丘陵山区水稻无人化农场应用及实践——以剑河县水稻无人农场为例分析

袁 旭，陆建彬，郭林杰

（1.贵州省农业机械技术推广总站，贵州 贵阳 550004；2.黔东南州农业机械技术推广站，贵州 凯里 556099）

0 引言

随着世界人口的不断增长，粮食安全问题一直被世界各国广泛关注。我国土地辽阔，一直是农业大国，但不是农业强国，农业机械化程度与农业强国相比还有很大的差距[1-3]。智能农机与无人农场是未来农业的发展方向，是现代农业的高级形式，而农业装备的智能化是实现农业现代化的必由之路。我国三分之二的土地为丘陵山区，其耕地面积超过我国总耕地面积的30%。丘陵山区的多样性表现在地理环境和种植模式的多样性，对作业农机的要求较高，而智能农机装备能在动态环境下，将农业技术与先进的电子技术、通信技术、定位技术等相结合从而实现农机作业与管理的智能化。所以在田块较小且不规则等复杂的土地环境下，智能农机能够充分凸显作业的柔性，自动调整作业参数，按照土地条件进行作业规划，满足丘陵山区对于农机适地能力强、一机多用的现实需求[4]。2023 年中央1 号文件指出，强化农业科技和资本积累支撑，加快先进农机研发推广，加快开发大型智能农机装备和适用于丘陵山区的小型机械和园艺机械，将辅助驾驶系统集成技术及北斗智能监测终端应用在智能农机与无人农场中[5]。

当前，关于无人化农场技术的应用越来越多，国内外有关无人化农场的研究成果广泛，但目前适用于丘陵山区的水稻无人化农场仍处于小范围试验验证阶段。本文介绍了贵州省剑河县南明水稻无人化农场中应用的智能农机关键技术，通过分析其实施与应用状况，为加速发展我国丘陵山区水稻无人化农场提供参考。

1 智能农机的关键技术

无人化农场是未来现代化农业的发展方向，而智能农机作为无人农场的核心设备，其关键技术更是发展的重中之重。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，可以减少农机在作业过程中的人工需求，实现可持续的机械化作业，提高农业生产率，其关键技术如下。

1）智能机械技术。通过无人机、智能传感器等采集地理信息、农作物生长信息、水肥和病虫害信息等，同时利用环境感知实现障碍物识别和自动避障；利用转向控制和辅助驾驶控制实现农机无人化自主行驶；基于液压控制和控制策略等技术实现智能拖拉机自动换挡。华南农业大学、江苏大学等科研院所针对智能机械做了大量研究，已经基本实现智能机械的自动化控制，能满足信息采集和精准作业的要求。

2）智能控制技术。通过北斗卫星定位和MEMS慢性传感相结合，融合了外部加速度补偿的线性时变自适应卡尔曼滤波算法，实现了农机不同作业工况下的高精度连续稳定定位和测姿，从而保证位置实时测量精度；运用路径规划方法规划出入农机库路径、机库与田块间运移路径和田间全自动覆盖作业路径；基于预瞄跟随的复合路径跟踪控制器，采用非线性状态观测器对决策期望轮角进行侧滑补偿，提高农机跟踪精度；基于车载线控局域网和自动导航作业局域网的分布式网络架构，将转向控制、油门调节、机具升降、动力换挡、PTO 输出和发动机启/停等自动操纵控制装置有效集成，实现了农机自动导航作业系统的控制。

3）智慧管理技术。基于机器视觉、深度学习等人工智能技术，利用智慧农业综合管控平台，可实现对农作物生长、病虫害发生、环境和智能农机作业情况等数据的采集、分析和定量决策，通过远程命令控制智能农机作业状态[6]。王慧平等[7]基于ArcGIS Server 的农机远程监管服务系统，实现了农机作业量和实时工况的远程监控，能够及时发现故障，并对不符合作业质量要求的智能农机进行优化调整。谢婷婷[8]开发了一套基于遗传算法的农机作业调度系统，通过采集地理位置信息，结合北斗卫星导航，能够掌握农机分布情况，便于农机统一调度。

