智能技術(shù)與農(nóng)藥

姚建華，徐雯麗，蔣舒仰，黃 迎，胡 靜，李 佳

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智能技術(shù)與農(nóng)藥

姚建華*，徐雯麗，蔣舒仰，黃 迎，胡 靜，李 佳

(中國科學(xué)院 上海有機化學(xué)研究所，上海 200032)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥是用于殺死或控制有害生物、控制害蟲行為或生理狀態(tài)的一種物質(zhì)或者幾種物質(zhì)的混合物及其制劑。顯然，它不但與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切，而且與人類健康、環(huán)境、化學(xué)、生物、生態(tài)和毒理學(xué)具有密不可分的關(guān)系。智能(或人工智能)技術(shù)是為了有效地達到某種預(yù)期的目的，利用知識所采用的多種方法和手段。它已在制造業(yè)(如汽車、飛機、家電和紡織等)、數(shù)據(jù)分析、商務(wù)和建筑等領(lǐng)域得到實際應(yīng)用，并顯示出其特有的作用。介紹了智能技術(shù)在農(nóng)藥研究與創(chuàng)制、使用及管理中的應(yīng)用及作用。

農(nóng)藥；智能技術(shù)；智慧農(nóng)業(yè)；環(huán)境保護

2010年11月，糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織將農(nóng)藥定義為：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物存儲過程中，以任何形式的由一個或多個成分組成的混合物及其制劑，且具有殺死或控制有害生物、控制害蟲的行為或生理狀態(tài)的功能[1]。農(nóng)藥的分類方法有多種，如果根據(jù)農(nóng)藥的作用對象來分類，那么農(nóng)藥主要可分為以下類型：殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、除藻劑、防污劑、抗微生物劑、殺線蟲劑、殺螨劑、昆蟲信息素、驅(qū)蟲劑和殺鼠劑等[2]?；谵r(nóng)藥的定義，那么，農(nóng)藥與化學(xué)、環(huán)境、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、食品安全、人類健康、毒理學(xué)等領(lǐng)域的密切關(guān)系則顯而易見。

歷史記載顯示，早在公元前2000年，人類就開始使用農(nóng)藥保護農(nóng)作物。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是在自然經(jīng)濟條件下，采用人力、畜力、手工工具、鐵器等為主的手工勞動方式，靠世代積累下來的傳統(tǒng)經(jīng)驗發(fā)展，以自給自足的自然經(jīng)濟居主導(dǎo)地位的農(nóng)業(yè)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)具有低能耗、低污染等特征。

隨著人類社會的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已不能滿足人類社會的需求，盡管它具有低能耗、低污染等優(yōu)點。為了滿足人類社會發(fā)展的需求，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

智慧農(nóng)業(yè)是將物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)、生物、化學(xué)、機械電子、管理學(xué)、電子商務(wù)等技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、商業(yè)和環(huán)保等工作，以實現(xiàn)智能管理和控制，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對人力和自然因素的依賴度。智慧農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容包括：精準管理、精準用藥、環(huán)保、資源再利用和農(nóng)業(yè)商務(wù)(貿(mào)易)。除農(nóng)業(yè)商務(wù)外，其他四個方面均與農(nóng)藥有關(guān)。其中，精準管理主要指：根據(jù)采集到的信息分析結(jié)果與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃以及相關(guān)的生產(chǎn)方案；精準用藥主要內(nèi)容包括：實時檢測農(nóng)作物生產(chǎn)相關(guān)的土壤、環(huán)境和病害狀況，分析檢測結(jié)果，制定用藥方案和合理施藥；環(huán)保和資源再利用的工作主要涉及：環(huán)境實時監(jiān)測和分析，及時停止不合理的用藥方案；農(nóng)用廢棄物的合理處理和利用：研究廢棄物對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛在作用，建立使用和利用它們的策略、方法和技術(shù)，將它們對環(huán)境和生態(tài)的危害性降至最低。為此，人們可以認識到智慧農(nóng)業(yè)涉及的生態(tài)保護、農(nóng)作物的產(chǎn)量與安全性和降低對勞動力及自然條件的依賴度等內(nèi)容，均與農(nóng)藥的研究與創(chuàng)制、使用和管理關(guān)系密切。

