導讀：無人智慧農場是智慧農業的重要實踐模式。本研究以山東德州“噸半糧”無人智慧農場為實驗場所，攻克大田智慧農場建設中的核心技術難題，探索其建設模式與服務機制。

“噸半糧”無人智慧農場感知系統不僅提高了數據傳輸質量，同時可以完成麥穗、物候期等表型特征的本地分析；智能控制系統可幫助農機提升自主作業精度和灌溉、施藥效率、質量，通過農業設備的改造升級實現了農場耕作、種植、管理、收獲的全鏈條智能化管控；大數據智慧服務平臺為農戶提供了氣象預測、災害預警、最佳播期等農事管理服務，極大地提高了農場管理的數字化、智能化水平。

核心導讀：糧食生產是國家長治久安的基石，糧食安全一直是國家高度關注和重視的重大問題。面對中國勞動力日益老齡化的現狀，“誰來種地”和“如何種地”已成為威脅糧食安全的重要議題。

智慧農業作為現代農業轉型升級和提質增效的目標導向，以優良品種和配套農藝為基礎，以信息和知識為核心要素，將物聯網、大數據、人工智能和智能裝備等與農業產業深度融合，實現農業產業全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、預測預警，以及個性化服務等的全新農業生產、經營、管理和服務模式，是現代農業發展的更高級階段。

智慧農場是在一定土地生產經營規模基礎上，推動智慧農業發展的重要途徑。無人智慧農場以其顯著的“少人化”或“無人化”特色，依托全天候、全鏈條的自動化先進技術，不僅可大幅提升農業生產效率，更可為“誰來種地”和“如何種地”難題解決提供切實可行的解決方案。

01

無人智慧農場建設架構

“噸半糧”無人智慧農場綜合利用物聯網、大數據等信息技術，實現了信息感知、傳輸、挖掘和應用的全鏈條集成和服務。總體架構如 圖1所示，包括感知層、傳輸層、處理層和應用層四大部分。

02

無人智慧農場感知系統

“噸半糧”無人智慧農場感知系統是農場實現智慧化、無人化的基礎和前提。

數字化感知是農場智能管理的基礎，農機設備和灌溉設備的自動化管理和大數據服務平臺的服務功能，都離不開環境、作物長勢和設備狀態等數據的支持。

物候期和作物表型信息在現代農業中扮演著越來越重要的角色，它不僅為農機管理、水肥藥精準施用提供數據支撐，同時為農事決策提供支持，是智慧農場的重要建設內容。本研究的表型分析包括冬小麥生育期自主識別、麥穗長度識別等。

圖2 “噸半糧”無人智慧農場感知系統架構

圖3 “噸半糧”無人智慧農場感知網絡的自組網絡結構圖

圖4 小麥穗長信息提取結果

03

無人智慧農場智能控制系統

無人智慧農場的智慧控制系統由智能農機、大田灌溉和航空施藥等子系統組成。通過服務器和大數據平臺，實現無人智慧農場生產管理的少人化、無人化管理。

智能農機系統。是無人智慧農場實現少人化、無人化作業的核心，是實現農場智慧管理的重要手段。智能農機覆蓋農業耕、種、管、收等農業生產全過程，直接決定著糧食生產的自動化程度。

大田灌溉系統。為實現節水灌溉，并提高作物產量，研發了智能灌溉系統。

航空施藥系統。航空施藥系統是無人農場建設的重要組成部分，是病蟲害防治的重要手段。科學、精準的施藥方法不僅能提高植保效率，還能有效降低農藥對環境的污染。

圖5 “噸半糧”無人智慧農場無人作業總體解決方案

圖6 “噸半糧”無人智慧農場智能農機系統方案

圖7 “噸半糧”無人智慧農場大田灌溉系統總體框架示意圖

圖8 灌溉模型的e、ec、Kp、Ki、Kd隸屬度函數圖

圖9 灌溉系統實現框架圖

圖10 灌溉系統實地部署圖

04

無人智慧農場智能控制系統

“噸半糧”無人智慧農場大數據平臺架構由基礎設施層、數據層、數據分析層和應用層構成，平臺架構見 圖11。平臺分層處理數據的收集、存儲、處理和應用，為農場智慧管理提供支持。

