谷 毅

（上海市松江區(qū)洞涇鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)中心 上海 201600）

雜草影響作物生長， 是作物減產(chǎn)的重要因素之一[1]。我國農(nóng)田雜草約有1 430 種（變種），每年由于雜草危害造成作物減產(chǎn)10%，糧食減產(chǎn)6 000 萬t,經(jīng)濟損失2 200 億元[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，除草是必不可少的環(huán)節(jié)，有著重要作用。

除草技術(shù)按照原理可分為物理除草、化學(xué)除草、生物除草等。 其中，化學(xué)除草通過對植物靶標(biāo)噴施除草劑以滅殺或抑制雜草生長，見效快成本低。 然而近年來， 不合理的除草劑使用已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境污染，給人類健康帶來了嚴重威脅，不符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念。 與此同時，長期單一的除草劑施用，也促進了雜草抗藥性的發(fā)展， 進一步增大了雜草防控的難度。 生物除草技術(shù)利用生物、微生物和他感物質(zhì)與雜草之間的生態(tài)關(guān)系對雜草進行控制[3]，綠色環(huán)保安全。 但生物防控技術(shù)依然存在應(yīng)用方法復(fù)雜、操作難度大、效果不穩(wěn)定、廣適性差等問題，在國內(nèi)農(nóng)田雜草控制中暫未得到廣泛應(yīng)用。 由此，對環(huán)境友好、效果穩(wěn)定、 可持續(xù)性強的物理除草方式正得到越來越多的關(guān)注。 隨著人工智能技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備智能化水平的提升， 物理除草技術(shù)近年來取得了快速發(fā)展。 智能除草技術(shù)被廣泛地研究和應(yīng)用,成為智慧農(nóng)業(yè)下農(nóng)田除草的發(fā)展趨勢。

1 物理除草技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 以中耕除草為主的傳統(tǒng)模式

在物理除草技術(shù)中，傳統(tǒng)方式包括中耕除草、輪作除草、火力除草等[4]。 其中，中耕除草最為常見。 中耕除草技術(shù)旨在通過翻耕、松土、破壞雜草根系等方式達到除草的效果。 根據(jù)作業(yè)方式不同，中耕除草可以分為人工中耕和機械中耕2 種方式。

人工中耕主要使用鋤頭、犁、耙除草。 目標(biāo)明確，操作方便，除草效果好，不但可以除掉行間雜草，而且可以除掉株間的雜草，但一般情況下，人工中耕需要多次反復(fù)進行，方法比較落后、人工成本高、工作效率低。 只適合小面積農(nóng)田。

機械中耕主要使用農(nóng)業(yè)機械進行除草。 相比于人工中耕，機械中耕效率更高，同時也可以達到更好的耕作效果。 但機器較大，靈活性不高，控制難度較大，容易對田間環(huán)境造成破壞。 一般比較適合地形較平坦、面積較大、機械化程度較高的農(nóng)場使用。

1.2 以智能除草為主的現(xiàn)代模式

隨著科技革命推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)變革， 除草技術(shù)也迎來了轉(zhuǎn)型升級的重大發(fā)展期。 智能除草技術(shù)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點。

智能除草技術(shù)是指利用人工智能、 大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對農(nóng)作物進行精細管理，實現(xiàn)自動化、智能化的除草方式[5]。 這種技術(shù)精準高效，能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，遠程控制，無需人工直接操作，減少人力和物力的消耗， 對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量有很大的幫助[6]。 其中，最具有代表性的就是智能除草機器人。

2 智能除草機器人的應(yīng)用

2.1 智能除草機器人的應(yīng)用原理

智能除草機器人是一種以雜草為操作對象，以完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)為主要目的，集傳感器技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識別技術(shù)及自動導(dǎo)航控制技術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身的智能農(nóng)業(yè)機械[7]。 其應(yīng)用原理主要包括以下幾個方面。

2.1.1 智能感知技術(shù) 感知設(shè)備是機器人的眼睛。通過搭載高清攝像頭和深度學(xué)習(xí)算法等視覺感知技術(shù)， 將拍攝到的圖像進行實時處理和分析， 再通過GPS、北斗、視覺導(dǎo)航等定位感知技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)作物和雜草的快速識別和定位。 如賀靜團隊[8]研究了基于機器視覺、激光雷達、跟蹤導(dǎo)航等多傳感器融合的水稻行識別和導(dǎo)航方法，提高了自動識別感知的精度。

2.1.2 智能控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機器人的大腦。它由各種具有智能特征和功能的軟硬件系統(tǒng)組成，通過對智能感知數(shù)據(jù)的處理和自動控制算法的調(diào)度[9]，實現(xiàn)對除草機器人自主導(dǎo)航、行駛、作業(yè)的智能控制。如傅雷揚等[10]提出了采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）識別農(nóng)作物與雜草， 再利用視覺和雷達信息完成動態(tài)路徑規(guī)劃，最后發(fā)送控制指令和接收反饋結(jié)果，并通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲和檢索歷史數(shù)據(jù)的機器人模型，提高了除草的智能化水平。

2.1.3 智能應(yīng)用平臺 應(yīng)用平臺是機器人的手足。它是終端執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)不同的地形和作業(yè)環(huán)境，搭載各類移動平臺和除草裝置， 在智能控制系統(tǒng)的指令下，執(zhí)行精確除草操作。 如史婷婷等[11]設(shè)計了一臺電機驅(qū)動直線排布， 可切換伸縮式輪履復(fù)合移動平臺，搭載行間耕耘鋤、株間彈齒盤的除草機器人，可實現(xiàn)全地形自主行進除草作業(yè)。

