如何為農業(yè)機器人打破出口

        當前，農業(yè)生產中，人工成本已經超過整體成本的一半。在這種背景下，如何降低人工成本逐漸成為農業(yè)生產關注的熱點問題。

        “智能化的農業(yè)農機裝備為提高農業(yè)生產效率指出了一條路。從長遠看，農業(yè)機器裝備發(fā)展到一定程度就會衍生出農業(yè)機器人。農業(yè)機器人可全部或部分替代人或輔助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、復雜的生產任務。”日前，中國工程院院士、國家農業(yè)信息化工程技術研究中心主任趙春江在2019世界機器人大會上說。

        農業(yè)機器人是農業(yè)智能化裝備的一種，能夠利用多傳感器融合、自動控制等技術，讓自然環(huán)境下作業(yè)的農業(yè)裝備實現(xiàn)自動化、智能化生產。農業(yè)機器人種類豐富，包括大田作業(yè)機器人、溫室機器人、林業(yè)農業(yè)機器人、畜牧農業(yè)機器人、水產農業(yè)機器人等。


傳統(tǒng)農民正在減少

        來自農業(yè)農村部的數(shù)據(jù)顯示，我國田間平均機械化作業(yè)水平達到63%，而江蘇、黑龍江等全國糧食主產區(qū)已經突破80%。

        “雖然農業(yè)機械化水平已經比較高，但是農機的作業(yè)環(huán)境依然比較惡劣，勞動強度也比較大，而且對農機操作人員的駕駛水平要求比較高。”江蘇大學教授魏新華說，“由于操作人員技術水平的差別，農業(yè)作業(yè)質量也差別較大。”

        中國農業(yè)大學教授李偉表示，現(xiàn)代農業(yè)生產對作業(yè)人員提出了規(guī)模化、標準化、信息化等要求。

        農業(yè)生產對生產人員提出更高要求，與此同時，傳統(tǒng)農民正在減少。據(jù)統(tǒng)計，“十三五”期間，我國約有1.2億人口進入城鎮(zhèn)。

        越來越多的耕地依靠集體經營、規(guī)模化生產。目前，我國40%的耕地由270萬個農業(yè)新型經營主體耕作，農業(yè)生產開始依靠合作社、家庭農場、牧場、種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)大戶、龍頭企業(yè)等新型經營主體。

        國際上同樣面臨農業(yè)生產人員缺乏的問題。自上世紀80年代起，農業(yè)機器人應運而生，如瑞士的田間除草機器人、蘋果采摘機器人，美國的苗圃機器人、智能分揀機器人，愛爾蘭的大型噴藥機器人，法國的葡萄園作業(yè)機器人等。

        國際學術界對農業(yè)機器人非常重視，2008年國際機器人與自動化協(xié)會（IEEE RAS）成立農業(yè)機器人與自動化學術委員會。2009年美國《時代周刊》將年度最佳發(fā)明獎頒發(fā)給一款除草機器人。

        美國研究公司Tractica的一份報告預測，到2024年底，全球農業(yè)機器人的年出貨量預計將達到594000臺，農業(yè)機器人市場的年收入將超過740億美元。

        “農業(yè)機器人的發(fā)展擁有前所未有的大好局面，農業(yè)機器人迎來了春天。”李偉說。

非結構性環(huán)境的挑戰(zhàn)

        春天的到來都要經歷寒冬的考驗。對于農業(yè)機器人來說，這場寒冬就是機器人研發(fā)使用過程中的一個個科研難題。

        和其它機器人一樣，農業(yè)機器人由三個重要部分組成：類似人類五官的視覺、觸覺、聽覺、味覺等，能夠感知、獲得信息的傳感器和系統(tǒng)；能夠解析任務，識別、判斷環(huán)境，制訂行動計劃的芯片，功能類似大腦；具有超強的執(zhí)行能力的機構。科研難題就隱藏在這其中。

