基于云計(jì)算的農(nóng)業(yè)信息化優(yōu)勢(shì)分析

劉永波，唐江云，曹艷，胡亮，雷波

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所，四川成都610066）

基于云計(jì)算的農(nóng)業(yè)信息化優(yōu)勢(shì)分析

劉永波，唐江云，曹艷，胡亮，雷波

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所，四川成都610066）

近年來(lái)，隨著云計(jì)算的興起和快速發(fā)展，云計(jì)算給農(nóng)業(yè)信息化帶來(lái)了新的契機(jī)。以云計(jì)算為核心的農(nóng)業(yè)云服務(wù)模式對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化模式造成巨大沖擊，分析比較2種模式的優(yōu)劣勢(shì)并合理的選擇使用，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。以農(nóng)業(yè)云服務(wù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化為研究背景，將云服務(wù)模型引入農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)建設(shè)中，探討云服務(wù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方向，并從敏捷性、成本、準(zhǔn)確度3個(gè)方面分析了云計(jì)算特點(diǎn)及其在農(nóng)業(yè)信息化中的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)云服務(wù)模式下的應(yīng)用前景做了進(jìn)一步的展望。

云計(jì)算；農(nóng)業(yè)信息化；智慧農(nóng)業(yè)；云平臺(tái)

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息化是指以農(nóng)業(yè)信息科學(xué)為理論指導(dǎo)，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)為工具，用信息流調(diào)控農(nóng)業(yè)活動(dòng)的全過(guò)程，以信息和知識(shí)投入為主體的可持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)信息化既包括計(jì)算機(jī)技術(shù)，也包括微電子技術(shù)、通信技術(shù)、光電技術(shù)、遙感技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上普遍而系統(tǒng)的應(yīng)用[1]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化水平提高，數(shù)據(jù)量急劇攀升、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)性能遇到了瓶頸，磁盤(pán)IO能力、服務(wù)器處理能力逐漸滿足不了工作的要求。

近年來(lái)興起的云計(jì)算模式為構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺(tái)提供了新思路。云計(jì)算是2006年由谷歌CEO埃里克·施密特提出的新型服務(wù)模式，得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的極大關(guān)注[2]。云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用、便捷、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件、服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互[3]。作為一種新的IT資源提供模式，將云計(jì)算服務(wù)引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

1 云服務(wù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)信息化的核心運(yùn)用主要體現(xiàn)在：一是建設(shè)農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)；二是發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)云計(jì)算的運(yùn)用為信息化帶來(lái)了大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和以時(shí)間和存儲(chǔ)量收費(fèi)的資源服務(wù)方式。在減少客戶對(duì)硬件設(shè)備依賴的同時(shí)，擴(kuò)充了設(shè)備計(jì)算能力，提升信息化運(yùn)行效率。因此，云服務(wù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用重點(diǎn)致力于以下幾個(gè)方面。

1.1 基于云服務(wù)的海量農(nóng)作物信息存儲(chǔ)

早期的農(nóng)業(yè)信息多為一些簡(jiǎn)單的文字和圖片類信息，此類信息內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單且更新慢。自農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，田間傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物信息，使得農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)量呈井噴式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)服務(wù)器存儲(chǔ)方式已不能滿足需求。云服務(wù)可將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行PB級(jí)的存儲(chǔ)、處理、分析[4]。且云存儲(chǔ)具有價(jià)格低廉、安全可靠、易于擴(kuò)容的優(yōu)點(diǎn)，為用戶提供了數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)環(huán)境和能力。以騰訊云為例，1TB存儲(chǔ)空間年費(fèi)僅需151元，極大程度降低了信息化建設(shè)的門檻。

1.2 基于云計(jì)算的生物信息數(shù)據(jù)處理

在生物信息數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，通常面對(duì)的序列數(shù)據(jù)高達(dá)幾十個(gè)G甚至幾百G[5]，處理如此龐大的數(shù)據(jù)量即使是高性能的服務(wù)器晝夜不停工作，有時(shí)也需要花上幾天甚至30 d以上的時(shí)間。通過(guò)云計(jì)算的海量信息處理能力及彈性伸縮的優(yōu)勢(shì)，可最大程度集約化資源，用于處理生物信息數(shù)據(jù)。2015年中國(guó)農(nóng)科院已經(jīng)與阿里云等多家單位合作共同推動(dòng)“云之稻項(xiàng)目”，承接數(shù)量龐大的3 000份水稻核心種質(zhì)基因組測(cè)序工作[6]。

