宋世圣，彭才望，宋 玲，付昌星

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000）

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)。如圖1所示，2018年我國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約為61 719.69億元，對(duì)當(dāng)年國(guó)民生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)超過13.9%。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部刊出的《中國(guó)農(nóng)業(yè)展望報(bào)告（2018—2027）》提出，在 2018年至 2022年期間，我國(guó)將投入約6000億元建設(shè)高水平農(nóng)場(chǎng)。預(yù)計(jì)2020年我國(guó)將建成面積約為2670萬公頃的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)場(chǎng)。

在加大農(nóng)業(yè)建設(shè)投入力度的同時(shí)，也需要正視農(nóng)業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的問題。中國(guó)雖地大物博，但人均農(nóng)業(yè)用地僅為1.38畝（1畝=667m2），不及世界平均水平的40%。即便我國(guó)的耕地如此稀少，耕地面積還在逐年減少。不僅如此，我國(guó)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足、勞動(dòng)力老齡化、勞動(dòng)力成本越來越高的問題也日益突出；因此，亟需建立一種新型的農(nóng)業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)“以機(jī)易人”。

1 世界范圍內(nèi)農(nóng)場(chǎng)的四個(gè)發(fā)展階段

近年一些學(xué)者提出了農(nóng)業(yè)4.0的理念，很好地詮釋了農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展歷程。

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)

中國(guó)是人類的發(fā)源地之一。大約在距今12 000年前，中國(guó)在新石器時(shí)代早期就出現(xiàn)了原始農(nóng)業(yè)的雛形。一些歷史學(xué)家認(rèn)為，原始的采集活動(dòng)逐漸發(fā)展為種植業(yè)，原始的狩獵活動(dòng)孕育了之后的畜牧業(yè)。

傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)模式是使用傳統(tǒng)農(nóng)耕用具、施用自然肥料以及以牲畜為主要耕作動(dòng)力。簡(jiǎn)單來說，經(jīng)營(yíng)傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)可以概括為“靠天吃飯”。

1.2 機(jī)械化農(nóng)場(chǎng)

隨著科技不斷發(fā)展，農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)模式也發(fā)生了巨大變革。地球上超過40%的無冰土地都被用來耕作，20%～30%的地表水被用來灌溉[1]。數(shù)量如此龐大的農(nóng)田自然不能一直依靠人畜耕作。19世紀(jì)中葉至末期，美國(guó)少數(shù)農(nóng)場(chǎng)開始使用一些簡(jiǎn)單的畜力農(nóng)業(yè)機(jī)械，當(dāng)時(shí)的農(nóng)業(yè)機(jī)械還不能自己提供動(dòng)力。20世紀(jì)初拖拉機(jī)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后，一些農(nóng)場(chǎng)將各種農(nóng)業(yè)機(jī)械相繼投入田間作業(yè)，取代了傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)中的牲畜動(dòng)力。據(jù)1975年聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織公布的數(shù)據(jù)，約占92%的農(nóng)用拖拉機(jī)與收獲機(jī)械為第一世界和第二世界國(guó)家所有，其中美國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械化程度高[2]。

由表1可以看出，主要發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化，只需投入較少的勞動(dòng)力就可以滿足本國(guó)的糧食生產(chǎn)需求。隨著發(fā)達(dá)國(guó)家成功走上農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路，農(nóng)業(yè)機(jī)械化也成為了時(shí)代潮流，目前我國(guó)也基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

表1 主要發(fā)達(dá)國(guó)家完成農(nóng)業(yè)機(jī)械化的情況

1.3 自動(dòng)化農(nóng)場(chǎng)

20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。20世紀(jì)90年代初，GPS開始由軍用化轉(zhuǎn)為民用化，美國(guó)、加拿大等國(guó)家提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的構(gòu)想。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)利用工具和技術(shù)識(shí)別田間土壤和農(nóng)作物，改變耕作方式并優(yōu)化農(nóng)藝。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出開啟了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化新篇章。農(nóng)業(yè)自動(dòng)化將大數(shù)據(jù)、機(jī)電控制技術(shù)、傳感器技術(shù)完美結(jié)合，運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，實(shí)現(xiàn)了勞動(dòng)力的解放，完成了精準(zhǔn)種植、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)噴藥以及智能化采摘[3-4]等任務(wù)，使作物得到最適合的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者的利益最大化。

