
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)
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
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