“噸半糧”無人智慧農場大數據平臺是一個復雜的工程，其中涉及的主要關鍵技術包括多源數數據集成、分布式計算、GIS技術等。

“噸半糧”無人智慧農場大數據平臺的核心目標是基于大數據分析結果，為用戶提供生產管理服務。根據服務類型的不同可分為智能科學決策、智能裝備作業和產品質量安全溯源等。各部分的具體功能如下：智能科學決策；智能裝備作業；產品質量安全溯源；綜合服務系統。

圖11 “噸半糧”無人智慧農場大數據平臺架構圖

圖12 “噸半糧”無人智慧農場大數據平臺的GIS體系結構圖

圖13 “噸半糧”無人智慧農場大數據平臺部分模塊頁面

05

結論

無人智慧農場是中國農業未來發展的更高級形式，是保障國家糧食安全的有效途徑，是現代農業發展的趨勢。

1）數字化感知網絡。研究提出了基于自組網絡的物聯網數字化感知系統。該系統能高效采集、匯聚并傳輸農場環境、作物生長及設備狀態等多維度信息，且具備強大的容錯能力，即使某一級節點故障，數據采集質量也能穩定在85%以上。通過先進的數據分析技術，系統能快速精確提取田間作物的關鍵表型信息，如生育期、穗長等表型特征，為農場精細化管理提供數據支撐。

2）無人智慧農場智能控制系統。構建了無人智慧農場智能控制系統。集云管控平臺、智能化設備和智能農機于一體，實現了農場生產各環節的自動化管理。系統架構分為基礎層、決策層和應用服務層，各層高效協同，共同實現“噸半糧”無人智慧農場生產管理的少人化、無人化，實現生產全鏈條的智能控制。應用該系統顯著降低了農場的人力成本，并顯著提高農場管理的精準度和效率。

3）無人智慧農場大數據平臺。研發了“噸半糧”無人智慧農場大數據平臺。集成多源數數據集成、分布式計算、GIS技術等大數據分析技術，構建大數據分析服務平臺，從智能科學決策支持、智能農機作業、產品質量安全溯源等方面為用戶提供氣象災害預計、最佳播期、環境預測、水肥管理等生產指導服務，幫助農戶科學地管理農場。此外，“噸半糧”無人智慧農場大數據平臺還通過集成綜合服務模塊，提升平臺的綜合服務能力。

作者：劉力寧、張正輝，山東農業大學機械電子與工程學院、山東農業大學農業大數據研究中心、農業農村部黃淮海智慧農業技術重點實驗室；張洪奇、章子文、王甲玉、李宣宣、朱珂、柳平增，山東農業大學信息科學與工程學院、山東農業大學農業大數據研究中心、農業農村部黃淮海智慧農業技術重點實驗室

更多干貨、市場分析、重磅案例、實戰課程歡迎訂閱 [農業行業觀察]公眾號：nyguancha

文章：10880 篇

瀏覽：37195 次

代表文章

農俠會：三農領域產業社群（資源對接、案例分享、線上課程、線下活動）

【政策解讀】2021鄉村振興政策解讀（最全）

從快遞到農業，且看順豐布局農村的變與不變

【鄉村振興案例】國家推行鄉村振興千萬工程的六大路徑和十大典型案例

國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要（農業農村領域節選）

中化化肥舉行2024“邁優伴”領航行動啟動會

【政策解讀】玉米大豆是重點！新一輪千億斤糧食產能提升行動方案發布

【政策匯總】2023農業政策大匯編（建議收藏）

2024生態農業新質生產力產業發展大會暨茂盛生物成立十五周年慶典成功舉辦

AI賦能農業發展向“新”提“質”，中國移動助推鄉村振興智啟新章