秦 宇，周 宇，趙 亮（.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，北京 000；.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽 036）

1 概述

目前全球農(nóng)機的發(fā)展趨勢是具有自動駕駛系統(tǒng)的大型化、精準化農(nóng)機，要求農(nóng)機通過衛(wèi)星和基站導航等手段具有一定的自動駕駛功能，要求農(nóng)機操作人員具備更豐富的農(nóng)機知識儲備和更專業(yè)的農(nóng)機操作技術(shù)。我國是農(nóng)機大國，但在自動駕駛農(nóng)機系統(tǒng)生產(chǎn)配套和操作人員知識體系上還相對落后。

國務(wù)院《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016—2020 年）》計劃我國農(nóng)作物耕種收的綜合機械化率由2015 年的63%提高到2020 年的70%，并加快智能裝備的推廣應(yīng)用，促進農(nóng)業(yè)機械化提檔升級，創(chuàng)建500個全程機械化示范縣［1］。我國5G建設(shè)正在大規(guī)模展開，截至2019年底全國共建成5G 基站超13 萬個，2020 年預計建成5G基站超過60～80 萬個，幾年內(nèi)將實現(xiàn)全國范圍的5G 信號的廣域和密集覆蓋。

利用5G 技術(shù)支撐的自動化駕駛農(nóng)機可以通過實現(xiàn)農(nóng)機駕駛的精確定位、遠程的大數(shù)據(jù)回傳、AI 智能分析等促進農(nóng)機智能化發(fā)展，另外結(jié)合5G回傳農(nóng)機的高清視頻、設(shè)備運行參數(shù)等，采用大數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)從農(nóng)機保養(yǎng)、農(nóng)作物生產(chǎn)、收貨等全流程化、全生命周期的科學管理，促進農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的同時，降低專業(yè)農(nóng)機操作人員的需求數(shù)量，加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展步伐，縮小與發(fā)達國家技術(shù)水平的差距。

為了深入探討5G 和大數(shù)據(jù)對自動駕駛農(nóng)機的推動作用，將結(jié)合5G 和大數(shù)據(jù)，對農(nóng)機自動駕駛技術(shù)的發(fā)展趨勢進行闡述。

2 自動駕駛農(nóng)機的發(fā)展現(xiàn)狀

自動駕駛農(nóng)機是以定位系統(tǒng)為核心技術(shù)，通過車載的轉(zhuǎn)向控制裝置和導航控制算法控制農(nóng)機沿預定作業(yè)路線行走的農(nóng)業(yè)機械。自動駕駛的智能化農(nóng)業(yè)機械裝備已成為當今世界農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的新潮流，是近幾年來國際上農(nóng)業(yè)科學研究的熱點之一［2］。

歐美等發(fā)達國家的農(nóng)機自動駕駛技術(shù)是隨著90年代GPS 導航技術(shù)興起的，已經(jīng)歷二三十年的發(fā)展歷程，其主要技術(shù)是借助RTK（Real Time Kinematic）基站完成自動駕駛農(nóng)機的定位和導航。RTK 是一種載波相位差分技術(shù)，RTK 基站通過數(shù)據(jù)通信鏈實時地把載波相位觀測值和已知坐標送給附近工作的農(nóng)機，農(nóng)機根據(jù)接收到基準站和衛(wèi)星的載波信號實時差分消除部分誤差來提高定位精度［3］。

農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)主要分為RTK 基站系統(tǒng)和農(nóng)機車載系統(tǒng)2個部分，涉及RTK基站接收機、后臺運算服務(wù)器、車載接收機、方向傳感器、控制器等［4］，單點的RTK系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 RTK自動導航拓撲圖

目前自動駕駛農(nóng)機在美國、德國、法國、丹麥、加拿大等國家發(fā)展比較成熟，有很多RTK 基站系統(tǒng)的運營公司，但收費較高，為了節(jié)約費用，在美國，一些農(nóng)場主通過自行建設(shè)RTK基站，搭建自動導航平臺［5］。

