5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用探索

吳文福，張 娜， 李姝峣 ，王雨佳，徐 文， 孟憲梅，朱 航，齊江濤，周曉光，劉厚清

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022； 2. 吉林工商學(xué)院糧食學(xué)院，長春 130507； 3. 北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100876）

0 引言

智慧農(nóng)場是以農(nóng)業(yè)數(shù)字信息技術(shù)為主導(dǎo)的第三次農(nóng)業(yè)革命發(fā)展骨干方向，是農(nóng)業(yè)4.0發(fā)展的核心內(nèi)容，已引起全社會高度重視，已投入大量人力、物力進(jìn)行智慧農(nóng)場的研究與實踐[1]。

中國工程院陳學(xué)庚院士指出利用信息技術(shù)促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，能夠最大化發(fā)揮信息技術(shù)的引導(dǎo)效應(yīng)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；其主要方向包括促進(jìn)智能感知技術(shù)發(fā)展與導(dǎo)航技術(shù)研究、推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能化、構(gòu)建農(nóng)機(jī)智慧作業(yè)系統(tǒng)[2]。陳貴珍等[3]通過移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行資源整合，并依托地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）地圖，實現(xiàn)了“人、事、地、物、情、組織、單位”等信息直觀展示、有效管理、智能分析，同時整合了智慧農(nóng)場區(qū)域的事件資源，構(gòu)建了“智慧農(nóng)場在線綜合服務(wù)信息平臺”體系。孫治貴等[4]通過多重因素關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警和生產(chǎn)管理專家知識規(guī)則，開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘和專家知識決策技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及智能決策推送服務(wù)系統(tǒng)，對惡劣天氣等北方主要氣象災(zāi)害進(jìn)行早期預(yù)警提醒；穆悅等[5]認(rèn)為智慧農(nóng)場是一個蘊(yùn)含著精準(zhǔn)生產(chǎn)、智能分銷和先進(jìn)管理的農(nóng)業(yè)創(chuàng)新方向，提出了一種包含品質(zhì)營養(yǎng)池、種子培育和育秧、控制中心、智能溫室和大田等的智能農(nóng)場水稻生產(chǎn)管理方案，主要包括水稻生長環(huán)境管控和智能農(nóng)場云平臺兩部分。吳久江等[6]設(shè)計了一種智慧管理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠利用環(huán)境控制模型等執(zhí)行系統(tǒng)，還具備微信互動模式，將環(huán)境監(jiān)控與草莓栽培技術(shù)相結(jié)合，能夠較好地智能指導(dǎo)種植戶對大棚進(jìn)行精細(xì)化管理，保證草莓的產(chǎn)量和質(zhì)量。

總體來說，中國智慧農(nóng)場的發(fā)展還處在摸索階段，存在管理模式、架構(gòu)和邊界不清晰，信息組織、感知、傳輸、處理技術(shù)等技術(shù)分散、不成熟和產(chǎn)業(yè)化程度較低等問題，應(yīng)從不同的角度展開大膽的探索。本研究根據(jù)農(nóng)作物生長及產(chǎn)品存續(xù)的鮮明鏈特性、時間的連續(xù)性、效果的促控性，基于5T管理方法結(jié)合智慧農(nóng)場理念，構(gòu)建了智慧農(nóng)場系統(tǒng)的模式和架構(gòu)，并針對水稻生產(chǎn)全過程開發(fā)了5T智慧農(nóng)場管理信息系統(tǒng)，在吉林省進(jìn)一步圍繞優(yōu)質(zhì)水稻嘗試了智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的推廣及應(yīng)用，總結(jié)了智慧農(nóng)場系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用情況和5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的運(yùn)行效果。5T智慧農(nóng)場系統(tǒng)對中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義，可對農(nóng)作物生產(chǎn)起到增收、減損、提質(zhì)的效果，5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)可智能控制無人農(nóng)機(jī)設(shè)備，為最終實現(xiàn)真正意義的自主無人農(nóng)場提供參考。

1 基于5T管理的智慧農(nóng)場理念與模式

1.1 智慧農(nóng)場理念

智慧農(nóng)場是以先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型活動科技領(lǐng)域，可對農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)、自動化調(diào)節(jié)與精準(zhǔn)化管理。智慧農(nóng)場三大核心是農(nóng)場數(shù)字化、農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管和精準(zhǔn)種植管理，智慧農(nóng)場實現(xiàn)了高產(chǎn)量與高效管理[7-9]。