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)雖然革新了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，但是目前該技術(shù)的應(yīng)用還存在著一些問題，例如不同地區(qū)的土壤水分條件不同、種植作物不同、環(huán)境因素差別大。因此需要因地制宜，使用不同的自動(dòng)化技術(shù)[5]。

1.4 無人農(nóng)場(chǎng)

2017年，世界糧食安全會(huì)議宣布：預(yù)計(jì)2050年世界人口數(shù)量將增長(zhǎng)到100億，食品需求將比2013年增長(zhǎng)約50%。需要進(jìn)一步改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，優(yōu)化全球食品系統(tǒng)[6]。無人農(nóng)場(chǎng)，顧名思義，就是沒有人的農(nóng)場(chǎng)，即全程沒有人類勞動(dòng)力參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、由智能計(jì)算機(jī)進(jìn)行操控、勞動(dòng)機(jī)器人自主決策和自主作業(yè)的一種新型農(nóng)場(chǎng)模式[7]。其本質(zhì)就是圍繞無人化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化、數(shù)據(jù)可視化的理念[8]，以智能代替人工，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及智能裝備等一系列新興技術(shù)[9]?？梢哉f，建設(shè)無人農(nóng)場(chǎng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等新型農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路。傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)如果是“靠天吃飯”，無人農(nóng)場(chǎng)則是“人定勝天”。

全球范圍內(nèi)，農(nóng)田棄耕的趨勢(shì)顯著上升，這直接影響到了農(nóng)民生計(jì)，威脅到了世界糧食安全[10]。農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)需要向可持續(xù)性轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的糧食安全[11]。20世紀(jì)80年代，各發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)發(fā)展無人農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行探索，研制出各種新型農(nóng)業(yè)機(jī)器人并將其用于無人農(nóng)場(chǎng)中的種植、植保、收獲等環(huán)節(jié)。其中又以日本最為成功，研發(fā)的智能機(jī)器人目前處于世界領(lǐng)先地位[12]。

2 無人農(nóng)場(chǎng)概念

2.1 無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展階段

李道亮教授等人[7]根據(jù)計(jì)算機(jī)參與程度將無人農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展分為遠(yuǎn)程操控、無人值守、自主作業(yè)三個(gè)階段。而筆者根據(jù)無人農(nóng)場(chǎng)工作人員參與程度的不同，將無人農(nóng)場(chǎng)的演進(jìn)過程分為四個(gè)階段：遠(yuǎn)程操控、按時(shí)操控、自主作業(yè)、自主運(yùn)行。

（1）初級(jí)階段——遠(yuǎn)程操控。這是自動(dòng)化農(nóng)場(chǎng)向無人農(nóng)場(chǎng)演進(jìn)的過渡階段。雖然農(nóng)業(yè)機(jī)械已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是各個(gè)機(jī)械無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，不能聯(lián)合作業(yè)，需要工作人員在操控室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。因?yàn)闊o需勞動(dòng)力進(jìn)入農(nóng)場(chǎng)從事體力勞動(dòng)，所以也被稱為解放雙手的農(nóng)場(chǎng)（Handsfree Farm）。2017年9月，英國(guó)Harper Adams大學(xué)與Precision Decision公司聯(lián)合成立的一個(gè)“Handsfree Farm”，成功完成了第一批小麥?zhǔn)崭睢?/p>

