前言
第 1篇　理論篇
第 1章　無人農場緣起 2
1.1 　農業(yè)勞動力老齡化 ………………………………………… 2
1.1.1　發(fā)達國家農業(yè)勞動力人口老齡化趨勢 …………… 2
1.1.2　我國農業(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 　信息技術進步促使“機器換人”成為可能 ……………… 13
1.3.1　物聯(lián)網實現(xiàn)農業(yè)裝備互聯(lián) ………………………… 13
1.3.2　大數據使農業(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)展無人農場的迫切性 ……………………………… 16
1.4.1　未來 30年農業(yè)勞動力將越來越短缺 ……………… 16
1.4.2　農民的職業(yè)化轉型迫在眉睫 ……………………… 16
1.4.3　提升土地產出率、勞動生產率、資源利用率亟須實現(xiàn)“機器換人”…………………… 17
第 2章　無人農場概述 19
2.1 　無人農場的定義 …………………………………………… 19
2.2 　無人農場的整體架構 ……………………………………… 19
2.3 　無人農場的關鍵技術 ……………………………………… 21
2.3.1　物聯(lián)網技術 ………………………………………… 22
2.3.2　大數據技術 ………………………………………… 22
2.3.3　人工智能技術 ……………………………………… 23
2.3.4　智能裝備與機器人技術 …………………………… 23
2.4 　無人農場的系統(tǒng)組成 ……………………………………… 24
2.4.1　基礎設施系統(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 　無人農場典型應用 ………………………………………… 26
2.5.1　無人大田農場 ……………………………………… 27
2.5.2　無人果園農場 ……………………………………… 27
2.5.3　無人溫室農場 ……………………………………… 27
2.5.4　無人牧場 …………………………………………… 27
2.5.5　無人漁場 …………………………………………… 28
第 3章　無人農場演進 29
3.1 　農場的歷史變遷 …………………………………………… 29
3.1.1　農場 1.0—傳統(tǒng)農場 ……………………………… 29
3.1.2　農場 2.0—機械化農場 …………………………… 30
3.1.3　農場 3.0—自動化農場 …………………………… 33
3.1.4　農場 4.0—無人農場 ……………………………… 36
3.2 　無人農場的進階形態(tài) ……………………………………… 40
3.2.1　遠程控制無人農場 ………………………………… 40
3.2.2　無人值守無人農場 ………………………………… 40
3.2.3　自主作業(yè)無人農場 ………………………………… 41
3.3 　無人農場的演進動力 ……………………………………… 41
3.3.1　農業(yè)工業(yè)化推動 …………………………………… 42
3.3.2　市場需求拉動 ……………………………………… 43
3.3.3　技術變革帶動 ……………………………………… 44
3.3.4　農業(yè)政策助推 ……………………………………… 46
3.4 　無人農場的演進路徑 ……………………………………… 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　技術篇
第 4章　物聯(lián)網與無人農場 50
4.1 　概述 ………………………………………………………… 50
4.1.1　無人農場對裝備互聯(lián)的需求 ……………………… 50
4.1.2　物聯(lián)網的定義 ……………………………………… 52
4.2 　傳感技術與無人農場 ……………………………………… 53
4.2.1　環(huán)境傳感器 ………………………………………… 53
4.2.2　農業(yè)動植物生理信息傳感器 ……………………… 57
4.2.3　農機狀態(tài)檢測傳感器 ……………………………… 60
4.3 　機器視覺技術與無人農場 ………………………………… 62
4.3.1　農業(yè)視覺信息處理系統(tǒng)框架 ……………………… 63
4.3.2　農業(yè)視覺信息增強與分割 ………………………… 64
4.3.3　農業(yè)視覺信息特征提取與目標識別 ……………… 67
4.3.4　機器視覺在無人農場中的典型應用 ……………… 70
4.4 　遙感技術與無人農場 ……………………………………… 71
4.4.1　遙感技術概述 ……………………………………… 71
4.4.2　農作物長勢遙感監(jiān)測 ……………………………… 72
4.4.3　農作物病蟲害監(jiān)測 ………………………………… 73
4.4.4　農作物干旱和凍害遙感監(jiān)測 ……………………… 74
4.5 　農業(yè)信息傳輸技術與無人農場 …………………………… 75
4.5.1　農業(yè)信息有線傳輸技術 …………………………… 75
4.5.2　農業(yè)信息無線傳輸技術 …………………………… 77
4.6 　面臨的問題與發(fā)展方向 …………………………………… 82
第 5章　大數據與無人農場 84
5.1 　概述 ………………………………………………………… 84
5.1.1　無人農場的大數據需求 …………………………… 84
5.1.2　大數據關鍵技術 …………………………………… 86