2 剑河县南明无人农场的实施应用情况

为贯彻落实党中央、国务院“藏粮于地、藏粮于技”战略，深入贯彻落实习近平总书记“毫不放松抓好粮食生产，加快转变农业发展方式，在探索现代农业发展道路上创造更多经验”的重要指示精神，积极抢抓新国发2 号文件政策机遇，紧紧围绕机耕地、机育苗、机插秧、机械收割等环节，加快全程机械化作业，提升主要农作物耕、种、管、收综合机械化率。贵州剑南农科技有限公司从2020 年起对国内现有无人农场的相关技术进行了调研考察，并与华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室合作，打造了为集产学研旅为一体的可持续、可复制、可推广的现代农业产业园，并进行了无人化生产试验，取得了较好成效。

2.1 建设内容及规模

2.1.1 农田整理

贵州省剑河县处于丘陵山区地带，田块大小不一，为提高智能农机作业效率，应先对现有地块进行科学规划，规划要求为：①土地田埂应整理的较为规则；②土地应较平整，高差不超过10 cm；③单块土地面积应尽量大。结合地形地势，剑河县南明无人农场地块设计如图1 所示。

图1 剑河县南明无人农场地块设计

2.1.2 灌溉设施改造

灌溉设施作为水稻农业生产中的核心，在一定程度上决定了生产效益。剑河县南明无人农场将原有灌溉设施升级为智能排灌系统，该系统由管道系统、物联网数据采集及智能控制系统组成。排灌渠道与原有渠道互通，渠道上安装自动排灌水阀，通过远程控制排灌水，并与控制中心平台互联，组成智能排灌系统，系统平台上显示各渠道水量和排灌阀状态，基于这些采集到的数据上传至云平台得出最优化的排灌方案，通过手动或自动方式进行控制。排灌阀由太阳能供电，无需布控电线缆。部分灌溉系统如图2 所示。

图2 部分灌溉系统示意图

2.1.3 机库建设

机库建设涉及诸多核心要素，标准化机库是智能农机实施作业的基础，也是高效生产的基础。机库建设应因地适宜，选址应确保拖拉机尽量不经过开放公路，智能农机出库即到机耕道，保障行驶安全。结合无人农场作业机具情况及信息平台与科普宣传等相关设施，剑河县南明无人农场机库建设如图3 所示。

图3 机库建设图

2.1.4 智能农机装备配置

智能农机装备是运行无人农场的主体，主要包括无人耕整地作业机具、无人播种及无人插秧作业机具、无人田间管理机具、无人收割作业机具。负责剑河县南明无人农场的贵州剑南农科技有限公司成立于2018 年11 月，现该公司拥有大中型拖拉机（30 马力以上）5 台，播种机2 台，插秧机2 台，联合收割机1 台，植保无人机1 台，其他农机具5 台。经升级处理后的智能农机配置如表1 所示。

表1 剑南县南明无人农场农机配置表

2.2 实施应用情况

2.2.1 耕整地

稻田可采用旱地/水田整地技术，选用豪丰1GQN-200H 旋耕机进行土地耕整，同步配套智能拖拉机使用。无人驾驶旋耕机具备电机/电液转向、动力换挡/换向、电控液压提升、耕深自动调节、电控离合等功能，作业时自动控制机具升降。耕整作业时拖拉机速度不低于1 m/s，旋耕2 遍以上。无人驾驶旋耕机如图4 所示。

图4 无人驾驶旋耕机

2.2.2 种植

采用无人驾驶洋马2ZGQ-60D 智能高速插秧机进行作业，21 匹马力、6 行、30 cm 行距，若天气不允许，可备选水稻水穴直播方式或无人驾驶机械插秧。无人驾驶机械插秧机如图5 所示。

图5 无人驾驶机械插秧

2.2.3 田间管理

植保喷洒农药采用植保无人飞机，农药喷施优选无人机喷施，施药作业幅宽10 m，单次飞行时间约为30 min；在特殊情况下采用高地隙无人驾驶喷雾机施药，施药作业幅宽12 m，药箱容量为500 L。植保无人机施药如图6 所示。