可見，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式相比，智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式的實現(xiàn)和應(yīng)用，將更有益于國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生更微弱的不良影響。

智慧農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)，除了需要吸取傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中精華部分，還需要智能技術(shù)。本文將介紹智能技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥研究和創(chuàng)制、合理使用、精準管理中的應(yīng)用及作用。

1 智能技術(shù)

智能(或人工智能)技術(shù)是為了有效地達到某種預(yù)期的目的，利用知識所采用的多種方法和手段[3]：如人工智能方法、計算機技術(shù)和信息技術(shù)等。曹承志教授在其《人工智能技術(shù)》[4]一書中，比較全面地列出了智能技術(shù)所包含的主要內(nèi)容，如智能控制、知識表示、知識推理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機器學(xué)習(xí)等方法和技術(shù)。

事實上，智能技術(shù)在化學(xué)研究領(lǐng)域已得到應(yīng)用，并已形成了對應(yīng)的學(xué)科：化學(xué)信息學(xué)，它是利用信息學(xué)方法和技術(shù)，解決化學(xué)問題的學(xué)科[5]。其中，化學(xué)問題主要涉及3個方面：分子設(shè)計、合成設(shè)計和結(jié)構(gòu)確定?；瘜W(xué)信息學(xué)的方法主要有3種：基于數(shù)據(jù)(Data-based，D)、基于邏輯(Logic-based，L)和基于原理(Principle-based，P)?；跀?shù)據(jù)：即建立多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，在化學(xué)研究工作中利用已收錄的數(shù)據(jù)；這種方法適用于獲取已報道的信息。基于邏輯：即采用歸納、推理和分類等數(shù)據(jù)分析方法，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成知識，并對知識實施有效的管理，以便于知識合理地應(yīng)用于化學(xué)研究工作；這種方法適用于處理大批量的對象。基于原理：即采用量子化學(xué)的理論計算方法，計算化合物的相關(guān)性質(zhì)；這種方法通常用于機理研究[6]。

Viktor Mayer-Schonberger博士等預(yù)言[7]：大數(shù)據(jù)將改變?nèi)祟愄剿魇澜绲姆椒?。在小?shù)據(jù)時代，人們會假想世界是怎么運作的，然后通過收集數(shù)據(jù)來驗證這種假想。在不久的將來，人們會在大數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下探索世界，不再受限于各種假想。人們的研究對象是數(shù)據(jù)，也因為數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了以前不曾發(fā)現(xiàn)的關(guān)系。這將是知識發(fā)現(xiàn)的有效途徑。

2 智能技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)容主要包括：精準管理、精準用藥、環(huán)保、資源再利用和農(nóng)業(yè)商務(wù)(貿(mào)易)等內(nèi)容。其中，生態(tài)保護、農(nóng)作物的產(chǎn)量與安全性和降低對勞動力及自然條件的依賴度等核心內(nèi)容，均與農(nóng)藥關(guān)系密切。在此，將介紹智能技術(shù)在農(nóng)藥的研究與開發(fā)、合理使用和管理中的應(yīng)用及其作用。

2.1 農(nóng)藥的研究與創(chuàng)制

眾所周知農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、毒理學(xué)、環(huán)境以及人類健康關(guān)系密切。隨著人們對環(huán)境、生態(tài)保護意識的增強，對人類健康的關(guān)注提高，對農(nóng)藥的評價，已從單純的評價農(nóng)藥的效力，擴展為既評價農(nóng)藥的效力，又評價它的環(huán)境友好性，對人類和其他生物的可能危害性和毒性。

