生态无人农场模式探索及发展展望

中国的农业生产建立在过量农药化肥投入的基础上,导致农田生态环境失衡,不利于农业的可持续发展,同时,农业劳动力短缺问题日益凸显,寻求一种生态化、高效化、智慧化的农业模式势在必行。基于多年的实践与探索,该文作者团队在山东淄博落地建成了中国首个生态无人农场,提出了"生态无人农场"的模式与发展理念。文章总结出农药、化肥和土壤耕作制度对农田生态系统造成的不利影响最为明显,提出通过一系列无人化作业手段与模式对农田生态系统进行生态化管理与改造,来实现农业生产的可持续发展。在此基础上,通过天空地一体化农情信息获取、地空一体化无人机群协同作业以及构建能够完全自主决策的智慧云大脑的技术集成创新模式,来实现农田信息的自动采集和处理、科学决策以及无人农机的远程控制等功能。文章对生态无人农场关键技术与模式进行了总结论述,提出了生态无人农场模式的实施内涵,以期为未来农业、智慧农业的发展以及推进农业农村现代化高质量发展提供借鉴。     

推云台农场发展都市型、外向型现代农业的实践与启示

近年来，江苏农垦云台农场紧紧抓住连云港市大开发、大建设、大发展的历史机遇．根据党中央和江苏省委提出“农垦要在现代农业建设中发挥示范带动作用”的要求，秉承“引领现代农业发展，提供安全优质食品”的使命，把发展都市型、外向型、生态型农业作为现代农业建设主色调。在体制改革、科技创新、示范引领、产业带动等方面，进行了大胆探索，走出一条政策驱动、龙头带动、项目促动、科技推动的农业产业化发展之路．对促进江苏现代农业发展，推进农业标准化园区建设．提升产业化水平，加快农业现代化进程．发挥了很好的示范作用。     

智慧农场信息化应用研究

为了提高现代农场的生产、管理水平,应用信息技术实现科学决策和管理是智慧农场建设的必有之路。本文基于现有信息技术的视角,构建了智慧农场的总体框架,并对其硬件组成结构和软件应用平台进行阐述,分析了信息技术在智慧农场中应用的前景。     

上海市川东农场循环农业模式实践与思考

上海市川东农场探索出解决环境污染的资源化利用,做到投入品减量化使用,达到全程清洁化生产,最终实现无害化处理,为畜牧养殖场提供清洁能源,为无公害稻麦生产提供优质有机肥的农业循环新模式,实现了经济效益、生态效益、和社会效益协同提高。为促进该模式的推广应用,介绍了该循环模式的主要内容,总结了相关经验。     

我国生态农场建设的思考

生态农场作为生态农业的落地载体,兼顾生态环境保护与经济社会可持续发展,具有市场灵活性,在带动农户发展专业化、标准化、绿色化生产方面具有明显优势。新形势下,各地已形成了一批各具特色的生态农场典型案例。2016-2017年,作者重点围绕面源污染防控与农业清洁生产,以我国东部15个省市的468家生态农场为研究对象,制定调查问卷开展典型案例调查研究。研究结果表明,90%的农场成立时间在15年以下,生态农场经营者的平均年龄为47.5岁,土地面积在6.6~16.6 hm²的农场占到40%,土地平均租金为11 040元·hm^-2·a^-1;以公司、合作社和家庭农场为组织形式的农场各占23%、40%和30%;进行了农产品质量认证的农场占到73%;生态农业措施采用率排在前5位的是有机肥/堆肥、人工/机械除草、轮作、清洁田园、杀虫灯/秸秆还田;养殖农场的生态意识较为淡薄,生态措施的采用情况也不乐观。在农场投入方面,种植农场的肥料投入和养殖农场的饲料投入最高,劳动力工资平均在3~4万元·cap.^-1·a^-1;种植农场收益率为-21%~70%,养殖农场为13%~337%,种养结合农场为-21%~152%;50%的农场获得过农业补贴。从调研结果看,我国生态农场有着良好的发展势头,但还处于初级阶段,缺乏相应的指导。文章在调研的基础上还从技术应用、产业融合、成本收益、销售途径及补贴政策等方面分析了生态农场发展过程中面临的问题和挑战,并提出了相应的对策建议,以期对我国生态农场健康有序发展提供指导。     

