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?；A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?？傮w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?？茖W、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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