通常，一個農(nóng)藥包括活性化合物和助劑兩部分，兩者的本質(zhì)都是化合物?；钚曰衔锏淖饔檬菤⑾x、殺菌、驅(qū)蟲、除草、殺螨、殺鼠等，助劑的功能是輔助活性化合物在被作用的生物上產(chǎn)生效力。因此，農(nóng)藥的研究與創(chuàng)制從本質(zhì)上講是分子設(shè)計工作，即研究農(nóng)藥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特定作用，以及對環(huán)境產(chǎn)生影響的原因，設(shè)計對農(nóng)作物生長有益，且對人類健康和環(huán)境無負面影響的農(nóng)藥。傳統(tǒng)的分子設(shè)計模式，主要依靠靈感和經(jīng)驗，設(shè)計工作的流程如圖1所示?，F(xiàn)代的分子設(shè)計模式，既充分利用靈感和經(jīng)驗，又將化學(xué)信息學(xué)方法和技術(shù)用于分子設(shè)計工作，其工作流程如圖2所示。

圖1與圖2顯示的2種工作流程的主要區(qū)別：后者在合成化合物之前，增加了應(yīng)用智能技術(shù)預(yù)測化合物性質(zhì)的內(nèi)容，這些性質(zhì)(如活性，a值，疏水常數(shù)和毒性等)與化合物能否成為農(nóng)藥關(guān)系密切。同時，它們也體現(xiàn)了化合物對人類健康和環(huán)境的影響因素。從理論上講，這種工作模式的農(nóng)藥創(chuàng)制效率將比圖1的工作模式高。

圖1 傳統(tǒng)分子設(shè)計模式的流程

圖2 現(xiàn)代分子設(shè)計模式的流程

在國家科技部基礎(chǔ)研究項目的資助下，建立了若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機輔助化合物設(shè)計方法和軟件系統(tǒng)[8]，并在此基礎(chǔ)上建立的“農(nóng)藥的虛擬設(shè)計平臺”(如圖3所示)主要由三大部分組成：數(shù)據(jù)庫、知識庫和軟件(主要功能為：預(yù)測和機理研究)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括：農(nóng)用化學(xué)品數(shù)據(jù)庫、化合物毒性數(shù)據(jù)庫、農(nóng)藥代謝數(shù)據(jù)庫和農(nóng)藥靶標數(shù)據(jù)庫等；知識庫系統(tǒng)包括：代謝知識庫、毒性知識庫和生物活性知識庫；軟件主要包括化合物農(nóng)藥活性、毒性、代謝途徑預(yù)測系統(tǒng)，配體與受體相互作用計算軟件等。這個平臺將信息檢索、性質(zhì)預(yù)測和機理研究3個功能集成在一起。

2.2 農(nóng)藥的合理使用

不合理的使用農(nóng)藥將導(dǎo)致對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不良影響，如病/蟲對農(nóng)藥產(chǎn)生抗藥性，農(nóng)藥本身或其代謝物積聚到一定程度，對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不良影響。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)農(nóng)作物生長及其儲運過程的實際情況，制定合理的使用方案尤為重要。目前，人們主要依靠經(jīng)驗制定農(nóng)藥使用方案，但其局限性已逐步顯示。智慧農(nóng)業(yè)關(guān)注的內(nèi)容：生態(tài)保護和農(nóng)作物安全性，均與農(nóng)藥的合理使用密切有關(guān)。因此，在制定農(nóng)藥使用方案時，應(yīng)該將土壤使用、施藥、土壤成分、環(huán)境和病害等諸多信息集成一體，采用“經(jīng)驗+智能技術(shù)”的策略和方法，對信息進行綜合分析，制定合理的用藥方案，并采集用藥后的藥效信息、環(huán)境、土壤成分等變化信息，動態(tài)優(yōu)化用藥方案。

圖3 農(nóng)藥的虛擬設(shè)計平臺

2.3 農(nóng)藥的精準管理

眾所周知，任何事物都有兩面性。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用的同時，也存在著不可忽視的危害和危險性：如因誤用而危及人的生命，存放或排放而污染環(huán)境或危害生態(tài)。這就要求管理者實時了解農(nóng)藥使用、存放和排放的信息，掌握相關(guān)事故的處理方案，即判斷對環(huán)境影響。因此，智慧農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)需要農(nóng)藥管理的精準化。

