无人农场系统分析与发展展望

我国是农业大国，耕地面积占全世界的 7% ，农 业人口众多，占全国人口的 70%［1］。农业劳动力是农业生产中最重要的资源，传统农业需要大量的人 力和物力，随着我国人口老龄化的日趋严重，人口红 利即将消失，农业劳动力缺乏问题日渐突显。按照 国际劳工组织的划分标准，老年劳动力是指 45 岁以上的劳动人口。在全部劳动力中，我国老年人口占比从 2010 年的 29. 20% 上升到 2015 年的 39. 42% ， 平均每年上升 2. 04 个百分点。劳动力成本增加，农 村劳动力向城市流动趋势明显［2］，劳动生产率、农 业生产效率和资源利用率亟需提高，传统农业生产 模式已无法适应市场要求。

随着科学技术的发展，物联 、大数据、人工智 能、机器人、智能装备制造、5G 等新一代信息技术的 不断进步使得机器换人成为可能［3 － 10］。农业物联 技术完成农场信息的感知和传输，实现了农业智能装备的互联; 大数据与云计算技术完成农业信息 的获取、存储、分析和处理，实现了农业生产的精准 化; 人工智能与智能装备技术能够完成智能学习、智 能决策以及装备与机器人的自主精准作业，真正实 现了机器代替人。因此，无人农场能够实现农业生 产、管理全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精 准投入和个性化服务，进而实现农业生产集约、高 产、优质、高效、生态、安全等可持续发展的目标［11］。 无人农场是推动现代农业发展的重要举措，能够以 现代化、自动化装备提升传统农业产业，实现农业生 产和管理全程的无人化，从而大大提高劳动生产效 率。无人农场的本质是实现农业生产的机器换人， 是未来农业发展的大趋势。

1 无人农场

1. 1 无人农场概念

无人农场是在人不进入农场的情况下，采用物 联 、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息 技术，通过对农场设施、装备、机械等远程控制或智 能装备与机器人的自主决策、自主作业，完成所有农 场生产、管理任务的一种全天候、全过程、全空间的无人化生产作业模式，无人农场的本质是实现机器换人。无人农场是新一代信息技术、智能装备技术 与先进种养殖工艺深度融合的产物，是对农业劳动 力的彻底解放，代表着农业生产力的最先进水平。 全天候、全过程、全空间的无人化作业是无人农场的 基本特征。

全天候无人化是指从种植或养殖的开始到结束 时间段里，农场所有业务工作都能够在不需要人参 与的情况下由机器自主完成。全天候无人化需要无人农场对农业动植物的生长环境、生长状态、各种作 业装备的工作状态进行全天候监测，从而根据监测 到的信息开展农场作业与管理。全过程无人化是指 农业生产的各个工序和环节都无需人工参与，由机 器自主完成。特别是在业务对接环节，无人农场装 备之间通过相互通信和识别，完成自主对接。全空间无人化是指在农场的物理空间内，无人车、无人 船、无人机在不需要人的介入下自主完成移动作业， 并实现固定装备与移动装备的无缝对接。无人农场 在物联 、大数据、人工智能、智能装备与机器人技 术的支撑下，由基础设施系统、作业装备系统、测控 系统和管控云平台系统组成，如图1所示：

1. 2 无人农场发展历程

1. 2. 1 农场的历史变迁

人类经历了农业社会、工业社会后，目前正处在 信息社会阶段［12］。随着劳动工具的改进，农业也经 历了从青铜器到铁器，从畜力到农业机械，从自动化 农业到智能化生产的过程。因此劳动工具的演变体 现了农业 1. 0 到农业 4. 0 的演变［13］。

农业 1. 0———传统农场: 所谓农场是指农业生产单位、生产组织或生产企业，以从事农业生产、畜 牧养殖和水产养殖为主。传统农场历史悠久，是农 业社会的产物。传统农场的农业生产以人力、畜力 为主，劳动力和土地处于核心地位，劳动工具是简单 的手工工具( 如铁器) 和畜力，农业生产方式延续了 古老而原始的传统农耕方式。17 世纪，农场成为欧洲农业生产的基本单位［14］。目前，我国传统农场基本消失。