智慧農(nóng)場是一個逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)上無人化、時間上精準(zhǔn)化、指標(biāo)上精細(xì)化的系統(tǒng)工程，體現(xiàn)對人的解放，是農(nóng)業(yè)的技術(shù)革命；是信息技術(shù)、管理技術(shù)、生物技術(shù)和智能農(nóng)機(jī)的深度融合，信息管理技術(shù)具有主導(dǎo)作用，管理技術(shù)具有中介作用；智慧農(nóng)場的基礎(chǔ)是多維度物聯(lián)，物聯(lián)的廣度和深度決定系統(tǒng)運(yùn)行的效果；核心是數(shù)據(jù)驅(qū)動，獲得數(shù)據(jù)、記憶數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù)；目標(biāo)是在不同情境下讓數(shù)據(jù)發(fā)揮威力；特點是全面物聯(lián)、裝備智控和系統(tǒng)慧管；智慧農(nóng)場所需要的共性關(guān)鍵技術(shù)包括信息感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智慧管理技術(shù)和智能控制與機(jī)器人技術(shù)等；在現(xiàn)階段智慧農(nóng)場的意義在于打通信息、品質(zhì)和價值通道，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。

1.2 5T管理

從農(nóng)作物全株生長和存續(xù)的自然區(qū)塊特性[10]，將農(nóng)作物生產(chǎn)分為種期（TⅠ）、苗期（TⅡ）、秧期（TⅢ）、籽期（TⅣ）和產(chǎn)品期（TⅤ）5個時效通道，即為大5T；整個種期（TⅠ）時效通道包含1個種期（T01）時效區(qū)塊、苗期（TⅡ）時效通道包含1個苗期（T02）時效區(qū)塊、秧期TⅢ時效通道包含1個秧期（T03）時效區(qū)塊；按照農(nóng)作物籽粒的生長和存續(xù)可將籽期（TⅣ）分為熟收（T1）、田場（T2）、干燥（T3）、收倉（T4）和倉儲（T5）5個時效區(qū)塊，即為小5T；在產(chǎn)品期（TⅤ）包括加工（TP1）、銷售（TP2）和食用（TP3）3個時效區(qū)塊。時效通道和時效區(qū)塊將物、物主、物主時間等融合為一體，便于科學(xué)觀察和管理。

5T管理按照農(nóng)作物生產(chǎn)周期時效通道和區(qū)塊特性，對農(nóng)作物生產(chǎn)各個時期進(jìn)行十二元管理。十二元管理是指針對農(nóng)作物各個時效區(qū)塊的要素信息管理，包括人、土、時、種、機(jī)、數(shù)、水、肥、藥、溫、濕、水分。例如在苗期溫室棚內(nèi)的調(diào)溫信息，秧期田地的灌溉信息，對應(yīng)地塊種植的農(nóng)作物用藥、施肥、除草操作的時間和用量等信息，最后根據(jù)后臺預(yù)設(shè)的專家評判系統(tǒng)判斷十二元管理執(zhí)行情況是否合理并提出相應(yīng)建議。

農(nóng)作物生產(chǎn)全過程分為種苗成長3個時效區(qū)塊（T01、T02、T03）、籽粒成長5個時效區(qū)塊（T1、T2、T3、T4、T5）和產(chǎn)品存續(xù)3個時效區(qū)塊（TP1、TP2、TP3），按照生產(chǎn)階段將其分為不同的管理階段，分別為耕種管理、收儲管理和食前管理，結(jié)合十二元管理，構(gòu)建了5T管理指標(biāo)體系，如圖1所示，以基于科學(xué)指標(biāo)體系的標(biāo)準(zhǔn)為引領(lǐng)，實施數(shù)據(jù)驅(qū)動的全方位、多層次管理，達(dá)到管控目標(biāo)最優(yōu)化。

1.3 智慧農(nóng)場的基元模型

智慧農(nóng)場管理的基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)，本研究超越以“物”為對象，而是以活動體“時效區(qū)塊”為對象，將5T管理信息進(jìn)行鏈?zhǔn)焦芾?，形成智慧農(nóng)場基本元素模型，如圖2所示。

