无人农场 未来农业的新模式

本书是第1本系统论述无人农场的技术图书，分为理论篇、技术篇和应用篇。
1）理论篇——从概念、技术体系、系统组成、系统演化等方面全面析了无人农场的基础理论。
2）技术篇——分析了物联网、大数据、人工智能、智能装备、机器人、云计算等信息技术在无人农场中的作用及其如何实现“机器换人”的技术原理。
3）应用篇——以无人大田农场、无人果园农场、无人温室农场、无人猪场、无人牛场、无人鸡场、无人渔场这七种主要的无人农场类型为案例，全面分析了无人农场的应用场景和工程实施路径。

本书从我国农业劳动力老龄化、农产品劳动力成本增加，以及信息技术快速发展的基本国情入手，论述了我国无人农场发展的基本趋势与需求；从无人农场的概念、技术体系、系统组成、系统演化等方面，系统地构建了无人农场的基础理论框架；重点分析了物联网、大数据、人工智能、智能装备、机器人和云计算等信息技术在无人农场中的基本作用和技术原理；以无人大田农场、无人果园农场、无人温室农场、无人猪场、无人牛场、无人鸡场、无人渔场这七种主要的无人农场类型为案例，全面分析了无人农场的应用场景和工程实施路径。本书内容全面系统，具有先进性和实用性，有较高的参考价值。

李道亮 , 中国农业大学信息与电气工程学院教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授。研究方向为农业智能信息处理与农业农村信息化。现任国际信息处理联合会农业信息处理分会主席，Information Processing in Agriculture主编，国家数字渔业创新中心主任，农业部农业农村信息化专家咨询委员会副主任委员，中国渔业物联网与大数据产业技术创新联盟执行理事长。入选国家万人计划、科技部中青年科技领军人才、农业部杰出科研人才、教育部新世纪人才，是全国创新争先奖、中国青年科技奖、全国科技工作者获得者。以diyi完成人获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项，授权国家发明专利30项；出版专著7部，以diyi作者或通讯作者发表SCI 论文122篇、EI论文179篇；制定国家标准4项、行业和地方标准7项。研究成果水产集约化养殖精准测控技术入选2019中国智能制造十大科技进展。

