前言
第 1篇　理論篇
第 1章　無人農(nóng)場緣起 2
1.1 　農(nóng)業(yè)勞動力老齡化 ………………………………………… 2
1.1.1　發(fā)達國家農(nóng)業(yè)勞動力人口老齡化趨勢 …………… 2
1.1.2　我國農(nóng)業(yè)勞動力的現(xiàn)狀 …………………………… 4
1.1.3　如何應對老齡化 …………………………………… 7
1.2 　“機器換人”大勢所趨 …………………………………… 8
1.2.1　“機器換人”的必要性 ……………………………… 8
1.2.2　“機器換人”的環(huán)境條件分析 ……………………… 10
1.2.3　“機器換人”存在的問題及原因 …………………… 12
1.3 　信息技術(shù)進步促使“機器換人”成為可能 ……………… 13
1.3.1　物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備互聯(lián) ………………………… 13
1.3.2　大數(shù)據(jù)使農(nóng)業(yè)實現(xiàn)精準 …………………………… 13
1.3.3　機器人與人工智能的應用 ………………………… 14
1.4 　我國發(fā)展無人農(nóng)場的迫切性 ……………………………… 16
1.4.1　未來 30年農(nóng)業(yè)勞動力將越來越短缺 ……………… 16
1.4.2　農(nóng)民的職業(yè)化轉(zhuǎn)型迫在眉睫 ……………………… 16
1.4.3　提升土地產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率、資源利用率亟須實現(xiàn)“機器換人”…………………… 17
第 2章　無人農(nóng)場概述 19
2.1 　無人農(nóng)場的定義 …………………………………………… 19
2.2 　無人農(nóng)場的整體架構(gòu) ……………………………………… 19
2.3 　無人農(nóng)場的關(guān)鍵技術(shù) ……………………………………… 21
2.3.1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ………………………………………… 22
2.3.2　大數(shù)據(jù)技術(shù) ………………………………………… 22
2.3.3　人工智能技術(shù) ……………………………………… 23
2.3.4　智能裝備與機器人技術(shù) …………………………… 23
2.4 　無人農(nóng)場的系統(tǒng)組成 ……………………………………… 24
2.4.1　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng) ……………………………………… 24
2.4.2　作業(yè)裝備系統(tǒng) ……………………………………… 25
2.4.3　測控裝備系統(tǒng) ……………………………………… 25
2.4.4　管控云平臺系統(tǒng) …………………………………… 25
2.5 　無人農(nóng)場典型應用 ………………………………………… 26
2.5.1　無人大田農(nóng)場 ……………………………………… 27
2.5.2　無人果園農(nóng)場 ……………………………………… 27
2.5.3　無人溫室農(nóng)場 ……………………………………… 27
2.5.4　無人牧場 …………………………………………… 27
2.5.5　無人漁場 …………………………………………… 28
第 3章　無人農(nóng)場演進 29
3.1 　農(nóng)場的歷史變遷 …………………………………………… 29
3.1.1　農(nóng)場 1.0—傳統(tǒng)農(nóng)場 ……………………………… 29
3.1.2　農(nóng)場 2.0—機械化農(nóng)場 …………………………… 30
3.1.3　農(nóng)場 3.0—自動化農(nóng)場 …………………………… 33
3.1.4　農(nóng)場 4.0—無人農(nóng)場 ……………………………… 36
3.2 　無人農(nóng)場的進階形態(tài) ……………………………………… 40
3.2.1　遠程控制無人農(nóng)場 ………………………………… 40
3.2.2　無人值守無人農(nóng)場 ………………………………… 40
3.2.3　自主作業(yè)無人農(nóng)場 ………………………………… 41
3.3 　無人農(nóng)場的演進動力 ……………………………………… 41
3.3.1　農(nóng)業(yè)工業(yè)化推動 …………………………………… 42
3.3.2　市場需求拉動 ……………………………………… 43
3.3.3　技術(shù)變革帶動 ……………………………………… 44
3.3.4　農(nóng)業(yè)政策助推 ……………………………………… 46
3.4 　無人農(nóng)場的演進路徑 ……………………………………… 47
3.4.1　從人力操控到遠程控制 …………………………… 47
3.4.2　從遠程控制到無人值守 …………………………… 48
3.4.3　從無人值守到自主作業(yè) …………………………… 48
第 2篇　技術(shù)篇
第 4章　物聯(lián)網(wǎng)與無人農(nóng)場 50
4.1 　概述 ………………………………………………………… 50
4.1.1　無人農(nóng)場對裝備互聯(lián)的需求 ……………………… 50
4.1.2　物聯(lián)網(wǎng)的定義 ……………………………………… 52
4.2 　傳感技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………………… 53
4.2.1　環(huán)境傳感器 ………………………………………… 53
4.2.2　農(nóng)業(yè)動植物生理信息傳感器 ……………………… 57
4.2.3　農(nóng)機狀態(tài)檢測傳感器 ……………………………… 60
4.3 　機器視覺技術(shù)與無人農(nóng)場 ………………………………… 62
4.3.1　農(nóng)業(yè)視覺信息處理系統(tǒng)框架 ……………………… 63
4.3.2　農(nóng)業(yè)視覺信息增強與分割 ………………………… 64
4.3.3　農(nóng)業(yè)視覺信息特征提取與目標識別 ……………… 67
4.3.4　機器視覺在無人農(nóng)場中的典型應用 ……………… 70
4.4 　遙感技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………………… 71