1.3 基于云計(jì)算的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，土壤墑情采集、智能灌溉系統(tǒng)、自動(dòng)化溫室、智能飼料投放等傳感設(shè)備的運(yùn)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)。但由于上網(wǎng)的條件和相應(yīng)的操作技能有限[7]，僅憑農(nóng)戶的技術(shù)水平無(wú)法直接利用這些原始數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)專家也只有在定量分析的基礎(chǔ)上才能做出準(zhǔn)確的判斷和決策，所以，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理需要智能化的大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)支持[8]。

引入云計(jì)算智能分析技術(shù)，農(nóng)戶只需購(gòu)置少量遠(yuǎn)端自動(dòng)化生產(chǎn)工具，無(wú)需獨(dú)立的控制系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)“云端”控制。遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控應(yīng)用將成為田間地頭的技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化使得勞動(dòng)力得到解放、生產(chǎn)力得到提升，進(jìn)一步促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展[9]。云計(jì)算的實(shí)施對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、決策和指導(dǎo)有重要應(yīng)用價(jià)值。

2 農(nóng)業(yè)云服務(wù)模式與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 云服務(wù)模式的敏捷性優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化模式下，搭建一套信息化平臺(tái)，會(huì)涉及到采購(gòu)設(shè)備、搭建機(jī)房、遷入網(wǎng)絡(luò)等一系列工作，過(guò)程復(fù)雜且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。在云服務(wù)模式下，只需要一名熟悉計(jì)算機(jī)的人員，租用云服務(wù)空間，配置好系統(tǒng)環(huán)境，即可實(shí)現(xiàn)信息化平臺(tái)的運(yùn)行，部署時(shí)間僅需1 h，極大地提高了工作效率。

云服務(wù)所帶來(lái)的敏捷性優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在時(shí)間上。從部署時(shí)間、易擴(kuò)展性、是否需要運(yùn)維支持、數(shù)據(jù)遷移易用性、是否支持彈性計(jì)算等5個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)比較[10]，結(jié)果列于表1。

表1 傳統(tǒng)信息化模式與云服務(wù)模式敏捷性對(duì)比

從表1可以看出，傳統(tǒng)信息化模式受硬件設(shè)備的制約，不易擴(kuò)展內(nèi)存容量，也不易進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)遷移，同時(shí)還需要運(yùn)維人員日常維護(hù)。云服務(wù)具有更強(qiáng)的敏捷性、靈活性，其特有的彈性計(jì)算能力更是避免了系統(tǒng)在峰值運(yùn)行時(shí)的擁堵和在低流量時(shí)的浪費(fèi)，有效合理分配了云端資源。在敏捷性、靈活性上傳統(tǒng)信息化模式完全落后于云服務(wù)模式。

2.2 云服務(wù)模式的成本優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)外云服務(wù)平臺(tái)層出不窮，要比較農(nóng)業(yè)云服務(wù)器與傳統(tǒng)服務(wù)器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，就需要了解各大云平臺(tái)的資費(fèi)狀況。筆者以國(guó)內(nèi)主流的阿里云、騰訊云、華為云、西部數(shù)碼云為例[11]，收集了不同參數(shù)配置下云平臺(tái)服務(wù)的價(jià)格。由表2可知，費(fèi)用的大小是根據(jù)選擇的配置高低而定；在相同配置下，因各個(gè)供應(yīng)商擅長(zhǎng)的領(lǐng)域不同，價(jià)格也存在一定的差距。

傳統(tǒng)硬件服務(wù)器也會(huì)因配置的差異導(dǎo)致費(fèi)用的變化。要比較二者的價(jià)格優(yōu)勢(shì)需選擇同一配置水平做橫向比較。分別以低端、高端2種配置為例，選擇對(duì)應(yīng)的服務(wù)器配置作為費(fèi)用測(cè)算的目標(biāo)。傳統(tǒng)服務(wù)器的費(fèi)用主要包含2個(gè)方面：一是初期購(gòu)入硬件設(shè)備的費(fèi)用（包括服務(wù)器、顯示器、防火墻等）；二是運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用（電費(fèi)、寬帶費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)等）[12]；服務(wù)器一般能保障正常工作的時(shí)間大約是5 a，因此，以5 a作為測(cè)算的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。電費(fèi)和寬帶費(fèi)用以當(dāng)?shù)刭Y費(fèi)為準(zhǔn)，測(cè)算依據(jù)是根據(jù)服務(wù)器電源功率在24 h不間斷運(yùn)行情況下所消耗的電力。2種配置的成本測(cè)算如表3所示。