（2）中級(jí)階段——按時(shí)操控。工作人員無需實(shí)時(shí)在操控室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。各農(nóng)業(yè)機(jī)械之間通過傳感器、機(jī)器視覺、數(shù)據(jù)處理以及信息傳輸?shù)燃夹g(shù)建立起了物聯(lián)網(wǎng)。但此時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械沒有完全智能化，需要人工決策，工作人員要在指定的時(shí)間進(jìn)入操控室對(duì)工作機(jī)械進(jìn)行操控以完成工作環(huán)節(jié)之間的交替。在這一階段，稱之為按時(shí)工作的農(nóng)場(chǎng)（On Time Farm）。

（3）高級(jí)階段——自主作業(yè)。無人農(nóng)場(chǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“以機(jī)易人”。這就要求被使用的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有和人類一樣的判斷與決策能力。利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)，可以為智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)工作提供理論數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，人工智能可以為農(nóng)業(yè)機(jī)械的自我決策提供技術(shù)支撐。在這一階段，因?yàn)楣ぷ魅藛T只需日常維護(hù)機(jī)械、更換老舊機(jī)械而無需對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)進(jìn)行判斷與決策，所以被稱為解放大腦的農(nóng)場(chǎng)（Brainfree Farm）。

（4）終極階段——自主運(yùn)行。無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展到這個(gè)階段，自動(dòng)化技術(shù)成熟，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能裝備、人工智能配合達(dá)到完美。農(nóng)場(chǎng)無需人的參與，從種植、收獲到更換廢舊農(nóng)業(yè)機(jī)器甚至產(chǎn)品分銷等全過程都由計(jì)算機(jī)完成。這就是真正意義上的“無人農(nóng)場(chǎng)”（Unmanned Farm）。

2.2 建設(shè)無人農(nóng)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

古代謀士運(yùn)籌帷幄之中就可決勝于千里之外，而無人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)則可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)民“足不逾戶就能種好田”的夢(mèng)想?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，智能化與精準(zhǔn)化不可或缺，需要實(shí)現(xiàn)“哪里缺漏補(bǔ)哪里，哪里需要給哪里”，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)完成對(duì)農(nóng)場(chǎng)中“四情”[13]的監(jiān)測(cè)，就必須掌握其核心技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及智能機(jī)械[7]。

2．2．1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

近年來，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)概念逐漸淡去，物聯(lián)網(wǎng)成為互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展。在物聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)以億計(jì)的物理對(duì)象搭載了傳感器等智能裝備，以在周圍環(huán)境中收集信息[14]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無人農(nóng)場(chǎng)模式，就是在生產(chǎn)基地安裝密度足夠、相應(yīng)功能的物理傳感器，將物理傳感器傳遞回來的電子信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后發(fā)送給農(nóng)場(chǎng)的工作人員，使工作人員及時(shí)了解農(nóng)田的信息[15]。利用物聯(lián)網(wǎng)，可以為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供最適宜的環(huán)境，使無人農(nóng)場(chǎng)各作業(yè)環(huán)節(jié)之間聯(lián)系更為緊密。

2．2．2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

近年來隨著科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用、社交網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域的發(fā)展，全球的數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。到2022年，數(shù)據(jù)的年增長(zhǎng)量有望達(dá)到4.8 ZB，如此超大規(guī)模的數(shù)據(jù)也推進(jìn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展[16]。如今，大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于耕地生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)資源利用與管理、氣象災(zāi)害預(yù)警等方面[17]。利用大數(shù)據(jù)要注重以下三個(gè)環(huán)節(jié)：采集、分析、應(yīng)用，而且這些環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)形成一個(gè)封閉的工作循環(huán)[18]。通過物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合收集與分析，工作人員可利用移動(dòng)終端清晰地了解農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部情況。

2．2．3 人工智能技術(shù)

人工智能通?？梢远x為處理數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為信息以告知目標(biāo)導(dǎo)向的能力，旨在模仿人類大腦的能力，并在準(zhǔn)確性上將其超越[19]。例如人工智能傳感器可以在農(nóng)田內(nèi)完成作物或雜草的判斷，同時(shí)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行分塊，根據(jù)各區(qū)域雜草種類與數(shù)量的不同決定施用不同種類和劑量的農(nóng)藥[20]。這有利于減少除草劑對(duì)作物的影響，提高農(nóng)藥的利用率。

