Robotizace v zemědělství

Robotizace v zemědělství

Autor: Milan Kroulík, Katedra zemědělských strojů Technická fakulta ČZU v Praze, Centrum precizního zemědělství

Podobně jako jiné obory, je také zemědělství v dnešní době vystaveno někdy protichůdným představám. Na jedné straně je tlak společnosti a spotřebitelů na snižování energetických a materiálových vstupů, a to ve spojení s důrazem na udržitelné hospodaření citlivé ke krajině, na druhé straně rostou nároky na vyšší efektivitu a produktivitu celého odvětví. A zatímco do roku 2050 se očekává nárůst světové populace o více než čtvrtinu na 9,7 miliard lidí, zaměstnanost v zemědělství neustále klesá a jenom v ČR se během uplynulých sto let snížila ze 70 % na necelá 2 % .
Dosažení těchto cílů pouze s využitím současných a tradičních metod zemědělství se ukazuje jako obtížné a proto je logické, že i v tomto odvětví se digitální technologie, robotika a automatizace stále více uplatňují jako jeden ze způsobů, jak zvýšit potenciál zemědělské produkce.

Od precizního zemědělství k robotům, autonomnímu řízení a Zemědělství 4.0

Každý nový nápad, inovace nebo technologie mají svůj životní cyklus a vývoj. Když se v 80. letech minulého století objevil pojem „precizního zemědělství“ - tedy myšlenka individuálního a cíleného přístupu k jednotlivým částem pozemku a rostlinám - řada překážek, a to především technického rázu, významnému uplatnění často bránila.
Se zpřesněním satelitní navigace, dostupností internetu a možnostmi moderní senzorové a výpočetní techniky však dostává řada původních myšlenek zcela nový impuls a i v zemědělství v současnosti probíhá zavádění technologií, pro které se vžil pojem „smart“, případně „4.0“. Právě odkaz na 4. průmyslovou revoluci dokládá, jak výrazné změny ve výrobních a společenských procesech, včetně zemědělství, lze očekávat.
Pozornost se ubírá směrem k robotizaci a využití autonomních systémů, výrazný je rovněž požadavek na sběr dat, jejich zpracování, ukládání, sdílení a využití. Do jisté míry lze říci, že Smart Agriculture, resp. Zemědělství 4.0, představují logické pokračování technologie precizního zemědělství.

Sběr a zpracování dat jsou pro zemědělství klíčové

Stejně jako v průmyslu, je i v zemědělství jednou z klíčových oblastí zavádění technologií pro sběr, zpracování, uchovávání a interpretaci dat. Pro zemědělství je navíc charakteristické vzájemné propojení řady oborů a práce s výrazně variabilním prostředím, které je typické jak rychlými změnami, tak i velkou časovou setrvačností.
Nové technologie ovšem dávají možnost posuzovat problematiku zemědělské výroby mnohem komplexněji. Například autonomní sběr dat umožňuje získávat věrohodná data, jejichž výstupy se stanou důležitým rozhodovacím a kontrolním nástrojem. Celý proces sběru a interpretace dat tak významně podpoří transparentnost a přehlednost zemědělské výroby, včetně zmíněných navazujících oblastí, kterými jsou zpracovatelský a obchodní sektor, kontrolní mechanismy, energetické toky, vyhodnocení bezpečnostních rizik a další.
I přes výše zmíněné výhody se zemědělský sektor potýká s nedostatky v dostupnosti dat a s problémy při jejich interpretaci, a to zejména z důvodu prostorové variability pozemků, což představuje jisté omezení při využití moderních technologií v zemědělské prvovýrobě.
Konzultační společnosti, které sledují trend zavádění technologií do zemědělské výroby, si také všímají, které technologie mohou zefektivnit a usnadnit práci zemědělců a například Deloitte Consulting uvádí, že nové technologie, jako je například IoT ve spojení s moderními senzory a monitorovacími zařízeními, mají potenciál zvýšit zemědělskou produktivitu do roku 2050 o 70 %.
Podle společnosti McKinsey & Company patří mezi technologické trendy s největším vlivem na zemědělství práce s velkými daty a robotika a to zejména letecké snímkování, senzory a sofistikované predikce počasí. Zároveň odhadují, že „globální trh pro zemědělskou robotiku do roku 2020 poroste ze současných 1 miliardy USD na 14 - 18 miliard USD.“
„Tradiční rozhodování založené na zkušenostech farmáře bude nahrazeno algoritmy vycházejícími z naměřených dat. Místo fyzické obchůzky a kontroly pozemků bude několik zaměstnanců rozhodovat na základě pravidelného monitoring z autonomních bezpilotních prostředků a dalších strojů, které pracují na úrovni jednotlivých rostlin z kancelářského pracoviště. To vše s předpokladem významné úspory vstupů. Významný nárůst a především přijetí smart technologií, které integrují BIG data, analytické nástroje, bezdrátovou komunikaci a vyspělou techniku včetně molekulární biologie, se předpokládá už do roku 2030,” uvádí zpráva společnosti Boston Consulting Group, kterou zveřejnila na fóru Inclusive Growth v Brini v roce 2017.