表2 國(guó)內(nèi)云平臺(tái)服務(wù)商報(bào)價(jià)

表3 硬件服務(wù)器預(yù)算統(tǒng)計(jì)

由圖1，2可知，以設(shè)備使用5 a為前提，無(wú)論是采用低端還是高端配置的硬件服務(wù)器，在總費(fèi)用上要高出采用云服務(wù)器費(fèi)用12%～43%，對(duì)于個(gè)人用戶或是企業(yè)用戶而言都是一筆不小的開(kāi)支。

若硬件設(shè)備使用在5 a以上甚至10 a，費(fèi)用是否會(huì)比云服務(wù)器更加實(shí)惠呢？因設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在一定的不確定性，測(cè)算成本需要建立在一個(gè)理想的狀態(tài)，即假定硬件服務(wù)器不會(huì)損壞。實(shí)際上，幾乎所有的硬件產(chǎn)品保修期都在3 a以內(nèi)，使用超過(guò)5 a以上的硬件因元件的耗損或多或少都會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。如果將維護(hù)硬件的費(fèi)用也算在成本內(nèi)，費(fèi)用會(huì)更高。由圖3可知，硬件服務(wù)器初期投入費(fèi)用高昂，搭建完成后每年費(fèi)用主要來(lái)自運(yùn)維，運(yùn)行到一定年限后會(huì)因?yàn)橛布膿p耗，維護(hù)費(fèi)用逐年上升。相比較之下，云服務(wù)每年的費(fèi)用固定，利于資金的計(jì)劃和分配，總費(fèi)用也要低于硬件服務(wù)器，云服務(wù)在成本控制上優(yōu)勢(shì)明顯。

2.3 精度優(yōu)勢(shì)分析

隨著農(nóng)業(yè)傳感設(shè)備的廣泛運(yùn)用，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已在各個(gè)國(guó)家得到大力推廣。傳感設(shè)備的普及讓各地的農(nóng)田數(shù)據(jù)，如大棚溫濕度、土壤墑情、天氣信息等都源源不斷地經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)流入農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中心。豬、奶牛等動(dòng)物聯(lián)合育種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和健康養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用整體提升了畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)管理水平[13]。但由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)的局限性，大量的農(nóng)田數(shù)據(jù)只是得到了保存卻沒(méi)有真正利用起來(lái)。直到農(nóng)業(yè)云服務(wù)的誕生，云服務(wù)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的云端計(jì)算能力，在云計(jì)算模式下將數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專家研究的各種專業(yè)模型和算法相結(jié)合，就能為全國(guó)各地的農(nóng)場(chǎng)提供全方位的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)決策服務(wù)。

韓國(guó)率先將云計(jì)算引入到農(nóng)場(chǎng)畜牧業(yè)中。一頭母牛的可孕時(shí)間只有不到16 h，因此，農(nóng)場(chǎng)管理員僅依靠養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)用肉眼觀察母牛的行為狀態(tài)，很容易錯(cuò)過(guò)繁殖的黃金期。韓國(guó)富士通公司以計(jì)步器＋云計(jì)算為模型設(shè)計(jì)出“牛步系統(tǒng)”。該系統(tǒng)的運(yùn)行讓富士通SaaS云平臺(tái)中心每隔1 h就能收到母牛的步伐數(shù)信息，SaaS云平臺(tái)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)手機(jī)端發(fā)送給農(nóng)場(chǎng)管理員（圖4）[14]。使得農(nóng)場(chǎng)管理員有接近100%的概率準(zhǔn)確定位發(fā)情的母牛。通常牛繁殖所需平均時(shí)間為14個(gè)月，在云計(jì)算的幫助下可縮短到12月1產(chǎn)，繁殖率得到提升，農(nóng)場(chǎng)的銷售量也就大幅度增加。

