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文 |稻名泗

编辑 |稻名泗

前言：

几十年来，大学研究人员投入了大量时间和精力来开发无人驾驶拖拉机。通过的各种技术，遇到的挑战，对未来自主农业机器可能外观的概念化以及需要解决的问题。

在20世纪90年代末，马尼托巴大学建立了“农业人体工程学实验室”，其基本假设是工程师将继续将越来越多的技术纳入农业机器，追求完全自主机器的终极目标。

根据当自动化引入其他行业环境时所学到的经验教训，人类操作员的角色会发生变化。因此有必要从人体工程学的角度看待农业导航技术。

与二十年前不同，现在可以找到已经可以出售给农民或处于最后阶段的田间测试的无人驾驶拖拉机。

在概念上，仍然至少有四种不同的设计。这四种不同类型的未来自主农业机器都有各自的优势。

保留操作员驾驶室的类型使农民在希望人类操作员在自主农业机器上实际出现时具有灵活性；这在自主农业机器进入市场的早期阶段可能是最关键的。

类似于当前拖拉机的未来自主农业机器，并以与现有拖拉机相同的方式连接到实施工具，将减少过渡到自主农业生产的资本成本，因为农民将能够继续使用现有的实施工具。

集成式拖拉机反映了工程师将能够优化拖拉机-实施工具系统设计的情况；这可能在当前拖拉机拉动实施工具的范例中不存在的设计机会。

当然不足之处在于将需要一整套新的实施工具，因为农民现有的实施工具将与集成式拖拉机不兼容。

群体或车队的概念或许反映了最激进的概念，颠覆了几十年来建造更大农业机器的趋势。或许受到昆虫世界的启发，这个概念是许多小型未来自主农业机器以有组织的方式工作，可以胜过少数大型未来自主农业机器。

现在还为时过早来预测单一的概念是否会成为行业标准，或者这些概念是否会在利基应用中存活，或者在彼此直接竞争中存活。

不管自主农业机器行业如何发展，设计师们忽略这些自主机器将如何在更大的人机系统中相互交互是愚蠢的。

自主农业机器将需要与人类监督员进行交互，以接收指令并在自主农业机器无法自我纠正问题时请求协助。人因工程学领域的适当原则将对将自主农业机器成功整合到生产农业中至关重要。

自主农业机器的监督

监督是一种为确保任务按照我们的要求完成而进行的活动。我们会发现，雇佣一名初级员工却不提供一些监督手段是荒谬的。

即使是资深员工也需要监督，以确保他们对自己的表现负责。同样的监督需求也适用于工程师目前正在开发的未来自主农业机器。

自主机器虽然独立，但仍需要人类监督，以帮助减少在出现意外情况时可能产生的灾难。此外由于目前很难自动化高水平的推理和任务，让人类保持在决策环节中，以协助规划田间操作、分配资源和协调自主机器也是有益的。

通常情况下，在自主系统中涉及人类已被报道可以提高系统的整体可靠性和性能。

监督可以在近距离内进行或远程进行。目前农业田间机器的监督主要在近距离内进行，但预计未来的未来自主农业机器将会远程监督，原因是农场劳动力短缺以及提高农民的整体效率。

远程监督并不是新颖的概念，已经在不同领域实践了几十年。有证据表明，远程监督在非农业领域如军事、太空探索、海洋、工业应用和救援行动中得到了应用。

例如用于检查管道裂缝的机器人在操作过程中进行远程监控，因为这些区域无法由人类进入。搜救机器人和军事无人机已经进行了远程监控。

在这两种情况下，监督员使用某种类型的界面来监控机器人并接收状态更新。在农业领域，远程监督已在畜牧、作物生产和作物储存中得到应用。

在使用无人机确定田间有杂草的区域时，无人机常被远程监控。在猪舍环境中，远程监控猪的生理情况和猪舍的环境条件以最小化与猪的接触，并在任何位置协助农民进行决策。

多种用于自主农田机械的远程监督概念已被学术研究人员和制造商提出。这些概念在人类参与程度、自主水平、远程监督员与自主机械之间的距离以及同时监督的自主机械数量方面存在差异。

例如设想人类只监视自主机械，期望农民既可以手动操作一个田间机械，同时又监督另一个自主机械。

第三种监督概念涉及远程手动控制田间机械的实际操作。一些研究人员建议人类只监视一台机器，而其他人则设想监督员可以同时监视几台机器。

“田间”监督概念的一个实际例子是人机、主从交互，即在同一块田地上同时运行自主农业机器和人驾驶的机械。

对自主农业机器的监督将从位于人驾驶机械驾驶室内的界面进行。在“田边”的远程监督概念中，农民不操作任何机器。

这使农民有机会参与操作的后勤工作，例如为田地带来补给、进行维修和响应警报。另一方面，“从农场办公室监督”概念更具挑战性，农民很难及时响应田间的需求；优势在于农民可以处理其他与田地无关的任务，而不仅仅关注自主农业机器的监控。

从农场外进行监督理论上允许农民在个人或职业原因下离开农场时仍参与田间操作，尽管处理系统故障会很具挑战性。

这一角色需要委派给其他人，有可能委托给一家代理机构，以一定费用监控和维护自主农业机器。

每个远程监督概念都有相应的优缺点。例如“田间”概念可能具有最短的响应时间，但如果自主农业机器出现故障或需要帮助，整个田地操作可能会停滞，因为手动操作的机械也会停下来，操作员需要处理问题。