4.4.1　遙感技術(shù)概述 ……………………………………… 71
4.4.2　農(nóng)作物長勢遙感監(jiān)測 ……………………………… 72
4.4.3　農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測 ………………………………… 73
4.4.4　農(nóng)作物干旱和凍害遙感監(jiān)測 ……………………… 74
4.5 　農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)與無人農(nóng)場 …………………………… 75
4.5.1　農(nóng)業(yè)信息有線傳輸技術(shù) …………………………… 75
4.5.2　農(nóng)業(yè)信息無線傳輸技術(shù) …………………………… 77
4.6 　面臨的問題與發(fā)展方向 …………………………………… 82
第 5章　大數(shù)據(jù)與無人農(nóng)場 84
5.1 　概述 ………………………………………………………… 84
5.1.1　無人農(nóng)場的大數(shù)據(jù)需求 …………………………… 84
5.1.2　大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù) …………………………………… 86
5.2 　大數(shù)據(jù)獲取技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 87
5.2.1　基本定義 …………………………………………… 87
5.2.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 …………………………………… 88
5.3 　大數(shù)據(jù)處理技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 91
5.3.1　基本定義 …………………………………………… 91
5.3.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 …………………………………… 91
5.4 　大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 96
5.4.1　基本定義 …………………………………………… 96
5.4.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 …………………………………… 97
5.5 　大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 98
5.5.1　基本定義 …………………………………………… 98
5.5.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 …………………………………… 99
5.6 　無人農(nóng)場與大數(shù)據(jù)結(jié)合的發(fā)展方向 …………………… 101
第 6章　人工智能與無人農(nóng)場 102
6.1 　概述 ……………………………………………………… 102
6.1.1　無人農(nóng)場對人工智能的需求 …………………… 102
6.1.2　人工智能的定義 ………………………………… 104
6.1.3　無人農(nóng)場中的人工智能技術(shù) …………………… 104
6.2 　智能識別技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 106
6.2.1　基本定義 ………………………………………… 106
6.2.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 106
6.3 　智能學習技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 108
6.3.1　基本定義 ………………………………………… 109
6.3.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 109
6.4 　智能推理技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 112
6.4.1　基本定義 ………………………………………… 113
6.4.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 113
6.5 　智能決策技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 117
6.5.1　基本定義 ………………………………………… 117
6.5.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 118
第 7章　智能裝備與無人農(nóng)場 122
7.1 　概述 ……………………………………………………… 122
7.1.1　無人農(nóng)場對智能裝備的需求 …………………… 122
7.1.2　農(nóng)業(yè)智能裝備的定義與分類 …………………… 124
7.2 　農(nóng)業(yè)裝備狀態(tài)數(shù)字化監(jiān)測 ……………………………… 127
7.2.1　基本定義 ………………………………………… 128
7.2.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 128
7.3 　農(nóng)業(yè)裝備智能動力驅(qū)動 ………………………………… 131
7.3.1　基本定義 ………………………………………… 131
7.3.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 131
7.4 　農(nóng)業(yè)裝備自動導航與控制 ……………………………… 132
7.4.1　基本定義 ………………………………………… 132
7.4.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 133
7.5 　農(nóng)業(yè)裝備智能感知與作業(yè) ……………………………… 135
7.5.1　基本定義 ………………………………………… 135
7.5.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 136
7.6 　無人農(nóng)場智能裝備的典型應用 ………………………… 138
7.6.1　農(nóng)業(yè)無人作業(yè)車 ………………………………… 138