2019年7月8日，總部位于英格蘭的農(nóng)業(yè)科技公司Soil Essentials宣布開發(fā)出了一個(gè)新型機(jī)器視覺系統(tǒng)，可用于農(nóng)田內(nèi)的精準(zhǔn)除草。在日本北海道蘆別市，農(nóng)民將GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）技術(shù)應(yīng)用于拖拉機(jī)上，通過GNSS定位數(shù)據(jù)幫助拖拉機(jī)駕駛員選擇最佳的駕駛路線，防止動(dòng)力資源的浪費(fèi)[21]。可見，人工智能在無人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)中是不可或缺的。

2．2．4 智能機(jī)械

智能農(nóng)業(yè)機(jī)械是無人農(nóng)場(chǎng)的核心。智能農(nóng)業(yè)機(jī)械需要在農(nóng)場(chǎng)的工作區(qū)域內(nèi)作業(yè)，所以對(duì)其智能化與精準(zhǔn)化的要求更高。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械相比，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定性更好、針對(duì)性更強(qiáng)、工作時(shí)間更長(zhǎng)、工作效率和資源利用率更高[22]。

2018年，國(guó)務(wù)院提出要大力發(fā)展智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械，以推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，無人機(jī)、無人車以及各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人也已經(jīng)投入使用。

根據(jù)工程具體信息進(jìn)行施工組織設(shè)置，在最大限度減少交通運(yùn)輸基礎(chǔ)上，采用分段施工的模式，針對(duì)工期緊公路工程做連續(xù)作業(yè)，人員配置上按照兩班倒的方式，保障施工質(zhì)量同時(shí)，最大限度提升施工效率，使公路施工技術(shù)水平充分得以體現(xiàn)。在施工機(jī)械設(shè)備選擇上，明確攪拌站方位布控合理性，瀝青則采用廠拌法做相應(yīng)拌制，做好對(duì)相應(yīng)裝載機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)、平地機(jī)等機(jī)械的參數(shù)確認(rèn)，制定專業(yè)流程方案，確保機(jī)械設(shè)備施工質(zhì)量充分得以保障[1]。

在過去的幾十年里，植保工作主要有地面與空中兩種形式。在實(shí)施地面作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生作物被碾壓、土壤被壓實(shí)的問題，相比之下，空中作業(yè)就可以解決這個(gè)問題[23]。利用無人機(jī)，可以完成墑情測(cè)定、環(huán)境監(jiān)測(cè)、作物病蟲害監(jiān)測(cè)、作物生長(zhǎng)情況記錄和農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察等任務(wù)[24]。搭載多光譜儀和熱成像儀的無人機(jī)可對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可精準(zhǔn)測(cè)算作物需水量[25]。1990年，日本Yamaha公司推出了世界上第一款用于噴灑農(nóng)藥的植保型無人機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，相較于傳統(tǒng)人工噴灑作業(yè)，使用電動(dòng)農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)可以節(jié)約50%的農(nóng)藥，減少90%的用水，大大提高了資源利用率。如今中國(guó)無人機(jī)也已發(fā)展到世界領(lǐng)先水平，截至2018年，中國(guó)農(nóng)用植保無人機(jī)的保有量突破了30 000架，完成植保作業(yè)約3億畝。農(nóng)用植保無人機(jī)工作如圖2所示。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種通過計(jì)算機(jī)操控進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械，根據(jù)工作的不同可分為育種機(jī)器人、施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、收獲機(jī)器人等類型[26]。不管是面對(duì)復(fù)雜的工作任務(wù)還是是惡劣的工作環(huán)境，農(nóng)業(yè)機(jī)器人都可以準(zhǔn)確地完成工作。農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作周期包括檢測(cè)作物、到達(dá)作業(yè)點(diǎn)、確定作物是否成熟、收獲作物[27]。下達(dá)工作指令后，農(nóng)業(yè)機(jī)器人就可以在田間或果園中自主移動(dòng)并進(jìn)行工作[28]。