我國農(nóng)機自動駕駛導航系統(tǒng)的市場在2000 年以后開始逐步發(fā)展，商業(yè)的農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)由國內(nèi)科研院所開始牽頭研制并逐步市場化，主要功能為通過衛(wèi)星定位實現(xiàn)農(nóng)機直線作業(yè)路線的自動跟蹤行走［6］，典型應(yīng)用場景為新疆地區(qū)棉花覆膜播種、東北地區(qū)起壟、內(nèi)蒙地區(qū)馬鈴薯播種等。我國農(nóng)機自動駕駛和導航發(fā)展總體相對比較落后，主要原因是種植規(guī)?；汀Ш絉TK 基站較少且價格較高等。未來隨著5G的深入部署，利用5G 導航、5G 大數(shù)據(jù)回傳等技術(shù)優(yōu)勢，可以有效推動農(nóng)機自動駕駛市場的發(fā)展。

3 農(nóng)機自動駕駛中的5G關(guān)鍵技術(shù)及平臺設(shè)計

5G 技術(shù)在農(nóng)機自動駕駛中的應(yīng)用主要包括精確定位、視頻大數(shù)據(jù)回傳等。

3.1 5G精確定位技術(shù)

由于傳統(tǒng)基于RTK 基站的農(nóng)機定位系統(tǒng)在我國的發(fā)展落后于歐美發(fā)達國家，5G的精確定位技術(shù)將彌補這一不足。5G 的精確定位技術(shù)是5G 發(fā)展過程中的一項增強技術(shù)，依托大規(guī)模天線、波束賦形和毫米波等方法綜合實現(xiàn)，未來在5G基站密度和覆蓋足夠良好的情況下可以達到或超過RTK基站系統(tǒng)的定位精度。

3GPP 早在R13、R14 版中就已開展針對3G 和4G室內(nèi)定位技術(shù)增強的研究，增強了RAT 定位方法，完善了非RAT的室內(nèi)定位方法等［7］。由于沒有對定位至關(guān)重要的同步技術(shù)深入研究和標準化，4G定位精度不高。3GPP R16 版本開始對5G 定位進行了定義，并將在3GPP R17版本中進行細化，在2020年3季度開始進行標準的完善，涵蓋內(nèi)容包括：工業(yè)園區(qū)定位、物聯(lián)網(wǎng)/車聯(lián)網(wǎng)定位、3D 定位、厘米級別的定位、終端相位定位［8］。關(guān)于定位的精度，歐盟地平線計劃在5G 按步驟實現(xiàn)從30 cm、10 cm、1 cm的定位精度［9］，如表1所示。

具體方法是在大規(guī)模天線、波束賦形、毫米波、衛(wèi)星導航等多種技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合更先進的數(shù)學算法進行精確定位。

表1 5G各個階段的指標要求

首先，大規(guī)模天線可以實現(xiàn)基站和終端之間的多波束密集傳輸，波束越密集則天線系統(tǒng)可識別的收發(fā)信號角度就越精確，終端根據(jù)這些角度可以精確計算自己的相對位置，在4G 也有類似的定位技術(shù)，但是由于天線數(shù)量少，定位精度只有幾十米。其次，采用波束賦形技術(shù)可以提高波束指向精度，繼續(xù)提高角度識別精度。而毫米波技術(shù)則是因為高頻率指向性好，同樣也可以提高波束指向的精度，同時由于波長更短，同等大小的天面下可以安裝更多的天線，繼續(xù)提高波束賦形的量級。另外衛(wèi)星導航定位可以進行前期粗略定位，并輔助完成后續(xù)定位糾偏等。

在具體的定位數(shù)學算法實現(xiàn)上，常用的無線定位算法包括到達時間（TOA——Time of Arrival）、到達時間差（TDOA——Time Difference of Arrival）、往返到達時間（RTTOA——Round-Trip Time of Arrival）、到達角（AOA——Angle of Arrival）等［10］，現(xiàn)實中的實現(xiàn)技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合。