1）物聯(lián)類別序位碼：時效區(qū)塊不指向具體的物體，而是同時指向物主和物體結(jié)合體；物主就是時效區(qū)塊主，以其身份為標(biāo)識；物體是指對智慧農(nóng)場生產(chǎn)有決定性影響固定資產(chǎn)、設(shè)施和裝備等，以類別、順序和位置信息來共同標(biāo)識。物聯(lián)類別序位碼是由時效區(qū)塊主身份標(biāo)識、資產(chǎn)類別碼和資產(chǎn)順序碼或位置信息組成。

2）上鏈碼：是時效區(qū)塊唯一標(biāo)識，上鏈碼是由物聯(lián)類別序位碼、時間戳信息生成，是對智慧農(nóng)場作業(yè)的標(biāo)識，面向事。

3）區(qū)塊信息：是上鏈碼指向的內(nèi)容，具體指一項作業(yè)的數(shù)量、質(zhì)量和管理信息。數(shù)量和質(zhì)量是指作業(yè)環(huán)節(jié)所涉及產(chǎn)出品的信息。而管理信息是指對人、土、時、種、機(jī)、數(shù)、水、肥、藥、溫、濕、水分十二元信息的投入或者監(jiān)測，決定數(shù)量和質(zhì)量。

1.4 智慧農(nóng)場的管理體系

參照美國學(xué)者霍爾提出的系統(tǒng)工程方法論的霍爾三維結(jié)構(gòu)[11]，將智慧農(nóng)場看作時間維、邏輯維和目標(biāo)維作用下的5T智慧農(nóng)場。時間維是按照農(nóng)作物生長和存續(xù)的時間階段進(jìn)行排序的全過程，物元維是指農(nóng)作物生產(chǎn)時間維的每一個階段內(nèi)所需要管理的重要元素，目標(biāo)維是完成每個階段和重要元素管理所要達(dá)到的農(nóng)作生產(chǎn)目標(biāo)。智慧農(nóng)場管理架構(gòu)如圖3所示，此架構(gòu)按農(nóng)作物的生理和物理特性為基礎(chǔ)實施管理。

5T智慧農(nóng)場按農(nóng)作物及產(chǎn)品的生長和存續(xù)曲線的通道和區(qū)塊特性構(gòu)造系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)的運(yùn)行在底層需要通過作業(yè)記錄APP、作業(yè)裝備及設(shè)施測控單元、實驗室儀器、農(nóng)用無人機(jī)測控單元、氣象監(jiān)測單元和衛(wèi)星定位系統(tǒng)，智慧農(nóng)場系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。以時效區(qū)塊為基元，以時效區(qū)塊為對象，不以具體物為研究對象，可以實現(xiàn)對作業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的雙追溯，體現(xiàn)管理、信息和技術(shù)的高度融合。

2 5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的構(gòu)建

智慧管理系統(tǒng)是智慧農(nóng)場的關(guān)鍵核心技術(shù)[12]，本研究從科學(xué)改變理念和習(xí)慣入手，借助信息新技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)為引領(lǐng)，將物聯(lián)碼、物聯(lián)網(wǎng)、移動終端、大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合，將基于5T管理的智慧農(nóng)場管理理念在水稻生產(chǎn)全過程進(jìn)行初探索，開發(fā)了5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)，融合以時效區(qū)塊為管理基本單元，5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)技術(shù)框架如圖5所示，以綠色減損保優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行追溯和管理，數(shù)據(jù)分布存儲，線上線下評價結(jié)合，最終要取得數(shù)據(jù)驅(qū)動價格效果。

2.1 5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

長期以來，信息和價值通道不通暢，消費者對產(chǎn)品和生產(chǎn)“無感”、“無知”、“盲認(rèn)同”。水稻生產(chǎn)5T管理布局涵蓋生產(chǎn)者、監(jiān)管者及消費者等多方利益主體，構(gòu)建智慧農(nóng)場的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，各企業(yè)、機(jī)構(gòu)、部門信息互聯(lián)互通，5T智慧農(nóng)場用戶關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，讓消費者“有感”于質(zhì)量之“好”，“有知”于信息之“真”，“有意”于產(chǎn)品之“吃”，“有認(rèn)同”于價值之“優(yōu)”。

2.2 5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)架構(gòu)

5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)建設(shè)遵循先進(jìn)的建設(shè)理念，在進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)時，從系統(tǒng)性能、系統(tǒng)功能、產(chǎn)品穩(wěn)定性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能等方面考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性、兼容性和可擴(kuò)展性。具有與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享的能力，結(jié)合硬件應(yīng)用，對水稻生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，直觀反應(yīng)水稻生產(chǎn)5T工作開展情況；系統(tǒng)能夠支持瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S）架構(gòu)體系，具有良好的可擴(kuò)展性，支持各種應(yīng)用的接口協(xié)議，使系統(tǒng)具有高度靈活性和擴(kuò)展性[13-17]。