无人飞播水稻生育特征与丰产关键技术研究进展

通过无人化建设推动水稻高质量和高效率生产是农业现代化发展的核心。在劳动力供给萎缩和劳动力价格上涨的时代背景下,国内必须加快水稻生产无人化建设进程。其中,无人飞播技术因具有不受地形地势限制、作业成本低和作业效率高的优势而受到业内广泛关注。但国内众多稻区实行的复种策略不仅压缩了水稻生育期,还造成秸秆大量还田,容易形成飞播种子出苗和生长逆境,进而影响产量。为保障飞播水稻在此类地区的稳产丰产,本团队在前期选用当地适宜品种,在江苏稻麦两熟地区进行系列试验,比较了秸秆还田条件下无人飞播和无人机插两种方式在水稻生产特征方面的差异,初步明确该条件下飞播水稻基本生态特征和生长发育特性,通过设置150、195和240 万株/hm²三种基本苗处理,系统比较不同密度群体的产量形成和品质特征差异,探明兼顾丰产优质的适宜种植密度和有利于无人飞播常规粳稻稳产丰产的栽培调控方式。本文通过梳理总结前期研究结果,对无人飞播水稻基本生态特征、生长发育特性以及丰产栽培途径与技术进行介绍,同时就飞播技术未来应用提出展望,以期为无人飞播水稻大规模推广应用与良性发展提供参考。     

水稻收获转运双机协同自主作业策略与试验

针对水稻收获机与转运车双机协同自主作业环节多、粮食转运过程复杂等问题,该研究设计了一种基于有限状态机（Finite State Machine,FSM）的水稻收获机与转运车协同作业策略,分析了水稻收获机与转运车协同作业模式,建立有限状态机模型。首先,基于作业环节设计触发条件、评估方法和执行流程等基础模块;然后,根据双机协同的各项状态建立状态信息矩阵;最后,依据协同触发事件与状态转移的逻辑设计状态转移链。构建协同作业时分复用控制逻辑框架,并运用Stateflow软件进行仿真分析,为验证所设计策略的田间实际作业效果,搭建了履带式水稻收获转运双机协同试验系统,收获速度为0.8 m/s,收割幅宽1.9 m,共28条收获边,协同路径选择在短边的机耕道上,连续协同工作时间大于等于120 min,采用套圈路径自主收获0.7 hm2水稻,期间共进行6次自动协同转运作业,将所收获的粮食转运到卡车上。试验结果表明,该策略可以实现水稻收获/卸粮转运自主作业,收获效率为0.35 hm2/h,为实现水稻收获双机智能转运协同功能奠定了基础,可为水稻无人农场建设提供技术支持。     

现代农业示范区总体规划理论与实践

规划是现代农业示范区建设的顶层设计,构建系统而科学的理论指导体系,有利于顺利编制和实施规划。该文从现代农业特征出发,通过梳理国内外众多现代农业发展相关理论,采用层次分类法构建现代农业示范区规划理论指导体系。针对示范区规划重要的总体方案设计环节,采用主次分析法重点梳理与集成了发展定位、总体统筹、空间布局、产业发展等相关基础理论。以《海口市国家现代农业示范区规划》为例,分析了理论指导下的现代农业示范区规划实践。该研究可为各地现代农业示范区规划提供借鉴与参考。     

中国粮食生产类家庭农场的适度经营规模研究

当前中国超小规模的农业生产方式导致农户农业收入低下,严重阻碍了农业的可持续发展,发展适度规模的家庭农场已是大势所趋。土地适度规模受到社会平均收入、粮食生产收益等多重因素的综合影响,是一个动态数值。该研究基于收入均等化测算法,以打工农户的收入水平为衡量标准,研究了中国地级市尺度的土地适度经营规模。研究表明,2016-2017年中国粮食类家庭农场的适度规模在13～14 hm2左右,相当于全国户均耕地面积的30倍左右。依据各市农业适度经营规模,参考区域耕地资源禀赋、经营规模形成的难易程度将全国划分为9个一级大区、38个二级亚区。东北地区大区与内蒙高原大区适度经营规模在15～17 hm2范围,华北平原大区在10 hm2左右,长江下游大区与东南沿海大区在7～9 hm2范围,西南山地大区为6 hm2,黄土高原大区为18 hm2,西北干旱大区为25 hm2,青藏高原大区的适度经营规模为全国最高,达到30 hm2。从适度经营规模与户均耕地面积的比值来看,内蒙高原大区为8倍,华北平原大区、长江下游平原大区为35倍左右。中国实现规模经营整体难度较大,区域上呈现从东南沿海向西北内陆难度依次降低的规律性带状分布。建议将适度经营规模标准提升至15～20倍范围,同时制度创新,消减高昂的土地流转交易成本。     

