科技日报记者 马爱平
记者从中国农科院蔬菜花卉所获悉，国家大宗蔬菜产业技术体系研究团队2022年在北京市昌平区退林还耕地块上建成了50亩规模的首个生产型蔬菜无人农场，从整地、施肥、灌溉、起垄、定植、巡检、植保、采收等全流程实现无人化验，摸索出一套退林还耕地改造为生产型蔬菜无人农场种植规程，整个农场70%以上作业环节实现了数字自主化作业管理，节约人工成本76230元，甘蓝获得了亩产9000斤（商品化净菜5000斤）产量，并于11月9日在昌平小汤山国家精准农业研究示范基地召开了观摩会。
(资料图)
我国露地蔬菜生产规模达2.6亿亩，露地蔬菜生产面临种收环节用工多、劳动力短缺、劳动强度高等一系列问题，根据调查，目前我国蔬菜生产从业人员50岁以上占56%，人力成本占蔬菜生产成本近70%。伴随着我国农业领域从业劳动力锐减，未来“谁来种菜、如何种菜”已经成为保障我国“菜篮子”安全的主要瓶颈问题。
如何破解瓶颈？国家大宗蔬菜产业技术体系由智能化管理岗位专家牵头，联合育种、栽培、植保等专家从2020年开始依托昌平小汤山国家精准农业研究示范基地开展了露地蔬菜无人农场宜机化农艺种植模式研究、自主无人系统装备研制，经过6个茬口的反复试验，已经形成了具有自主知识产权的露地蔬菜无人农场软硬件产品和配套农艺种植模式，相关技术成果入选农业农村部2020年度十大引领性技术，获得中国人工智能学会2020年优秀成果奖。
研究团队突破了自主路径规划、苗垄识别、多传感器融合避障、农机具姿态调优等关键技术，构建了我国首个面向露地蔬菜无人农场系统，系统目前已经实现了与约翰迪尔、凯斯、鲁中等电控拖拉机，国内外起垄机、旋耕机、采收机等常用农机具上的集成适配，探索形成了露地蔬菜生产无人作业技术模式和整体解决方案，支持露地蔬菜平整地、起垄、移栽、田间管理和采收等全程24小时连续无人化作业。
据中国农科院蔬菜花卉所所长张友军介绍，露地蔬菜无人作业系统集成北斗定位导航、自主路径规划、车辆轨迹跟踪控制、激光雷达避障、农机具姿态调优等关键技术，自适应配装蔬菜不同种植结构、栽培模式、作业环节农机具参数等，具备自主作业规划、智能紧急避障、夜间连续作业、机具智能适配、作业质量监测、多机实时协同作业等功能，通过灵活的作业路径规划与机具调控，实现了农机全自主无人作业。目前系统安装方式有两种，一种是后装式的，作业演示的绿色约翰迪尔1204拖拉机是通过无损式加装传感器、线路控制等，实现了不同作业的适配；第二种方式是前装式的，目前已与国产鲁中1404-CVT拖拉机实现了定制集成，观摩会上深松环节展示的就是通过与拖拉机结构完全融合，而且实现了无驾驶舱拖拉机的创制。
无人作业系统
约翰迪尔1204拖拉机后装式无人作业系统
鲁中1404拖拉机前装式无人作业系统
“无人农机可以适配深松机、旋耕机、起垄机、移栽机、结球类蔬菜收获机等进行无人作业，实现甘蓝等蔬菜品种从耕整地、移栽、田间管理、采收等生产全过程的无人智能化生产与作业。”张友军说。
甘蓝采收机
据中国农科院蔬菜花卉所副所长张圣平介绍，智能巡检机器人3.0集成无人作业系统、视觉识别、作业模型构建、核心算法、机器学习、四轮万向控制等技术，可进行自主路径规划与智能避障，开展蔬菜长势巡检、田间运输等智能化复合作业。
“整机重量950KG，载药量300L，每小时作业面积9亩，车体最大行走速度1.5m/s。电池采用60V100AH锂电池，并采用油电增程技术，实现10小时连续作业功能。机器人采用高精度差分GPS定位技术，定位精度可达到2-3cm。机器人通过激光雷达实现360°高精度的障碍物感知识别，采用自适应轨迹控制跟踪技术实现精准作业，完全实现无人作业。”张圣平说。
智能巡检机器人
据中国农科院蔬菜花卉所副所长张扬勇介绍，巡检机器人主要用于田间技术巡检，为减轻日常田间管理劳动投入强度，解决存在遗漏等问题。通过巡检机器人能够进行自主作业巡检，对每一行、每株进行标记，实现单株连续性生长发育数据采集，并能够准确识别长势、病虫草害，为生产上精准管理和提前预警提供数据支撑。
“运输机器人在农田中通过性比较好，能应付各种恶劣路况，是将蔬菜从田间运输到地头的主要智能工具，可以极大解决人力搬运的成本投入问题。机器人目前有遥控、CAN通信控制、自主导航等三种控制方式。运输机器人长宽高尺寸为170x120x120cm，最大载重为300kg，运行最高速度为5Km/h，采用48v200AH锂电池供电，最大续航时间为4h。运输机器人还可实现多机协同编组作业，能够不间断、接续将蔬菜运输到地头，提高搬运作业效率30%以上。”张扬勇说。
运输机器人
据蔬菜花卉所科研处处长李蕾介绍，露地蔬菜智能施药机以蔬菜关键生育期叶片光谱与图像数据，建立病虫草害谱像信息与农药需求决策模型，以处方决策的方式导入到自主精准施药机。该机主管道上安装电动阀，控制调节总的喷药量值。同时每个喷头对应安装一个电磁阀、一个流量传感器；该机控制系统通过对北斗定位信息、施药决策的实时解析，获取当前位置的施药量，并将该施药信息发送到下位机ECU（电子控制单元）控制器，控制器控制每个喷头的开闭，实现按照处方决策的方式施药，且有效避免了重喷和漏喷，农药利用率提升15%以上。同时每个喷头装有流量传感器，实现了将喷头流量实时上传物联网，方便查看与管理。该机型幅宽12m，极大地提高了作业效率。
智能施药机
记者在现场看到，萝卜采收机采用履带自走式结构，每次采收1行，利用链夹将白萝卜菜叶夹拔后进行切割。机器长宽高为4100×2450×1600mm，最小离地间隙180mm，作业速度为0～1.6 m/s，作业效率为0.15～0.25hm2/h。
萝卜采收机
张友军表示，如今，生产型蔬菜无人农场相关技术成果在北京、河北沧州、天津静海、河北张家口、甘肃张掖、重庆、内蒙古乌兰察布等地区围绕甘蓝、辣椒、萝卜开展了规模化生产应用。实际应用表明无人作业过程中障碍物识别与避障成功率100%，深松、旋耕漏耕重耕率小于2%，整体作业轨迹精度控制在2cm以内，移栽合格率超过90%，移栽效率较人工提升28倍，收获破损率小于5%，收获效率较人工提升12倍，人力投入总成本大幅降低，实际测产与传统种植方式产量相当。
（中国农科院蔬菜花卉所供图）
