本文來自微信公眾號“北京新農優(yōu)品信息科技有限公司”，作者/新農優(yōu)品。
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政策背景
農業(yè)是國民經濟的基礎，農村經濟是現(xiàn)代化經濟體系的重要組成部分。中國的“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略是對農村脫貧攻堅工作的銜接、鞏固與深化，也是為建設現(xiàn)代化經濟體系、實現(xiàn)第二個百年奮斗目標提出的重要任務。而“數(shù)字鄉(xiāng)村”是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內容和戰(zhàn)略方向。
數(shù)字鄉(xiāng)村主要涉及三個方面：一是增強數(shù)字鄉(xiāng)村基礎設施和物流基礎設施；二是推進農村相關產業(yè)的數(shù)字化轉型，擴展數(shù)字技術在農村的應用場景；三是數(shù)據(jù)增強鄉(xiāng)村治理能力，為動態(tài)研判、實施監(jiān)管提供支撐。
2019年《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》將“數(shù)字鄉(xiāng)村”定義為“伴隨網絡化、信息化和數(shù)字化在農業(yè)農村經濟社會發(fā)展中的應用，以及農民現(xiàn)代信息技能的提高而內生的農業(yè)農村現(xiàn)代化發(fā)展和轉型進程”。為數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略的實施劃定“四步走”計劃，力圖“到本世紀中葉，全面建成數(shù)字鄉(xiāng)村，助力鄉(xiāng)村全面振興，全面實現(xiàn)農業(yè)強、農村美、農民富的戰(zhàn)略目標”。
2022年《數(shù)字鄉(xiāng)村標準體系建設指南》，劃定了從基礎與通用標準、數(shù)字基礎設施標準、農業(yè)農村數(shù)據(jù)標準、農業(yè)信息化標準、鄉(xiāng)村數(shù)字化標準、建設與管理標準、安全與保障標準等7個方面的國家標準。
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農業(yè)生產的科學技術創(chuàng)新
智能農業(yè)解決方案正在優(yōu)化生產，通過降低成本提高生產力，提供更好的市場機會，增加價值鏈的可追溯性。在農業(yè)機械上運用的先進數(shù)字信息化技術主要包括智能感知、衛(wèi)星導航定位、自動導航駕駛、數(shù)字孿生三維可視化應用、路徑規(guī)劃與復雜軌跡復用等。
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智能感知技術
智能感知技術包括機外感知和機內感知。機外感知指對農機作業(yè)環(huán)境和對象信息參數(shù)的感知，包括作物生長及病蟲草害信息感知、作業(yè)環(huán)境與障礙物信息感知等；機內感知指對農業(yè)裝備自身的工作參數(shù)及作業(yè)狀態(tài)參數(shù)的感知。農業(yè)裝備機內共性參數(shù)包括發(fā)動機信息、動力輸出信息、扭矩信息、滑轉率、姿態(tài)信息、安全隱患信息等。
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微星導航定位技術
衛(wèi)星導航定位技術是目前農業(yè)機械應用最為廣泛的技術之一。將衛(wèi)星定位信息與已有的地圖系統(tǒng)進行算法結合，便可實現(xiàn)實時導航功能。目前應用在農業(yè)機械上的衛(wèi)星導航自動駕駛系統(tǒng)，精度誤差可控制在±2.5cm以內。國內高精度差分導航與定位技術基本通過國內三大運營商信號基站來提供RTK信號，可在全國大部分區(qū)域得到有效覆蓋。據(jù)統(tǒng)計，截止2021年末，中國安裝高精度衛(wèi)星導航自動駕駛系統(tǒng)的農機已超過6萬臺，涵蓋拖拉機、收割機、插秧機、植保機等眾多機械類別。
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自動導航駕駛技術
