目前，日本已成為全球農(nóng)業(yè)人口老齡化最為嚴(yán)重的地區(qū)。由于從農(nóng)人力減少和農(nóng)業(yè)就業(yè)人口高齡化趨勢(shì)的發(fā)展，日本農(nóng)業(yè)面臨著勞動(dòng)力不足的挑戰(zhàn)，也使得平均經(jīng)營(yíng)的耕地面積持續(xù)擴(kuò)大，需要通過(guò)技術(shù)革新突破每人作業(yè)面積的局限。其中無(wú)人化、智能化也成了助推日本農(nóng)業(yè)種植效率的手段之一。
率先實(shí)現(xiàn)機(jī)械化普及
日本農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期面臨兩大問(wèn)題：人手短缺、高齡化，因此如何導(dǎo)入自動(dòng)化，提高作業(yè)效率一直是生產(chǎn)現(xiàn)況重要須解決的問(wèn)題之一。日本政府長(zhǎng)期推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)，期望作為解決上述問(wèn)題的重要途徑。近些年日本智慧農(nóng)業(yè)的推動(dòng)著重于農(nóng)機(jī)具、機(jī)器人、農(nóng)業(yè)用助力服、無(wú)人機(jī)、信息通訊技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)協(xié)助農(nóng)業(yè)智慧化的發(fā)展。
近日，日本官方公開九大智慧農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用案例，其中包括：
【稻作?旱作】結(jié)合遙測(cè)衛(wèi)星影像與插秧機(jī)的“自動(dòng)調(diào)整施肥系統(tǒng)”
【稻作?旱作】自動(dòng)作業(yè)的無(wú)人曳引機(jī)
【稻作?旱作】搭載AI的無(wú)人機(jī)用于農(nóng)藥噴灑和施肥
【露地蔬菜】應(yīng)用無(wú)人機(jī)航拍進(jìn)行影像解析，遠(yuǎn)端了解作物生長(zhǎng)狀況
【露地蔬菜】使用全自動(dòng)卷心菜采收機(jī)，大幅節(jié)省勞動(dòng)力
【溫室】應(yīng)用AI學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)專業(yè)技術(shù)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)品質(zhì)
【溫室】應(yīng)用AI預(yù)測(cè)收獲量及采收時(shí)機(jī)，對(duì)人員進(jìn)行最佳化配置
【溫室】應(yīng)用AI預(yù)測(cè)蔬菜病蟲害，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量
【溫室】適用于中小型溫室的低成本環(huán)境控制裝置
其中，【稻作?旱作】擴(kuò)大作業(yè)規(guī)模的無(wú)人曳引機(jī)案例，即洋馬（YANMAR）農(nóng)機(jī)和北海道大學(xué)共同開發(fā)無(wú)人曳引機(jī)，可通過(guò)無(wú)人操作的耕種整地和人工操作的施肥播種的協(xié)同作業(yè)模式，該項(xiàng)技術(shù)能夠擴(kuò)大個(gè)人工作面積，促進(jìn)大規(guī)模農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)的效率，最重要的是僅僅使用平板電腦就能輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。
早在上世紀(jì)50年代，日本政府就將農(nóng)業(yè)機(jī)械化寫入政策，在一些列政策和措施推動(dòng)下，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量逐年上升，增長(zhǎng)歷程一直持續(xù)到90年代；90年代后，由于日本老齡化問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，過(guò)去粗放式的農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸被精密化、多元化的機(jī)械所取代，比如過(guò)去農(nóng)業(yè)機(jī)械只局限于糧食耕作領(lǐng)域，此后蔬菜種植也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。嫁接有機(jī)器人、播種有自動(dòng)移植機(jī)；此外還有靜電除蟲機(jī)，各類蔬菜收獲采摘的機(jī)器等。從90年代到本世紀(jì)初期，日本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從糧食到蔬菜領(lǐng)域，基本上實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化。
21世紀(jì)以來(lái)，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)就一直在朝著無(wú)人化的方向發(fā)展。