农业 2. 0———机械化农场: 机械化农场起源于工业革命时代，是工业社会的产物。机械化农场是 指利用各种动力和配套农机具装备农业，使用现代 农业机械取代人力和畜力，实现生产工具的机械化， 从而进行大规模农业生产的农场形态。欧美国家是 最早实现农业生产机械化的国家，我国目前的农场 已经实现了机械化［15］。

农业 3. 0———自动化农场: 自动化农场出现在 20 世纪后期，是信息社会的产物。自动化农场是将计算机等信息技术与传统农业机械设备结合，使用 自动化装备代替传统农机装备，实现农业生产管理 自动化的农场［16］。美国、荷兰和挪威等欧美国家已 经分别实现了大田种植、设施蔬菜、畜禽养殖和水产 养殖等大部分农场的高度自动化，我国目前处于机 械化与自动化的过渡阶段［17］。

农业 4. 0———无人农场: 随着物联 、人工智能 与机器人的发展，无人农场将会在 21 世纪中后期逐 渐出现。无人农场是指在人不需要进入农场情况 下，采用新一代信息技术，通过智能装备与机器人自 主完成农业生产、管理任务的农场终极形态，真正实 现了机器代人。欧、美、日等发达国家的无人农场已 进入小范围应用阶段，以日本为首的发达国家各种农场作业机器人已相继研制成功，我国目前无人农 场还处于试验示范阶段［18］。

1. 2. 2 无人农场的阶段形态

无人农场的发展目标是智能装备与机器人深度 参与农业生产全过程，逐步替代人力，并参与决策管 理。根据机器人参与深度的不同，无人农场可以划 分为 3 个不同阶段的形态，依次为远程控制、无人值 守和自主作业的无人农场。

初级阶段———远程控制: 初级阶段的无人农场 采用远程控制技术，通过对智能装备与机器人等远 程控制，实现农场的无人化作业。远程控制阶段是 机器代替劳力的初级阶段，其特点是不需要人到现场劳作农场，但需要人工远程操作、参与决策与控 制，因此也称徒手农场( Handfree farm) ，或者是有人 值守的无人农场。

中级阶阶段———无人值守: 中级阶段的无人农场 无需专人 24 h 在远程监控室里对农场装备进行远 程操作。无人值守阶段作业装备可以自主巡航作 业，但仍需要人参与计划，并负责指令的下达与生产 的决策。人在此阶段无需时刻值守，是无人值守 ( Unattended operation farm) 的无人农场。

高级阶段———自主作业: 高级阶段的无人农场 完全不需要人的参与。农场所有的作业与管理，都 通过云管控平台自主计划、自主决策、自主作业，并 由装备自主完成所有农场业务。高级阶段的无人农场彻底地将人从农业生产管理中解放出来，是完全 无人的 ( Unmanned farm) ，是农场发展的顶级水平。

2 农场无人化的共性关键技术

无人农场是一个复杂的系统工程，是新一代信息技术不断发展的产物。无人农场通过对农业生产资源、环境、种养对象、装备等各要素的在线化、数据化，实现种养殖对象的精准化管理、生产过程的智能 化决策和无人化作业，其中物联 技术、大数据技术、人工智能技术和智能装备与机器人技术等 4 大技术在无人农场中起关键性作用( 如图 2 所示) 。

2. 1 物联 与无人农场

物联 是通过各种传感器、射频识别( ＲFID) 、 视频采集终端、激光扫描仪、空间信息装备等信息感 知设备及无线传感 络，进行信息的采集和传输，最 终形成一个万物互联的 络［19 － 30］。农业物联 技术的广泛应用已经实现了大田种植、果园种植、温室 大棚、畜禽养殖、水产养殖等领域整个农业生产、管 理过程的信息感知和可靠传输［31 － 36］。

