5T智慧农场管理系统构建与应用探索

吴文福，张 娜， 李姝峣 ，王雨佳，徐 文， 孟宪梅，朱 航，齐江涛，周晓光，刘厚清

（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022； 2. 吉林工商学院粮食学院，长春 130507； 3. 北京邮电大学自动化学院，北京 100876）

0 引言

智慧农场是以农业数字信息技术为主导的第三次农业革命发展骨干方向，是农业4.0发展的核心内容，已引起全社会高度重视，已投入大量人力、物力进行智慧农场的研究与实践[1]。

中国工程院陈学庚院士指出利用信息技术促进农业机械的发展，能够最大化发挥信息技术的引导效应，提高农业生产效率；其主要方向包括促进智能感知技术发展与导航技术研究、推进农业机械装备智能化、构建农机智慧作业系统[2]。陈贵珍等[3]通过移动互联网等技术进行资源整合，并依托地理信息系统（Geographic Information System, GIS）地图，实现了“人、事、地、物、情、组织、单位”等信息直观展示、有效管理、智能分析，同时整合了智慧农场区域的事件资源，构建了“智慧农场在线综合服务信息平台”体系。孙治贵等[4]通过多重因素关联规则学习方法，构建了农业气象灾害预警和生产管理专家知识规则，开发了基于互联网数据挖掘和专家知识决策技术的设施农业气象灾害监测预警及智能决策推送服务系统，对恶劣天气等北方主要气象灾害进行早期预警提醒；穆悦等[5]认为智慧农场是一个蕴含着精准生产、智能分销和先进管理的农业创新方向，提出了一种包含品质营养池、种子培育和育秧、控制中心、智能温室和大田等的智能农场水稻生产管理方案，主要包括水稻生长环境管控和智能农场云平台两部分。吴久江等[6]设计了一种智慧管理系统，这套系统能够利用环境控制模型等执行系统，还具备微信互动模式，将环境监控与草莓栽培技术相结合，能够较好地智能指导种植户对大棚进行精细化管理，保证草莓的产量和质量。

总体来说，中国智慧农场的发展还处在摸索阶段，存在管理模式、架构和边界不清晰，信息组织、感知、传输、处理技术等技术分散、不成熟和产业化程度较低等问题，应从不同的角度展开大胆的探索。本研究根据农作物生长及产品存续的鲜明链特性、时间的连续性、效果的促控性，基于5T管理方法结合智慧农场理念，构建了智慧农场系统的模式和架构，并针对水稻生产全过程开发了5T智慧农场管理信息系统，在吉林省进一步围绕优质水稻尝试了智慧农场管理系统的推广及应用，总结了智慧农场系统架构应用情况和5T智慧农场管理系统的运行效果。5T智慧农场系统对中国农业现代化具有重要意义，可对农作物生产起到增收、减损、提质的效果，5T智慧农场管理系统可智能控制无人农机设备，为最终实现真正意义的自主无人农场提供参考。

1 基于5T管理的智慧农场理念与模式

1.1 智慧农场理念

智慧农场是以先进科学技术为基础的新型活动科技领域，可对农业产前、产中和产后数据分析，指导农业生产，实现农业的智能化生产、自动化调节与精准化管理。智慧农场三大核心是农场数字化、农机作业监管和精准种植管理，智慧农场实现了高产量与高效管理[7-9]。

智慧农场是一个逐步在农业生产过程环节上无人化、时间上精准化、指标上精细化的系统工程，体现对人的解放，是农业的技术革命；是信息技术、管理技术、生物技术和智能农机的深度融合，信息管理技术具有主导作用，管理技术具有中介作用；智慧农场的基础是多维度物联，物联的广度和深度决定系统运行的效果；核心是数据驱动，获得数据、记忆数据、分析数据和使用数据；目标是在不同情境下让数据发挥威力；特点是全面物联、装备智控和系统慧管；智慧农场所需要的共性关键技术包括信息感知技术、物联网技术、大数据技术、智慧管理技术和智能控制与机器人技术等；在现阶段智慧农场的意义在于打通信息、品质和价值通道，提升农业生产的质量和效益。