前言
第 1篇　理论篇
第 1章　无人农场缘起 2
1.1 　农业劳动力老龄化 ………………………………………… 2
1.1.1　发达国家农业劳动力人口老龄化趋势 …………… 2
1.1.2　我国农业劳动力的现状 …………………………… 4
1.1.3　如何应对老龄化 …………………………………… 7
1.2 　“机器换人”大势所趋 …………………………………… 8
1.2.1　“机器换人”的必要性 ……………………………… 8
1.2.2　“机器换人”的环境条件分析 ……………………… 10
1.2.3　“机器换人”存在的问题及原因 …………………… 12
1.3 　信息技术进步促使“机器换人”成为可能 ……………… 13
1.3.1　物联网实现农业装备互联 ………………………… 13
1.3.2　大数据使农业实现精准 …………………………… 13
1.3.3　机器人与人工智能的应用 ………………………… 14
1.4 　我国发展无人农场的迫切性 ……………………………… 16
1.4.1　未来 30年农业劳动力将越来越短缺 ……………… 16
1.4.2　农民的职业化转型迫在眉睫 ……………………… 16
1.4.3　提升土地产出率、劳动生产率、资源利用率亟须实现“机器换人”…………………… 17
第 2章　无人农场概述 19
2.1 　无人农场的定义 …………………………………………… 19
2.2 　无人农场的整体架构 ……………………………………… 19
2.3 　无人农场的关键技术 ……………………………………… 21
2.3.1　物联网技术 ………………………………………… 22
2.3.2　大数据技术 ………………………………………… 22
2.3.3　人工智能技术 ……………………………………… 23
2.3.4　智能装备与机器人技术 …………………………… 23
2.4 　无人农场的系统组成 ……………………………………… 24
2.4.1　基础设施系统 ……………………………………… 24
2.4.2　作业装备系统 ……………………………………… 25
2.4.3　测控装备系统 ……………………………………… 25
2.4.4　管控云平台系统 …………………………………… 25
2.5 　无人农场典型应用 ………………………………………… 26
2.5.1　无人大田农场 ……………………………………… 27
2.5.2　无人果园农场 ……………………………………… 27
2.5.3　无人温室农场 ……………………………………… 27
2.5.4　无人牧场 …………………………………………… 27
2.5.5　无人渔场 …………………………………………… 28
第 3章　无人农场演进 29
3.1 　农场的历史变迁 …………………………………………… 29
3.1.1　农场 1.0—传统农场 ……………………………… 29
3.1.2　农场 2.0—机械化农场 …………………………… 30
3.1.3　农场 3.0—自动化农场 …………………………… 33
3.1.4　农场 4.0—无人农场 ……………………………… 36
3.2 　无人农场的进阶形态 ……………………………………… 40
3.2.1　远程控制无人农场 ………………………………… 40
3.2.2　无人值守无人农场 ………………………………… 40
3.2.3　自主作业无人农场 ………………………………… 41
3.3 　无人农场的演进动力 ……………………………………… 41
3.3.1　农业工业化推动 …………………………………… 42
3.3.2　市场需求拉动 ……………………………………… 43
3.3.3　技术变革带动 ……………………………………… 44
3.3.4　农业政策助推 ……………………………………… 46
3.4 　无人农场的演进路径 ……………………………………… 47
3.4.1　从人力操控到远程控制 …………………………… 47
3.4.2　从远程控制到无人值守 …………………………… 48
3.4.3　从无人值守到自主作业 …………………………… 48
第 2篇　技术篇
第 4章　物联网与无人农场 50
4.1 　概述 ………………………………………………………… 50
4.1.1　无人农场对装备互联的需求 ……………………… 50
4.1.2　物联网的定义 ……………………………………… 52
4.2 　传感技术与无人农场 ……………………………………… 53
4.2.1　环境传感器 ………………………………………… 53
4.2.2　农业动植物生理信息传感器 ……………………… 57
4.2.3　农机状态检测传感器 ……………………………… 60
4.3 　机器视觉技术与无人农场 ………………………………… 62
4.3.1　农业视觉信息处理系统框架 ……………………… 63
4.3.2　农业视觉信息增强与分割 ………………………… 64
4.3.3　农业视觉信息特征提取与目标识别 ……………… 67
4.3.4　机器视觉在无人农场中的典型应用 ……………… 70
4.4 　遥感技术与无人农场 ……………………………………… 71
4.4.1　遥感技术概述 ……………………………………… 71
4.4.2　农作物长势遥感监测 ……………………………… 72
4.4.3　农作物病虫害监测 ………………………………… 73
4.4.4　农作物干旱和冻害遥感监