农场要实现无人化作业，智能装备、农业种养殖 对象和云管控平台如何形成一个实时通信的实体 络是面临的首要问题。农场装备能够根据环境、动 植物生长实时状态开展相应作业，物联 技术使农 场装备 联化成为可能。物联 技术作为无人农场 重要的支撑技术，主要体现在以下方面: 物联 技术为无人农场提供以传感器为基础的环境全面感知技术，确保动植物生长在最佳环境下［37 － 39］; 物联 技 术提供以机器视觉和遥感为核心的动植物表型技术 和视觉导航技术，确保动植物生长状态的实时感知， 为其生长调控提供关键参数［40 － 41］; 物联 技术提供 装备的位置和状态感知技术，为装备导航、作业的技 术参数获取提供可靠保证［42 － 44］; 物联 技术提供以 5G 或更高通信协议的实时通信技术，确保装备间的 实时通信［45 － 46］。

高精度、高精准、可现场测量为主要特征的新一 代农业传感器技术是推动农业物联 技术发展的底 层驱动力［47 － 54］。集无线技术、 络技术和通信技术 为一体的 5G，以及未来的 6G 等新一代无线传输技术为农业物联 技术的发展提供了一条“高速公路”。无人农场环境、装备、动植物信息的全面感知 技术和信息可靠传输技术是物联 应用于无人农场 的两大关键支撑技术，是实现农场无人化作业的 基础。

2. 2 大数据与无人农场

无人农场通过智能装备完成精准作业，而装备是依靠农场海量实时数据的分析开展精准作业。无 人农场时刻产生大量高维、异构、多源数据，因此如 何获取、处理、存储、应用这些数据，并从中挖掘出有 用的信息，是必须解决的问题。大数据应用于无人农场体现在 4 方面［55 － 64］: 大数据为无人农场提供多 源异构数据的处理技术，进行数据去粗存精、去伪存真、分类等处理方法; 大数据能在众多数据中挖掘分 析和知识发现，形成规律性的农场管理知识库; 大数据能对各类数据进行有效的存储，形成历史数据，以备农场管控平台进行学习与调用; 大数据与云计算 和边缘计算技术结合，形成高效的计算能力，确保装 备作业的迅速反应，实现精准自主作业［65 － 69］。

综上，数据的实时获取、智能处理、智能存储和 智能分析( 图 2) 是无人农场采用的四大关键大数据 技术［70 － 77］。基于大数据和云计算的无人农场数据 智能分析、处理与农场深度融合，实现了无人农场环 境信息、动植物信息、装备状态信息等各种数据的智 能快速获取、处理、存储及分析，为智能装备的精准 自主作业提供了数据支撑，从而实现农场的无人化 精准化管控。

2. 3 人工智能与无人农场

无人农场的本质是实现机器对人的替换，因此机器必须具有生产者的判断力、决策力和操作技能。 人工智能技术的支撑给无人农场装上了“智能大 脑”，让无人农场具备了“思考能力”［78 － 81］。一方面 人工智能技术给农场装备端以识别、学习、导航和作 业的能力。人工智能技术首先体现在装备端的智能 感知技术，包括农业动植物生长环境、生长状态和装 备本身工作状态的智能识别技术［82 － 85］; 其次是装备 端的智能学习与推理技术，实现对农场各种作业的 历史数据、经验与知识的学习，基于案例、规则与知 识的推理，机器智能决策与精准作业控制［86 － 89］; 另 一方面人工智能技术为农场云管控平台提供基于大 数据的搜索、学习、挖掘、推理与决策技术［90 － 91］。无 人农场中复杂的计算与推理都交由云平台解决，给 装备提供了智能的大脑。

综上，人工智能承担无人农场信息的优化和决策任务，智能识别、智能学习、智能推理和智能决策 等技术让无人农场具有“思考能力”，实现云管控平 台的无人化，是无人农场的关键所在，为实现智能装备与机器人的精准作业控制奠定了基础。