日本三大農(nóng)機(jī)公司久保田、洋馬和井關(guān)農(nóng)機(jī)也在2018年開始發(fā)售無(wú)人農(nóng)機(jī)，也因此在日本，2018年被稱為“日本無(wú)人農(nóng)機(jī)元年”。作為日本乃至全球的農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化領(lǐng)域的重要角色，這三家代表企業(yè)在推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中也起到了關(guān)鍵作用。
久保田株式會(huì)社（Kubota Corporation）
久保田，全名久保田株式會(huì)社（Kubota Corporation），成立于1890年，是日本最大的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商之一，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型建筑機(jī)械、小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、鑄鐵管等領(lǐng)域處于世界前列。2017年，久保田與東京光學(xué)機(jī)械和堪薩斯州大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了第一款無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)“M7”系列。
隨后在2018年前后相繼推出了NW8SA型自動(dòng)駕駛高速插秧機(jī)和WRH1200A型自動(dòng)駕駛履帶收割機(jī)。這兩款農(nóng)機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人自動(dòng)駕駛，可以自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)路徑、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)作業(yè)等一系列智能化、自動(dòng)化的農(nóng)田作業(yè)。后依靠全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有人監(jiān)控下的可以無(wú)人自動(dòng)駕駛作業(yè)的拖拉機(jī)和操作人員搭乘并可以自動(dòng)駕駛作業(yè)的聯(lián)合收割機(jī)，以及在直行時(shí)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛的插秧機(jī)等的產(chǎn)品化。
現(xiàn)如今，久保田追求的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將先進(jìn)技術(shù)與信息通信技術(shù)（ICT）融合為一體，用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的“可視化”，支持不依賴于經(jīng)驗(yàn)和直覺的高效農(nóng)業(yè)方式。
洋馬株式會(huì)社（Yanmar Co., Ltd.）
日本洋馬株式會(huì)社成立于1912年，1933年研制了世界上第一臺(tái)商用小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了此類發(fā)動(dòng)機(jī)的商品化。洋馬一直不斷地致力于開發(fā)世界上最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)尖端技術(shù)，持有數(shù)量眾多的專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
早在2013年，洋馬發(fā)布了概念拖拉機(jī)YT0，這標(biāo)志著洋馬開始對(duì)外展示其在無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)方向；2015年5月，洋馬YT系列拖拉機(jī)量產(chǎn)上市，這款拖拉機(jī)配備了無(wú)人駕駛追蹤系統(tǒng)，只需一人即可高效完成多人的工作。2018年10月，洋馬無(wú)人駕駛拖拉機(jī)正式上市，分為自動(dòng)駕駛和無(wú)人駕駛兩種。洋馬的無(wú)人駕駛技術(shù)也被用于其自家稻米播種機(jī)上。
今年2月，洋馬推出零排放農(nóng)業(yè)無(wú)人駕駛概念樣機(jī)e-X1，e-X1可以前后安裝旋耕機(jī)和割草機(jī)等多種機(jī)具，實(shí)現(xiàn)除草、除雪和耕作等任務(wù)。采用履帶底盤，可確保在斜坡和不平的地形上穩(wěn)定運(yùn)行。該機(jī)器采用遠(yuǎn)程控制，保證了操作員在農(nóng)業(yè)作業(yè)中的安全，后續(xù)考慮加入自動(dòng)駕駛功能。
井關(guān)農(nóng)機(jī)（Iseki & Co., Ltd.）
