稻麦轮作“无人化农场”建设探索

姜 娅，顾文威，孙迎波

（1.连云港市农机试验推广站，江苏 连云港 222000；2.灌南县农机化推广服务站，江苏 连云港 222000）

2021 年江苏省出台了《关于印发江苏省粮食生产“无人化农场”和特色农业生产全程机械化示范基地（园区）建设指引的通知》，要求进一步加快推广应用智能、绿色农机装备与技术，促进农机化转型升级，标志着江苏省正式启动“无人化”农场的建设和集成示范。2022 年起，连云港市各县区陆续启动“无人化农场”建设项目，本文旨在通过总结建设经验，提出一套“无人化农场”的建设方案和相关装备的配置要求。

1 无人化农场的发展历程

2017 年英国哈珀亚当斯农业大学率先创建世界第一个无人大田农场;同年，日本创建第一个蔬菜无人农场，挪威建立第一个无人渔场;随后，澳大利亚、韩国等国家也陆续开始了无人农场建设，一场农业技术革命正式打响[1]。随着我国通信、大数据、北斗导航等高新技术和设备的飞速进步，中国工程院院士罗锡文团队在2019 年开始筹建我国第一座无人化大田农场。

按照目前的技术发展，业内将“无人化农场”划分为3 个阶段。初级阶段即通过远程控制技术控制智能作业装备展开作业，该阶段需要专人值守，依靠人工进行作业决策和装备遥控，实现了初步的智能化作业；中级阶段是在无人或少人值守下，实现智能农业机械的自主作业，此阶段仍需要人工参与决策并下达指令；高级阶段则要求通过物联网系统采集农场内的各种环境信息，所有的作业均通过智能管理云平台根据综合分析汇集到的信息，自主形成计划、决策并下达指令，最终由智能装备完成作业，是一种可全无人的智慧农场状态。

目前我国“无人化农场”的建设正由中级阶段向高级阶段发展。连云港市建设的“无人化农场”符合了高级阶段的技术和装备要求，基本实现了理论上的全无人智慧农场，但目前还未能实现全天候全无人值守。

2 建设目标

（1）应该具有智慧管理云平台，负责汇总分析农场内一切数据、信息，制定作业计划和下达作业指令，同时实现生产和管理的可视化。

（2）应该具有农田区域全覆盖的土壤墒情、作物长势、病虫害、气象、视频监控等信息采集装置，相关信息可高速、无延迟的传输到智慧管理云平台。

（3）应该配置可覆盖全作业流程的具有远程监控、自动导航、无人驾驶、路径规划等功能的动力机械、耕整地、种植（栽插）、植保、施肥、收获等智能农机装备。

（4）应该具有连片适度规模的高标准农田，道路宜机化并配置智能排灌系统。

（5）应该具有办公区、停机库、烘干库、粮库、称量区等基础设施。

（6）应该培养一批能熟练操控、维护智能农机装备的技术人才和高素质农民。

3 建设方案

无人化农场的建设主要由基础设施、智能农机、物联网设施和智慧管理云平台等部分组成。

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3.1 基础设施

无人化农场的建设一般应选择不小于33.33 hm2的连片田地，单个田块宜不小于0.67 hm2，地面应具有一定的承压能力，机库距离地块以不超过500 m为宜。

对田块进行宜机化改造，使道路畅通、田块规整、沟渠合理，在适宜位置规划农机的出入口并进行硬化，出入口宽度一般为4 m 左右，坡度20～30°为宜，要求坡面防滑，硬化面延伸至犁底层。建设基于田块水环境和作物长势实时监控的智能灌溉系统，实现灌排水的智能化控制。在农场附近新建定位地基增强系统以满足无人化作业的高精度定位要求；网络信号强度弱的地区应增设网络基站以满足大带宽、低时延的数据传输要求。

3.2 智能农机

根据稻麦轮作全流程无人化作业需要，以33.33 hm2为单位，一般至少配置智能拖拉机、智能插秧机、智能高地隙植保机、植保无人机和智能收割机各1 台，同时配置符合当地稻麦轮作农艺习惯的耕作、播种等作业机具。

智能农机应满足的基本要求有：（1）可通过云端、移动端和手动3 种模式进行控制，手动自动可一键切换；（2）车辆启停远程控制；（3）车辆行驶前进、后退、转弯、速度等远程控制；（4）同时满足云端路径接收和人工打点自主路径规划；（5）支持回字形、U 形、套圈等多种作业路径；（6）自主出入库，自主行驶至作业田块并进行作业；（7）作业现场的视频记录与实时回传；（8）作业数据和机具状态数据的实时记录和回传；（9）障碍物自动检测并停车；（10）智能套件故障自动警报并停车。

