何勇　張艷超

本期專題

農(nóng)用無人機推廣應(yīng)用中需要關(guān)注的幾個問題

何勇1張艷超2

0　引言

近年來我國迎來農(nóng)用無人機快速發(fā)展新機遇。伴隨著我國城鎮(zhèn)化的推進，農(nóng)民從與土地朝夕相處的農(nóng)村向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)出現(xiàn)了大量規(guī)模適中、能夠持續(xù)發(fā)展的小型農(nóng)場或農(nóng)業(yè)合作組織，農(nóng)民逐漸從分散型的小型農(nóng)戶作業(yè)向集群規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)演變，土地逐漸集中。工業(yè)化進程的加快促進人口向收入更高的第二和第三產(chǎn)業(yè)流動，城市經(jīng)濟發(fā)展和鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)促使農(nóng)村勞力轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力成本提升。雖然我國糧食產(chǎn)量連續(xù)11年增產(chǎn)，但是糧食安全仍然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要是以下幾方面問題：病蟲害防治，食品質(zhì)量安全，農(nóng)藥殘留超標(biāo)及浪費嚴(yán)重，土地肥力下降等?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)無法擺脫農(nóng)藥和化肥的使用，中國農(nóng)業(yè)依賴大量化學(xué)物質(zhì)的投入。濫用農(nóng)藥化肥危害甚多，施藥過程中，由于缺乏施藥技術(shù)知識，加之近年來大量不合格噴施器械進入市場，極易造成操作人員中毒。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)民在生產(chǎn)中對適用機械化新技術(shù)和各種配套機具的需求越來越迫切。農(nóng)用無人機以其在農(nóng)林植保噴藥、風(fēng)力授粉、農(nóng)田遙感等方面獨特的作業(yè)優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，面對農(nóng)業(yè)上的巨大需求，不少科研機構(gòu)和企業(yè)已投入大量人力物力進行農(nóng)用無人機的相關(guān)研究和生產(chǎn)。

目前國內(nèi)農(nóng)用無人機領(lǐng)域的研究、生產(chǎn)尚處于起步階段，各企事業(yè)單位對農(nóng)用無人機的研究、引進和生產(chǎn)力度正在逐漸加強。自2013年中國農(nóng)用航空產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟在海南成立到現(xiàn)在，已有33家理事單位在協(xié)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新、統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、促進技術(shù)交流方面做出了積極貢獻(xiàn)，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序地發(fā)展，整合資源，瞄準(zhǔn)前沿技術(shù)，統(tǒng)籌規(guī)劃與分工。聯(lián)盟自創(chuàng)建至今，成為農(nóng)用無人機應(yīng)用技術(shù)與科研成果轉(zhuǎn)化的重要平臺。聯(lián)盟堅持以科技進步為動力，不斷加大科技創(chuàng)新和推廣力度，以抓好技術(shù)培訓(xùn)，提高生產(chǎn)者素質(zhì)，增加科技含量為主要手段，對制約農(nóng)業(yè)航空發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)進行攻關(guān)，形成了面向市場的技術(shù)創(chuàng)新機制。聯(lián)盟同時向政府建言獻(xiàn)策，為推動農(nóng)用航空發(fā)展?fàn)幦≌邇?yōu)勢。2014年中國中央“一號文件”首次將“加強農(nóng)用航空建設(shè)”寫入文件，使得農(nóng)用無人機迎來巨大的發(fā)展機遇。在產(chǎn)業(yè)崛起的同時，日漸叢生的亂象也令人擔(dān)憂。為了使農(nóng)用無人機健康有序地發(fā)展，必須關(guān)注以下問題。

1　購機中需要關(guān)注的問題

1.1生產(chǎn)企業(yè)的選擇

全國共有200多家單位從事無人機研究生產(chǎn)和銷售服務(wù)，按照技術(shù)水平、生產(chǎn)能力和單位類型大致可分為：農(nóng)用無人機技術(shù)研究與設(shè)計生產(chǎn)部門，由航模愛好者或企業(yè)轉(zhuǎn)型的農(nóng)用無人機制造生產(chǎn)部門，農(nóng)藥生產(chǎn)銷售商支持的農(nóng)用無人機制造生產(chǎn)部門。部分公司市場化程度比較高，各個公司都有自己的代表機型。