5.2 　大數據獲取技術與無人農場 ……………………………… 87
5.2.1　基本定義 …………………………………………… 87
5.2.2　關鍵技術與原理 …………………………………… 88
5.3 　大數據處理技術與無人農場 ……………………………… 91
5.3.1　基本定義 …………………………………………… 91
5.3.2　關鍵技術與原理 …………………………………… 91
5.4 　大數據存儲技術與無人農場 ……………………………… 96
5.4.1　基本定義 …………………………………………… 96
5.4.2　關鍵技術與原理 …………………………………… 97
5.5 　大數據分析技術與無人農場 ……………………………… 98
5.5.1　基本定義 …………………………………………… 98
5.5.2　關鍵技術與原理 …………………………………… 99
5.6 　無人農場與大數據結合的發(fā)展方向 …………………… 101
第 6章　人工智能與無人農場 102
6.1 　概述 ……………………………………………………… 102
6.1.1　無人農場對人工智能的需求 …………………… 102
6.1.2　人工智能的定義 ………………………………… 104
6.1.3　無人農場中的人工智能技術 …………………… 104
6.2 　智能識別技術與無人農場 ……………………………… 106
6.2.1　基本定義 ………………………………………… 106
6.2.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 106
6.3 　智能學習技術與無人農場 ……………………………… 108
6.3.1　基本定義 ………………………………………… 109
6.3.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 109
6.4 　智能推理技術與無人農場 ……………………………… 112
6.4.1　基本定義 ………………………………………… 113
6.4.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 113
6.5 　智能決策技術與無人農場 ……………………………… 117
6.5.1　基本定義 ………………………………………… 117
6.5.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 118
第 7章　智能裝備與無人農場 122
7.1 　概述 ……………………………………………………… 122
7.1.1　無人農場對智能裝備的需求 …………………… 122
7.1.2　農業(yè)智能裝備的定義與分類 …………………… 124
7.2 　農業(yè)裝備狀態(tài)數字化監(jiān)測 ……………………………… 127
7.2.1　基本定義 ………………………………………… 128
7.2.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 128
7.3 　農業(yè)裝備智能動力驅動 ………………………………… 131
7.3.1　基本定義 ………………………………………… 131
7.3.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 131
7.4 　農業(yè)裝備自動導航與控制 ……………………………… 132
7.4.1　基本定義 ………………………………………… 132
7.4.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 133
7.5 　農業(yè)裝備智能感知與作業(yè) ……………………………… 135
7.5.1　基本定義 ………………………………………… 135
7.5.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 136
7.6 　無人農場智能裝備的典型應用 ………………………… 138
7.6.1　農業(yè)無人作業(yè)車 ………………………………… 138
7.6.2　農業(yè)無人作業(yè)船 ………………………………… 139
7.6.3　農業(yè)無人機 ……………………………………… 141
第 8章　機器人與無人農場 145
8.1 　概述 ……………………………………………………… 145
8.1.1　無人農場對機器人的需求 ……………………… 145
8.1.2　農業(yè)機器人的定義 ……………………………… 147
8.1.3　農業(yè)機器人在無人農場中的應用 ……………… 147
8.2 　目標識別技術與無人農場 ……………………………… 148
8.2.1　基本定義 ………………………………………… 149
8.2.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 149
8.3 　路徑規(guī)劃技術與無人農場 ……………………………… 154
8.3.1　基本定義 ………………………………………… 154
8.3.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 155
8.4 　定位導航技術與無人農場 ……………………………… 157
8.4.1　基本定義 ………………………………………… 157
8.4.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 158
8.5 　作業(yè)控制技術與無人農場 ……………………………… 160
8.5.1　基本定義 ………………………………………… 160