目前，满足无人作业的智能农机一般是在符合一定基础配置要求的原厂机具上进行智能化改造，主要运用到北斗高精度定位、作业路径智能规划，农机远程控制和障碍物自动检测等技术。

高精度定位技术是指在机具作业前，通过无人机测绘或RTK 设备划定作业区域并形成数字地图，田间作业时可调取地图进行路径规划，并通过高精度定位实时调整机具的行走路线；路径智能规划是指在采集到的封闭地块区域内，管理平台根据作业类型、作业幅宽自动生成合适的作业路径并下发至智能农机；农机远程控制是指远程操控农机的自动点熄火、自动出入库、自动调整作业参数等；障碍物自动检测是指在机具行走和作业过程中，可自主检测识别到故障物并停车预警。

智能机具改造的一般程序为：在农机顶棚安装GNSS 天线接受位置信息，在驾驶座椅附近安装姿态传感器接受姿态信息，在车轮转交处安装角度传感器接收车轮角度信息，将原手动方向盘改装为方向盘电机，加装控制器使原本机械操作的动作转换成电控操作，将以上装置采集的信息反馈到行车电脑和智能管理平台，再通过智能算法计算出最佳的作业参数并反馈到作业机具，通过无人控制器自动调节机具的挡位、离合、启停、油门、转向、灯光、PTO、悬挂等，最终实现姿态调整、路径规划、自主作业、障碍识别、故障报警等，满足无人化作业要求。

3.3 农业物联网

农业物联网可将农田内与生产有关的一切信息通过各种装置采集汇总，包括数字化农场构建、智能灌溉系统、气象、长势、病虫害、墒情的监测以及田块的视频监控等模块[2]。农业物联网系统的构建是建设无人化农场的基础。

3.3.1 数字化农场

利用测绘装置采集机库、道路、田块、农资等一切农场基础设施的准确位置和边界信息，形成电子地图，便于智慧管理平台直观展示，同时有助于各项作业任务的合理规划。

3.3.2 智能灌溉

通过对灌溉系统的智能化改造满足作物生长过程中对水的需求，主要包括对泵房的智能化改造、大田的合理分区及智能进排水阀门的设置、水源水位的监测、墒情的监测等。

3.3.3 气象监测

通过气象监测站及时测定农田小气候，远程在线获取高精度农业气象信息，监测参数包括风速、风向、空气温湿度、气压、光照、降雨量、辐射等，当作物因这些因素生长受限或某项数值超出正常范围，可迅速预警并及时采取应对措施以减轻损失。

3.3.4 长势监测

利用无人机搭载多光谱相机进行遥感监测，获取作物植被指数，通过光谱解析技术形成作物长势分布图，可用于指导施肥作业。通过连续多年对作物长势遥感监测数据进行分类分析或建模分析，还可以预测不同环境、不同位置田块的产量水平，为后期的栽培管理方案提供依据，使得农场的智能化管理更加精细和高效。

3.3.5 病虫害监测

虫情监测是利用自动虫情灯进行害虫诱捕并拍照，根据照片自动识别虫害类型，其还具有分类统计、实时报传、远程监测、虫害预警和防治指导等功能。病害监测则是利用智能孢子捕捉仪收集随空气流动传播的病菌孢子并拍摄照片，系统自动检测病害孢子的类型、存量及扩散动态，预测大田病害程度。病虫害监测系统的设置为智慧农场的病虫害自主作业决策提供了依据。

3.4 智慧管理云平台

智慧管理云平台是无人农场运行的核心，通过管理平台可以查看人员、农机、田块、作业参数、坐标、面积、轨迹、警报信息、作业类型、环境信息等；可以对各种农业生产活动进行直观展示；可以对农机具、人员、农资等进行记录和调度；智慧管理平台还可以汇集并分析大田内的各类传感器获取的环境、土壤肥力、作物生长等信息，对作物全生育周期进行长势监测，科学制定作业及管理计划，结合产量数据，最终可得出农场年度生产情况报告[3]。通过积累多年份的生产信息，还可以建立生产模型、病虫害预测模型等，为制定更精细的作业方案提供依据，实现高质量的生产和管理。