在“田边”和“农场办公室”的远程监督概念中，农民不会控制正在运行的任何自主农业机器。因此农民可以管理 i)超出自主农业机器能力的故障，和 ii)与操作相关的其他后勤工作，而无需其他农场工人的帮助。

在这两种远程监督概念中，“田边”的监督可能优于“从农场办公室监督”，因为“田边”更接近自主农业机器，理论上可以更快地响应需要人类干预的故障。

依赖专业服务技术人员进行自主农业机器维护的远程监督概念，由于许多农业操作需要自给自足并及时完成，可能不会被许多农民接受。

影响选择远程监督监控自主农业机器操作的因素还包括农场的大小，自动化界面的易用性，正在进行的田间操作类型，农场的经营结构，农民的偏好，以及未来可能与自主农业机器监督相关的法规。基于未排序的成对比较分析，“田边”的远程监督概念被确定为广阔农田谷物生产者最可行的远程监督概念。

还可以得出结论，远程监督未来自主农业机器需要一个自动化界面，因为它是使人类监督员与自主农业机器进行交互的通信链路。

自动化界面

几十年来，几乎所有关于人因工程学或人机工程学的教科书都有专门章节讨论显示器和控制设计。

显示器必须设计得好，以清晰地向操作员传达机器的状态信息。控制的设计和布局对于允许操作员有效地将指令传达给机器至关重要。

在处理自主机器时，监督员或许有限的原因需要与自主机器进行短期行动的沟通。更合理的预期是，这种沟通方向主要保留给高层管理决策。然而从自主机器到人类监督员的信息流仍然被认为很重要。

一个由自主机器和人类监督员组成的成功系统的关键是一个设计良好的界面，允许自主机器与人类监督员之间进行信息交流。

他们为自动化界面提出了“拖拉机模拟显示” 的术语，用于显示拖拉机单元的遥测数据，显示拖拉机单元在地图上的位置，并通过放置在拖拉机单元上的可转向摄像头实时显示视频。

这些作者讨论了设计避免假阳性和假阴性的自主系统所面临的挑战。尽管他们表达了希望设计出在假阳性一侧出现问题的愿望，但他们进一步提出使用人类作为“远程故障排除员”，将阳性案例分类为真实或虚假。

他们的系统被设计为在拖拉机在道路上检测到障碍物时传输场景图像；这些图像通过“远程操作界面”提交给远程故障排除员。

除了共享遥测数据和实时视频外，界面在检测到障碍物时会发出警告，并解释图像中被分类为障碍物的部分。

在手动的泥炭苔草收获中，团队领袖通过无线电和/或手势信号监督三名或更多的拖拉机操作员团队。

自主泥炭苔草收获系统模仿了手动收获系统，其中人类团队领袖通过“团队领袖用户界面”与自主收割机进行沟通。在这种情况下，界面显示了自主收割机团队的每个机器的遥测信息。此外，使用地图显示了每台收割机的位置，并提供了收获进展的视觉表示。

虽然拖拉机配备了摄像头，并且远程监督员的界面被设计为显示视频，但监督员并不需要持续监视实时视频。

相反当检测到障碍物并且拖拉机停止前进时，会出现警告消息；然后监督员必须查看可用的视频，决定是否需要派工人去清除障碍物，或者警告是虚假阳性，意味着拖拉机可以安全继续前进。

首先预期自动化界面将提供与自主农业机器相关的遥测数据；这些信息对于确保人类监督员机器正常运行至关重要。

需要显示自主机器在其操作环境中的位置，预计自主机器在某些情况下会需要人类干预。

在这些情况下，会向监督员显示警告消息。自主机器将停止，直到问题由监督员解决并清除以恢复操作。

为了使监督员能够看到发生了什么，自主农业机器上需要摄像头，用于传输实时视频，该视频在自动化界面上查看。

确定自动化界面上应包含的信息

如果自动化界面包含不相关的信息，可能会导致界面拥挤，从而降低界面的有效性。另一方面，省略必要信息可能会妨碍监督员有效执行他们的角色。

因此在设计有效的用户界面时，为监督员提供正确的信息至关重要。通过完成需求分析可以确定正确的信息，这涉及识别和了解任务的目标以及用户的角色。

本需求分析是针对监督农业喷雾器任务进行的，并已包含以演示此过程。为了为自主农业喷雾器设计自动化界面，咨询了用户和设计人员。

表在‘非常有用' 列下列出的参数被至少75%的受访者推荐；得出结论这些信息应该包含在自动化界面中。

在进一步的需求分析工作中，与自主农业机器的专家设计师进行了咨询。燃油水平、轮胎压力、电池状态、当前位置、全局田地、罐液位、喷雾压力、施用速率、喷嘴状态和喷杆高度等参数被大多数受访的设计师认为是自动化界面上的基本信息。

结语：

首先假定存在自动化界面是必要的，因为自主农业机器的所有者始终希望有一些手段来监视机器在田地中的状态，在某些情况下可能需要人为输入来诊断问题和/或做出管理决策。

其次假定自动化界面需要包括实时的视觉信息，显示自主农业机器在田地环境中的情况，以补充使用传统方式显示的遥测数据。

实验数据支持实时视觉信息的重要作用，并为相关问题提供了深入的见解，例如：i）摄像头应该指向哪个方向，以提供支持监督任务的信息，ii）摄像头应该如何定位，以产生有用的前瞻信息，iii）如何通知监督员系统问题，以及iv）与无线传输实时视频相关的延迟。

早期的研究结果表明，还可以使用听觉信息通过自动化界面向监督员提供额外的信息。

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