四大核心技術(shù)共同支撐起了無人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)。通過這些技術(shù)的快速發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，無人農(nóng)場(chǎng)會(huì)廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)。

3 國(guó)內(nèi)外無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展

3.1 國(guó)外無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r

3．1．1 美國(guó)

美國(guó)是世界農(nóng)業(yè)第一強(qiáng)國(guó)，其農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)，機(jī)械化水平領(lǐng)先世界。近年來美國(guó)個(gè)人農(nóng)場(chǎng)的數(shù)量持續(xù)減少，但規(guī)模卻越來越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)如今的農(nóng)場(chǎng)要比20世紀(jì)60年代的農(nóng)場(chǎng)平均大16%左右[29]。美國(guó)的農(nóng)業(yè)人口僅僅占總?cè)丝诘?%，可是其農(nóng)產(chǎn)品不但可以自給自足，多余農(nóng)產(chǎn)品還可以出口銷售[30]。由于美國(guó)勞動(dòng)力過少，所以無人農(nóng)場(chǎng)是其農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[31]。美國(guó)堪薩斯州的一家名為Farmobile的農(nóng)業(yè)科技公司，推出了一款可以記錄設(shè)備運(yùn)營(yíng)信息的連接器，該連接器適用于市場(chǎng)上的大部分農(nóng)用機(jī)械。通過該連接器，可以將農(nóng)用機(jī)械的數(shù)據(jù)信息傳至農(nóng)場(chǎng)主的移動(dòng)終端，隨后人工智能將會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，做出適用于該農(nóng)場(chǎng)的規(guī)劃。同時(shí)生產(chǎn)廠家可以支付一定費(fèi)用來購(gòu)買該數(shù)據(jù)，用以優(yōu)化調(diào)整該連接器[32]。整個(gè)信息交換過程高度智能化，體現(xiàn)出了無人農(nóng)場(chǎng)的雛形。

3．1．2 加拿大

加拿大是世界上最大的農(nóng)產(chǎn)品出口國(guó)之一，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平僅次于美國(guó)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)也逐漸滲透到農(nóng)業(yè)建設(shè)領(lǐng)域中。ROSE和CHILVERS在2018年發(fā)起號(hào)召，將數(shù)字農(nóng)業(yè)視為第四次農(nóng)業(yè)革命，重新定義農(nóng)業(yè)的概念，建設(shè)無人農(nóng)場(chǎng)[33]。2016年，加拿大的農(nóng)業(yè)用地為62.67萬平方公里，約占世界總農(nóng)業(yè)用地的1.29%。加拿大地處北美洲的北方，一大部分國(guó)土處在北極圈內(nèi)，氣候惡劣，不適合農(nóng)業(yè)耕作。目前加拿大的小型農(nóng)場(chǎng)正在整合成為大型農(nóng)場(chǎng)，據(jù)加拿大統(tǒng)計(jì)局2012年給出的數(shù)據(jù)，2011年加拿大共有205 730個(gè)農(nóng)場(chǎng)，相比2006年減少10.3%，而農(nóng)場(chǎng)面積僅僅減少4.1%，如圖3所示。

加拿大的Saskatchewan省被譽(yù)為“產(chǎn)糧之籃”，其中部地區(qū)有一名為Battleford的城市，該市大型農(nóng)場(chǎng)占地可達(dá)24 000多畝，在大型農(nóng)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)，智能化顯得尤為重要。Farmers Edge公司據(jù)此推出了一款A(yù)PP，該APP能從農(nóng)場(chǎng)以及周邊氣象觀測(cè)站提取數(shù)據(jù)，再利用人工智能進(jìn)行分析，可得出耕作施肥的最佳時(shí)間。不僅如此，利用采集的數(shù)據(jù)，人工智能系統(tǒng)還可以建造數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物植株生長(zhǎng)狀況[34]。隨著一系列智能程度較高的APP投入使用，無人農(nóng)場(chǎng)的成功建設(shè)指日可待。