1.2 5T管理

从农作物全株生长和存续的自然区块特性[10]，将农作物生产分为种期（TⅠ）、苗期（TⅡ）、秧期（TⅢ）、籽期（TⅣ）和产品期（TⅤ）5个时效通道，即为大5T；整个种期（TⅠ）时效通道包含1个种期（T01）时效区块、苗期（TⅡ）时效通道包含1个苗期（T02）时效区块、秧期TⅢ时效通道包含1个秧期（T03）时效区块；按照农作物籽粒的生长和存续可将籽期（TⅣ）分为熟收（T1）、田场（T2）、干燥（T3）、收仓（T4）和仓储（T5）5个时效区块，即为小5T；在产品期（TⅤ）包括加工（TP1）、销售（TP2）和食用（TP3）3个时效区块。时效通道和时效区块将物、物主、物主时间等融合为一体，便于科学观察和管理。

5T管理按照农作物生产周期时效通道和区块特性，对农作物生产各个时期进行十二元管理。十二元管理是指针对农作物各个时效区块的要素信息管理，包括人、土、时、种、机、数、水、肥、药、温、湿、水分。例如在苗期温室棚内的调温信息，秧期田地的灌溉信息，对应地块种植的农作物用药、施肥、除草操作的时间和用量等信息，最后根据后台预设的专家评判系统判断十二元管理执行情况是否合理并提出相应建议。

农作物生产全过程分为种苗成长3个时效区块（T01、T02、T03）、籽粒成长5个时效区块（T1、T2、T3、T4、T5）和产品存续3个时效区块（TP1、TP2、TP3），按照生产阶段将其分为不同的管理阶段，分别为耕种管理、收储管理和食前管理，结合十二元管理，构建了5T管理指标体系，如图1所示，以基于科学指标体系的标准为引领，实施数据驱动的全方位、多层次管理，达到管控目标最优化。

1.3 智慧农场的基元模型

智慧农场管理的基础是物联网，本研究超越以“物”为对象，而是以活动体“时效区块”为对象，将5T管理信息进行链式管理，形成智慧农场基本元素模型，如图2所示。

1）物联类别序位码：时效区块不指向具体的物体，而是同时指向物主和物体结合体；物主就是时效区块主，以其身份为标识；物体是指对智慧农场生产有决定性影响固定资产、设施和装备等，以类别、顺序和位置信息来共同标识。物联类别序位码是由时效区块主身份标识、资产类别码和资产顺序码或位置信息组成。

2）上链码：是时效区块唯一标识，上链码是由物联类别序位码、时间戳信息生成，是对智慧农场作业的标识，面向事。

3）区块信息：是上链码指向的内容，具体指一项作业的数量、质量和管理信息。数量和质量是指作业环节所涉及产出品的信息。而管理信息是指对人、土、时、种、机、数、水、肥、药、温、湿、水分十二元信息的投入或者监测，决定数量和质量。

1.4 智慧农场的管理体系

参照美国学者霍尔提出的系统工程方法论的霍尔三维结构[11]，将智慧农场看作时间维、逻辑维和目标维作用下的5T智慧农场。时间维是按照农作物生长和存续的时间阶段进行排序的全过程，物元维是指农作物生产时间维的每一个阶段内所需要管理的重要元素，目标维是完成每个阶段和重要元素管理所要达到的农作生产目标。智慧农场管理架构如图3所示，此架构按农作物的生理和物理特性为基础实施管理。

5T智慧农场按农作物及产品的生长和存续曲线的通道和区块特性构造系统架构，该架构的运行在底层需要通过作业记录APP、作业装备及设施测控单元、实验室仪器、农用无人机测控单元、气象监测单元和卫星定位系统，智慧农场系统架构如图4所示。以时效区块为基元，以时效区块为对象，不以具体物为研究对象，可以实现对作业质量和产品质量的双追溯，体现管理、信息和技术的高度融合。

2 5T智慧农场管理系统的构建

智慧管理系统是智慧农场的关键核心技术[12]，本研究从科学改变理念和习惯入手，借助信息新技术，以标准为引领，将物联码、物联网、移动终端、大数据技术结合，将基于5T管理的智慧农场管理理念在水稻生产全过程进行初探索，开发了5T智慧农场管理系统，融合以时效区块为管理基本单元，5T智慧农场管理系统技术框架如图5所示，以绿色减损保优为目标进行追溯和管理，数据分布存储，线上线下评价结合，最终要取得数据驱动价格效果。

2.1 5T智慧农场管理系统关联网络

长期以来，信息和价值通道不通畅，消费者对产品和生产“无感”、“无知”、“盲认同”。水稻生产5T管理布局涵盖生产者、监管者及消费者等多方利益主体，构建智慧农场的关联网络，各企业、机构、部门信息互联互通，5T智慧农场用户关联网络如图6所示，让消费者“有感”于质量之“好”，“有知”于信息之“真”，“有意”于产品之“吃”，“有认同”于价值之“优”。