5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)包括四個層次，綜合展示層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層（面向終端）、數(shù)據(jù)資源層、保障支撐層對水稻生產(chǎn)5T管理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲、分析并最終形成可追溯信息鏈。5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

1）綜合展示層

5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)各類用戶通過綜合展示層訪問系統(tǒng)，企業(yè)、農(nóng)戶及監(jiān)管部門等通過電腦端或者智能移動終端進(jìn)入系統(tǒng)，公眾查詢掃碼追溯可直接進(jìn)入公眾端。

2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層

利用智能傳感器和其他接口設(shè)備以及人工錄入相結(jié)合的方式采集水稻生產(chǎn)5T管理信息，同時可對接多個子系統(tǒng)接入的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；利用采集數(shù)據(jù)為用戶提供智能化信息展現(xiàn)服務(wù)，支持智能化數(shù)據(jù)分析、智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計、精準(zhǔn)數(shù)據(jù)預(yù)測，達(dá)到幫助用戶對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的利用和檢索，協(xié)助公眾追溯查詢。

3）數(shù)據(jù)資源層

通過數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換等，將5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源關(guān)聯(lián)和資產(chǎn)化管理，使不同數(shù)據(jù)源的離散數(shù)據(jù)、管理對象之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建相互具有內(nèi)在關(guān)系的統(tǒng)一的公共數(shù)據(jù)資源庫。通過云計算中心，基于大數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，提供分布式計算框架，利用集群資源，實現(xiàn)計算任務(wù)的分布式并行執(zhí)行。

4）保障支撐層

5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境需要主機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、平臺硬件和軟件系統(tǒng)等的支撐和保障。

2.3 5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

在研發(fā)多種物聯(lián)感知應(yīng)用的基礎(chǔ)上，集成開發(fā)了5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的總體需求和結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)分為8個功能模塊，分別為基礎(chǔ)信息模塊，5T管理模塊、產(chǎn)品追溯模塊、統(tǒng)計查詢模塊、綜合評價模塊、5T認(rèn)證模塊、糧情監(jiān)測模塊和大數(shù)據(jù)駕駛艙模塊，5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)功能模塊劃分如圖8所示。

1）基礎(chǔ)信息模塊

用戶管理個人或企業(yè)的基本信息，同時利用物聯(lián)類別序位碼是將企業(yè)或農(nóng)戶的所有設(shè)施設(shè)備及地塊等資產(chǎn)按類別和序位進(jìn)行編碼，在進(jìn)行5T管理時便可智能選擇作業(yè)環(huán)節(jié)相應(yīng)的資產(chǎn)，5T管理物聯(lián)類別序位碼如表1所示。例如，在熟收（T1）時期，在地塊1收割了水稻，則此資產(chǎn)類別為地塊，類別碼為A1，在根據(jù)用戶的實際情況將此地塊的序位編碼（可自定義編碼），為6位阿拉伯?dāng)?shù)字，如000024，則此地塊類序位編碼為A1000024。

表1 5T管理的物聯(lián)類別序位碼 Table 1 Internet of Things (IoT) classification subsequence code for 5T management

2）5T管理模塊

5T管理模塊分別將水稻生產(chǎn)從種期（TⅠ）開始記錄5T十二元管理信息，并根據(jù)基礎(chǔ)信息中的物聯(lián)類序位碼對相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)行匹配，將水稻每個環(huán)節(jié)的作業(yè)時間（時間戳）和作業(yè)量（數(shù)量戳）進(jìn)行編碼，將物聯(lián)類序位碼與時間戳和數(shù)量戳串聯(lián)起來，便可體現(xiàn)每個環(huán)節(jié)的作業(yè)信息，利用物聯(lián)碼將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對水稻生產(chǎn)信息整合管理，形成5T管理全鏈條的追溯。

物聯(lián)碼由社會信用代碼（18位）或業(yè)主個人身份證號碼（18位）、物聯(lián)類序位碼（8位）、數(shù)量戳（萬位，小數(shù)點后兩位，共7位）和時間戳（10位，年月日時）組成。