如圖2 所示，假定在2 維的直射和反射傳播條件下，（xb，yb），（xt，yt），（xi，yi）分別表示基站、終端和反射體的位置，（xb，yb）已知，（xt，yt），（xi，yi）未知，利用已知基站位置，根據(jù)公式（1）～（6）和可觀測值Di、α2i、β2i，可對未知的5G終端位置進行估計。其中α2i和β2i分別為從5G基站到5G終端的第i條路徑的到達角和離開角，Di為距離差。由于路徑衰減、角度計算的誤差等定位結(jié)果還不夠精確，利用折射體并結(jié)合最小二乘法等算法多次運算可以比較精確的計算終端的具體位置［11］

圖2 借助反射體的TDOA/AOA定位算法

3.2 大帶寬、低延遲技術(shù)

在自動駕駛農(nóng)機具有精確定位功能后，還需要具有障礙避讓、農(nóng)作物成熟度識別、病害識別等功能，這些功能在傳統(tǒng)衛(wèi)星導航的傳統(tǒng)自動駕駛中還沒有應(yīng)用或由需要車載駕駛員輔助車載系統(tǒng)完成，并非完全的無人駕駛，而5G由于具備大帶寬、低延遲的優(yōu)勢，非常適合在農(nóng)機自動駕駛中應(yīng)用。

車載的高清攝像頭可實現(xiàn)農(nóng)作物高分辨率拍照、攝像，通過5G 網(wǎng)絡(luò)快速地回傳到后臺農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過基于大數(shù)據(jù)和AI 的圖像識別和視頻識別技術(shù)，快速地進行自動駕駛線路輔助糾正、農(nóng)作物成熟度分析、病蟲害分析等。細節(jié)分析時需要超高的分辨率，而超高清（Ultra HD）是指國際電信聯(lián)盟ITU-T 定義“4K 分辨率（3 840×2 160 像素）”的正式名稱，實現(xiàn)了高分辨率、高幀率、高色深、寬色域、高動態(tài)范圍、三維聲共6 個維度技術(shù)的全面提升。采用4K 的高清攝像頭［12］，理論上如果不壓縮需要12 Gbit/s 的速率進行傳輸，按接近極限的壓縮算法，也需要50 Mbit/s 以上的速率，如果有多個攝像頭同時回傳數(shù)據(jù)，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)是無法滿足需求的，而當前非獨立組網(wǎng)（NSA）的5G在100 MHz帶寬時的最高下載速度約在1.25 Gbit/s，后續(xù)獨立組網(wǎng)（SA）的5G 架構(gòu)可以提供更大規(guī)模的連接和更低的延遲，其切片化的服務(wù)能力可以有效降低延遲，非常適合農(nóng)機自動駕駛的各種應(yīng)用。例如在自動農(nóng)機果樹采摘過程中需要對大量圖像進行實時處理，以獲得果實或者果樹的位置坐標，特別是對成熟果實的識別，在進行定位時采摘農(nóng)機需要對成熟度較高的果實進行優(yōu)先采摘，因此還需要根據(jù)顏色特征對圖像進行處理，最后根據(jù)對成熟果實圖像的位置識別實現(xiàn)自主定位［13］。這些占用高帶寬且需要接近實時的業(yè)務(wù)處理工作，最適合利用5G網(wǎng)絡(luò)進行連接。

3.3 自動駕駛平臺

除了具備精確定位、大數(shù)據(jù)回傳功能的農(nóng)機設(shè)備，還需要有后臺數(shù)據(jù)平臺和支撐模塊，共同構(gòu)成一個整體的自動駕駛平臺。5G 可以為農(nóng)機大數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的傳輸、匯集、分析等打通網(wǎng)絡(luò)層通道，通過聯(lián)通車輛、駕駛員、農(nóng)場主、農(nóng)機管理人員、農(nóng)機生產(chǎn)廠家、5G 運營商及設(shè)備廠家、專業(yè)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析企業(yè)、農(nóng)機和生產(chǎn)的政府相關(guān)管理部門、科研單位等搭建農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺，并完成相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用工作。圖3為基于5G網(wǎng)絡(luò)搭建的農(nóng)機計算及大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)架。

圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)搭建的農(nóng)機邊緣計算及大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)架

a）應(yīng)用層：實現(xiàn)農(nóng)機自動駕駛功能。應(yīng)用層包括各種農(nóng)機車輛、農(nóng)機駕駛員、GPS/北斗定位平臺。農(nóng)機實現(xiàn)功能包括各種播種、收割、裝載、翻整等，1 臺或多臺車輛配備少量現(xiàn)場駕駛員，車輛均配備GPS/北斗導航系統(tǒng)以提供定位數(shù)據(jù)，配備5G收發(fā)單元完成數(shù)據(jù)傳輸，其他傳感、高清攝像等單元根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求進行配置。

b）網(wǎng)絡(luò)層：實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)承載和提供移動邊緣計算服務(wù)。主要包括5G無線承載、傳輸以及移動邊緣計算設(shè)備（MEC），其中移動邊緣服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及應(yīng)用層延遲要求等進行配置及地址位置規(guī)劃。

c）數(shù)據(jù)層：對5G 網(wǎng)絡(luò)采集的自動駕駛農(nóng)機各種數(shù)據(jù)進行存儲、融合、轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理利用，同時根據(jù)支撐層用戶的不同需求進行接口和數(shù)據(jù)匹配。例如可將農(nóng)機內(nèi)部的設(shè)備運行日志回傳給農(nóng)機廠家進行遠程監(jiān)測和維護，將5G 收發(fā)模塊的速率、延遲、抖動等指標回傳給5G網(wǎng)絡(luò)運營商等。

d）支撐層：對數(shù)據(jù)層獲取的各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分類支撐。支撐層可以包括農(nóng)場管理人員、生廠商維護部門、專業(yè)的大數(shù)據(jù)分析挖掘公司、提供5G 網(wǎng)絡(luò)的運營商和設(shè)備商、具有創(chuàng)新科研能力的研發(fā)機構(gòu)等。數(shù)據(jù)層和支撐層通過大量的數(shù)據(jù)交換、分析和處理，實現(xiàn)了農(nóng)機大數(shù)據(jù)商業(yè)價值的分類、分層挖掘，改進農(nóng)機行業(yè)作業(yè)方式，增加經(jīng)濟和社會效益。

4 5G/大數(shù)據(jù)與農(nóng)機自動駕駛社會效益及展望

4.1 加持5G的大數(shù)據(jù)平臺對農(nóng)機發(fā)展的社會效益

當前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺都是異構(gòu)化、垂直化和碎片化的，使企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享和服務(wù)協(xié)同變得非常困難，形成了諸多“信息孤島”［14］。5G可以為農(nóng)機大數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的傳輸、匯集、創(chuàng)新等創(chuàng)造了條件，通過聯(lián)通車輛、駕駛員、農(nóng)場主、農(nóng)機管理人員、農(nóng)機生產(chǎn)廠家、5G 運營商及設(shè)備廠家、專業(yè)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析企業(yè)、農(nóng)機和生產(chǎn)的政府相關(guān)管理部門、科研單位等搭建農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺，完成相關(guān)挖掘和應(yīng)用。

a）提高經(jīng)濟效益。首先可以降農(nóng)機低維護費用，通過5G回傳數(shù)據(jù)到大數(shù)據(jù)服務(wù)器以后，農(nóng)機運行狀態(tài)信息可以通過接口回傳給廠家集中處理，通過專業(yè)的檢查及時確認農(nóng)機是否需要進行保養(yǎng)或維修等，節(jié)省傳統(tǒng)的現(xiàn)場維修保養(yǎng)費用。再則可以降低農(nóng)機駕駛員成本，傳統(tǒng)農(nóng)機對農(nóng)機駕駛員尤其是富有經(jīng)驗的駕駛員需求很大，通過5G 遠程駕駛，可以對多臺農(nóng)機進行監(jiān)測和操控。隨著攝像單元、數(shù)據(jù)采集裝置、5G 收發(fā)終端模塊價格的不斷降低，5G 支撐下的無人駕駛農(nóng)機作業(yè)，可有效降低支出，提高經(jīng)濟效益。

b）具有社會效益。促進精準農(nóng)業(yè)發(fā)展，通過地面5G 網(wǎng)絡(luò)高速率、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合空中GPS/北斗衛(wèi)星定位輔助，實現(xiàn)空天一體化，可以加快我國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化升級，對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到良好的示范和帶動作用，具有明顯的社會效益。

c）增加環(huán)保效益。自動駕駛農(nóng)機，需要很少甚至沒有現(xiàn)場人員，減少了對駕駛員的潛在傷害，例如現(xiàn)場高噪聲傷害、粉塵傷害、噴灑化學農(nóng)藥的傷害、惡劣天氣造成潛在雷電、滑坡、洪水傷害等。另外駕駛艙的縮減和取消，將減化農(nóng)機結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，降低碳排放。