過去5年，生產(chǎn)無人機產(chǎn)品與裝備的企業(yè)雖從零發(fā)展至200多家，但由于仍未形成集研發(fā)、生產(chǎn)、管理與應(yīng)用服務(wù)于一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈，以及缺乏相關(guān)的檢測與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，當(dāng)前，農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)雖發(fā)展迅速，但市場卻極為混亂，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。農(nóng)業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)潛力巨大，但對口的監(jiān)管部門卻尚未明確。

應(yīng)當(dāng)由行業(yè)與相關(guān)政府部門共同制定農(nóng)用植保無人機市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)實際執(zhí)行情況，使得農(nóng)用無人機能建立一個健康有序的良性市場，減少安全穩(wěn)定性差等質(zhì)量缺陷問題，完善操作流程，提高機器普適性，降低操作難度。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)包括：①機身質(zhì)量，如機身強度、抗沖擊能力、抗風(fēng)性能、遙控距離、續(xù)航時間、平均故障時間等；②作業(yè)流程規(guī)范，如飛行高度、噴施藥量、飛行速度、農(nóng)藥飄失等；③作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如噴幅、噴藥量、噴幅有效度等；④安全防護措施，如執(zhí)飛標(biāo)志、警示標(biāo)志等；⑤維修保養(yǎng)規(guī)范，如發(fā)動機最大連續(xù)工作時間、電池存放保養(yǎng)等。

標(biāo)準(zhǔn)的建立會對植保無人機的發(fā)展帶來積極的影響：①為農(nóng)戶購機提供方向性指導(dǎo)。目前植保無人機生產(chǎn)廠家眾多，資質(zhì)不明，農(nóng)戶對植保無人機熱情很高，但是需要做大量的考察對比才能做出選擇。②為農(nóng)機監(jiān)管執(zhí)法提供依據(jù)。植保無人機應(yīng)當(dāng)納入專業(yè)部門監(jiān)理范疇。③為納入農(nóng)機購機補貼目錄減少障礙。植保無人機作為新型農(nóng)機，在推廣中價格是其不可回避的影響因素，補貼應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，以減少對市場和農(nóng)戶的誤導(dǎo)。在日本，以Yamaha的Rmax為代表的植保無人機機型占據(jù)了85%以上的市場份額，為保證健康發(fā)展建立了一整套完善的管理制度。

1.2機型的選擇

農(nóng)用無人機包括單旋翼直升機、多旋翼飛行器和固定翼飛機三類及其相關(guān)變種。其中固定翼飛機主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集與農(nóng)田遙感，如圖1所示，其飛行速度可達(dá)70km/h，續(xù)航時間達(dá)到1.5h，升限4 000m，單次飛行覆蓋范圍可達(dá)30km2。

圖1　固定翼應(yīng)用于農(nóng)田信息采集

單旋翼直升機和多旋翼飛行器多用于植保作業(yè)，可以垂直起降，起飛降落的場地占用少，空中飛行速度調(diào)節(jié)靈活，載質(zhì)量在5kg到30kg之間，能夠滿足中小田塊的農(nóng)藥噴灑需求。

單旋翼直升機分為燃料動力和電池動力兩種機型。電動直升機由于動力源和輸出功率與多旋翼相似，所以其續(xù)航時間和載質(zhì)量等與多旋翼接近。燃料動力直升機（如圖2所示）載質(zhì)量可以達(dá)到30kg，續(xù)航時間可達(dá)1.5h，單次起降覆蓋面積達(dá)到4hm2，適合較大地塊的噴灑作業(yè)。單旋翼直升機價格較為昂貴，操作手培訓(xùn)周期長。

圖2　單旋翼直升機應(yīng)用于植保噴藥

多旋翼植保無人機（如圖3所示）采用對稱結(jié)構(gòu)的多個旋轉(zhuǎn)中心帶動旋翼產(chǎn)生風(fēng)力進行飛行作業(yè)。多旋翼植保無人機價格適中，操作靈活，培訓(xùn)周期短；但由于采用電池作為動力來源，使得多旋翼無人機的作業(yè)覆蓋半徑在300m之內(nèi)，單次作業(yè)時間在30min之內(nèi)，比較適合于田間小地塊（＜6.7hm2）。目前多旋翼無人機存在大量變種，通過增加旋翼數(shù)量提高靜載荷，筆者認(rèn)為這樣的設(shè)計會提高系統(tǒng)復(fù)雜度，降低機身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加能量耗費，減少操作靈活性。