3）產(chǎn)品追溯

產(chǎn)品追溯模塊主要根據(jù)采集5T管理信息，形成水稻生產(chǎn)作業(yè)物聯(lián)碼，再將物聯(lián)碼轉(zhuǎn)換為二維碼，通過掃描二維碼可追溯到水稻生產(chǎn)5T管理過程全鏈條的詳細(xì)信息，可為公眾提供產(chǎn)品質(zhì)量追溯和消費跟蹤，深度保障人民“吃得好、吃得健康”。

4）統(tǒng)計查詢

根據(jù)水稻生產(chǎn)各時期采集的數(shù)據(jù)，形成多維度多方位的統(tǒng)計報表。將5T管理中復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以簡單易懂的形式，更直觀更智能的為用戶提供數(shù)據(jù)展示方式，清晰明了的查看當(dāng)前5T智慧農(nóng)場管理的趨勢和情況，并給用戶提供相應(yīng)的決策分析。

5）綜合評價模塊

通過水稻生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)程對作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行管理評價，按照權(quán)重算法進(jìn)行綜合等級評價，對比預(yù)設(shè)的等級分值，判斷用戶作業(yè)等級。對經(jīng)過5T管理后水稻的品質(zhì)進(jìn)行檢測，檢測后根據(jù)水稻的外觀，口感，爆腰率，硬度，黏性等對水稻品質(zhì)等級進(jìn)行評價。

6）5T認(rèn)證

與中國檢驗認(rèn)證集團(tuán)吉林有限公司合作共同制定了5T認(rèn)證體系標(biāo)準(zhǔn)，只有通過認(rèn)證的產(chǎn)品才會授予優(yōu)質(zhì)水稻品牌。進(jìn)行5T管理用戶，認(rèn)證用戶資質(zhì)具有穩(wěn)定地提供滿足顧客消費者要求和適用的法律法規(guī)要求的水稻生產(chǎn)能力；認(rèn)證其具備按照5T管理進(jìn)行水稻生產(chǎn)的能力。

7）糧情監(jiān)測

5T智慧農(nóng)場管理子系統(tǒng)二維和三維掃倉模塊監(jiān)測水稻倉儲時期的糧情情況[18-20]，通過外部設(shè)備傳遞的參數(shù)內(nèi)容，對糧倉內(nèi)儲糧的監(jiān)管狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)報警數(shù)據(jù)和問題數(shù)據(jù)及時對糧倉進(jìn)行調(diào)整，保證糧倉內(nèi)部穩(wěn)定。

8）大數(shù)據(jù)駕駛艙

通過大數(shù)據(jù)對水稻的質(zhì)量進(jìn)行分析，可排列出當(dāng)前納入到5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)中的用戶水稻5T管理作業(yè)排名和產(chǎn)品質(zhì)量排名，讓用戶之間產(chǎn)生競爭機(jī)制，促進(jìn)企業(yè)更精細(xì)地執(zhí)行5T管理；通過對5T管理中水稻生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)產(chǎn)量和流量分析，可得到水稻省內(nèi)、省外的輸入輸出數(shù)量，結(jié)合流量可分析產(chǎn)品、資金、商譽(yù)等信息流相關(guān)情況；通過水稻生產(chǎn)5T管理大數(shù)據(jù)可分析出水稻的5T作業(yè)各個環(huán)節(jié)的最佳作業(yè)時間和最佳作業(yè)方法。

3 5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的實施與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的開發(fā)

5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)開發(fā)采用Java語言，Jeeplus開發(fā)框架，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境采用了SQL Server 5.7數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Tomcat應(yīng)用服務(wù)器，選用模型、視圖、控制器（Model、View、Controller, MVC）三層架構(gòu)進(jìn)行Web應(yīng)用開發(fā)，開發(fā)中為了緩解數(shù)據(jù)庫訪問壓力以及提升請求響應(yīng)速度采用了Redis緩存技術(shù)[21-23]。

系統(tǒng)開發(fā)使用服務(wù)器軟件Apache和多個應(yīng)用服務(wù)器Tomcat 配置了一個可應(yīng)用Web網(wǎng)站，同時應(yīng)用Apache進(jìn)行分流，把請求按照平均分給多個應(yīng)用服務(wù)器處理，即開放源代碼的網(wǎng)頁服務(wù)器Apache Http Server，通過一個可插入模塊mod_jk連接器連接多個應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用實例，并進(jìn)行負(fù)載均衡，同時還配置了會話控制Session屬性及配置信息復(fù)制。

