机械化起步晚，与之相应的机械化农场出现也较晚。新中国成立初期，我国农业机械化的基础十分薄弱，全国农业机械总动力仅8.1万千瓦，拖拉机仅200余台。改革开放后迎来了机械化大发展时期，尤其是农垦的农业机械总动力、机耕率、机播率、机收率大幅提升。2008年“十七届三中全会”首次提出有条件的地方可以发展家庭农场，引发家庭农场迅猛发展，截至2018年底进入农业农村部门名录的家庭农场有60万家，家庭农场成为我国机械化农场的主角。2019年，以各类农场为应用主体，全国农作物耕种收综合机械化率超过70%，标志着我国正式进入了机械化农场时期，开始向更全面、更高质量的机械化挺进。

1.3 农场 3.0——自动化农场

自动化农场是具有自动控制功能的各类农业机械，通过农场信息管理系统和农业生产作业管理系统，将农业装备与农场管理、农业生产作业相互关联，实现农业生产管理自动化的新一代农场。自动化农场为高质量推动农场规模化经营提供了有力保障，特点是农业生产管理高度智能，但是仍然离不开人的操作和管理。自动化农场更契合当今社会发展的高效、节约、绿色的理念，有利于节约生产资料，实现土地利用率的最大化，在调动土壤生产力和改善环境方面能够取得最大的经济效益和最佳的环境效益。

自动化农场的进程明显快于机械化农场，主要分为三个阶段。初步发展期（20世纪晚期），电子技术应用于农业机械，实现了农业机械行走导航、作业状态监控和故障报警等方面的自动化，并随着农业专家系统等信息管理系统的应用，机械化农场向自动化农场加速转型［6］。高速发展期（20世纪末），随着计算机和网络技术的广泛应用，农业机械配备了自动控制、GPS等信息化模块，形成了自动化的农业装备，能部分取代人工作业［7］。广泛应用期（21世纪初），智能农业技术快速发展，出现了智能农机及其大数据平台，自动化农场开始向精准农场、智能农场发展［8，9］。欧美发达国家利用早已实现农业机械化的优势，借助网络通信技术发展，目前大部分农场已实现高度自动化［10］。

我国自动化农场起步于20世纪80年代农业专家系统的研究，以国家级、省级现代农业示范区为支撑，一些基础较好的现代化农场、农业园区在自动化农场的示范应用方面开展了大量探索，自动化农场的比例逐步加大，但受生产环境、成本等因素影响，自动化农场尚未成为我国农场的主流形态，总体仍然处于机械化农场向自动化农场的过渡阶段［11，12］。

1.4 农场 4.0——无人农场

无人农场是劳动力不进入农业生产作业现场的情况下，采用物联网、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息技术，通过对农场设施、装备、机械等远程控制或智能装备与机器人的自主决策、自主作业，完成所有农场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间无人化生产作业模式［13］。“无人化”即装备代替劳动力的所有工作是无人农场的本质，全天候、全空间、全过程的无人化作业是无人农场的基本特征。无人农场能够实现农业生产全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务［14］，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态、安全的可持续发展目标。

在无人农场的研究方面，主要发达国家领先于我国。以作为无人农场研究与应用标志的农业机器人为例，以日本为代表的发达国家纷纷启动农业机器人研发，起步早、投资大、发展快，20世纪80年代以来，嫁接、采摘、除草、移栽、分选和农田作业机器人相继研制成功，陆续进入应用阶段。这些国家农业规模化、多样化、精确化和设施农业的快速发展，有效地促进了农业机器人的发展［15］。我国在20世纪90年代中期才开始农业机器人技术的研发，整体发展水平和速度仍然不及发达国家。

在试验应用方面，全球无人农场总体尚处于发展早期。发达国家高度自动化的农场里开始大量应用各类农业机器人，农场对人的依赖度越来越低，几个人管理一个大农场的类无人农场比比皆是，真正意义的无人农场即将快速推广。近年来，国内外越来越重视无人农场的应用，出现了许多真正的无人农场，例如2017年英国哈珀亚当斯农业大学研究团队率先创建了世界第一个无人大田；同年，日本创建第一个无人蔬菜农场，挪威构建第一个无人渔场；随后美国、澳大利亚、韩国也陆续开始构建无人农场。几乎是在同一时间，我国江苏、福建、山东、北京等地也开始了无人农场的应用探索。国内外争先恐后的试验应用表明，无人农场作为未来农业发展的新模式已经开启。

2 无人农场的进阶形态

无人农场的发展目标是以机器人为主的智能农业装备深度参与农业生产全过程，实现“机器换人”。根据智能农业装备参与程度的不同，可将无人农场划分为三个不断进阶的形态，依次为远程控制、无人值守和自主作业的无人农场。