2. 4 智能装备、机器人与无人农场

4 智能装备、机器人与无人农场 无人农场智能装备与机器人是指农业生产、管 理及产后环节等整个过程中所用到设备的统称。无 人农场智能装备由移动装备和固定装备组成。移动 装备主要包括无人车、无人机、无人船和移动作业机 器人等，固定装备主要包括智能饲喂机、分类分级 机、自动增氧机和水肥一体机等［92 － 98］。无人农场机 器人分为采摘机器人、自动巡航管理机器人、除草机 器人、种植机器人、水产养殖水下机器人等［99 － 101］。 智能装备与机器人是人工智能与装备技术的深度融 合，结合现代信息化技术，智能装备与机器人将逐渐 满足农场的无人化生产、信息化监测、最优化控制、 精准化作业和智能化管理等需求。

随着物联 、大数据、人工智能、5G 等与智能装 备和机器人的融合应用，无人农场智能装备与机器 人将逐步替代农民手工劳动进入农场完成自主作业 任务。智能装备与机器人在无人农场中的广泛应用 能够彻底实现“农民足不出户，通过智能终端发出 指令，就能种好庄稼、种好菜、养好牛、养好鱼”等农 业生产任务。无人农场四大关键技术在农场中扮演 着不同的角色，缺一不可，随着四大关键技术的不断 进步、完善与成熟，机器换人逐渐成为可能，无人农 场未来可期。

3 无人农场的系统组成

不同场景无人农场的具体表现形式不同，但无 人农场基本是由基础设施系统、作业装备系统、测控系统和管控云平台系统等组成。无人农场四大系统 各司其职，又相互联系、协同运行，共同完成无人农 场智能生产和管理等任务，共同保障整个无人农场 的正常运行。无人农场系统组成如图 3 所示。

3. 1 基础设施系统

无人农场基础设施系统通常包括厂房、道路、 水、电、仓库、车库、通信节点和传感器安装节点等基 础条件，是无人农场的基础物理构架，为农场无人化 作业提供了工作环境保障。基础设施系统为无人农 场作业装备系统、测控系统和管控云平台系统提供 了基础工作条件和环境，是整个无人农场运行的基 础。由于农业场景差异大，无人农场的基础设施系 统有较大差异，但基础前提都是为机器换人提供必 要条件。加强农场基础设施建设，推进水林路电房 综合配套，提高无人农场规模和生产力水平，为无人 农场的持续稳定运行创造基础条件。

3. 2 作业装备系统

作业装备系统是无人农场生产和管理过程中使 用的设备和装置的统称，根据作业任务特点分为固 定装备和移动装备，是无人农场的核心组成部分。 固定装备即不需移动即可完成无人农场的自主作业 任务的设备，如图 3 所示，主要包括无人牧场的饲喂 设备、智能穿戴设备、奶牛挤奶设备和鸡蛋分拣设备 等，无人渔场的投饵、增氧、计数和循环水处理设备， 无人温室的水肥一体化设备、湿帘风机、环境调控等 设备。此外，固定装备还包括农产品分拣装备和包 装装备等。固定装备具有单独可调控能力，并可以 与其他设备和移动装备结合，在自身不移动的条件 下进行系统的作业控制。移动装备系统是指在移动 过程中完成农场作业任务，如大田农场中耕播种机 械、收获机械、植保机械等各种作业机械。无人车、 无人船、无人机是无人农场中最重要的移动装备，不 仅能够实现无人运输任务，还可以作为搭载其他智 能作业装备的平台。此外，移动装备还包括各种移 动机器人设备。移动装备与固定装备是农场作业的 执行者，它们之间的有效对接和配合作业，增加了无 人农场智能装备与机器人的环境适应能力和工作效 率，提高了无人农场智能化水平，实现了机器对人工 作业的替换。