本研究物聯(lián)碼貫穿整個水稻生產(chǎn)過程，實現(xiàn)了水稻流動信息的實時添加、導(dǎo)入、查看、分析、預(yù)警等，完成了水稻生產(chǎn)全過程管理及追溯，物聯(lián)碼是系統(tǒng)實施運(yùn)行的核心，具體生成流程如圖9所示。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

系統(tǒng)建設(shè)完成后進(jìn)行試運(yùn)行測試，并不斷根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行改進(jìn)。以《優(yōu)質(zhì)稻谷收儲作業(yè)5T管理技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)管控指標(biāo)作為基礎(chǔ)[24]如表2所示，5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)于2020年秋季在吉林省正式進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。由于是在水稻收獲季節(jié)，對優(yōu)質(zhì)水稻籽期（TⅣ）開展了應(yīng)用。

表2 優(yōu)質(zhì)稻谷收儲作業(yè)5T管理技術(shù)規(guī)程（吉林DB22/T 3113-2020）[24] Table 2 5T post-harvest management technique code for high-quality paddy (Jilin DB22/T 3113-2020)[24]

1）依托吉林大米產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟分批安裝和運(yùn)行，將12家企業(yè)相關(guān)的耕地11 973 hm2、收割機(jī)51臺、干燥機(jī)41臺、田場總面積201 487 m2、庫場總面積191 697 m2和倉房總?cè)萘繛?19 563 t的信息上鏈，形成一批上鏈信息，初步實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)過程的管理信息和質(zhì)量信息雙追溯，為“以質(zhì)論價”奠定了基礎(chǔ)，智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)上鏈信息用戶界面如圖10所示。目前正在持續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的推廣工作，現(xiàn)有20家水稻收儲相關(guān)企業(yè)陸續(xù)進(jìn)行注冊，預(yù)計2021年秋季展開大面積應(yīng)用。

2）2020年5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)采集的6個水稻品種收獲數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在收獲時期，當(dāng)達(dá)到水稻最佳收割日期后，隨著抽穗天數(shù)的延后，水稻產(chǎn)量隨之減少，其與抽穗后天數(shù)間的關(guān)系如圖11所示，在抽穗后60～65 d 6個品種水稻的產(chǎn)量有小幅度增長，松粳16產(chǎn)量增加最多，為254 kg/hm2；而65～75 d大部分品種水稻的產(chǎn)量持續(xù)下降，稻花香產(chǎn)量下降最多，為789 kg/hm2。由圖11可知，經(jīng)線性擬合后6個品種水稻在抽穗后的55～75 d中產(chǎn)量整體呈下降趨勢，可見延時收獲會導(dǎo)致隱形損失現(xiàn)象。

根據(jù)經(jīng)驗，適時收獲一般在抽穗后45～55 d之間[25]，此時間段為最佳收獲期，而當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行收獲方式收割時間集中在抽穗后75 d左右，與最佳收割期相差20 d。以最佳收獲日期抽穗后55 d為基準(zhǔn)，超過該日期收獲即視為產(chǎn)生了損失，本研究分別計算了6個品種不同抽穗后天數(shù)的產(chǎn)量和損失率的變化如表3所示，6個品種75 d松粳16的產(chǎn)量最大為7 203 kg/hm2，吉宏6-300N的產(chǎn)量最小為5 733 kg/hm2，而吉宏6-300N損失率在75 d最大，達(dá)到了13.19%，吉宏6-260N的損失最小，為0.56%。由表3可知，以抽穗后55 d為基準(zhǔn)，對6個品種不同抽穗后天數(shù)的平均產(chǎn)量和平均損失率進(jìn)行了測定，其結(jié)果顯示現(xiàn)行收獲方式存在顯著的7.16%隱性損失，以吉林省年產(chǎn)水稻667萬t[26]，理論測算損失在田間的水稻量為47.8萬t。

表3 抽穗后六個水稻品種在不同天數(shù)的產(chǎn)量和損失率 Table 3 Yield and loss rate of six rice varieties in different days after heading

根據(jù)延時收獲會導(dǎo)致隱性損失這一現(xiàn)象，5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)設(shè)計了當(dāng)用戶記錄水稻抽穗日期后，便可自動計算收割時間偏差，并提示用戶及時收割。移動終端延時收獲提示界面如圖12所示。通過實踐證明5T管理系統(tǒng)借助精細(xì)化的管理方式嚴(yán)格把控水稻產(chǎn)后收獲時期，可挽回這部分造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，使農(nóng)民增產(chǎn)增收。