2.1 远程控制无人农场

远程控制无人农场阶段采用远程控制技术，通过对设施、装备、机械等的远程控制，实现农场的无人化作业。该阶段的特点是仅实现了机器代替劳力，还需要人进行远程操作、参与决策与控制，只是不需要人到现场参与劳作，将人从繁重的体力劳动中解放了出来，因此也可称作徒手农场或有人值守的无人农场。

在远程控制无人农场阶段，机器人的管理决策能力尚未成熟，因而需要对农场动植物的生长环境、动植物的生长状态、各种作业装备运行状态进行24小时全天候监测，并将各种监测数据存入云端，根据监测信息开展农场作业与管理，从而有效提高设备利用率和管理效率，确保机器人的作业过程安全可靠。

全空间无人化是远程控制无人农场的主要特征。通过高精度传感技术、电子技术、地理遥感技术、机器人技术等综合应用，促使智能化、自动化农业机械装备技术得到快速发展，这些智能装备与自动驾驶技术融合，具备了无人化操作能力，因而在农场的任何物理空间和作业现场，均不需要人的现场介入，只需要通过远程控制，智能化的无人设备就能够完成物理空间的移动作业，并实现固定装备与移动装备的无缝对接。

2.2 无人值守无人农场

无人值守无人农场阶段无需专人24小时在监控室对农场装备进行远程操作，系统可以自主巡航作业，但仍需要人的参与，主要是进行作业指令的下达与生产管理的决策。该阶段人参与农场生产过程的时间大大缩短，无需时刻值守，必要时参与决策管理即可。

在无人值守无人农场阶段，各类农业机器人的数量不断增多，不同形态和功能的机器人间的协同协作更加紧密，同时各类农业生产模型逐步成熟，信息系统的智能规划和闭环控制能力更趋强大，基本能够实现农业生产作业的全程自动控制，农场与人的交互进一步减少，人在农场中的角色实现了从控制者到决策者的转变。

全天候无人化是无人值守无人农场的主要特征。利用人工智能、视频监控、图像识别等技术，集成农业专家智慧与知识的决策支持系统能够实现农场可视化远程监测、远程控制、灾害预警等智能管理，即使在无人值守的情况下，包括机器人在内的各类智能设备也能按照既定的作业规划开展全天候作业，无需人的实时操控。

2.3 自主作业无人农场

自主作业无人农场阶段完全不需要人的参与，农场的所有作业与管理，都由云管控平台自主计划、自主决策、自主作业，全体装备协同自主完成所有农场业务，是完全无人的自主作业农场，也是农场发展的终极形态。

在自主作业无人农场阶段，农业机器人能够实现自主控制、智能决策，通过物联网、大数据、云计算、人工智能等技术，综合协调农业生产环境、动植物生长体征、农业生产装备甚至农产品的储运分销等数据，作业管理能够精确到每一株作物或每一个动物个体，实现智能、柔性、精细化生产作业，并将人彻底从农业生产管理中解放出来。

全过程无人化是自主作业无人农场的主要特征。在高度智能化的农场生产管理场景中，农业生产的各个环节、各个工序都由机器人自主自动完成，特别是业务对接环节，均由装备之间通过通信和识别，完成自主对接，整个生产管理过程中无需人类以任何方式参与。

3 无人农场的演进动力

无论是从传统农场到无人农场的代际演进，还是无人农场自身形态的进阶，都离不开多种动因的共同作用，演进的前提是农业已具备按工业化模式发展的基础，真实而迫切的市场需求是演进的源动力，技术进步则是演进的直接驱动力，不断利好的农业政策更是加速演进的助推器。

3.1 工业化模式推动

长期以来，农业人力密集、技术低端、效益不佳的形象已经深入人心。随着时代的发展和技术的进步，加之资源环境约束趋紧，正在倒逼农业生产方式加速变革，工业化发展模式或许可以成为农业发展的有效路径，这是因为农业已具备按工业化模式发展的基础。

农场规模化初具。欧美发达国家之所以达到了自动化农场高度发展的阶段，一个重要原因是农场的规模化为自动化机械提供了用武之地。近年来我国土地流转加快，催生了一大批规模适度的家庭农场、企业化农场。土地的集中，使农业具备了形成规模效益的基础，扫清了农业按照工业化模式发展的主要障碍。

产业化基础增强。随着规模的不断扩大，家庭农场逐渐由家庭式经营向企业化经营转变，即家庭农场使用一定的生产资料，以现代化企业的经营管理方式，从事商品性农业生产以及与农产品直接相关的经营活动。这一变化为农业赋予了工商业属性，农业的外向性将不断增强，使农业具备了产业化基础。