日本地少人多，國(guó)土面積僅有37.8萬平方公里，人口卻達(dá)到了1.26億，所以農(nóng)業(yè)對(duì)其來說至關(guān)重要。日本針對(duì)農(nóng)業(yè)建立了一套科學(xué)的研究體系，通過科研院所、高校以及各民營(yíng)農(nóng)業(yè)公司的協(xié)同研究，使其農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速[35]。日本正在經(jīng)歷耕地向大型非家庭農(nóng)場(chǎng)集中的過程，據(jù)2012年日本農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)，日本的大型稻田機(jī)械設(shè)備資金投入占農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本的30.8%[36]。

目前日本在推行一種叫“植物工廠”的農(nóng)業(yè)模式。該模式始于二十世紀(jì)中葉的美國(guó)，但沒有獲得美國(guó)人的青睞。1974年，日本將該模式投入使用。如今，日本的“植物工廠”自動(dòng)化程度較高，操控人員通過計(jì)算機(jī)來獲取作物的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)（如環(huán)境溫度、植物墑情、光合作用強(qiáng)度等），獲取數(shù)據(jù)之后利用人工智能進(jìn)行分析，從而得到植物生長(zhǎng)的最佳參數(shù)。因?yàn)檫@種模式在密閉的溫室工廠內(nèi)運(yùn)行，所以不受外界環(huán)境的制約[37]?！爸参锕S”就是無人農(nóng)場(chǎng)的初級(jí)階段。

3.2 國(guó)內(nèi)無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r

1998年，時(shí)任國(guó)家主席的江澤民同志在兩院院士大會(huì)上提出發(fā)展“數(shù)字中國(guó)”的概念，數(shù)字農(nóng)業(yè)由此而生。發(fā)展至今，數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)共同推動(dòng)中國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展[38]。我國(guó)對(duì)于數(shù)字農(nóng)業(yè)相當(dāng)重視且投入逐年上漲[39]，見表2。

表2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)字農(nóng)業(yè)項(xiàng)目概況

位于湖南長(zhǎng)沙的湖南湘數(shù)公司是一家研究農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)終端的公司，該公司推出了一款名為“農(nóng)業(yè)123”的APP。只要在農(nóng)機(jī)具上安裝物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集傳感器（如圖4所示），就可將農(nóng)機(jī)具工作的路線軌跡、作業(yè)強(qiáng)度、作業(yè)時(shí)間等數(shù)據(jù)上傳云端，經(jīng)人工智能分析后，就能把完整的數(shù)據(jù)傳到用戶手機(jī)的APP上，從而可以實(shí)現(xiàn)足不出戶就能了解農(nóng)機(jī)的整個(gè)工作情況。

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的突破，我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備的導(dǎo)航系統(tǒng)擺脫了依賴進(jìn)口的不利形勢(shì)[40]，我國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)發(fā)展也煥然一新。2005年我國(guó)開始研發(fā)植保無人機(jī)，歷時(shí)五年生產(chǎn)出我國(guó)第一架植保無人機(jī)[41]。目前，我國(guó)在民用無人機(jī)的研發(fā)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，足以與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家分庭抗禮，其中又以大疆的農(nóng)用無人機(jī)最為出色。新一代的大疆T20植保無人機(jī)（如圖5所示），不僅將最大載重提高到了20kg，還將工作效率提高到了180畝/h。在工作時(shí)，只需輸入農(nóng)田參數(shù)，無人機(jī)即可進(jìn)入自主作業(yè)模式，配合大疆的農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)，在手機(jī)上即可獲取無人機(jī)的工作信息，自動(dòng)化水平極高。

目前，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文教授及其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了關(guān)于無人農(nóng)場(chǎng)的初步實(shí)踐。在廣州市增城區(qū)的試驗(yàn)田內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)通過智能化機(jī)械與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“耕、種、管、收”四環(huán)節(jié)無人化作業(yè)，收獲了第一批水稻，畝產(chǎn)量可達(dá)五百余公斤。這意味著我國(guó)的無人農(nóng)場(chǎng)建設(shè)正逐步展開。

