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國內外無人化農業發展狀況

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國內外無人化農業發展狀況

發布日期:2020-08-05

編者按:無人化農業將機械化與信息化技術深度融合,以全過程智能化管理、精準化作業為核心,通過大數據指導生產運行,不斷提高土水肥種藥及人力資源利用效率,是現代農業的一個重要發展方向。農業農村部農機化司與農機鑒定總站、推廣總站圍繞無人化農業開展專題調研,形成了《國內外無人化農業發展狀況》,現予刊發,供各地參考。

國內外無人化農業發展狀況

近年來,數字化、自動化、智能化技術在農業領域應用步伐加快,機械化生產與信息化技術深度融合,初步形成了無人化農業概念,引發社會廣泛關注。無人化農業係統包括生產信息采集設施、生產作業裝備和生產管理平台等三大組成部分,以全過程智能化管理、精準化作業為核心,通過大數據指導生產運行,能夠實現節本、高效、精準、綠色,形成類似於無人工廠的農業生產方式,是現代農業的一個重要發展方向。總體上看,發達國家無人化農業研發起步早,在一些領域和環節雖有推廣,但應用還不廣泛。我國在這方麵起步較晚,發展速度較快。

一、無人化大田種植:大田種植作業工況條件複雜,實現無人化作業難度較大。北美、西歐具備基礎但需求不緊迫,日韓處於萌芽階段,我國正逐步興起。

北美、西歐、澳洲等地發達國家已經開始應用自動化裝備開展農業生產,具備了較為廣泛的技術和裝備基礎,但對發展無人化農業還沒有明顯需求。美國大中型農場都應用自動導航駕駛係統來實現拖拉機、聯合收割機等自動化作業,預計2019年美國農機自動導航駕駛係統普及率將達到90%。在產品創新方麵,約翰迪爾、凱斯紐荷蘭在2016年分別都推出了無人化概念拖拉機及配套農具,這種拖拉機配備全方位感應和探測裝置,能夠偵測並避開障礙物,具備遠程配置、監測及操作功能,在生產平台的管理和調度下可實現全天候無人作業,不過目前並未商業化應用。

日本、韓國等生產規模較小的國家和地區,農業生產受勞動力因素製約,剛開始推廣應用自動化農機產品,無人化農機裝備尚處萌芽階段。日本主要農機企業基於“1個機手、2台機器”設想,推出了帶有高精度衛星定位導航功能和遙控功能的自動化農機產品。2018年6月以來,久保田公司先後上市了帶有自動駕駛功能的水稻收獲機、拖拉機,以減輕機手長時間作業體力負擔、提高農機作業精度。井關、洋馬等企業也在計劃上市類似產品,擴大相關技術推廣應用規模。

我國大田種植自動化農機裝備在技術創新、製造水平和產品可靠性等方麵與發達國家有一定的差距,在裝備質量、機具種類、智能化水平上發展升級趨勢加快。總體來看,我國農機自動導航駕駛係統已經在大田種植中開始規模化推廣應用,裝配方式由購買後自行加裝向出廠前標配發展,受技術成熟度、決策模型精度、機具質量和使用成本等方麵製約,我國自動化農機正處於單機自動化作業向多機協同智能化作業發展的階段,無人化農機應用逐漸興起。

近兩年,我國無人化農機創新產品相繼麵市。“東方紅”“歐豹”無人駕駛拖拉機、“穀神”無人駕駛聯合收割機已開展試驗和作業示範,還實現了收割機與運糧車的主從導航無人駕駛;“豐疆”高速無人駕駛插秧機實現了水田原地掉頭對行、秧盤自動提升等功能,已在多地投入水稻插秧生產實踐。黑龍江、新疆、江蘇、山東等多個糧棉主產省份相繼開展了全過程無人化農業生產試驗。以新疆生產建設兵團為例,其數字農業試點建設項目已經形成了棉花耕、種、管、收全程數字化生產管理模式,應用農機自動駕駛裝備和無人化農機取得了顯著效果,降低了農機作業駕駛難度和勞動強度,提升了作業效率,即使是新手駕駛員也能和老機手一樣作業又快又好。當地棉花種植全部使用衛星導航自動駕駛技術,在夜間或能見度較差的天氣作業也可做到準確對行,整個作業季每台機具較手動駕駛平均多播種1000畝,原先人工駕駛播種10行的地塊采用自動駕駛可播種11行,土地利用率可提高0.5%—2.5%,棉花精準施肥能夠節肥15%、單產增加5%左右。

值得注意的是,在無人化大田種植領域,我國植保無人飛機發展一枝獨秀,受到世界關注。近年來,農用無人飛機應用普及較快,可搭載植保、影像獲取、播種等多種裝置完成不同作業,主要應用在農業航空植保領域。國際上,美國、日本的航空植保技術較為發達。日本應用油動單旋翼機型較早,在作業管理、發動機技術等方麵處於國際領先。美國農用飛機以有人駕駛固定翼飛機為主,能夠實現高效作業,無人飛機方麵研究也比較多,但受安全限製在農業植保中鮮有應用。

