本書從我國農業勞動力老齡化、農產品勞動力成本增加，以及信息技術快速發展的基本國情入手，論述了我國無人農場發展的基本趨勢與需求；從無人農場的概念、技術體系、系統組成、系統演化等方面，系統地構建了無人農場的基礎理論框架；重點分析了物聯網、大數據、人工智能、智能裝備、機器人和云計算等信息技術在無人農場中的基本作用和技術原理；以無人大田農場、無人果園農場、無人溫室農場、無人豬場、無人牛場、無人雞場、無人漁場這七種主要的無人農場類型為案例，全面分析了無人農場的應用場景和工程實施路徑。本書內容全面系統，具有先進性和實用性，有較高的參考價值。
前言
第 1篇 理論篇
第 1章 無人農場緣起 2
1.1 農業勞動力老齡化 ………………………………………… 2
1.1.1 發達國家農業勞動力人口老齡化趨勢 …………… 2
1.1.2 我國農業勞動力的現狀 …………………………… 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 物聯網實現農業裝備互聯 ………………………… 13
1.3.2 大數據使農業實現精準 …………………………… 13
1.3.3 機器人與人工智能的應用 ………………………… 14
1.4 我國發展無人農場的迫切性 ……………………………… 16
1.4.1 未來 30年農業勞動力將越來越短缺 ……………… 16
1.4.2 農民的職業化轉型迫在眉睫 ……………………… 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“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 無人農場的系統組成 ……………………………………… 24
2.4.1 基礎設施系統 ……………………………………… 24
2.4.2 作業裝備系統 ……………………………………… 25
2.4.3 測控裝備系統 ……………………………………… 25
2.4.4 管控云平臺系統 …………………………………… 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 ……………………………………… 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 自主作業無人農場 ………………………………… 41
3.3 無人農場的演進動力 ……………………………………… 41
3.3.1 農業工業化推動 …………………………………… 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 …………………………… 48
第 2篇 技術篇
第 4章 物聯網與無人農場 50
4.1 概述 ………………………………………………………… 50
4.1.1 無人農場對裝備互聯的需求 ……………………… 50
4.1.2 物聯網的定義 ……………………………………… 52
4.2 傳感技術與無人農場 ……………………………………… 53
4.2.1 環境傳感器 ………………………………………… 53
4.2.2 農業動植物生理信息傳感器 ……………………… 57
4.2.3 農機狀態檢測傳感器 ……………………………… 60
4.3 機器視覺技術與無人農場 ………………………………… 62
4.3.1 農業視覺信息處理系統框架 ……………………… 63
4.3.2 農業視覺信息增強與分割 ………………………… 64
4.3.3 農業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 農作物長勢遙感監測 ……………………………… 72
4.4.3 農作物病蟲害監測 ………………………………… 73
4.4.4 農作物干旱和凍害遙感監測 ……………………… 74
4.5 農業信息傳輸技術與無人農場 …………………………… 75
4.5.1 農業信息有線傳輸技術 …………………………… 75
4.5.2 農業信息無線傳輸技術 …………………………… 77
4.6 面臨的問題與發展方向 …………………………………… 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 農業智能裝備的定義與分類 …………………… 124
7.2 農業裝備狀態數字化監測 ……………………………… 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 農業裝備智能感知與作業 ……………………………… 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 農業無人作業車 ………………………………… 138
7.6.2 農業無人作業船 ………………………………… 139
7.6.3 農業無人機 ……………………………………… 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 農業機器人的定義 ……………………………… 147
8.1.3 農業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 無人農場系統集成 189
10.1 概述 …………………………………………………… 189
10.2 無人農場系統集成原則與步驟 ……………………… 191
10.2.1 無人農場系統集成原則 ………………………… 191
10.2.2 無人農場系統集成步驟 ………………………… 192
10.3 無人農場系統集成方法 ……………………………… 195
10.3.1 基礎設施系統集成 ……………………………… 195
10.3.2 作業裝備系統集成 ……………………………… 196
10.3.3 測控裝備系統集成 ……………………………… 199
10.3.4 管控云平臺系統集成 …………………………… 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 無人大田農場的業務系統 …………………………… 207
11.2.1 無人耕播系統 …………………………………… 207
11.2.2 無人水肥系統 …………………………………… 209
11.2.3 無人植保系統 …………………………………… 210
11.2.4 無人倉儲系統 …………………………………… 212
11.2.5 無人收獲系統 …………………………………… 212
11.3 無人大田農場的規劃與系統集成 …………………… 213
11.3.1 空間規劃 ………………………………………… 213
11.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 214
11.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 215
11.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 216
11.3.5 管控云平臺集成 ………………………………… 219
11.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人果園農場作業裝備 ……………………………… 223
12.2.1 日常作業系統 …………………………………… 224
12.2.2 水肥一體化系統 ………………………………… 225
12.2.3 收獲系統 ………………………………………… 226
12.2.4 果品分級系統 …………………………………… 227
12.3 無人果園農場的規劃與系統集成 …………………… 227
12.3.1 空間規劃 ………………………………………… 227
12.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 228
12.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 229
12.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 230
12.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 231