3. 3 测控系统

3. 4 管控云平台系统

无人农场具有海量的信息资源，且不同场景作 业任务复杂多变，因此无人农场需要对各类数据进 行智能存储、识别、学习，并完成知识的推理以及机 器的智能决策。无人农场云平台系统能够进行无人 农场各种信息和数据的存储、学习，数据处理、推理、 决策的云端计算，以及有效信息的挖掘和各种作业 指令、命令的下达，并建立可视化模型，是无人农场 的神经中枢。无人农场海量数据的存储、处理和大 量计算都在云端进行，并通过云平台进行可视化展 示。此外，云平台系统还具有用户管理和安全管理 等基础功能。整个管控云平台系统不需人的干预独 立完成各项任务，实现了农场无人管理和决策。

无人农场四大系统的角色、结构和功能各不相同，但进行无人农场作业时，四大系统之间互相密切 配合，形成完整的无人农场生态系统。无人农场四 大系统协调统一，协同运行，系统工作，共同完成无 人农场农业生产和管理任务，实现农场机器对人工 作业的替换。

4 无人农场类型

农业一般分为种植业、林业、畜牧业和渔业 4 种 产业模式，根据农业应用方式及类型的不同，无人农 场可以分为大田种植、温室大棚、果园种植、畜禽养 殖和水产养殖等五大典型应用场景( 图 4) 。五大场 景的农业生产方式各有差异，但本质都是实现完全 的机器代替人工，完成农场各种生产、管理任务。

4. 1 无人大田

无人大田农场是最早提出无人农场概念的类 型，英国哈珀亚当斯农业大学一个农业工程师团队 建立了全球首家无人大田农场。该农场的耕、种、 播、收、灌和植保作业等全部流程都通过无人驾驶拖 拉机及相应的作业机械实现，进而实现无人操作，该研究团队认为这种无人农场模式代表了农业未来基 本的设计思路。研究者在此基础上通过增加无人机 遥感、物联 技术等实现农作物的种植面积、种植密 度、长势信息和病虫害信息的实时动态监控，通过无 人车实现农业生产资料运输和仓储的无人化作业 等，从而真正实现了不需要人进入农场就可以完成 所有农业生产和管理任务。

4. 2 无人果园

无人果园是指智能感知、智能分析、智能作业和 智能装备技术在果园生产中的集成应用。无人果园 通过除草机器人、剪枝机器人、植保无人机、套袋机 器人、无人运输车、仓储搬运机器人等设备实现果园 的日常无人作业; 通过对水肥一体化装备的智能调 控实现果园的精准灌溉和施肥，确保果树生长在最 佳状态; 通过采摘机器人、自动分拣装备、自动包装 装备实现果园的采收; 通过无人运输车和装载机器 人对肥料、农药等生产资料开展库房与果园间运输 与加注等工作。无人果园模式的出现实现了果园环境自主调控、无人植保以及农产品的无人收获、运输 和处理。

4. 3 无人温室

无人温室是指集数字化、智能化于一体的温室大棚种植。一方面无人温室通过自主调节风 机、湿帘机、遮阳 、补光灯等自主调控温室环境，保 障温室作物( 蔬菜、花卉、水果) 生长在最佳的环境 下; 另一方面无人温室通过园艺整枝机器人开展日 常剪枝打叉等管理，通过水肥一体化施用装备实现 温室大棚精准灌溉和施肥，通过采摘机器人、无人运 输车、自动分拣装备、自动包装装备实现温室的采 收，通过无人运输车和装载机器人运输肥料、农药等 以开展库房与温室间运输与加注等工作。

4. 4 无人牧场

无人牧场是无人畜禽圈舍等养殖牧场的统称， 是指畜禽育种、繁育、饲养和疾病防疫等环节以及产 后运输、处理等全过程的无人化精细养殖模式。一 方面无人牧场通过无人运输车和装载机器人开展饲 料等库房与养殖间运输与饲料仓加注，通过自主饲 喂设备实现畜、禽等精准饲喂，通过空气过滤装置和 温湿度调控装置，确保畜、禽等养殖动物生长在最佳 的环境; 另一方面通过挤奶机器人、粪便清扫机器 人、饲草( 料) 给喂机器人、自动捡蛋机和自动包装 机完成畜、禽场的日常作业。此外，无人牧场通过智 能穿戴设备提高畜禽个体特征智能识别水平，加强 动物疫病疫情的精准诊断、预警和防控。无人牧场 利用环境控制系统、智能装备系统以及信息化管理 系统等进行牧场无人化精细养殖，降低了畜禽死亡 率，提升了畜、禽质量，实现了畜、禽养殖场的机器代 人目的。