我國植保無人飛機在裝備總量、作業麵積上已經發展到全球第一,還在不斷發展,飛控技術世界領先,但在噴施藥裝備和專用藥劑的研究方麵還需加強。目前全國植保無人飛機保有量超過4萬台,2019年作業麵積達1.3億畝,大疆、極飛等品牌的電動多旋翼機型能夠精準導航、主動避障、定量施藥,已經能夠相對穩定、安全開展規模化作業服務。

二、無人化設施栽培:主要應用於果菜、花卉育苗管理、水肥一體化、病蟲害防治、采收運輸、加工包裝等環節。歐美日處於世界領先水平,我國整體水平不高。

歐美日等一些發達國家自動化、智能化生產技術研究與應用方麵一直處於世界領先水平,已經實現了環境調控自動化、生產過程無人化、分級包裝智能化。在設施栽培中農業生產機器人也應用廣泛。日本在設施種植的育苗、嫁接、移栽、采摘、植保、施肥等環節有多種農業生產機器人。以色列、荷蘭、德國、英國、澳大利亞、瑞士、法國等國家均有針對本國特色農業生產的機器人研發,采摘機器人均有小規模使用。近年來美國、歐盟、日本、韓國等製定國家戰略將工業機器人加快應用於農業領域,農業機器人研發速度明顯加快。

我國設施農業機械化率僅30%左右。與發達國家相比,除環境調控係統外,設施栽培自動化、智能化裝備整體水平不高,還存在一定的差距。我國具有自主知識產權的農業機器人大部分還停留在樣機階段,在精度、效率和可靠性方麵和國外相比還存在一定的差距。以嫁接機器人為例,國內研發的產品還需要人機協同作業。

值得欣喜的是,我國以無土栽培、立體種植、自動化管理為特征的植物工廠研發和產品水平較為先進,已有具備自主知識產權的成套技術設備,並已打入國際市場。比如,上海浦東智能種苗工廠實現了全程智能化生產。智能化栽培物流係統貫穿整個種苗工廠,聯結了種苗組培車間、種苗培育車間、種苗抑生控製車間和生產作業車間四個區域,形成種苗自動輸送、定點作業的流水線生產模式。與傳統集約化種苗基地相比,勞動生產率和單位麵積產能分別提高6倍以上。

三、無人化設施養殖:主要應用於環境控製、飼喂、擠奶、防疫、廢棄物處理等作業環節。發達國家生豬、奶牛、蛋雞養殖已有規模化應用,我國技術裝備研發能力嚴重滯後。

歐美等發達國家設施養殖機械自動化程度不斷提高,信息化、智能化技術應用於畜牧養殖各個環節,已建成多種養殖環境自動監控係統平台,形成了適合不同飼養規模和區域特點的生產模式,特別是生豬、奶牛、蛋雞養殖的少人化生產已有規模化應用。

我國相關研究基礎薄弱,裝備智能化程度不高,核心部件和高端產品依賴進口,但無人化設施養殖發展勢頭強勁。比如,重慶萬州奇昌種豬場是現代化規模種豬場,集成應用自動喂料、自動飲水、自動清糞、自動環境控製技術,由管理係統統一控製。豬場無臭味、無汙水排放,豬糞尿完全有機肥發酵後用於果園生產。種豬場常年存欄600頭母豬,年出欄1.5萬頭斷奶仔豬,除了接生和照顧哺乳期小豬外,僅需6人即可保障日常正常運行。又比如,山東民和牧業股份的少人化肉雞智能養殖場采用自動化籠養設備,包括自動化飲水係統、行車喂料係統、帶式清糞係統、自動化肉雞收集與輸送係統、舍內環境控製係統以及場內智能化管理平台,日常管理僅需30人即可飼養肉雞近70萬隻,有效提升了防疫水平、肉雞品質和養殖效率。

從發展趨勢看,無人化農業將主要應用在規模化種植、設施栽培、設施養殖領域,解決水田植保、育苗嫁接、病死畜禽處理等作業環境差、勞動強度大、精準度要求高、安全風險防範難的有關問題,市場需求潛力很大。近年來,信息化、智能化技術和產業發展步伐加快,一些產品應用成本下降90%,使無人化農業技術在生產中應用成為可能。

目前,我國無人化農業發展雖然具備了一定基礎,但大部分還處於探索階段,技術成熟度和經濟性仍有許多欠缺,距離實現完全的無人化農業還需要經曆一個長期演進過程。各地在貫徹《國務院關於加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》(國發〔2018〕42號)過程中,要對無人化農業技術與裝備研發應用予以高度關注,在政策、科技、項目、標準等方麵積極謀劃,深入推進機械化、信息化融合,促進農業機械化高質量發展,努力為農業現代化提供新動能。


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