圖3　多旋翼飛行器應(yīng)用于植保噴藥

1.3操控方式的選擇

施藥作業(yè)飛機起降次數(shù)多、續(xù)航時間短，不同于軍事飛行或其他民用飛行起降少、續(xù)航時間長的特點。目前農(nóng)用無人機的操控包括手動操控和全自動操控兩種，手動操控對操控手的要求較高，操控人員需實時關(guān)注無人機的飛行環(huán)境、飛行狀態(tài)，并發(fā)出飛行指令，注意力需高度集中，勞動強度大，且無人機作業(yè)質(zhì)量直接受操控人員操控水平的影響。全自動操控使用地面站操控，可以實現(xiàn)一鍵起飛、自動作業(yè)、自動降落，大大減輕操控人員的勞動強度。地面站自動操控需要事先規(guī)劃航線，作業(yè)的準(zhǔn)確性受無人機定位精度的影響。國內(nèi)植保無人機基本上都是手動操縱遙控器遠(yuǎn)程遙控?zé)o人機進行田間作業(yè)。農(nóng)用無人機是目前農(nóng)用機械中可能實現(xiàn)全自動田間作業(yè)的機械，在GPS和機器視覺的導(dǎo)航下，定高定速，按農(nóng)田所需用藥量將農(nóng)藥噴灑到田間消除害蟲。隨著勞動力成本的增加，無人機控制技術(shù)及定位技術(shù)的發(fā)展，基于地面站的全自動作業(yè)將是大規(guī)模農(nóng)田作業(yè)的主流方向。

手動遙控對飛行器進行直接控制，然而操作人員需要經(jīng)過專業(yè)嚴(yán)格的培訓(xùn)，并且在實際操作過程中要嚴(yán)格遵守安全須知和規(guī)定流程。對于無人機噴藥來說，手動操作由于受視力偏差的影響，容易造成漏噴和重噴問題。按照國家民航局規(guī)定，無人機操控人員必須到經(jīng)過民航局批準(zhǔn)擁有培訓(xùn)資質(zhì)的培訓(xùn)機構(gòu)接受完整培訓(xùn)，只有考核通過獲得駕駛證書的人員才能操作無人飛行器。

1.4噴施部件的選擇

小霧滴是實現(xiàn)航空高效低量噴霧的關(guān)鍵，但其極易受到飛行器流場、氣候條件的影響，可采用離心噴頭等提高液滴霧化程度，提高沉降效果。亦可合理選擇航空噴霧制劑與助劑，通過采用航空噴霧制劑與改進噴霧過程中藥液霧滴霧化、飄失控制技術(shù)相結(jié)合進行，提高農(nóng)藥利用率和施藥安全性。

選擇適應(yīng)不同作業(yè)條件的霧化噴頭、適宜的霧滴尺寸可以解決飛機飛行氣流條件下的霧滴飄失嚴(yán)重的問題，使霧滴沉降在靶標(biāo)上，并在作物叢中有較好的穿透性，從而達(dá)到最佳的航空施藥防治效果。

在實施現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)中所需遵循的各個要素中，高效精準(zhǔn)的田間管理是必不可少的環(huán)節(jié)之一，它與環(huán)境質(zhì)量、資源利用、物種多樣性和人類健康等指標(biāo)都有密切關(guān)系?？刹捎煤娇諊婌F量可變量控制系統(tǒng)，做到根據(jù)噴灑要求流量可調(diào)、壓力可調(diào)。與作物生長信息、地理信息、定位信息、作業(yè)要求等協(xié)同，應(yīng)用可變量作業(yè)的通訊和控制系統(tǒng)。如此，可以有效提高噴灑均勻性，減少少噴漏噴現(xiàn)象，實現(xiàn)精準(zhǔn)管理。

2　無人機使用需要注意的問題

2.1飛機登記備案

無人機制造出廠必須有生產(chǎn)編號，進行數(shù)據(jù)管理，包括：生產(chǎn)記錄，使用記錄，維修保養(yǎng)記錄等數(shù)據(jù)。無人機在合法飛行之前須向民航總局進行歸屬登記，登記文件頒發(fā)后由飛機所有者隨時隨機攜帶，處于安全運行的飛機經(jīng)過檢查并滿足局方要求，可由局方代表頒發(fā)無人機特許適航文件，同時局方把處于適航條件的無人機的維護責(zé)任寄予所有者和運營者，要求所有的民用無人機按照特定的時間間隔來確定總體運行狀態(tài)。目前無人機登記備案工作大多由銷售方進行。