7.6.2　農(nóng)業(yè)無人作業(yè)船 ………………………………… 139
7.6.3　農(nóng)業(yè)無人機 ……………………………………… 141
第 8章　機器人與無人農(nóng)場 145
8.1 　概述 ……………………………………………………… 145
8.1.1　無人農(nóng)場對機器人的需求 ……………………… 145
8.1.2　農(nóng)業(yè)機器人的定義 ……………………………… 147
8.1.3　農(nóng)業(yè)機器人在無人農(nóng)場中的應用 ……………… 147
8.2 　目標識別技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 148
8.2.1　基本定義 ………………………………………… 149
8.2.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 149
8.3 　路徑規(guī)劃技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 154
8.3.1　基本定義 ………………………………………… 154
8.3.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 155
8.4 　定位導航技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 157
8.4.1　基本定義 ………………………………………… 157
8.4.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 158
8.5 　作業(yè)控制技術(shù)與無人農(nóng)場 ……………………………… 160
8.5.1　基本定義 ………………………………………… 160
8.5.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 161
第 9章　管控云平臺與無人農(nóng)場 164
9.1 　概述 ……………………………………………………… 164
9.1.1　無人農(nóng)場需要云計算 …………………………… 164
9.1.2　云計算的定義 …………………………………… 166
9.2 　云儲存與無人農(nóng)場 ……………………………………… 166
9.2.1　無人農(nóng)場的云存儲 ……………………………… 166
9.2.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 167
9.3 　云計算和無人農(nóng)場 ……………………………………… 178
9.3.1　無人農(nóng)場的云計算 ……………………………… 178
9.3.2　關(guān)鍵技術(shù)與原理 ………………………………… 179
9.4 　管控云平臺及其部署 …………………………………… 183
9.4.1　無人農(nóng)場的管控云平臺 ………………………… 183
9.4.2　管控云平臺的部署 ……………………………… 184
第 10章　無人農(nóng)場系統(tǒng)集成 189
10.1 　概述 …………………………………………………… 189
10.2 　無人農(nóng)場系統(tǒng)集成原則與步驟 ……………………… 191
10.2.1　無人農(nóng)場系統(tǒng)集成原則 ………………………… 191
10.2.2　無人農(nóng)場系統(tǒng)集成步驟 ………………………… 192
10.3 　無人農(nóng)場系統(tǒng)集成方法 ……………………………… 195
10.3.1　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)集成 ……………………………… 195
10.3.2　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 196
10.3.3　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 199
10.3.4　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 201
第 3篇　應用篇
第 11章　無人大田農(nóng)場 204
11.1 　概述 …………………………………………………… 204
11.1.1　無人大田的農(nóng)場定義 …………………………… 204
11.1.2　無人大田農(nóng)場的組成和功能 …………………… 205
11.1.3　無人大田農(nóng)場的類型 …………………………… 207
11.2 　無人大田農(nóng)場的業(yè)務系統(tǒng) …………………………… 207
11.2.1　無人耕播系統(tǒng) …………………………………… 207
11.2.2　無人水肥系統(tǒng) …………………………………… 209
11.2.3　無人植保系統(tǒng) …………………………………… 210
11.2.4　無人倉儲系統(tǒng) …………………………………… 212
11.2.5　無人收獲系統(tǒng) …………………………………… 212
11.3 　無人大田農(nóng)場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 …………………… 213
11.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 213
11.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 214
11.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 215
11.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 216
11.3.5　管控云平臺集成 ………………………………… 219
11.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 220
第 12章　無人果園農(nóng)場 222
12.1 　概述 …………………………………………………… 222
12.1.1　無人果園農(nóng)場的定義 …………………………… 222
12.1.2　無人果園農(nóng)場的組成與特點 …………………… 223
12.2 　無人果園農(nóng)場作業(yè)裝備 ……………………………… 223
12.2.1　日常作業(yè)系統(tǒng) …………………………………… 224
12.2.2　水肥一體化系統(tǒng) ………………………………… 225