自動導航駕駛技術可以大幅度提高農業(yè)機械的作業(yè)質量和作業(yè)效率。為實現(xiàn)這一功能，需要農業(yè)機械按照衛(wèi)星導航的路徑進行自動調整姿態(tài)自主作業(yè)。以輪式農業(yè)機械為例，當前實現(xiàn)的方法是利用姿態(tài)傳感器、角度傳感器感知車輛姿態(tài)、車輪轉向角度，然后將衛(wèi)星導航信息與農業(yè)機械當前的運用狀態(tài)參數(shù)綜合計算，通過液壓或電控方向盤控制農機行走路線，從而實現(xiàn)自動駕駛作業(yè)。中國目前已將該技術廣泛應用于旋耕機、播種機、插秧機、噴霧機和收獲機等眾多農業(yè)機械上，其中水田作業(yè)機械自動導航系統(tǒng)已居國際領先水平。特別是大型地塊區(qū)域作業(yè)過程中，由于其作業(yè)精度高、穩(wěn)定性好、誤差修正反應靈敏，可以極大地提高土地利用率，減低生產成本。研究表明，采用自動導航的農業(yè)機械作業(yè)，可提高作物產量2%-3%，減少肥料和農藥用量5%-10%，降低生產成本5%-10%。
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數(shù)字孿生技術
數(shù)字孿生技術還可以與虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網等技術結合，搭建三維可視化監(jiān)控平臺。平臺可以實現(xiàn)對農場環(huán)境、農產設備、農作物、顯示傳感器等多種數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和可視化，農場主可以通過大屏和移動端對農場設備進行遠程精準控制，對農作物實時勘察農業(yè)資源、作物墑情，對農產品線上瀏覽、交易等實現(xiàn)產品溯源。同時，平臺還可以通過GIS地理信息定位技術實現(xiàn)生產環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)的監(jiān)控，對農場業(yè)務運營和管理進行賦能，打造農產品安全產業(yè)鏈。
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路徑規(guī)劃與復雜軌跡復用技術
路徑規(guī)劃與復雜軌跡復用技術具備作業(yè)路徑自動規(guī)劃能力是農業(yè)機械實現(xiàn)自動駕駛的前提。當前一般采用“S”形、“幾”字形、“回”字形以及兩者方式組合的路徑進行作業(yè)。智能農機按照規(guī)劃的路徑進行作業(yè)后，軌跡上傳至遠程管理平臺，可以利用平臺數(shù)據(jù)進行軌跡復用。目前規(guī)則地塊的全覆蓋路徑規(guī)劃算法已經比較成熟，未來的研究方向是不規(guī)則地塊及多障礙、多約束的全覆蓋路徑規(guī)劃算法。
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精準農業(yè)
精準農業(yè)作為一種農場管理策略，通過收集有關土壤、天氣、作物產量和健康等方面的數(shù)據(jù)，將其輸入決策支持系統(tǒng)，在保護資源的同時優(yōu)化農場的投入產出。為了捕捉和處理數(shù)據(jù)，精準農業(yè)整合了包括產量監(jiān)測器、灌溉控制器、無人機、衛(wèi)星遙感和拖拉機自動導航系統(tǒng)在內的硬件，以及軟件和服務等進行操作。
根據(jù)操作的技術強度，精準農業(yè)可分為"軟性"或"硬性"兩類。硬性精準農業(yè)涉及應用復雜的技術和大數(shù)據(jù)分析技能，更適合大型農場。除了日本、中國的國有農場，以及一些種植園和生產高價值作物的大型農場之外，硬性精準農業(yè)在其他地方的實踐仍處于早期階段。
另一方面，軟性精準農業(yè)依賴于對作物和土壤的視覺觀察，以及數(shù)字土壤測試工具和葉綠素儀等低成本工具的使用。軟性精準農業(yè)的服務通常通過應用程序或短信提供，如天氣預報等。通過創(chuàng)新數(shù)字商業(yè)模式，軟性精準農業(yè)正逐漸為小農戶所接受。
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數(shù)字孿生智慧賦能
數(shù)字孿生技術在智慧農業(yè)上有著應用廣泛，它借助傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網等先進技術，將真實世界的農業(yè)環(huán)境、設備、作物等要素映射到數(shù)字世界中，實現(xiàn)對農業(yè)生產的精細化、智能化管理。
智慧環(huán)境孿生
通過傳感器實時監(jiān)測農田環(huán)境、作物生長狀況等數(shù)據(jù)，建立農田的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對農業(yè)生產的智能化管理和決策。農民可以實時監(jiān)測土壤溫濕度、光照強度、養(yǎng)分含量等關鍵參數(shù)，并對灌溉、施肥、病蟲害防治等進行精細化管理，從而提高農作物的產量和質量。