8.5.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 161
第 9章　管控云平臺與無人農場 164
9.1 　概述 ……………………………………………………… 164
9.1.1　無人農場需要云計算 …………………………… 164
9.1.2　云計算的定義 …………………………………… 166
9.2 　云儲存與無人農場 ……………………………………… 166
9.2.1　無人農場的云存儲 ……………………………… 166
9.2.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 167
9.3 　云計算和無人農場 ……………………………………… 178
9.3.1　無人農場的云計算 ……………………………… 178
9.3.2　關鍵技術與原理 ………………………………… 179
9.4 　管控云平臺及其部署 …………………………………… 183
9.4.1　無人農場的管控云平臺 ………………………… 183
9.4.2　管控云平臺的部署 ……………………………… 184
第 10章　無人農場系統(tǒng)集成 189
10.1 　概述 …………………………………………………… 189
10.2 　無人農場系統(tǒng)集成原則與步驟 ……………………… 191
10.2.1　無人農場系統(tǒng)集成原則 ………………………… 191
10.2.2　無人農場系統(tǒng)集成步驟 ………………………… 192
10.3 　無人農場系統(tǒng)集成方法 ……………………………… 195
10.3.1　基礎設施系統(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　無人大田農場 204
11.1 　概述 …………………………………………………… 204
11.1.1　無人大田的農場定義 …………………………… 204
11.1.2　無人大田農場的組成和功能 …………………… 205
11.1.3　無人大田農場的類型 …………………………… 207
11.2 　無人大田農場的業(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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　無人果園農場 222
12.1 　概述 …………………………………………………… 222
12.1.1　無人果園農場的定義 …………………………… 222
12.1.2　無人果園農場的組成與特點 …………………… 223
12.2 　無人果園農場作業(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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　無人溫室農場 233
13.1 　概述 …………………………………………………… 233
13.1.1　無人溫室農場的定義 …………………………… 233
13.1.2　無人溫室農場的組成與功能 …………………… 235
13.1.3　無人溫室農場的類型 …………………………… 236
13.2 　無人溫室農場的業(yè)務系統(tǒng) …………………………… 236
13.2.1　育苗系統(tǒng) ………………………………………… 236
13.2.2　溫室環(huán)境調控系統(tǒng) ……………………………… 238
13.2.3　農作物生長監(jiān)測系統(tǒng) …………………………… 240
13.2.4　水肥自動調控系統(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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　基礎設施系統(tǒng)建設 ……………………………… 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　無人農場發(fā)展戰(zhàn)略 332
18.1 　戰(zhàn)略目標 ……………………………………………… 332
18.1.1　無人農場技術取得重大突破 …………………… 332
18.1.2　無人農場發(fā)展機制不斷健全 …………………… 332
18.1.3　無人農場發(fā)展政策持續(xù)完善 …………………… 332
18.2 　戰(zhàn)略行動 ……………………………………………… 333
18.2.1　加強無人農場關鍵共性技術攻關 ……………… 333
18.2.2　加強物聯(lián)網技術集成應用與示范 ……………… 333
18.2.3　加快人工智能與農業(yè)機器人研發(fā) ……………… 333
18.2.4　加強農業(yè)大數據建設力度 ……………………… 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)代農業(yè)示范區(qū) …………………………… 335
18.4 　戰(zhàn)略政策 ……………………………………………… 335
18.4.1　編制無人農場發(fā)展規(guī)劃 ………………………… 335
18.4.2　強化科技人才支撐 ……………………………… 336
18.4.3　加強技術標準建設 ……………………………… 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等新技術得到廣泛應用 …………………… 337
18.5.2　農業(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