2.2人員培訓(xùn)

由于目前無人機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，培訓(xùn)起來注意事項較多，上手難度較高，同時市場規(guī)模較小，缺乏專業(yè)飛行服務(wù)團隊。在目前自動化程度較低的手動操控情況下，操作人員的技術(shù)水平直接決定飛行安全和噴灑效果。售后服務(wù)和維修等問題難以妥善解決，農(nóng)民群眾抗風(fēng)險能力匱乏，在墜機并造成重大事故時，難以抵御風(fēng)險。目前浙江省內(nèi)浙江大學(xué)成為首批5家獲得中國民航認(rèn)可的AOPA核發(fā)的無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員訓(xùn)練機構(gòu)之一（授權(quán)證如圖4所示），可以招收、培訓(xùn)無人機駕駛員并進行結(jié)業(yè)考核。

圖4　駕駛員培訓(xùn)機構(gòu)授權(quán)證

2.3飛機保險

無人機飛行存在大量不確定因素，如果造成了人和物的損害，無人機操控手需要承擔(dān)全責(zé)。推廣植保無人機，需要通過設(shè)置相應(yīng)的保險產(chǎn)品來提高農(nóng)民的抗風(fēng)險能力，避免造成不必要的悲劇。

中華聯(lián)合保險公司與浙江大學(xué)達(dá)成合作協(xié)議，對無人機設(shè)置了機身險和第三方損失險的保險產(chǎn)品，由浙江大學(xué)進行質(zhì)量檢驗與定損，全國聯(lián)保。

2.4適航審查

目前我國民用無人機技術(shù)總體上比較薄弱，適航性較差，很多無人機還無法達(dá)到民航局的適航要求。依據(jù)國家民航局2009年6月頒發(fā)的《民用無人機空中交通管理辦法》、2009年6月頒發(fā)的《關(guān)于民用無人機管理有關(guān)問題的暫行規(guī)定》，以及2012年1月民航局適航審定司頒發(fā)的適航管理文件《民用無人機適航管理工作會議紀(jì)要》和2013年11月頒布的咨詢通告《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，對能夠安全飛行于低空空域的無人機頒發(fā)I類特許飛行證。由浙江大學(xué)研制的無人機已經(jīng)獲得特許飛行。沒有獲得適航證的無人機隨意飛行會受到民航管理局的懲罰。無人機的使用者在進行無人機飛行作業(yè)前應(yīng)當(dāng)確定飛行是否合法，飛機是否有適航證。

2.5維護保養(yǎng)

在無人機手動操作中，安全問題十分重要，包括起飛前檢查、周圍環(huán)境觀察、空中情況應(yīng)急處理及緊急迫降等操作。起飛前要對機載電池與遙控設(shè)備電源電壓進行核查，檢查電池狀態(tài)，是否有鼓包等情況，檢查機身是否存在裂紋等。碳纖結(jié)構(gòu)在陽光直射和溫濕度較高下容易老化變性，強度降低，在維修保養(yǎng)的時候需要注意。無人機自購機起應(yīng)當(dāng)經(jīng)專業(yè)機構(gòu)每年進行一次檢查，降低隱藏風(fēng)險。

3　管理和組織方式上需要關(guān)注的問題

3.1明確主管部門

目前從事該領(lǐng)域研究的科研院所和生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)200多家，已形成一個非常有潛力的大產(chǎn)業(yè)，但農(nóng)業(yè)無人機的主管部門還不明確，無人機的購置、登記、年檢等工作處于空白狀態(tài)。按照國家民航局的規(guī)定，無人機操作人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)機構(gòu)培訓(xùn)并頒發(fā)培訓(xùn)結(jié)業(yè)證書，并且嚴(yán)格依據(jù)所培訓(xùn)的操作規(guī)程進行操作，目前操作人員的監(jiān)督管理仍處空白。相關(guān)部門必須盡早明確一個主管部門對我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)加強管理，通過指定或者委托有資質(zhì)的培訓(xùn)機構(gòu)進行統(tǒng)一培訓(xùn)管理。無人機的購機仍然缺乏健全的監(jiān)管機制，將我國農(nóng)業(yè)航空飛行器早日納入購機補貼目錄，為我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅實的政策保障。