智慧水肥一體化
數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)農田的水肥一體化管理。通過傳感器實時監(jiān)測土壤的水分和養(yǎng)分狀況，數(shù)字孿生智慧系統(tǒng)可以計算出作物所需的水肥量，并自動控制灌溉和施肥設備，實現(xiàn)精準的水肥管理。
智能農機裝備
將數(shù)字孿生技術與智能農機裝備相結合，可以實現(xiàn)農機的精準導航、自動駕駛和智能控制。這不僅可以提高農機的作業(yè)效率，減少人力成本，還可以減少農機作業(yè)對農田的損害，保護生態(tài)環(huán)境。數(shù)字孿生技術還可以對農業(yè)設備進行建模和仿真，以優(yōu)化其使用和維護，包括農機的工作效率、能源消耗和故障診斷等方面。通過數(shù)字孿生技術農民可以實時監(jiān)控農業(yè)設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，從而提高設備的運行效率和減少成本。
智慧病蟲害防治
通過對農田的數(shù)字孿生模型進行分析，可以及時發(fā)現(xiàn)病蟲害的發(fā)生和擴散情況，輔助科學采取針對性的防治措施，減少病蟲害對作物生長的影響，提高農作物的抗病能力和產量。
農產品溯源與質量控制
利用數(shù)字孿生三維可視化技術可以記錄農產品的生長、加工、儲存和運輸?shù)热^程信息，實現(xiàn)農產品的溯源管理。這有助于保障農產品的質量安全，提高消費者對農產品的信任度和滿意度。
智能管廊孿生
在農業(yè)設施中，如溫室或大棚內，可以通過數(shù)字孿生技術建立智能管廊的數(shù)字模型。智能管廊的數(shù)字孿生模型能夠實時監(jiān)控管道狀態(tài)、流體流動和環(huán)境條件，確保資源的有效分配和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，有助于減少資源浪費、提高生產效率，并為農民提供更加可靠的農業(yè)設施服務。
智慧光照孿生
在溫室或大棚等農業(yè)設施中，光照是一個重要的環(huán)境因素。通過數(shù)字孿生技術，可以建立溫室光照的數(shù)字模型，實時監(jiān)測溫室內的光照強度、光照時間等參數(shù)。農民可以根據(jù)數(shù)字孿生系統(tǒng)的反饋，自動調節(jié)溫室內的光照條件，為作物提供最佳的光照環(huán)境，促進作物的生長和發(fā)育。
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智慧農業(yè)的未來展望
隨著數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、人工智能等技術的不斷發(fā)展，智慧農業(yè)的前景愈發(fā)廣闊。未來，智慧農業(yè)將不僅局限于提高生產效率和降低成本，更將深入到農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
智慧農業(yè)將進一步推動農業(yè)生產方式的轉型升級。通過數(shù)字孿生技術農民可以更加精準地管理農田，實現(xiàn)個性化、精細化的農業(yè)生產。同時，結合大數(shù)據(jù)和人工智能技術，農民可以更加準確地預測市場需求，調整種植結構，提高農產品的市場競爭力。
智慧農業(yè)將促進農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復，通過孿生模擬和優(yōu)化農田生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展，結合物聯(lián)網技術可以實時監(jiān)控農田的環(huán)境參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并解決生態(tài)問題，保護農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。
隨著數(shù)字孿生技術的不斷發(fā)展和完善，其在智慧農業(yè)領域的應用前景將更加廣闊。未來，數(shù)字孿生技術將與物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術深度融合，推動智慧農業(yè)向更高層次、更廣領域發(fā)展。同時，隨著數(shù)字孿生技術在智慧農業(yè)領域的廣泛應用，也將進一步促進農業(yè)與工業(yè)、服務業(yè)等領域的深度融合，推動農業(yè)產業(yè)轉型升級和可持續(xù)發(fā)展。