2.2 5T智慧农场管理系统架构

5T智慧农场管理系统建设遵循先进的建设理念，在进行系统建设时，从系统性能、系统功能、产品稳定性、系统经济性能等方面考虑系统的先进性、兼容性和可扩展性。具有与其他信息系统进行数据交换和数据共享的能力，结合硬件应用，对水稻生产管理数据进行综合分析，直观反应水稻生产5T工作开展情况；系统能够支持浏览器/服务器模式（B/S）架构体系，具有良好的可扩展性，支持各种应用的接口协议，使系统具有高度灵活性和扩展性[13-17]。

5T智慧农场管理系统包括四个层次，综合展示层、业务应用层（面向终端）、数据资源层、保障支撑层对水稻生产5T管理数据进行采集、处理、存储、分析并最终形成可追溯信息链。5T智慧农场管理系统架构如图7所示。

1）综合展示层

5T智慧农场管理系统各类用户通过综合展示层访问系统，企业、农户及监管部门等通过电脑端或者智能移动终端进入系统，公众查询扫码追溯可直接进入公众端。

2）业务应用层

利用智能传感器和其他接口设备以及人工录入相结合的方式采集水稻生产5T管理信息，同时可对接多个子系统接入的物联网硬件设备和网络系统的数据；利用采集数据为用户提供智能化信息展现服务，支持智能化数据分析、智能化数据统计、精准数据预测，达到帮助用户对已有数据进行高效的利用和检索，协助公众追溯查询。

3）数据资源层

通过数据采集、转换等，将5T智慧农场管理系统数据资源关联和资产化管理，使不同数据源的离散数据、管理对象之间建立关联关系，构建相互具有内在关系的统一的公共数据资源库。通过云计算中心，基于大数据体系架构，提供分布式计算框架，利用集群资源，实现计算任务的分布式并行执行。

4）保障支撑层

5T智慧农场管理系统的基础运行环境需要主机系统、网络系统、平台硬件和软件系统等的支撑和保障。

2.3 5T智慧农场管理系统的功能模块设计

在研发多种物联感知应用的基础上，集成开发了5T智慧农场管理系统，根据系统的总体需求和结构设计，将系统分为8个功能模块，分别为基础信息模块，5T管理模块、产品追溯模块、统计查询模块、综合评价模块、5T认证模块、粮情监测模块和大数据驾驶舱模块，5T智慧农场管理系统功能模块划分如图8所示。

1）基础信息模块

用户管理个人或企业的基本信息，同时利用物联类别序位码是将企业或农户的所有设施设备及地块等资产按类别和序位进行编码，在进行5T管理时便可智能选择作业环节相应的资产，5T管理物联类别序位码如表1所示。例如，在熟收（T1）时期，在地块1收割了水稻，则此资产类别为地块，类别码为A1，在根据用户的实际情况将此地块的序位编码（可自定义编码），为6位阿拉伯数字，如000024，则此地块类序位编码为A1000024。

表1 5T管理的物联类别序位码 Table 1 Internet of Things (IoT) classification subsequence code for 5T management

2）5T管理模块

5T管理模块分别将水稻生产从种期（TⅠ）开始记录5T十二元管理信息，并根据基础信息中的物联类序位码对相关资产进行匹配，将水稻每个环节的作业时间（时间戳）和作业量（数量戳）进行编码，将物联类序位码与时间戳和数量戳串联起来，便可体现每个环节的作业信息，利用物联码将系统的数据进行关联，对水稻生产信息整合管理，形成5T管理全链条的追溯。

物联码由社会信用代码（18位）或业主个人身份证号码（18位）、物联类序位码（8位）、数量戳（万位，小数点后两位，共7位）和时间戳（10位，年月日时）组成。

3）产品追溯

产品追溯模块主要根据采集5T管理信息，形成水稻生产作业物联码，再将物联码转换为二维码，通过扫描二维码可追溯到水稻生产5T管理过程全链条的详细信息，可为公众提供产品质量追溯和消费跟踪，深度保障人民“吃得好、吃得健康”。

4）统计查询

根据水稻生产各时期采集的数据，形成多维度多方位的统计报表。将5T管理中复杂的数据进行整理以简单易懂的形式，更直观更智能的为用户提供数据展示方式，清晰明了的查看当前5T智慧农场管理的趋势和情况，并给用户提供相应的决策分析。