農(nóng)藥的精準管理是一個以量化管理為基礎(chǔ)，不斷改進為循環(huán)，以農(nóng)藥管理(使用、存放、排放、生態(tài)、環(huán)境等方面)為單元的管理模式。“精”主要指簡化、易操作，降低農(nóng)藥管理成本，提高管理效率和結(jié)果的質(zhì)量；“準”主要是指農(nóng)藥管理產(chǎn)生問題的真正原因、解決措施、實施方案、責(zé)任歸屬等，影響管理結(jié)果的各種因素、解決措施、實施方案、責(zé)任歸屬等；即“準”就是要量化、細化、可操作化。

為此，人們可以認識到傳統(tǒng)的人工管理方法難以滿足農(nóng)藥精準管理的要求。由于智能技術(shù)可以實現(xiàn)實時采集農(nóng)藥的存放、排放、使用及使用效果的信息，分析和發(fā)布相關(guān)信息，及時優(yōu)化管理方案，即可以滿足農(nóng)藥的精準管理要求，實現(xiàn)農(nóng)藥的精準管理。

3 結(jié) 論

本文簡要闡述了智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)中，智能技術(shù)在農(nóng)藥研究與創(chuàng)制、使用及管理中的應(yīng)用及作用?；瘜W(xué)信息學(xué)方法和技術(shù)是化學(xué)領(lǐng)域的一種智能技術(shù)。其中，基于數(shù)據(jù)的方法，可提高已有試驗數(shù)據(jù)的使用效率；基于邏輯的方法既有效利用了已有的試驗數(shù)據(jù)，又從數(shù)據(jù)中獲得知識，利用知識推理，實現(xiàn)化合物的性質(zhì)預(yù)測。預(yù)測技術(shù)是對數(shù)據(jù)庫信息的一種有效擴充。

隨著計算機科學(xué)與技術(shù)、信息科學(xué)的發(fā)展，智能技術(shù)將有效促進目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能管理、智能設(shè)計和智能制造。

[1] FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS, WORLD HEALTH ORGANIZATION. Manual on development and use of FAO and WHO specifications for pesticides[M]. Rome: 2010.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pesticide.

[3] 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所智能信息處理重點實驗室智能科學(xué)課題組. 智能技術(shù)[EB/OL]. [2017-10-2]http://www.intsci.ac.cn/tech/.

[4] 曹承志. 人工智能技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2010.

[5] J. GASTEIGER, T. ENGEL. Chemoinformatics, a textbook[M]. Germany: WILEY-VCH, 2003.

[6] 中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所計算機化學(xué)課題組. 學(xué)科介紹[EB/OL]. [2017-10-2] http://202.127.145.116/xkjs.htm.

[7] EDS. VIKTOR MAYER-SCHONBERGER, KENNETH CUKIER, JOHN MURRAY. Big Data: a revolution, that will transform how we live, work and think[M]. UK, 2013.

[8] 中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所計算機化學(xué)研究小組. [2017-10-2] http://202.127.145.116.

Intelligent Technology and Pesticide

YAO Jianhua, XU Wenli, JIANG Shuyang, HUANG Ying, LING Min, HU Jing, LI Jia

(Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200032, China)

Pesticide could be used to kill or control pests (insecticides, fungicides, herbicides, etc.) but, for the present purposes, it also embraced certain materials to control the behaviour or physiology of pests (e.g. insect repellents and insect growth regulators) or of crops during production or storage. Obviously, pesticide has close relationships not only with agriculture but also with chemistry, environment, ecology, biology, food safety, public health, toxicology and etc. Intelligent technology involved various methods and means which were used to achieve some desired purpose effectively. It had been applied in several manufacturing domains (i.e automobile, aircraft, household electrical appliance and textile, etc.), data analysis, business and architecture and played a key role. Herein, the role and application of intelligent technology in study, development, application and management of pesticide would be presented.

pesticide; intelligent technology; intelligent agriculture; protection of environment

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.01

TQ450

A

1009-6485(2017)05-0001-03

姚建華(1963—)，女，研究員，博士，研究方向：化學(xué)信息學(xué)方法與應(yīng)用研究。E-mail: yaojh@mail.sioc.ac.cn。

2017-09-30。