随着互联网、物联网、大数据、人工智能、云计算、5G、区块链等新一代信息技术的快速发展，及其与传统产业的深度融合，数字经济成为当今世界经济发展的主要驱动力。农业作为最传统的产业，也不可避免地受到新一代信息科技的洗礼。农场作为农业生产的最基本单元，在完成机械化、电气化、自动化后，随着新一代信息技术的成熟，加之农业劳动力的老龄化和新生劳动力的缺乏，一种崭新的农场正在孕育中，这就是无人农场。 2017年，英国哈珀亚当斯大学创建了全球第一家无人农场；同年，日本的无人蔬菜工厂和挪威的深海半潜式无人渔场也相继投入使用。 2019年，我国山东、福建、北京等地也开始了对无人大田农场、无人猪场的探索。无人农场——未来农业的新模式已经开启。
从 2010年开始，我通过充分利用我所主持的 3个欧盟第七框架项目和德国科学基金、国家留学基金、牛顿基金等项目的资助，有幸对德国、比利时、荷兰、挪威、丹麦、英国的猪场、牛场、渔场、鸡场，蔬菜、花卉温室农场，大麦、玉米、甜菜、菜花、土豆等大田种植农场进行了系统深入的现场参观考察，从欧洲典型的农业生产模式、经营模式和发展历程等方面与农场主进行了深入访谈。总的结论就是欧洲农业已经经历了传统农业、机械化农业和自动化农业，现在基本已经实现现代化，其中，农业规模化和集约化是前提，设施化和装备化是支撑，在线化和数据化是特征，市场化和信用化是本质，产供销一体化和标准化是保障。信息化和智能化是目前欧洲农业发展的引擎，通过信息化和智能化使农业更加精准，更加高效，更加安全。这些考察活动和系统的分析与思考，对我从全球的视野、前瞻的视角系统地分析农业发展历程起到了根本的支撑作用，也形成了我对农业 4.0的基本特征、发展阶段、演变条件和支撑体系的基本判断。
通过对欧洲和国内农业的调研可以看出，世界各国农业的发展基本遵循了从以体力和畜力劳动为主的农业 1.0，到以农业机械为主要生产工具的农业 2.0，再到以农业生产全程自动化装备支撑下的 3.0，最后达到以无人化为主要特征，以物联网、大数据、云计算和人工智能为主要支撑技术的全要素、全链条、全产业、全区域的智能农业，即农业 4.0。《农业 4.0——即将到来的智能农业时代》就以这样的背景出版了。该书重点阐述了从农业 1.0到农业 4.0的基本特征、发展阶段、演变条件和主要场景，特别进行了不同农业阶段的特征比较，指出了无人化是农业 4.0的基本特征。但该书没有对无人农场进行系统、深入、全面的分析，从这个意义上讲，《农业 4.0——即将到来的智能农业时代》是本书的导引。
2018年初出版的《农业 4.0——即将到来的智能农业时代》中，判断了我国农业 3.0实现（智能农业 70%全国实现）大概要到 2050年，农业 4.0的实现要在 2070年左右。因为农业 4.0实现的时间还很久远，其技术、模式、组织、业态等都会有很大变化和不确定性，无人农场就没有着手进行系统深入的分析。 2020年初，一场突如其来的新冠肺炎疫情，改变了我这一认知。工厂可以停工，学校可以停学，但农场不能停产 ,非洲猪瘟和新冠肺炎疫情对设施化养殖无人化需求非常迫切。无人农场是农场发展的最先进状态，即使现在达不到理想状态，但其相关研究和实践可以减少农场的劳动力投入，加速其数字化、网联化、智能化的发展，促进无人农场不断完善，还可以激发同行的热情，并给其以启发。加上几个月的时间在家的宅守，是一个静下心来，整理总结的绝好时机。这些让我下决心系统整理无人农场的主要理论框架、技术体系、主要系统、主要模式、发展路径。理论体系框架是写书的精髓，我根据农业 4.0的基础，前期对欧洲、美国等发达国家农场的调研，加上系统论、信息论和控制论等理论基础和我们团队多年农业智能化的实践，率先形成了本书的第 2章。2020年 2月 4日，我吹响了本书写作的冲锋号，力争在疫情结束时完成战斗（当时预判 5月 1日学生返校）。于是，我发动我所有的博士、硕士研究生查阅资料，边读边看边想，边整理，边讨论。开始每两天一次全体讨论，为按时完成计划，晚上我经常整理书稿到凌晨 1：30，提交意见后才休息，这样，同学们就可以早上起来根据我的新指令开展新工作和任务。后来，随着写作任务的深入，改为 3天一次全体讨论，再后来穿插交互查检问题，穿插修改。最后，请了几位业内专家提修改建议，并对书稿进行了系统整理。直至 5月 15日将书稿提交出版社，历时 100天，打了一场“集团军歼灭战”。
本书共分三篇。第 1篇是理论篇，由第 1~3章组成，重点从概念、技术体系、系统组成、系统演化等方面系统分析了无人农场的基础理论。首先论述了随着我国工业化与城镇化的推进，农业劳动力成本日趋增高，农业劳动力的老龄化与短缺问题逐步显现，传统农业劳动力逐渐减少。“机器换人”趋势显现，无人农场的需求日趋迫切。紧接着阐述了无人农场的概念、特征、技术架构和发展阶段，即无人农场就是采用物联网、大数据、人工智能、 5G、智能装备与机器人等新一代信息技术，通过对设施、装备、机械等远程控制、全程自动控制或机器人自主控制，完成所有农场生产作业的一种全天候、全过程