2.2 智能除草機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外對除草機器人研究較早， 美日等發(fā)達國家從20 世紀60 年代末就開始了研究， 智能除草機器人已經(jīng)在一些發(fā)達國家和地區(qū)得到了相關(guān)商業(yè)化應(yīng)用。 英國Garford 農(nóng)機制造公司在智能農(nóng)機領(lǐng)域深耕20 余年， 智能機器人行間和行內(nèi)全方面除草技術(shù)世界領(lǐng)先，產(chǎn)品展銷全球各地。法國Na?o 機器人公司生產(chǎn)了多款智能除草機器人，包括典型的Dino（大田蔬菜除草機器人）和Ted（葡萄園除草機器人）產(chǎn)品[12]，截止2022 年底，在歐洲和美國共有超250 臺智能除草機器人投入使用。

國內(nèi)除草機器人研究相對較晚， 且主要集中在科研院所，目前以理論研究和試驗性質(zhì)為主。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張春龍團隊[13]研發(fā)的鋤草機器人，利用四輪驅(qū)動平臺和三指手爪機械手，根據(jù)機器視覺信息，有效除草率在90%以上。 上海點甜農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社的王金悅團隊自主研發(fā)的除草機器人，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和5G 信號,將機器人行動誤差控制在2 cm 以內(nèi)。

總體而言， 智能除草機器人的研究應(yīng)用呈現(xiàn)出商品化、信息化、全球化的特點[14]。但規(guī)模應(yīng)用程度不高，尤其是國內(nèi)，技術(shù)還處于試驗驗證階段，目前還未進入商業(yè)化銷售階段。

2.3 智能除草機器人的應(yīng)用困境

2.3.1 智能問題 智能除草機器人作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，不可知因素很多，作物與雜草的布局和形態(tài)差異巨大。 往往在特定環(huán)境中測試成功的算法和模型換一個環(huán)境后就會有不同的結(jié)果。 如何調(diào)整算法和模型，使其能夠適應(yīng)更廣泛復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，是亟待解決的問題[15]。

2.3.2 成本問題 智能除草機器人作為新興產(chǎn)物，研發(fā)需要投入大量成本； 它集成了多種前沿科學(xué)技術(shù)， 制造成本也會較高； 作業(yè)環(huán)境多為戶外露天條件，維護成本同樣不低。 且智能除草機器人若只針對除草環(huán)節(jié)， 功能單一， 特別是除草還具有季節(jié)性特點，利用效率低，致使其性價比不高[16]。

2.3.3 法律問題 智能除草機器人屬于智能農(nóng)機，是人工智能范疇。 目前相關(guān)方面的法律法規(guī)并不完善，智能農(nóng)機的應(yīng)用，如安全標(biāo)準、作業(yè)規(guī)范、監(jiān)管規(guī)則等法規(guī)尚不明確。

3 智慧農(nóng)業(yè)下除草機器人的發(fā)展展望

2023 年1 月，工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等十七部門印發(fā)《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》，方案強調(diào)農(nóng)業(yè)作為重點應(yīng)用領(lǐng)域， 要加快基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)裝備智能化改造，推動機器人與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度融合，支撐智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。

隨著智慧農(nóng)業(yè)的深入發(fā)展， 除草技術(shù)也將不斷創(chuàng)新和發(fā)展， 智能除草機器人必將是未來農(nóng)業(yè)應(yīng)用趨勢。 目前除草機器人在實際生產(chǎn)中還存在一定的應(yīng)用困境，需要在技術(shù)、效率、成本等方面不斷進行優(yōu)化和完善。

3.1 精準智能化

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化技術(shù)的不斷融入，智能感知技術(shù)、控制系統(tǒng)、應(yīng)用平臺研發(fā)的不斷成熟，多傳感器信息、多學(xué)科交叉技術(shù)的不斷融合，模型和算法研究的不斷優(yōu)化，數(shù)據(jù)智能、群體智能、融合智能、自主智能將是它的發(fā)展新趨勢，智能除草機器人未來智能分析、智慧決策、精準執(zhí)行的人工智能化程度將會有所提升。

3.2 高效一體化

針對除草機器人功能單一、效率低等問題，一是開發(fā)播種、嫁接、除草、采摘等多功能一體機。 采用開放和兼容設(shè)計，通過應(yīng)用平臺執(zhí)行端更換裝置，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全過程一體管理，降本增效。 二是發(fā)展輕型機器人集群。 通過研發(fā)集群控制系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)人機交互、多機協(xié)同作業(yè)，提高作業(yè)質(zhì)量和效率。

3.3 經(jīng)濟適用化

通過優(yōu)化設(shè)計和材料、降低能源成本、提高使用壽命等方式降低單臺設(shè)備制造、維修和更換成本。 此外，隨著標(biāo)準化農(nóng)田建設(shè)的推進， 供需平臺的搭建，以及國家支持政策的出臺， 智能除草機器人將得到更大的推廣和普及， 在市場規(guī)模擴大的同時， 勢必會降低整體成本， 滿足更廣泛的市場需求， 形成良性循環(huán)。

3.4 人機協(xié)同化

智能化爆炸的時代，ChatGPT 讓人們見識到了人工智能技術(shù)驚人的發(fā)展速度和成果， 隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)人口減少、老齡化加劇、各要素成本上漲，除草技術(shù)的革新也必將走上人工智能的賽道。 但是，發(fā)展的最終目的是為了更好的生活， 人們在不斷利用科技改進技術(shù)、改變生產(chǎn)模式的同時，也要對“人機關(guān)系”有更多的思考，“人機交互”“人機互補” 才應(yīng)該是智能化發(fā)展的最終走向。