        李偉表示，整體看，我國農業(yè)機器人與國際研究水平相當，部分技術處于領跑水平，比如自然環(huán)境下機器人的伺服控制等。也有一些技術處于落后狀態(tài)，比如涉及作物信息、動植物生理、生態(tài)感知的傳感器件等。

        她強調，其中全世界面臨的一個共性難題是在非結構環(huán)境下如何有效獲取信息。“不同于工業(yè)環(huán)境的流水線生產，農業(yè)機器人面臨的工作環(huán)境非常‘多變’，果實形態(tài)多樣、農業(yè)環(huán)境中復雜的光照條件、植株的復雜布局等，都會對農業(yè)機器人的判斷和執(zhí)行造成干擾。”

        她舉例說，黃瓜采收機器人在摘黃瓜的過程中，首先得找到目標。但是每個黃瓜長得都不完全一樣，并且還有枝葉的遮擋，機器人找到黃瓜、定位、伸手、采摘的過程不順暢，這大大影響了機器人采摘過程的速度。

        日前，李偉研究團隊取得突破性進展，研發(fā)出非結構環(huán)境智能雙目視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在農田、果園等自然環(huán)境下，識別光照、時空，動態(tài)采集，高速實時傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)已經在采摘機器人、除草機器人、割膠機器人等農業(yè)機器人方面展開實驗與驗證。

以大田作業(yè)為切入口

        事實上，農業(yè)機器人的應用已經展開。魏新華介紹，目前我國農業(yè)機器人的推廣，主要集中在大田作業(yè)中自動駕駛農機、農業(yè)植保無人機等的應用。大田無人農機已經能夠替代人工，實現(xiàn)自動駕駛、工作環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)決策以及其它具體操作。

        除了解放人力，無人農機還有何優(yōu)勢？魏新華表示，無人農機采用按需精準變量作業(yè)，提高化肥農藥的利用率。另外，無人農機搭載的作業(yè)環(huán)境現(xiàn)場感知技術，可以根據(jù)土壤、環(huán)境和作業(yè)對象的實時情況，以及機器的作業(yè)狀態(tài)，讓機器始終處于接近滿負荷的最佳作業(yè)狀態(tài)，提高作業(yè)效率，保證作業(yè)質量。最重要的是，無人農機作業(yè)過程中還實現(xiàn)了信息收集和遠程存儲。

        “未來的農場很可能是無人農場，農業(yè)機器人編組后，互相聯(lián)系，協(xié)同作業(yè)。”魏新華預言。

        但在趙春江看來，我國對機器人的研究整體比較弱，前期的創(chuàng)新研究積累不夠，將導致后期產業(yè)化“底氣”不足，無人農場終究是紙上談兵。

        魏新華說：“農業(yè)機器人的研制是不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。”他舉例，此前，無人農機作業(yè)過程中農田邊界的識別是困擾研究人員的難題。無人農機無法識別農田邊界，作業(yè)之前需要人工駕駛無人農機獲取田塊的四個頂點，非常耗時。

        雖然能夠自動識別邊界和固定障礙物的系統(tǒng)嘗試解決這一難題，但是實際作業(yè)過程中又發(fā)現(xiàn)了新問題。該系統(tǒng)的田頭作業(yè)不盡如人意，尤其是在不規(guī)則田塊中作業(yè)存在比較大的難度。調試好的無人農機在移到另一區(qū)域作業(yè)時，也暴露出土壤及地表狀況適應性差的問題。

        此外，面對播種或插秧直線度差的田塊，如果農業(yè)機器人在田間管理時仍按照北斗導航規(guī)定的直線路作業(yè)，就會增加軋苗率。魏新華建議，進行多導航信息融合，即把北斗導航和視覺導航信息融合。“未來，我國的植保將是以地面機械為主導、農業(yè)航空為體系的立體的植保防控體系，要對農業(yè)機器人的未來有信心。”

        趙春江表示，機器人學是一門交叉學科，涉及到人工智能、材料、機械等多個學科。目前機器人的研究隊伍偏小，不利于快速推進農業(yè)機器人發(fā)展。做好農業(yè)機器人，必須鼓勵和支持多學科交叉研究。