5）综合评价模块

通过水稻生产相关标准及技术规程对作业指标进行管理评价，按照权重算法进行综合等级评价，对比预设的等级分值，判断用户作业等级。对经过5T管理后水稻的品质进行检测，检测后根据水稻的外观，口感，爆腰率，硬度，黏性等对水稻品质等级进行评价。

6）5T认证

与中国检验认证集团吉林有限公司合作共同制定了5T认证体系标准，只有通过认证的产品才会授予优质水稻品牌。进行5T管理用户，认证用户资质具有稳定地提供满足顾客消费者要求和适用的法律法规要求的水稻生产能力；认证其具备按照5T管理进行水稻生产的能力。

7）粮情监测

5T智慧农场管理子系统二维和三维扫仓模块监测水稻仓储时期的粮情情况[18-20]，通过外部设备传递的参数内容，对粮仓内储粮的监管状态进行分析，根据报警数据和问题数据及时对粮仓进行调整，保证粮仓内部稳定。

8）大数据驾驶舱

通过大数据对水稻的质量进行分析，可排列出当前纳入到5T智慧农场管理系统中的用户水稻5T管理作业排名和产品质量排名，让用户之间产生竞争机制，促进企业更精细地执行5T管理；通过对5T管理中水稻生产各个环节产量和流量分析，可得到水稻省内、省外的输入输出数量，结合流量可分析产品、资金、商誉等信息流相关情况；通过水稻生产5T管理大数据可分析出水稻的5T作业各个环节的最佳作业时间和最佳作业方法。

3 5T智慧农场管理系统的实施与应用

3.1 系统的开发

5T智慧农场管理系统开发采用Java语言，Jeeplus开发框架，根据应用环境采用了SQL Server 5.7数据库服务器和Tomcat应用服务器，选用模型、视图、控制器（Model、View、Controller, MVC）三层架构进行Web应用开发，开发中为了缓解数据库访问压力以及提升请求响应速度采用了Redis缓存技术[21-23]。

系统开发使用服务器软件Apache和多个应用服务器Tomcat 配置了一个可应用Web网站，同时应用Apache进行分流，把请求按照平均分给多个应用服务器处理，即开放源代码的网页服务器Apache Http Server，通过一个可插入模块mod_jk连接器连接多个应用服务器应用实例，并进行负载均衡，同时还配置了会话控制Session属性及配置信息复制。

本研究物联码贯穿整个水稻生产过程，实现了水稻流动信息的实时添加、导入、查看、分析、预警等，完成了水稻生产全过程管理及追溯，物联码是系统实施运行的核心，具体生成流程如图9所示。

3.2 系统的应用

系统建设完成后进行试运行测试，并不断根据实际业务需求进行改进。以《优质稻谷收储作业5T管理技术规程》的相关管控指标作为基础[24]如表2所示，5T智慧农场管理系统于2020年秋季在吉林省正式进行了推广和应用。由于是在水稻收获季节，对优质水稻籽期（TⅣ）开展了应用。

表2 优质稻谷收储作业5T管理技术规程（吉林DB22/T 3113-2020）[24] Table 2 5T post-harvest management technique code for high-quality paddy (Jilin DB22/T 3113-2020)[24]

1）依托吉林大米产业联盟分批安装和运行，将12家企业相关的耕地11 973 hm2、收割机51台、干燥机41台、田场总面积201 487 m2、库场总面积191 697 m2和仓房总容量为619 563 t的信息上链，形成一批上链信息，初步实现了优质水稻生产过程的管理信息和质量信息双追溯，为“以质论价”奠定了基础，智慧农场管理系统上链信息用户界面如图10所示。目前正在持续进行系统的推广工作，现有20家水稻收储相关企业陆续进行注册，预计2021年秋季展开大面积应用。

2）2020年5T智慧农场管理系统采集的6个水稻品种收获数据中发现，在收获时期，当达到水稻最佳收割日期后，随着抽穗天数的延后，水稻产量随之减少，其与抽穗后天数间的关系如图11所示，在抽穗后60～65 d 6个品种水稻的产量有小幅度增长，松粳16产量增加最多，为254 kg/hm2；而65～75 d大部分品种水稻的产量持续下降，稻花香产量下降最多，为789 kg/hm2。由图11可知，经线性拟合后6个品种水稻在抽穗后的55～75 d中产量整体呈下降趋势，可见延时收获会导致隐形损失现象。