3.3 國(guó)內(nèi)外無人農(nóng)場(chǎng)技術(shù)發(fā)展對(duì)比

我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面發(fā)展迅速。由表3、表4可以看到我國(guó)被SCI收錄的有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的論文數(shù)量世界領(lǐng)先。但根據(jù)被引情況可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)發(fā)表的論文被引用的情況低于世界平均水準(zhǔn)，影響力不及其他發(fā)達(dá)國(guó)家[42]。

表3 2009～2018年SCI收錄有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的論文數(shù)前五名

表4 2009～2018年SCI收錄有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的論文被引情況

目前我國(guó)的傳感器芯片制造能力遠(yuǎn)不及美國(guó)，傳感器芯片大多依賴進(jìn)口。物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。但在5G等方面我國(guó)領(lǐng)先于其他國(guó)家。

我國(guó)地域廣闊、地形復(fù)雜等原因，大數(shù)據(jù)發(fā)展較為困難。推行無人農(nóng)場(chǎng)模式需要精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)老舊、丟失的情況極為常見，發(fā)展并沒有預(yù)期的那么快。近年來，我國(guó)不斷推進(jìn)大數(shù)據(jù)的發(fā)展，目前正在一些農(nóng)業(yè)大省進(jìn)行試點(diǎn)試驗(yàn)，如新疆、黑龍江等。不僅中國(guó)，美國(guó)也將發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)作為其增強(qiáng)國(guó)際影響力的一種重要手段。美國(guó)通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，實(shí)施多方面的計(jì)劃，以此實(shí)現(xiàn)其科技的進(jìn)步。二戰(zhàn)后，美國(guó)提出了“西裝革履的農(nóng)民”新概念[43]。依靠先進(jìn)的手段，農(nóng)場(chǎng)工作管理性越來越強(qiáng)，入農(nóng)田實(shí)地耕作的情況則越來越少。

在人工智能技術(shù)方面，我國(guó)發(fā)展趨勢(shì)良好。根據(jù)《中國(guó)新一代人工智能發(fā)展報(bào)告 2019》的數(shù)據(jù)，在2013～2018年，世界關(guān)于人工智能（AI）領(lǐng)域共發(fā)表了304 914篇論文，我國(guó)以發(fā)表74 408篇論文位居第一，美國(guó)發(fā)表論文數(shù)量比我國(guó)少兩萬余篇，位居第二。我國(guó)不僅發(fā)表的論文數(shù)量多，論文質(zhì)量含金量也高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界AI領(lǐng)域排名前1%的被引用論文中，我國(guó)被引用的論文數(shù)量排名世界第二，僅次于美國(guó)，領(lǐng)先于其他發(fā)達(dá)國(guó)家[44]。雖然我國(guó)關(guān)于人工智能領(lǐng)域的研究世界領(lǐng)先，但我國(guó)人工智能基礎(chǔ)端建設(shè)薄弱的問題也不能被忽視。目前，我國(guó)關(guān)于人工智能的研究主要集中在高校，已經(jīng)有31所高校建成了AI院，但與企業(yè)聯(lián)動(dòng)較少。我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)高校與民營(yíng)企業(yè)的聯(lián)動(dòng)，共同推進(jìn)人工智能的發(fā)展。

在中國(guó)成為世貿(mào)組織成員國(guó)之前，中國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)發(fā)展緩慢，所占全球農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的份額不足1%。自2001年中國(guó)加入世貿(mào)組織以來，中國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)開始快速發(fā)展，所占全球農(nóng)機(jī)市場(chǎng)份額由2001年的0.9%上升到2017年的9%。1994～2017年世界各國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)份額如圖6所示。

2004～2013年，我國(guó)農(nóng)機(jī)發(fā)展平均年增長(zhǎng)20%左右。2014年開始，我國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為中高速增長(zhǎng)，農(nóng)機(jī)行業(yè)也由此進(jìn)入了農(nóng)機(jī)發(fā)展“新常態(tài)”。2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知，明確地將農(nóng)機(jī)行業(yè)列入了十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。我國(guó)在農(nóng)機(jī)行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也要正視農(nóng)機(jī)行業(yè)底子薄弱、核心技術(shù)掌握遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國(guó)家的情況。