在云端控制的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，云數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)收集并處理數(shù)據(jù)，來(lái)幫助農(nóng)民在播種、施肥和收割作物等方面做出最明智的決策。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息化模式下，由于傳感器采集頻率低，覆蓋范圍小，對(duì)作物的生產(chǎn)很難起到本質(zhì)的改變。以化肥為例，目前我國(guó)是全球最大的化肥消費(fèi)國(guó)，水稻、玉米單產(chǎn)比發(fā)達(dá)國(guó)家更高，但代價(jià)是生產(chǎn)同等糧食所用的化肥是發(fā)達(dá)國(guó)家的3～4倍[15]。國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)表明，由于盲目施肥，每年全國(guó)農(nóng)場(chǎng)化肥的浪費(fèi)量高達(dá)幾百萬(wàn)噸，還對(duì)地下水和土壤造成大量污染[16]。如今，采用高精度的“施肥決策云服務(wù)系統(tǒng)”，可實(shí)現(xiàn)在肥力高的地方密植，在肥力低的地方稀植[17]。僅此一項(xiàng)改變，即可實(shí)現(xiàn)玉米每公頃增產(chǎn)百斤以上，同時(shí)減少肥料的浪費(fèi)。

3 討論和結(jié)語(yǔ)

云服務(wù)以靈活、高效、低成本的優(yōu)勢(shì)為農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)帶來(lái)新的可能，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題。主要體現(xiàn)在：第一，數(shù)據(jù)安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)。若將農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)部署在云服務(wù)器上，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)便存在于云服務(wù)供應(yīng)商的服務(wù)器中。而提供云服務(wù)的廠商也并非全部擁有自己的數(shù)據(jù)中心，一旦租用第三方的云平臺(tái)，那么就存在服務(wù)提供商管理人員權(quán)限的問(wèn)題[18]。換言之只要云服務(wù)供應(yīng)商愿意，便可以輕易提取出用戶寄存的數(shù)據(jù)。第二，農(nóng)業(yè)云技術(shù)普及度不高。信息技術(shù)的廣泛普及使全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得極大的發(fā)展。由于我國(guó)農(nóng)民的文化水平不高，對(duì)新技術(shù)的接受力有限，加上使用智慧云農(nóng)業(yè)前期需要大量的資金投入。這使得農(nóng)業(yè)云技術(shù)在基層農(nóng)戶市場(chǎng)的推廣舉步維艱。第三，農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的企業(yè)大多自成一派，擁有各自的一套服務(wù)體系，制造的傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)地區(qū)采集的數(shù)據(jù)量看似龐大，卻很難互通共用，造成大量資源浪費(fèi)。

因存在以上問(wèn)題，云服務(wù)尚不能完全替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化模式。當(dāng)前云服務(wù)模式正處于上升階段，不僅僅是農(nóng)業(yè)，未來(lái)會(huì)有更多的領(lǐng)域涉及到云服務(wù)。怎樣抓住云計(jì)算發(fā)展的契機(jī)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，會(huì)是未來(lái)農(nóng)業(yè)信息化工作者研究的重點(diǎn)。

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Analysis on Advantages of Agricultural Informatization Base on Cloud Computing

LIUYongbo，TANGJiangyun，CAOYan，HULiang，LEI Bo
（Institute of Agricultural Information and Rural Economy，Sichuan Academy of Agricultural Sciences，Chengdu 610066，China）

In recent years,with the rise and rapid development of cloud computing,which bring a new opportunity for agricultural informatization.Agricultural cloud services model which core is the cloud computing give traditional mode of agricultural informatization huge blow.How to analyze and comparative advantages and disadvantages of the two models and make reasonable choices become the focus of current research.Based on agricultural cloud services and agricultural informatization environment,cloud computing model was introduced into the agricultural informatization service platform construction in this study,it was discussed on the application of cloud services in agriculture.The characteristics of cloud computing and its advantages in agricultural informatization were analyzed from three aspects of agility,cost and accuracy.At the same time,the prospect in the research of agricultural cloud services were fore casted.

cloud computing;agricultural informatization;wisdom agriculture;cloud platforms

S126

A

1002-2481（2016）11-1719-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.34

2016-07-05

“十三五”農(nóng)作物及畜禽育種戰(zhàn)略研究與云服務(wù)平臺(tái)建設(shè)；四川省科技文獻(xiàn)共享服務(wù)平臺(tái)

劉永波（1988-），男，四川甘洛人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化與軟件開(kāi)發(fā)。唐江云為通信作者。