根据经验，适时收获一般在抽穗后45～55 d之间[25]，此时间段为最佳收获期，而当地现行收获方式收割时间集中在抽穗后75 d左右，与最佳收割期相差20 d。以最佳收获日期抽穗后55 d为基准，超过该日期收获即视为产生了损失，本研究分别计算了6个品种不同抽穗后天数的产量和损失率的变化如表3所示，6个品种75 d松粳16的产量最大为7 203 kg/hm2，吉宏6-300N的产量最小为5 733 kg/hm2，而吉宏6-300N损失率在75 d最大，达到了13.19%，吉宏6-260N的损失最小，为0.56%。由表3可知，以抽穗后55 d为基准，对6个品种不同抽穗后天数的平均产量和平均损失率进行了测定，其结果显示现行收获方式存在显著的7.16%隐性损失，以吉林省年产水稻667万t[26]，理论测算损失在田间的水稻量为47.8万t。

表3 抽穗后六个水稻品种在不同天数的产量和损失率 Table 3 Yield and loss rate of six rice varieties in different days after heading

根据延时收获会导致隐性损失这一现象，5T智慧农场管理系统设计了当用户记录水稻抽穗日期后，便可自动计算收割时间偏差，并提示用户及时收割。移动终端延时收获提示界面如图12所示。通过实践证明5T管理系统借助精细化的管理方式严格把控水稻产后收获时期，可挽回这部分造成的直接经济损失，使农民增产增收。

3）5T管理方法与5T智慧农场管理系统智能化管理模式应用结合，为优质水稻生产的精细管理提供了有效工具。目前在吉林省推行两家大型优质水稻种植基地为5T智慧农场，对水稻全时效通道进行精细管控，配套适时收获、短时田场、低温干燥、控水收仓、适积温出仓、适度加工等先进技术，实现减损、保质和生防的目标，助力粮食颗粒归仓[27-28]。吉林省优质水稻品种覆盖率超过80%，中高端大米产量由45万t增加到100万t，带动农民增收10亿元[29]，5T管理方法及系统应用将在其中大有用武之地。

4 结论与展望

4.1 结 论

1）深化了智慧农场的理念，是一个逐步在农业生产过程环节上智能化、时间上精准化、指标上精细化的系统工程，将信息技术、管理技术、生物技术和智能农机的深度融合。智慧农场的基础是多维度物联，核心是数据驱动，特点是全面物联、装备智控和系统慧管。

2）在创新5T精准时效农业生产管理方法和标准的基础上，提出基于农作物生长和存续时效通道和时效区块的智慧农场基元模型、管理架构以及5T智慧农场管理信息系统架构。

3）以5T管理方法、标准及信息系统为基础，围绕水稻探索了智慧农场建设的运行模式，利用物联网、智能感知、大数据和云计算、移动终端等技术，开发了5T智慧农场管理信息系统，以动态物联码为抓手，融合信息、技术和管理为一体，实现了作业质量和产品质量双追溯机制。

4）在吉林大米产业联盟12家企业的初步应用中，使优质水稻籽期（TⅣ）产生了5T管理的应用效果，发现了水稻不当管理导致的7.16%隐性损失，以吉林省年产水稻667万t计，理论测算损失在田间的水稻量为47.8万t，系统能够及时提供用户5T管理提示及预警，取得了显著增效、减损和提质的效果。

4.2 展 望

1）在开展5T智慧农场收储作业管理基础上，加强耕种管理和产品管理，从农作物生产种植方法的评判决策到销售流量的数据分析，为农作物生产提供精准化、个性化的信息服务，使5T智慧农场管理系统最终构建成为多元化、适应性强、数据范围广、链条通畅的服务终端。

2）需增强5T管理各时期的指标控制，减少因外界环境因素导致的品质劣变，从而控制成品质量，达到减损保优的效果。

3）未来可实现5T智慧农场全方位管理，加大智能装备应用，加入生物技术在黑土地保护的应用，将农作物产量预测，病虫害诊断等先进技术高度集成，充分体现绿色、环保、优质和高效，真正实现智慧农场自主无人系统的构建。

4）基于5T管理的智慧农场管理信息系统将于2021年在吉林省展开大面积推广和应用，除优质水稻外，系统将应用在所有水稻品种生产中；并可开展多种农作物5T管理生产技术规程管控指标的研究，实现5T智慧农场管理模式全覆盖。