大力发展保护性耕作 促进农业可持续发展——保护性耕作与中国实践

保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作方式和技术,是现阶段保障和实现农业可持续发展的重要措施。文章浅述了保护性耕作的基本概念与内涵,并通过其在全球和中国发展状况的概述与比较,指出:思想观念陈旧、技术研究滞后、配套农机具缺乏、推广力度不足等是当前障碍和制约中国保护性耕作技术发展的主要因素;同时提出:强化宣传,更新观念;加强科研,完善技术;抓好示范,力促推广;注重实效,持续实施;加大投入,确保发展等,大力推广保护性耕作,促进农业可持续发展。     

智能化农业物料输送技术进展与趋势

农业物料输送技术是制约农场智能化应用的重要瓶颈。物料输送主要借助输送设备将物料由加料机输送至受料机中,提高受料机的续航时间,使其路程加大,以确保其高效率、持续性地正常工作。该研究按照物料特性和输送原理,将现有物料输送自动化技术与装备系统地划分为以下4类：固态种苗肥自动输送技术、液态水药燃油自动加注技术、收获物自动收集技术、收获物自动卸载技术,逐一对其研究现状和发展动态进行了重点阐述和深入剖析。总结了自主定位导航、物料流量实时监测及机群实时通信3项智能化物料输送关键技术的研究进展,并结合农场智能化技术要求和应用场景,从形成全生产环节物料输送技术体系、基于时空数据的农田物料需求决策技术、基于农田数字模型和变量作业处方的农机物料丰缺预测技术、物料车多机配送路径动态优化技术角度展望了农场智能化作业多机协同物料配送技术的发展趋势,以期进一步提高农场智能化作业效率、联动性能和应用效果。     

无人农机作业环境感知技术综述

推进农业装备智能化能够有效解决农业劳动力短缺的问题。环境感知是农业装备智能化的首要条件。然而,农业环境的动态变化和非结构化特性限制了无人农机的环境感知能力。该文对无人农机的作业环境信息感知技术进行全面梳理,首先介绍了无人农机作业环境的典型要素和各类感知传感器,并分析了不同传感器的优缺点,然后分别从障碍物感知、作物行感知和农田边界及高程信息感知等方面,对无人农机作业环境信息感知技术进行归纳总结,最后讨论了无人农机作业环境信息感知技术面临的挑战及发展趋势,旨在推动环境感知技术在农业领域的应用,促进农业机械的智能化转型。     

面向无人驾驶农机的高精度农田地图构建

农业劳动力短缺与成本高涨问题日益凸显,研发农机无人驾驶技术势在必行。该研究针对无人驾驶农机对高精度农田地图的需要,提出一种高精度农田地图构建方法。将地图分为地块信息层、障碍物层、作业信息层和动态感知层,并定义前两层的地图模型。针对地块信息管理,采用地块边界层为数据管理单元,定义了边界层的拓扑关系与限制信息。针对障碍物管理,并定义了不同几何属性的障碍物,分别表达形状、类型及语义等信息。同时提出了一种基于多旋翼无人机和Autoware的地图数据采集、标注与发布方法。在北京市密云区开展了地图构建试验,布设了12个检验点用于地图精度评价。结果表明,本研究制作的高精度地图的绝对定位精度优于0.1 m,平面误差的标准差小于2 cm,因建图产生的地图拉伸与压缩误差在厘米级以内。所提出的农田高精度地图架构可满足无人驾驶农机作业对地图精度的需求,可为农机作业路径规划和障碍物感知提供先验信息,降低无人驾驶应用对单机智能化的要求。     