3.2植保服務(wù)組織方式

植保無人機的操作使用與維修保養(yǎng)涉及很多專業(yè)知識，而且價格昂貴，這對于中小型農(nóng)戶很不現(xiàn)實。在無人機應(yīng)用最普遍的日本，農(nóng)戶通過自發(fā)組建農(nóng)業(yè)協(xié)會和團體組織等組織購買和使用無人機，其持有無人機占無人機總數(shù)的36.4%，同時在日本有大量的航空植保服務(wù)公司組織專業(yè)飛行人員完成田間作業(yè)，其所持有無人機占總登記數(shù)的45.3%，個人持有無人機數(shù)量僅為11%。我國應(yīng)當(dāng)借鑒日本推廣的經(jīng)驗，避免不熟練的農(nóng)戶直接操作無人機，利用農(nóng)村合作社等集體組織和組織專業(yè)植保飛行公司進行專業(yè)化的飛行作業(yè)。植保噴藥飛行服務(wù)團隊的建設(shè)能夠有效地降低農(nóng)民承受的風(fēng)險，擴大植保無人機的使用范圍，使得農(nóng)技像收割機等大型農(nóng)機具一樣，在植物生長產(chǎn)中病蟲害易發(fā)階段進行快速有效地防治。將無人機推廣與農(nóng)藥噴灑相結(jié)合，作為農(nóng)機服務(wù)進行推廣，拓展無人機推廣切實可行的路子，向合作社、農(nóng)機服務(wù)站等農(nóng)技服務(wù)單位進行推廣。

3.3飛機制造和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定

無人機制造標(biāo)準(zhǔn)包括了條例和認(rèn)證、飛機測試，維修與護理、通訊，飛機監(jiān)管、操作規(guī)范、安全性能，整機、部件的設(shè)計要求等內(nèi)容。在農(nóng)業(yè)實際作業(yè)中還面臨很多亟待解決的問題，比如在無人機最大的應(yīng)用領(lǐng)域——植保作業(yè)領(lǐng)域，美國、日本、國際糧農(nóng)組織等都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺，我國還沒有相關(guān)無人機標(biāo)準(zhǔn)。作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，為保證植保作業(yè)飛行安全，減少航空植保作業(yè)的負(fù)面影響，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）制定了《飛機施用農(nóng)藥的正確操作準(zhǔn)則》，準(zhǔn)則涵蓋了飛行員（或操作員）、飛機、農(nóng)藥、作業(yè)條件、作業(yè)記錄、施藥后處理等各個方面；我國國家民航總局制定了《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了固定翼飛機從事農(nóng)林牧業(yè)的噴灑作業(yè)（常量、低容量和超低容量噴灑農(nóng)藥和化學(xué)肥料等作業(yè)）質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)及固定翼飛機從事農(nóng)林業(yè)的播撒作業(yè)（飛機播樹種、草種、稻種等項作業(yè)）的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。然而這些標(biāo)準(zhǔn)多是針對有人航空噴灑制定的，還沒有制定針對無人機噴灑的作業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

4　總結(jié)

無人機是自動化控制技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、精密制造技術(shù)等先進技術(shù)的結(jié)晶，代表著工業(yè)最高水平。更好地推廣無人機，讓千家萬戶用上無人機進行快速高效的植保作業(yè)，對提高農(nóng)業(yè)機械化信息化水平，減少勞動力需求和應(yīng)對糧食危機有著非常重大的意義。在繼續(xù)加大對農(nóng)用航空科技研發(fā)的投入的同時，政府仍需探索更好的植保作業(yè)組織形式，相關(guān)部門加強對無人機市場的引導(dǎo)和監(jiān)管，實現(xiàn)無人機駕駛員培訓(xùn)規(guī)范化。無人機產(chǎn)業(yè)不僅僅是購銷一臺機器，更需要具有專業(yè)素養(yǎng)的培訓(xùn)團隊提供培訓(xùn)，還需要植保專家進行田間勘察制定飛行規(guī)劃，更需要完善的售后服務(wù)以應(yīng)對突發(fā)意外情況。

作者信息：1教授、博士生導(dǎo)師；2：浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058，杭州