劳动力要素改观。农村青壮年劳动力日益减少是困扰我国农业发展的突出问题，然而在无人农场时代，通过机器换人，传统劳动力变为了高度智能化的机器人，智能农场管理系统摒弃了纯经验式的耕作模式，使农业劳动力要素彻底改观。特别是农业机器人具有不知疲倦、反应快速的先天性优势，适合进行高强度的具有工业化特点的农业生产。

抗风险能力提高。农业高风险、低利润的产业特性较为突出。而无人农场利用信息技术可以更好地调控农作物生长环境，使其更好地满足作物生长需求，从而提高农作物的产量和品质，有利于实现农作物的高产稳产，抗风险能力的提高有助于更好地吸引资本进入。

3.2 市场需求拉动

我国农业生产率较低，加之农业劳动力老龄化迫使人力成本大幅上升，农产品成本中劳动力成本高达70%，导致我国农产品价格全面超过国际水平，缺乏国际竞争力。无人农场为我国农业转型发展，提升国际市场竞争力提供了一条有效的路径。

低成本发展路线加速机器换人。无人农场的初始成本较高，但是其生产效率远远超出人力，通过人工智能可以进行高强度作业，完全可以抵消初始成本，并不断拉低后期使用成本，实现边际成本递减，有利于缓解我国农业劳动力成本走高的问题。随着未来机器人关键部件性价比大幅提升，农业机器人的普及将不断提速。

低强度工作要求为机器人让路。机器人是无人农场劳作的主体，人不再从事农业，或者直接从事农业生产管理的时间大大缩短，只需发现和纠正存在的问题，工作强度大大降低。另一方面，农业机器人效率高、质量高，还能有效避免化肥、农药等化学物品对人体的危害。

职业偏好让人远离农业一线。无人农场科技含量高，改变了农业“土、累、脏、穷”的负面印象，农民不再是辛苦和低端的代名词，能够较好地平衡工作与生活，符合年轻一代追求“体面”工作的期望，农民的职业体验将彻底改变，有利于吸引年轻人加入。

3.3 技术进步带动

无人农场是一个复杂的系统工程，以物联网、大数据、云计算、人工智能为主的新一代信息技术是实现无人农场的关键技术，技术的不断进步将带动无人农场早日普及。

物联网技术为无人农场撑起发达的神经网络。物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，就是运用各类传感器、RFID、视觉采集终端等感知设备，广泛采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息，进行多尺度的可靠传输，再将海量农业信息融合、处理后反馈到智能化操作终端，实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易［16］。物联网相当于无人农场的神经网络，是农场智能化的基础，以优于人为控制的科学性与准确性保持无人农场运行。

大数据与云计算技术共同建构无人农场的经验宝库。农业大数据已成为现代农业的新型资源要素，通过对各种农业对象、关系、行为的客观反映，能够耦合催化三产融合［17］。农业大数据依托于大数据分析，运用大数据理念、思维及技术处理农业数据，发现数据之间潜在联系，能够优化农业生产流程，进而指导农业生产、农产品流通和消费，是实现无人农场必不可少的关键技术。云计算通过互联网实现软件、网络、储存、计算等资源的统一调度与管理，在解决农业生产的分散性、封闭性及滞后性等方面具有显著优势，能够节省大量硬件、软件投入成本，减少对维护人员的需求，弥补当前我国农业普遍存在的农地高度分散、时空变异较大、量化与规模化程度差、稳定性和可控程度低等行业性弱点［18］。利用大数据和云计算技术，能够持续建立和丰富无人农场生产管理知识库，并在迭代过程中超越传统农业生产管理者的经验，形成更加科学合理的生产、经营、管理的方法论，为机器换人奠定了知识基础。

人工智能技术让无人农场拥有会思考的大脑。机器换人是无人农场的核心，能够替换人的机器必须像人一样具备思考能力，在实际的农业生产经营过程中进行判断、决策和技能操作，这一重要条件离不开人工智能技术的支撑。人工智能能够让无人农场自主进行学习训练，在训练过程中不断增长智慧，实现基于案例、规则和知识的推理，从而做出最优化的决策，最终形成超越人类的思考能力，促成机器对人的完全替代。

3.4 农业政策助推

无人农场是农业发展的主要方向，也将是未来农业竞争的主战场。我国老龄化、少子化社会问题加剧，资源环境约束强，农产品的安全保供和优化供给成为社会关注焦点，这些都促使农业政策不断优化，一系列与无人农场技术相关政策的引导和刺激，将加速无人农场的不断演进。