智能农机多机协同收获作业控制方法与试验

为提高多台无人化智能收获机和运粮车协同作业效率,该研究以2台不同型号水稻收获机和1台运粮车为研究对象,开展了智能农机多机协同收获作业控制方法研究。根据协同作业控制决策约束条件,建立协同收获作业中有限个状态过程的改进型连续时间马尔科夫链模型。以减少非作业时间为优化目标,通过模型预测未来一段时间内每台收获机的卸粮时间,动态更新每台收获机的卸粮顺序和时间。仿真试验结果表明：本文控制方法相对于仓满后再召唤运粮车的卸粮方式有效减少了作业时间,协同收获任务的农机平均作业时间减少了13.58%。田间试验结果表明：智能农机多机协同作业控制方法实现了2台水稻收获机和1台运粮车协同自主作业,在场景1中,相对于仓满召唤卸粮模式,收获机1和收获机2非作业时间分别减少了71.25%和42%,收获效率提高了6.65%和5.22%;在场景2中,相对于仓满召唤卸粮模式,收获机1和收获机2非作业时间分别减少了77.64%和37.09%,收获效率提高了12.07%和5.78%。本文提出的控制方法可以实现收获-卸粮转运自主作业,减少了收获机的非作业时间,提高了作业效率,可为无人农场智能收获协同作业提供支撑。     

改进AOA模式的大田农机无人驾驶导航参数检测系统设计

卫星导航、视觉导航和雷达导航的成本昂贵、系统构成复杂和适用作业场景有限,在生产特征呈现区域化、适度小规模和分布零散的国内南方水田难以实现便捷跨区域作业和无法适用多农业场景.针对上述问题,该研究以大田环境下无人驾驶农机的牛耕式往复作业路径模式为背景,提出了改进AOA(信号到达角度,Angle-of-Arrival)模式的...     

低空低速植保无人直升机避障控制系统设计

针对低空低速植保无人直升机喷洒作业过程中地表障碍物的威胁,提出了一种基于改进人工势场的避障控制方法。将地表障碍物划分为低矮型和高杆型,并制定不同的避障策略。将无人机与障碍物的相对运动速度引入到人工势场中,给出基于改进人工势场的避障控制算法。设计自适应反步飞行控制器,构建含避障控制算法和飞行控制器的完整避障控制系统。仿真结果表明,与传统人工势场相比,对于低矮型障碍物,所提出的避障控制方法避障路径缩短66.7%,避障时间减少31%;对于高杆型中的圆柱体型障碍物,避障路径和避障时间差别不大;而对于高杆型中的长方体型障碍物,避障路径缩短约42%,避障时间减少25%。该研究可为植保无人直升机规模化应用提供参考。     

农药精确施用系统信息流集成关键技术研究

探讨了智能植保机械农药精确施用系统的信息流集成及其信息特征,分析了数据转换以及空间数据与属性数据的集成,编写了GPS数据采集程序,通过ODBC接口把GPS定位信息保存到数据库中,利用设计的GPS试验装置对GPS卫星进行可见性观测记录分析,运用不同平台进行GPS定位试验以及对比分析,研究了气象数据库在农药精确施用系统信息流集成中的应用,分析了气象温湿系数与林木病虫害之间的相关关系。     

信息技术提升农业机械化水平

为适应中国现代农业建设的需要,保持中国农业机械化水平持续增长,实现中国农业可持续发展,该文提出,应将先进的信息技术融入中国农业机械的设计、制造、作业和管理等环节,使农业机械装备实现信息化和智能化,从而整体提升农业机械化水平。文中介绍了参数化设计、基于知识工程的农机产品设计、基于产品数据管理的并行协同设计等农机产品设计的关键技术;柔性制造、计算机集成制造、虚拟与网络制造等农机产品制造的关键技术;农情信息采集、农业机械导航、田间管理等农业机械作业的关键技术;农业机械管理、农业机械调度等关键技术。分析了这些关键技术信息化的不足,总结了世界各国的发展趋势,指出了用信息技术提升中国农业机械化水平应解决的核心问题。为加强农机装备的信息技术创新,该文建议,应突破一批智能农业装备数字化设计技术、自动导航协调控制技术及农业装备现场总线技术等关键技术;研发一批大田和设施农业生产作业系统、果园作业智能装备和畜禽水产精准生产装备等重大技术产品;构建一批水肥药田间精准作业系统、畜禽水产自动饲喂系统和自动化加工生产线等农业机械精准作业系统,从而进一步用信息技术提升农业机械化水平。