12.2.3　收獲系統(tǒng) ………………………………………… 226
12.2.4　果品分級系統(tǒng) …………………………………… 227
12.3 　無人果園農(nóng)場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 …………………… 227
12.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 227
12.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 228
12.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 229
12.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 230
12.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 231
12.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 232
第 13章　無人溫室農(nóng)場 233
13.1 　概述 …………………………………………………… 233
13.1.1　無人溫室農(nóng)場的定義 …………………………… 233
13.1.2　無人溫室農(nóng)場的組成與功能 …………………… 235
13.1.3　無人溫室農(nóng)場的類型 …………………………… 236
13.2 　無人溫室農(nóng)場的業(yè)務系統(tǒng) …………………………… 236
13.2.1　育苗系統(tǒng) ………………………………………… 236
13.2.2　溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng) ……………………………… 238
13.2.3　農(nóng)作物生長監(jiān)測系統(tǒng) …………………………… 240
13.2.4　水肥自動調(diào)控系統(tǒng) ……………………………… 241
13.2.5　自動采收系統(tǒng) …………………………………… 242
13.2.6　自動分揀包裝系統(tǒng) ……………………………… 243
13.2.7　清洗消毒系統(tǒng) …………………………………… 244
13.3 　無人溫室農(nóng)場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 …………………… 244
13.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 244
13.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 247
13.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 249
13.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 251
13.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 253
13.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 255
第 14章　無人豬場 257
14.1 　概述 …………………………………………………… 257
14.1.1　無人豬場的定義 ………………………………… 257
14.1.2　無人豬場的組成與功能 ………………………… 257
14.2 　無人豬場的業(yè)務系統(tǒng) ………………………………… 259
14.2.1　豬場環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng) ………………………… 259
14.2.2　無人飼喂系統(tǒng) …………………………………… 260
14.2.3　無人幼豬繁育系統(tǒng) ……………………………… 261
14.2.4　無人管理系統(tǒng) …………………………………… 261
14.2.5　無人清潔系統(tǒng) …………………………………… 262
14.2.6　無人糞污處理系統(tǒng) ……………………………… 263
14.2.7　無人巡檢系統(tǒng) …………………………………… 263
14.3 　無人豬場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 ………………………… 264
14.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 264
14.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 265
14.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 267
14.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 269
14.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 271
14.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 273
第 15章　無人牛場 274
15.1 　概述 …………………………………………………… 274
15.1.1　無人牛場的定義 ………………………………… 274
15.1.2　無人牛場的組成與功能 ………………………… 275
15.1.3　無人牛場的類型 ………………………………… 277
15.2 　無人牛場的業(yè)務系統(tǒng) ………………………………… 277
15.2.1　環(huán)境自動控制系統(tǒng) ……………………………… 277
15.2.2　智能繁育系統(tǒng) …………………………………… 279
15.2.3　智能飼喂系統(tǒng) …………………………………… 281
15.2.4　自動清潔系統(tǒng) …………………………………… 284
15.2.5　疫病防治系統(tǒng) …………………………………… 285
15.2.6　無人管理系統(tǒng) …………………………………… 287
15.2.7　自動擠奶系統(tǒng) …………………………………… 289
15.3 　無人牛場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 ………………………… 291