由表5可知，我國(guó)農(nóng)機(jī)核心專利整體落后于農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)[45-47]。

表5 Innography檢索關(guān)于農(nóng)機(jī)專利強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

美法德日等國(guó)家在農(nóng)機(jī)各領(lǐng)域均有各自的核心技術(shù)。美國(guó)約翰迪爾（John Deere）公司，通過在森林機(jī)械上搭載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），可使機(jī)械在林間工作時(shí)，減少對(duì)土壤的潛在損害[48]。法國(guó)庫(kù)恩（KUHN）公司使用了一種漸進(jìn)式偏導(dǎo)數(shù)線性回歸模型，以此可以集中運(yùn)算，尋求最佳參數(shù)[49]。其他農(nóng)機(jī)行業(yè)的國(guó)際巨頭也各有關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)如一拖、雷沃、沃德等還需要繼續(xù)追趕，爭(zhēng)取能在國(guó)際農(nóng)機(jī)行業(yè)內(nèi)占有更重要的位置。

4 結(jié)論

4.1 無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)階段存在的問題

目前我國(guó)的無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展仍存在多方面問題。一方面，我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備的技術(shù)問題仍有待突破。只有掌握核心技術(shù)，才能生產(chǎn)出與無人農(nóng)場(chǎng)相匹配的高級(jí)別農(nóng)業(yè)裝備[50]。一方面，因?yàn)闊o人農(nóng)場(chǎng)所需的大型智能農(nóng)業(yè)機(jī)械較多，所以無人農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)需要一定的土地面積并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也較高。我國(guó)國(guó)土雖然面積遼闊，但地形復(fù)雜，全面推行無人農(nóng)場(chǎng)較為困難。另一方面，由于無人農(nóng)場(chǎng)是智慧農(nóng)業(yè)的最終形態(tài)，所以對(duì)農(nóng)業(yè)從業(yè)者的綜合素質(zhì)要求較高。例如德國(guó)雖然是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是由于智慧農(nóng)業(yè)對(duì)民眾普及不全面，導(dǎo)致德國(guó)民眾對(duì)數(shù)字化農(nóng)業(yè)批評(píng)反對(duì)的聲音居多[51]。而目前我國(guó)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體力量還是知識(shí)儲(chǔ)備較少的普通農(nóng)民，所以想要成功建設(shè)無人農(nóng)場(chǎng)，對(duì)農(nóng)民的知識(shí)普及工作任重道遠(yuǎn)。最后，由于智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施較為昂貴，想要推廣無人農(nóng)場(chǎng)，仍需國(guó)家加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)端的持續(xù)投入。

4.2 無人農(nóng)場(chǎng)發(fā)展展望

無人農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展是智慧農(nóng)業(yè)的最終形態(tài)，是歷史的需求。我國(guó)在無人農(nóng)場(chǎng)方面雖然起步比農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家晚，但近些年來發(fā)展迅速，在多方面的研究均有不錯(cuò)的進(jìn)展。

中國(guó)工程院院士羅錫文在接受采訪時(shí)，談及無人農(nóng)場(chǎng)，他說：“無人農(nóng)場(chǎng)預(yù)計(jì)在五年之內(nèi)投入使用，五年后進(jìn)行推廣，十年后加速推廣”。面對(duì)未來建設(shè)無人農(nóng)場(chǎng)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，首先，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)尖端人才的培養(yǎng)，高校與企業(yè)聯(lián)動(dòng)，形成一個(gè)良好的培養(yǎng)體系[52]。其次，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)的投入力度，加大農(nóng)業(yè)的曝光度，改變?nèi)藗児逃械霓r(nóng)業(yè)觀念，讓農(nóng)民不再是“沒出息”、“辛苦”的代名詞。