Satelity, telematika a 5G sítě v zemědělství

Zásadní krok v automatizaci procesů představuje výrazné rozšíření polních navigací. Především družicové navigační systémy nacházejí významné využití v zemědělství, neboť při doplnění o korekční signál RTK je systém schopný měřit pozice plodin až na úroveň jednotlivých rostlin. Dalším logickým krokem v rozšíření a uplatnění navigací je autonomní otáčení strojů na souvratích a s tím spojené ovládání nářadí. Následují variabilní aplikace založené na snímání rostlin, půdy nebo dalších vlastností porostů v reálném čase a s tím související okamžité reakce na daný stav nebo použití předem připravených aplikačních map.
Jenom v ČR do automatizace a robotizace provozů investovalo během posledních deseti let 57 % podniků. Největší podíl investic představují navigační systémy, senzory používané v živočišné výrobě, přístroje na aplikační dávku hnojiva, klimatizační jednotky (včetně stájí) a nákup robotů do živočišné i rostlinné výroby (robotické sekačky nebo dojící roboti).
Reálnou podobu těmto vývojovým směrům dává telematický sběr dat, jejich přenos a ukládání na vzdálená úložiště a dále jejich následné třídění a správa s možností vzdáleného přístupu. Tento krok umožňuje řízení jednotlivých zásahů přes vzdálený přístup k datům a to včetně včasné přípravy aplikačních úkonů a propojení na další osoby, kterými může být výrobce i zařízení nebo servisní středisko.
Díky telematickému propojení je dnes možné s předstihem připravovat aplikační mapy, případně vyznačovat vyloučené zóny, kde je například omezena chemická ochrana nebo hnojení. Předem připravené aplikační mapy jsou odesílány do palubního počítače stroje a k nastavení dochází v okamžiku jeho spuštění nebo vstupu na příslušný pozemek. Uvedeným příkladem se sníží zátěž obsluhy stroje, protože zodpovědnost přechází na dostatečně kvalifikovaného vedoucího pracovníka a obsluha v tuto chvíli přebírá především kontrolní úkoly. Pro podobné technologie se vžil pojem „In-door farming“.  Výrazné rozšíření se očekává s nástupem 5G sítí, na které se připravují také výrobci zemědělské techniky. Na výstavě Agritechnika 2019 již například firma JohnDeere představila mobilní 5G vysílač (obr. 1).

Technická fakulta ČZU v Praze a Centrum precizního zemědělství při ČZU se výrazně podílí na rozvoji těchto technologií a věnuje se jim nejenom při výzkumu, ale i ve výuce. V rámci výzkumných aktivit jsou řešeny projekty, které se přímo zabývají cílenými aplikacemi vstupů, jako reakcí na variabilitu půdních podmínek a stav porostů.
Na fakultě probíhá výzkum, který se zabývá vývojem technologie zonálního zpracování půdy, hnojení a setí s důrazem na stanovištní podmínky, omezování průmyslových vstupů do výroby, technologie přesných výsevů, postupy pro omezení degradace, zhutnění a erozního ohrožení půdy nebo pro podporu druhové rozmanitost. Při zavádění technologií nelze opomenout reakce na očekávané změny klimatu a veřejný tlak na původ a kvalitu potravin a požadavky společnosti na ochranu přírody.

Polní roboti a myšlenka robotického zemědělství

Na vrcholu vývojového stupně technologií, které se uplatňují v zemědělské výrobě, v současnosti stojí robotizace a automatizace. Vývoj robotických systémů pokrývá celou řadu oborů a také podmínek pro nasazení do zemědělství a robotický tým katedry zemědělských strojů TF ČZU pracuje hned na několika prototypech robotů.
Interní projekt FARMS (Fields Agricultural Robotics Mobile Systems) se zaměřuje na výzkum, vývoj a aplikace autonomních robotických platforem a systémů pro využití ve venkovních polních podmínkách (obr. 2). Podle využití se jedná o konstrukce pro širokořádkové a úzkořádkové plodiny, zeleninu a ovoce nebo vytrvalé porosty dřevin a chmele. Vedle vývoje nových platforem se tým rovněž zabývá rozšířenou implementací stávajících systémů, návrhy nových aplikací pro tyto systémy a hledání cest pro uplatnění v zemědělství a různorodých environmentálních podmínkách.
Kromě reálných aplikací v polních podmínkách se robotický tým také úspěšně prezentuje na mezinárodních soutěžích a to včetně prestižní soutěže, kterou vyhlásila americká agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) viz obrázek 3. Do řady aktivit se aktivně zapojují studenti.

Budoucnost oboru je jednoznačně v zavádění technologií

Řada nových myšlenek nebo technologických vymožeností ovšem naráží při svém uplatnění na jeden významný problém a tím je věková struktura pracovníků v zemědělství. V současnosti převažuje věková skupina 45 – 59 let, která představuje více než 40 % pracovní síly, následovaná pracovníky ve věku 30 – 44 let, kterých je v zemědělství celých 30 %.
Pro starší generaci je často problém přijmout nová řešení nebo přístrojové vybavení a s výpočetní technikou nedokáže pracovat s takovou samozřejmostí jako generace podstatně mladší. Přitom zemědělská technika dnes představuje naprostou špičku v technickém pokroku.
S nastupujícími trendy v zemědělství je proto spojen předpoklad oslovení mladší generace a jejich angažování v zemědělském sektoru, přičemž moderní technologie a výpočetní technika mohou zatraktivnit zmíněné obory. Rovněž zemědělský výzkum a vývoj jdou jednoznačně směrem podpory a většího využívání moderních technologií.

Použité zdroje: Příspěvek vznikl s podporou projektu „Inovace v managementu ochrany a hnojení rostlin založené na zavádění telematických systémů“, registrační číslo projektu 18/006/16210/780/000024.