4. 5 无人渔场

无人渔场类型较多，主要包括无人池塘养殖、陆基工厂养殖、 箱养殖、海洋牧场等。渔场无人化主 要体现在以下方面: 无人渔场通过自动增氧和水处 理装备自主调控养殖水体环境，保证鱼虾蟹贝等生 长在最佳环境下; 通过无人运输船和装载机器人开 展饲料等库房与养殖间运输与饲料仓自主加注，并 提供自主饲喂设备，实现鱼虾蟹贝的精准自动饲喂; 通过无人机、无人船、水下机器人等实现养殖现场的 巡检; 通过智能吸鱼泵、分鱼器、捕鱼船等装置实现 鱼虾蟹贝类的收获; 通过水下机器人实现死鱼捡拾、 衣巡检、鱼类生长监测、 衣清洗等智能作业。

5 结论与展望

无人农场代表着最先进农业生产力，可以极大 提高劳动生产率，提高资源利用率和单位土地产出率，特别是水肥药的利用率，将实现农业劳动力的彻底解放，是未来农业的发展方向，必将引领数字农 业、精准农业、智慧农业等现代农业方式的发展。也 必须清醒地认识到，无人农场的成本与劳动力成本 密切相关，当前在农业劳动力成本低的情况下，无人 农场的成本昂贵，随着劳动力成本的进一步提高和 无人农场技术规模化应用，无人农场成本会相对越 来越低。在 2050 年前后，当 2020 年以后出生人口 以及 2030 年以后出生人口逐渐成为主流农业劳动力时，无人值守农场必将迎来快速推广普及。从现 在开始布局无人农场理论、技术、产品研发，对加速 推进我国农业现代化意义重大。

( 1) 加强无人农场基础理论、关键技术和实用产品研发: 无人农场是新生事物，无人农场的基础理 论关键技术有许多问题值得进一步深入探索。当前 迫切需要加强农业传感器、动植物表型及生长优化 调控模型、自主作业机器人等卡脖子技术的研发; 在 农机无人驾驶、无人机、无人猪场、无人鸡场、无人渔 场等数字化基础好、可控性强的领域进行率先尝试， 通过技术转让、联合开发、委托开发和共建研发基 地、产业化中试基地等手段，促进无人农场技术试验 示范与产业化发展。

( 2) 编制无人农场发展规划: 围绕无人农场技术研发、转化、推广、应用和服务过程中的重大问题， 做好顶层设计，制定无人农场在农业主导产业和特 色区域的发展方向、重点领域、发展模式及推进路 径，合理布局无人农场重大应用示范和产业化项目， 强化政府对无人农场工作的宏观指导和统筹协调， 集聚项目、资金、科技、人才等资源，促进无人农场的 应用发展。

( 3) 探索无人农场发展商业模式: 无人农场最 终都要商业化、企业化，要充分发挥 、联盟、企业 的作用，构建以应用需求为牵引，以企业为主体，以 市场需求为导向、产学研相结合的无人农场合作发 展模式，鼓励大型农业龙头企业积极探索。

( 4) 进一步优化和完善无人农场政策环境: 无 人农场是我国战略性新兴产业，是未来发展趋势，在 当前技术和商业模式尚不成熟的条件下，其成本高、 投入大，因此需要政府构建无人农场发展的政策支 持环境，加快制订包括补贴、投资、金融、信贷、税收、 重大项目建设等政策支撑体系，鼓励民营资本进入， 促进无人农场产业化发展。

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