15.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 291
15.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 291
15.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 294
15.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 295
15.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 299
15.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 301
第 16章　無人雞場 303
16.1 　概述 …………………………………………………… 303
16.1.1　無人雞場的定義 ………………………………… 303
16.1.2　無人雞場的組成和功能 ………………………… 305
16.2 　無人雞場的業(yè)務系統(tǒng) ………………………………… 305
16.2.1　環(huán)境控制系統(tǒng) …………………………………… 305
16.2.2　自動飼喂系統(tǒng) …………………………………… 306
16.2.3　無人車送料及轉(zhuǎn)運系統(tǒng) ………………………… 307
16.2.4　雞蛋收集和孵化系統(tǒng) …………………………… 307
16.2.5　清糞消毒系統(tǒng) …………………………………… 308
16.3 　無人雞場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 ………………………… 308
16.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 308
16.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 309
16.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 310
16.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 311
16.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 312
16.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 314
第 17章　無人漁場 315
17.1 　概述 …………………………………………………… 315
17.1.1　無人漁場的定義 ………………………………… 315
17.1.2　無人漁場的組成與功能 ………………………… 316
17.1.3　無人漁場的類型 ………………………………… 317
17.2 　無人漁場的業(yè)務系統(tǒng) ………………………………… 318
17.2.1　餌料精準飼喂系統(tǒng) ……………………………… 319
17.2.2　水質(zhì)測控系統(tǒng) …………………………………… 320
17.2.3　巡檢系統(tǒng) ………………………………………… 321
17.2.4　自動收捕系統(tǒng) …………………………………… 321
17.3 　無人漁場的規(guī)劃與系統(tǒng)集成 ………………………… 322
17.3.1　空間規(guī)劃 ………………………………………… 322
17.3.2　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè) ……………………………… 323
17.3.3　作業(yè)裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 325
17.3.4　測控裝備系統(tǒng)集成 ……………………………… 327
17.3.5　管控云平臺系統(tǒng)集成 …………………………… 329
17.3.6　系統(tǒng)測試 ………………………………………… 330
第 18章　無人農(nóng)場發(fā)展戰(zhàn)略 332
18.1 　戰(zhàn)略目標 ……………………………………………… 332
18.1.1　無人農(nóng)場技術(shù)取得重大突破 …………………… 332
18.1.2　無人農(nóng)場發(fā)展機制不斷健全 …………………… 332
18.1.3　無人農(nóng)場發(fā)展政策持續(xù)完善 …………………… 332
18.2 　戰(zhàn)略行動 ……………………………………………… 333
18.2.1　加強無人農(nóng)場關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān) ……………… 333
18.2.2　加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應用與示范 ……………… 333
18.2.3　加快人工智能與農(nóng)業(yè)機器人研發(fā) ……………… 333
18.2.4　加強農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)建設(shè)力度 ……………………… 334
18.3 　戰(zhàn)略布局 ……………………………………………… 335
18.3.1　東部沿海發(fā)達地區(qū) ……………………………… 335
18.3.2　國有墾區(qū) ………………………………………… 335
18.3.3　國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū) …………………………… 335
18.4 　戰(zhàn)略政策 ……………………………………………… 335
18.4.1　編制無人農(nóng)場發(fā)展規(guī)劃 ………………………… 335
18.4.2　強化科技人才支撐 ……………………………… 336
18.4.3　加強技術(shù)標準建設(shè) ……………………………… 336
18.4.4　探索可持續(xù)的發(fā)展模式 ………………………… 336
18.5 　愿景展望 ……………………………………………… 337
18.5.1　5G等新技術(shù)得到廣泛應用 …………………… 337
18.5.2　農(nóng)業(yè)機器與人腦深度融合 ……………………… 337
18.5.3　機器換人成為現(xiàn)實 ……………………………… 337
參考文獻 ……………………………………………………… 338