12.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人溫室農場的業務系統 …………………………… 236
13.2.1 育苗系統 ………………………………………… 236
13.2.2 溫室環境調控系統 ……………………………… 238
13.2.3 農作物生長監測系統 …………………………… 240
13.2.4 水肥自動調控系統 ……………………………… 241
13.2.5 自動采收系統 …………………………………… 242
13.2.6 自動分揀包裝系統 ……………………………… 243
13.2.7 清洗消毒系統 …………………………………… 244
13.3 無人溫室農場的規劃與系統集成 …………………… 244
13.3.1 空間規劃 ………………………………………… 244
13.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 247
13.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 249
13.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 251
13.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 253
13.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人豬場的業務系統 ………………………………… 259
14.2.1 豬場環境智能調控系統 ………………………… 259
14.2.2 無人飼喂系統 …………………………………… 260
14.2.3 無人幼豬繁育系統 ……………………………… 261
14.2.4 無人管理系統 …………………………………… 261
14.2.5 無人清潔系統 …………………………………… 262
14.2.6 無人糞污處理系統 ……………………………… 263
14.2.7 無人巡檢系統 …………………………………… 263
14.3 無人豬場的規劃與系統集成 ………………………… 264
14.3.1 空間規劃 ………………………………………… 264
14.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 265
14.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 267
14.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 269
14.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 271
14.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人牛場的業務系統 ………………………………… 277
15.2.1 環境自動控制系統 ……………………………… 277
15.2.2 智能繁育系統 …………………………………… 279
15.2.3 智能飼喂系統 …………………………………… 281
15.2.4 自動清潔系統 …………………………………… 284
15.2.5 疫病防治系統 …………………………………… 285
15.2.6 無人管理系統 …………………………………… 287
15.2.7 自動擠奶系統 …………………………………… 289
15.3 無人牛場的規劃與系統集成 ………………………… 291
15.3.1 空間規劃 ………………………………………… 291
15.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 291
15.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 294
15.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 295
15.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 299
15.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人雞場的業務系統 ………………………………… 305
16.2.1 環境控制系統 …………………………………… 305
16.2.2 自動飼喂系統 …………………………………… 306
16.2.3 無人車送料及轉運系統 ………………………… 307
16.2.4 雞蛋收集和孵化系統 …………………………… 307
16.2.5 清糞消毒系統 …………………………………… 308
16.3 無人雞場的規劃與系統集成 ………………………… 308
16.3.1 空間規劃 ………………………………………… 308
16.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 309
16.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 310
16.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 311
16.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 312
16.3.6 系統測試 ………………………………………… 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 無人漁場的業務系統 ………………………………… 318
17.2.1 餌料精準飼喂系統 ……………………………… 319
17.2.2 水質測控系統 …………………………………… 320
17.2.3 巡檢系統 ………………………………………… 321
17.2.4 自動收捕系統 …………………………………… 321
17.3 無人漁場的規劃與系統集成 ………………………… 322
17.3.1 空間規劃 ………………………………………… 322
17.3.2 基礎設施系統建設 ……………………………… 323
17.3.3 作業裝備系統集成 ……………………………… 325
17.3.4 測控裝備系統集成 ……………………………… 327
17.3.5 管控云平臺系統集成 …………………………… 329
17.3.6 系統測試 ………………………………………… 330
第 18章 無人農場發展戰略 332
18.1 戰略目標 ……………………………………………… 332
18.1.1 無人農場技術取得重大突破 …………………… 332
18.1.2 無人農場發展機制不斷健全 …………………… 332
18.1.3 無人農場發展政策持續完善 …………………… 332
18.2 戰略行動 ……………………………………………… 333
18.2.1 加強無人農場關鍵共性技術攻關 ……………… 333
18.2.2 加強物聯網技術集成應用與示范 ……………… 333
18.2.3 加快人工智能與農業機器人研發 ……………… 333
18.2.4 加強農業大數據建設力度 ……………………… 334
18.3 戰略布局 ……………………………………………… 335
18.3.1 東部沿海發達地區 ……………………………… 335
18.3.2 國有墾區 ………………………………………… 335
18.3.3 國家現代農業示范區 …………………………… 335
18.4 戰略政策 ……………………………………………… 335
18.4.1 編制無人農場發展規劃 ………………………… 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 探索可持續的發展模式 ………………………… 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 農業機器與人腦深度融合 ……………………… 337
18.5.3 機器換人成為現實 ……………………………… 337
參考文獻 ……………………………………………………… 338
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