3）5T管理方法與5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)智能化管理模式應(yīng)用結(jié)合，為優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)的精細(xì)管理提供了有效工具。目前在吉林省推行兩家大型優(yōu)質(zhì)水稻種植基地為5T智慧農(nóng)場，對水稻全時效通道進(jìn)行精細(xì)管控，配套適時收獲、短時田場、低溫干燥、控水收倉、適積溫出倉、適度加工等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)減損、保質(zhì)和生防的目標(biāo)，助力糧食顆粒歸倉[27-28]。吉林省優(yōu)質(zhì)水稻品種覆蓋率超過80%，中高端大米產(chǎn)量由45萬t增加到100萬t，帶動農(nóng)民增收10億元[29]，5T管理方法及系統(tǒng)應(yīng)用將在其中大有用武之地。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

1）深化了智慧農(nóng)場的理念，是一個逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)上智能化、時間上精準(zhǔn)化、指標(biāo)上精細(xì)化的系統(tǒng)工程，將信息技術(shù)、管理技術(shù)、生物技術(shù)和智能農(nóng)機(jī)的深度融合。智慧農(nóng)場的基礎(chǔ)是多維度物聯(lián)，核心是數(shù)據(jù)驅(qū)動，特點是全面物聯(lián)、裝備智控和系統(tǒng)慧管。

2）在創(chuàng)新5T精準(zhǔn)時效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方法和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出基于農(nóng)作物生長和存續(xù)時效通道和時效區(qū)塊的智慧農(nóng)場基元模型、管理架構(gòu)以及5T智慧農(nóng)場管理信息系統(tǒng)架構(gòu)。

3）以5T管理方法、標(biāo)準(zhǔn)及信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，圍繞水稻探索了智慧農(nóng)場建設(shè)的運(yùn)行模式，利用物聯(lián)網(wǎng)、智能感知、大數(shù)據(jù)和云計算、移動終端等技術(shù)，開發(fā)了5T智慧農(nóng)場管理信息系統(tǒng)，以動態(tài)物聯(lián)碼為抓手，融合信息、技術(shù)和管理為一體，實現(xiàn)了作業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量雙追溯機(jī)制。

4）在吉林大米產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟12家企業(yè)的初步應(yīng)用中，使優(yōu)質(zhì)水稻籽期（TⅣ）產(chǎn)生了5T管理的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)了水稻不當(dāng)管理導(dǎo)致的7.16%隱性損失，以吉林省年產(chǎn)水稻667萬t計，理論測算損失在田間的水稻量為47.8萬t，系統(tǒng)能夠及時提供用戶5T管理提示及預(yù)警，取得了顯著增效、減損和提質(zhì)的效果。

4.2 展 望

1）在開展5T智慧農(nóng)場收儲作業(yè)管理基礎(chǔ)上，加強(qiáng)耕種管理和產(chǎn)品管理，從農(nóng)作物生產(chǎn)種植方法的評判決策到銷售流量的數(shù)據(jù)分析，為農(nóng)作物生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化、個性化的信息服務(wù)，使5T智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)最終構(gòu)建成為多元化、適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)范圍廣、鏈條通暢的服務(wù)終端。

2）需增強(qiáng)5T管理各時期的指標(biāo)控制，減少因外界環(huán)境因素導(dǎo)致的品質(zhì)劣變，從而控制成品質(zhì)量，達(dá)到減損保優(yōu)的效果。

3）未來可實現(xiàn)5T智慧農(nóng)場全方位管理，加大智能裝備應(yīng)用，加入生物技術(shù)在黑土地保護(hù)的應(yīng)用，將農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測，病蟲害診斷等先進(jìn)技術(shù)高度集成，充分體現(xiàn)綠色、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)和高效，真正實現(xiàn)智慧農(nóng)場自主無人系統(tǒng)的構(gòu)建。

4）基于5T管理的智慧農(nóng)場管理信息系統(tǒng)將于2021年在吉林省展開大面積推廣和應(yīng)用，除優(yōu)質(zhì)水稻外，系統(tǒng)將應(yīng)用在所有水稻品種生產(chǎn)中；并可開展多種農(nóng)作物5T管理生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程管控指標(biāo)的研究，實現(xiàn)5T智慧農(nóng)場管理模式全覆蓋。