井關(guān)農(nóng)機(jī)是日本的一家主要農(nóng)機(jī)企業(yè)，也參與了無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的研發(fā)和推廣。早在2017年就推出輔助直線插秧機(jī)“NP80Z”，通過(guò)GPS定位，為田間種植作業(yè)的高精度化、省力化做出貢獻(xiàn)。
為解決日本農(nóng)業(yè)日益嚴(yán)重的人手不足和提高工作效率，2018年12月，井關(guān)農(nóng)機(jī)宣布發(fā)售了該公司首款機(jī)器人拖拉機(jī)，這款農(nóng)機(jī)頂部裝有GPS裝置，能實(shí)現(xiàn)高精度作業(yè)，機(jī)身裝有超聲波傳感器等，可感知障礙物并自動(dòng)停止。此后2年，井關(guān)農(nóng)機(jī)多款機(jī)器人拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)了商品化。
目前，井關(guān)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品主要有拖拉機(jī)、插秧機(jī)、收割機(jī)、微耕機(jī)、田園管理機(jī)、蔬菜移栽機(jī)和烘干機(jī)（碾米機(jī)、稱重機(jī)、冷庫(kù)）；其中拖拉機(jī)和插秧機(jī)產(chǎn)品，井關(guān)均推出了輔助駕駛機(jī)型和無(wú)人駕駛（有人監(jiān)控）機(jī)型。如無(wú)人駕駛拖拉機(jī)TJV系列分為2個(gè)子系列：M1和R3，其中M1為人在車上監(jiān)控，R3為人在田邊監(jiān)控。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、作業(yè)控制和信息管理，洋馬研究并開發(fā)了遠(yuǎn)程用戶終端。同時(shí)，為進(jìn)一步提高直播機(jī)信息的共享性與安全性，洋馬還初步開發(fā)了基于多機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的云管理平臺(tái)。
從無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的研發(fā)到智能化水稻直播機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，再到自主路徑規(guī)劃算法和遠(yuǎn)程用戶終端與云管理平臺(tái)的開發(fā)，洋馬不斷推動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
2011年，日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社和東風(fēng)汽車集團(tuán)公司合資組建“東風(fēng)井關(guān)”，東風(fēng)井關(guān)已經(jīng)成功推出了多款無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，包括無(wú)人駕駛智能拖拉機(jī)、無(wú)人插秧機(jī)、無(wú)人收割機(jī)等，實(shí)現(xiàn)了耕、種、管、收全程智能化。
無(wú)人化農(nóng)機(jī)推進(jìn)遇阻
日本政府將無(wú)人農(nóng)機(jī)自動(dòng)化定為0到3個(gè)級(jí)別，目前的產(chǎn)品屬于需要人工監(jiān)控作業(yè)的2級(jí)水平。日本政府此前計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)有人的無(wú)人駕駛。
久保田三級(jí)自動(dòng)化和無(wú)人化路線圖
但截至目前，日本農(nóng)機(jī)企業(yè)們，如久保田實(shí)現(xiàn)的是第二級(jí)自動(dòng)化產(chǎn)品——“在人工監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無(wú)人操作”，并將第三級(jí)無(wú)人化目標(biāo)“遠(yuǎn)程監(jiān)控下的無(wú)人農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用”定在2026年。其在2024年推出了全球首臺(tái)智能聯(lián)合收割機(jī)，實(shí)現(xiàn)水稻和小麥的無(wú)人自動(dòng)收割，進(jìn)一步在完善了其全系列無(wú)人操作農(nóng)業(yè)機(jī)械。
為了推進(jìn)當(dāng)前階段自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)設(shè)備的普及，目前日本企業(yè)和政府也采取了相當(dāng)多的措施：
（1）設(shè)置RTK基站提高定位精度
一般情況下，農(nóng)機(jī)的定位信息使用全球定位系統(tǒng)(GPS)，通過(guò)天線接收來(lái)自人造衛(wèi)星的信號(hào)。據(jù)悉，目前的誤差在10厘米左右，不適合進(jìn)行精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)作業(yè)。為了讓自動(dòng)駕駛的農(nóng)機(jī)獲得更準(zhǔn)確的定位信息，日本久保田將推進(jìn)“RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）基站”的建設(shè)。利用來(lái)自RTK基站的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，將誤差控制在3厘米左右。