4.2 基于5G大數(shù)據(jù)的自動駕駛農(nóng)機應(yīng)用展望

目前道路自動駕駛，面臨著各種路況識別、高速下車輛控制等諸多技術(shù)瓶頸，并且我國的復雜路況還對道路自動駕駛技術(shù)提出了更高要求［15］，而基于5G的農(nóng)機自動駕駛卻擁有諸多優(yōu)勢，這是由于農(nóng)機的駕駛環(huán)境相對道路車輛要簡單的多：

a）農(nóng)機作業(yè)時駕駛速度低，只是道路車輛的幾分之一。國外一些公司推出的自動駕駛農(nóng)機的重要參數(shù)之一是系統(tǒng)支持的最低行駛速度，如美國約翰迪爾ATU 自動導航系統(tǒng)支持的最低行駛速度是0.5 km/h，低于一般系統(tǒng)1.6 km/h的指標［16］。

b）農(nóng)機作業(yè)時，區(qū)域內(nèi)的車輛、人員密度非常低。

c）農(nóng)機作業(yè)時基本不涉及信號燈問題。因此農(nóng)機自動駕駛應(yīng)用特別適合與5G技術(shù)結(jié)合，先期進行一些創(chuàng)新性的突破，在農(nóng)機行業(yè)大展拳腳，并可以為后續(xù)道路上的自動駕駛提供大量經(jīng)驗。

可以暢想，基于5G 回傳高清的視頻流數(shù)據(jù)、各種機械傳感數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)平臺對高清視頻后臺自動分析，實現(xiàn)精準的農(nóng)機自動操作；基于紅外視頻數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)良好的夜間操作，規(guī)避和牲畜、人員、野生動物的碰撞；基于大數(shù)據(jù)平臺的作物雜草數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)精準的雜草和秸稈粉碎；基于實時壓力檢測，精準調(diào)節(jié)翻耕深度及旋耕轉(zhuǎn)速，控制胎壓改變對土壤的壓痕；基于氣象精準預報，實現(xiàn)遠程自動化作物搶收等。在5G 及大數(shù)據(jù)加持下的農(nóng)機自動駕駛應(yīng)用將給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來驚喜。

5 結(jié)束語

5G 及大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于自動農(nóng)機駕駛，給我國加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化帶來了機遇和挑戰(zhàn)。帶來的機遇如下。

a）農(nóng)機無人駕駛的要求相對道路駕駛要求較低，適宜優(yōu)先發(fā)展。

b）我國的農(nóng)業(yè)模式和土地分配方式不適合RTK類導航基站建設(shè)，更適合建設(shè)以運營商主導的導航網(wǎng)絡(luò)。

c）我國正著手大力建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)，相信可以較快地實現(xiàn)廣域覆蓋。

面臨的挑戰(zhàn)如下。

a）3GPP 的5G 標準化還需要一段路要走，3GPP R17 RAN4計劃2022年第1季度全部制定完成［17］。

b）毫米波相關(guān)的頻段分配等還待頒布，且頒布后需要產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟。

c）5G 頻率更高，尤其到毫米波段，雨衰、氧衰等帶來的影響需要克服。

總之，通過5G 和大數(shù)據(jù)對農(nóng)機的加持，可以實現(xiàn)較好的自動農(nóng)機駕駛，加速我國在農(nóng)機設(shè)備和技術(shù)上對發(fā)達國家的追趕和超越。在5G發(fā)展的前期，農(nóng)機自動駕駛可以實現(xiàn)率先突破，實現(xiàn)自動駕駛的產(chǎn)業(yè)突破和行業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用經(jīng)驗積累，同時運營商和設(shè)備提供商還可以拓展相關(guān)ICT市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)共贏。