支持创新与应用的农业政策助力无人农场发展。2015年以来，《关于推进农业农村大数据发展的实施意见》、《“互联网＋”现代农业3年行动实施方案》、《新一代人工智能发展规划》等一系列政策文件均提出了加强现代信息技术在农业方面综合应用的要求。在政策的强刺激下，创新链、价值链、供应链将有效联通和整体重构，技术的应用、示范和推广将更活跃，加速实现不同领域的无人农场。

国家战略导向推动社会资本深度参与无人农场实践。在我国乡村振兴战略、数字乡村发展战略等多重国家战略的推动下，国内互联网巨头纷纷结合自身优势，布局智慧农业，阿里云ET农业大脑落地应用，京东以无人机农林植保服务为切入点打造智慧农业共同体，百度联合研发农业遥感智能监测系统，腾讯借助物联网系统和云平台发力农业生产管理、供应链管理和产品溯源。在国家战略的指引下，更多社会资本将进入未来农业领域，大大加速无人农场普及。

4 无人农场的演进路径

世界各国农业的发展先后经历了生产装备化、装备数字化、数字网联化、决策智能化、作业无人化等不同阶段，且阶段间不可逾越，具体到无人农场三种形态的进阶，既要经历一个不断演进的过程，也有其固有的演进规律。

4.1 从人力操控到远程控制

人力操控的机械化农场之所以不能称其为无人农场，是因为在空间、时间两个维度都无法摆脱人的参与，而远程控制农场已经实现了空间维度的无人化，因而可以看作是初级无人农场。

从人力操控农场到远程控制的无人农场，最直接的动因是各类农业机械和装备实现了高度的自动化，能够借助大量的田间设施、设备的传感网络获得准确的作业数据，并借助智能农场系统进行线上作业管理，上述三个条件同时具备，才使得非现场的远程控制得以实现，从而完成了从人力操控农场到远程控制无人农场的演进。

远程农场存在的必要性在于：一是大田、设施等农业生产作业场景的地面平整度、空间距离等方面标准化不足，不具备十分成熟的无人化作业条件；二是高度自动化的农业机械尚处于个体智能阶段，不同农业机械之间的协同、农业机械与作业场景的协同等还需要依赖有人操作的智能系统才能实现；三是农业动植物的本体特征监测手段尚不成熟，尤其是当前还难以准确建立其生长模型。上述三个因素一旦突破，远程控制的无人农场就可以迈向更高阶的无人农场。

4.2 从远程控制到无人值守

无人值守无人农场的进步体现在不仅摆脱了空间约束，还部分摆脱了时间约束，因而比远程控制无人农场更先进，是无人农场的中级阶段。无人值守无人农场虽然还需要人不定期介入生产作业过程，但是已经充分实现了时间自由，并且人的身份从控制者转变成了决策者。

从远程控制无人农场到无人值守的无人农场，最关键的是农业机械达到了高度智能化，不同农业机械之间的协同、农业机械与作业场景的协同等完全可以交由智能系统代为实现，人的主要作用是设定作业参数和进行作业决策。

在无人值守无人农场阶段，人工智能的应用已经十分广泛，大量的农业机械和装备因为有了高度智能，因而可以看作是形态各异的农业机器人，这一阶段的农场里由于机器人频繁穿梭往来，与传统意义上的机械化农场完全是两种观感。然而，这一阶段由于人工智能应对突发、复杂情况的能力不完全具备，同时由于农业生产的试错代价过高，无法完全交由尚未高度成熟的机器人进行作业管理，因而还需要人在关键环节或时点介入。

4.3 从无人值守到自主作业

自主作业无人农场彻底摆脱了空间、时间两个维度的约束，因而是名副其实的无人农场，也是无人农场的高级阶段，代表了无人农场的顶级水平。自主作业无人农场已经成为完全独立的生产部门，作业过程与人没有任何联系，人只需享用已经收获好的农产品即可，从此几千年来人参与农业生产的历史将彻底被改写。

从无人值守无人农场到自主作业无人农场，主要依赖于超级人工智能技术的出现。这一阶段，农场作业环境将被改造以适应自主作业需求，动植物生长机理和模型完全被掌握并量化，在超级人工智能技术的支撑下，依托无人化的农业生产管理系统，自然环境、农业设施、农业机器人、农业动植物等貌似互不相关的农业要素之间可以进行自主交互，它们之间通过“对话”协同，能够达到农业生产作业和管理的最优化，最大程度地实现农业生产的集约、生态、高效、优质、安全，使得农业生产进入了“无人胜有人”的最高境界。