通過(guò)基站接收位置信息的校正數(shù)據(jù)，將誤差縮小至約3厘米。這將實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作，如拖拉機(jī)等設(shè)備的精確移動(dòng)，從而增加收成并減少人力投入。
在田間作業(yè)等情況下使用自動(dòng)駕駛的農(nóng)機(jī)時(shí)，如果作業(yè)位置偏離10厘米左右，就會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)量減少。例如，利用拖拉機(jī)開壟播種蔬菜時(shí)，本應(yīng)種植5行的區(qū)域可能因?yàn)槠疃荒芊N植4行，從而導(dǎo)致農(nóng)地的收成減少約20%。
預(yù)計(jì)將在2024年內(nèi)在日本全國(guó)完成約90座基站的設(shè)置，預(yù)計(jì)基本覆蓋日本的主要農(nóng)田。這一舉措大幅提升自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的定位精度，確保精準(zhǔn)的農(nóng)作作業(yè)。
（2）差異化研發(fā)
如久保田，早在技術(shù)創(chuàng)新上就研發(fā)出了包括單輪控制技術(shù)及農(nóng)機(jī)群組控制技術(shù)。傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)即使采用四輪驅(qū)動(dòng)，也需要將動(dòng)力分別傳輸?shù)角拜喓秃筝?，靈活性有所欠缺。而久保田在今年CES展示的最新款農(nóng)機(jī)則為四個(gè)輪子分別配備了獨(dú)立電機(jī)，在凹凸不平的地形中也能如履平地。并且通過(guò)群組控制，小型農(nóng)機(jī)也可以在大片農(nóng)田上協(xié)同作業(yè)。
此外相對(duì)于其他家產(chǎn)品用于大片麥田的數(shù)百馬力大型農(nóng)機(jī)的自主作業(yè)，久保田則專注于100馬力以下的小型農(nóng)機(jī)市場(chǎng)。這種適用于日本水稻種植的小型農(nóng)機(jī)不僅在田地面積通常較小的亞洲更受青睞，而且還可以在歐美國(guó)家地形復(fù)雜的果園中應(yīng)用。
（3）以租代售降低使用成本
自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)通過(guò)GPS和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度作業(yè)和障礙物探測(cè)，提高了作業(yè)效率和安全性，但你由此帶來(lái)的高昂成本卻成為了無(wú)人農(nóng)機(jī)普及的主要障礙。
為此，日本政府和企業(yè)正在探索降低成本的方法，包括提供租賃服務(wù)和期待技術(shù)普及帶來(lái)的成本下降。展望未來(lái)，日本計(jì)劃進(jìn)一步提升無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化級(jí)別，并繼續(xù)在全球智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。
寫在最后
回顧日本農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展脈絡(luò)看，自動(dòng)化的機(jī)械理念貫穿始終，如今無(wú)人化和智能化已成標(biāo)配，更有利于老齡化時(shí)代的農(nóng)耕作業(yè)。而且，日本農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械多年來(lái)的發(fā)展，對(duì)我國(guó)也有很大的借鑒意義。我國(guó)雖然地域廣大，但同樣是山區(qū)面積多平原面積小，而且耕地分布極其不均衡。正因?yàn)槿绱?，雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但時(shí)至今日還不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。
當(dāng)前，我國(guó)無(wú)人農(nóng)機(jī)主要是在中大型農(nóng)場(chǎng)、示范區(qū)使用。伴隨農(nóng)村勞動(dòng)力城鎮(zhèn)化，合作社、合作農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，呈現(xiàn)社會(huì)化服務(wù)趨勢(shì)，從而帶動(dòng)無(wú)人農(nóng)機(jī)規(guī)模商用。
總體來(lái)看，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植機(jī)械無(wú)人化、智能化程度還亟待提高，無(wú)人農(nóng)機(jī)發(fā)展還有很大的提升空間，市場(chǎng)前景廣闊。