图6 植保无人机施药

水稻中期施肥采用遥感无人机采集生成变量施肥处方图，采用变量施肥无人机撒施颗粒肥，每天撒肥作业80～100 亩/台（1 亩=0.067 hm2）。无人机撒肥如图7 所示。

2.2.4 收获

水稻收获拟采用主从作业模式，选用履带水稻收获机和履带运粮车协同作业。履带收获机为全喂入，喂入量5 kg/s、割幅2 m，收获机粮仓约0.8 t；运粮车容积2.6 m3，约1.8 t。水稻收获时，当收获机粮仓快满时，召唤运粮车进行接粮，接粮后收获机继续工作，运粮车将粮食运送至干燥中心或加工中心。无人驾驶收获机收获如图8 所示。

图8 无人驾驶收获机收获

剑河县南明水稻无人农场建成运营后，减少了农业劳动力的投入，节约了大量的生产成本。由于无人农场耕种管收全过程无人化，水稻生产过程中提高了水田平整度、水稻行直线度，行距更均匀，通风透气采光好，有利于作物生长，减少病虫害的发生；由于接行准确，可提高土地利用率；另外，无人农机可以全天候作业，提高了农机利用率，节本增效，效果显著。无人农场农机生产作业信息可用于分析优化无人农机作业模式，分析人工成本与田间管理的效益，进一步降低劳动力成本。项目应用了无人机遥感技术，可快速采集病虫害的发生，通过作物长势判断作物施肥和施药的处方图，实现作物田间管理无人农业机械的变量施肥和变量施药作业，减少对环境的污染。项目实施能有效改善土壤、水分、水质和农村生活环境，提高食品安全，促使农业生产步入良性循环状态，也能促进大众食品安全和环境意识的进一步提高。

3 丘陵山区无人农场的制约因素与前景

3.1 制约因素

当前制约我国丘陵山区地带无人化农场发展因素主要有以下几点：

1）丘陵山区基础设施不够完善。现如今我国丘陵山区地形地貌特征复杂，气候特征、土壤特性多种多样，经济发展水平不均衡等原因导致丘陵山区的基础设施不够完善。农田的水网、路网、电网、通信信号在一定地区不能同时完善，这些都限制了丘陵山区无人农场的发展。

2）地块较为分散。首先，丘陵山区特殊的地形条件形成了地块面积小、坡度大、不均匀、较为零散的特点，常规的农业机械化装备无法适合这种地貌特征，这严重限制了大中型农业机械进行大规模作业。其次，丘陵山区的耕地形式主要为梯田，各地块之间有较大落差，田间道路不通或机耕道狭窄崎岖，这使得农业机械难以进入场地进行作业[9-10]。这些因素导致智能农机作业效率低，从而导致作物产量低。

3）无人农场前期投入成本高，存在技术门槛，导致无人农场难以普及从而不能较快的产生经济效益。

3.2 发展前景

随着高度集成化、智能化的农业装备加快发展和无人农场在全国不断的推广与实践，无人农场在丘陵山区农业生产中的应用越来越普及，农业向规模化、产业化、现代化发展也必将成为趋势。智能农机的轻型、高效、可靠的特点也适合丘陵山区独特的地理特征。未来，贵州剑河县南明无人农场将在完善现有的无人水稻种植、植保、收获基础上，进一步加强对当地农民的培训，以提升农民在生产作业过程中对智能农机保养和维护的意识。除此之外，加大推广力度，为我国丘陵山区农业创新提供示范和样板。

无人农场是对农业劳动力的彻底解放，缓解了我国大多数丘陵山区地带劳动力不足的现状，从根本解决“谁来种田”的问题。同时无人农场能有效提高作业质量，降低生产成本，提高土地、肥料和农药的利用率，实现全天不间断作业从而极大地提高生产效率。除此之外，丘陵山区各地应结合自身地理环境和农作物特点，建立合适的无人农场，从而加快无人农场在全国的普及和应用。