對發(fā)展農(nóng)業(yè)智能科技的思考

如今，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展對于精準(zhǔn)、高效十分倚重，推進(jìn)智能化成為行業(yè)主流趨勢，智能科技逐漸介入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在第四屆世界智能大會上，國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任、中國工程院院士趙春江，從我國農(nóng)業(yè)面臨的問題、農(nóng)業(yè)中的智能科技，以及大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)三個方面進(jìn)行了分析，闡述了對發(fā)展農(nóng)業(yè)智能科技的新思考。

我國農(nóng)業(yè)面臨的問題

首先，介紹一下我國目前面臨的農(nóng)業(yè)問題。我國面臨的農(nóng)業(yè)問題很多，其中很重要的一個問題就是種地的人越來越少。隨著城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)村的勞動力大幅度減少。2019年，我國的城鎮(zhèn)化率是60%，到2020年就要超過61%，到2030年將會超過70%，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，使得農(nóng)村人口大量減少，勞動力也大幅度減少。世界銀行的報告數(shù)據(jù)顯示，從1991年到2018年，中國農(nóng)村勞動力、農(nóng)業(yè)就業(yè)人數(shù)從60%下降到26.1%。當(dāng)然，世界農(nóng)業(yè)的農(nóng)村勞動力也在減少，說明城鎮(zhèn)化加快是全世界面臨的一個普遍問題，但是我國農(nóng)村勞動力減少的數(shù)量更多一些。

第二個問題是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)效益差。目前，根據(jù)2005年不變價格計算，我國農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)值是800—1000美元，這主要是因為小農(nóng)戶、地塊比較小、碎片化程度高。2020年，根據(jù)初步統(tǒng)計，現(xiàn)在有2.2億農(nóng)戶，50畝以下農(nóng)戶占全國耕地總面積的80%，由于規(guī)模小，所以生產(chǎn)效率比較低，和歐美、日韓相比，我們?nèi)司r(nóng)業(yè)產(chǎn)值還是比較低的。2018年，中國農(nóng)業(yè)勞動力占全行業(yè)、全社會的勞動力比重是26.1%，但是農(nóng)業(yè)GDP只占全國GDP的7.2%。

第三個問題是資源利用效率低。由于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部實行雙減的政策，從2010年開始，我國化肥與農(nóng)藥的投入量在不斷減少。但總的來看，氮肥的利用率不是特別高，2017年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是37.8%，農(nóng)藥的有效使用率是38.8%，與發(fā)達(dá)國家相比還具有一定的差距。基于這些問題，我們在不斷尋找一些能夠通過技術(shù)解決的方案。

近年來，信息技術(shù)發(fā)展迅速，信息技術(shù)的快速發(fā)展成為整個社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要引擎。當(dāng)前，前沿性的信息技術(shù)，比如人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，簡稱為“ABCD5i”，這些技術(shù)和傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行融合之后導(dǎo)致了新的革命，其中和農(nóng)業(yè)進(jìn)行的深度融合引發(fā)了農(nóng)業(yè)的第三次革命——農(nóng)業(yè)數(shù)字革命。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)數(shù)字革命正在發(fā)生，還沒有結(jié)束，在這個過程中的核心要素是數(shù)據(jù)（信息）、知識和智能。農(nóng)業(yè)數(shù)字革命的高級表現(xiàn)形態(tài)就是智能農(nóng)業(yè)或智慧農(nóng)業(yè)，這兩個詞的區(qū)別在于角度不同。智慧農(nóng)業(yè)是從人/管理的角度來考慮的，而智能農(nóng)業(yè)是從機(jī)器的角度考慮的，智能/智慧本質(zhì)上沒有特別大的差異?！按罅ν七M(jìn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化、智能化，給農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀”，這為我國發(fā)展智能農(nóng)業(yè)指明了方向。

農(nóng)業(yè)中的智能科技

農(nóng)業(yè)中的智能科技，“智能”兩個字重點指的是機(jī)器智能。機(jī)器智能的基礎(chǔ)是計算，核心是機(jī)器學(xué)習(xí)，通過機(jī)器智能去輔助、延伸人類的能力，以提高工作效率。機(jī)器智能模仿了人類的多種能力。一個是感知力，對事物的判別，對圖像、動植物的個體識別等方面;第二個是行動力，使機(jī)器像人一樣行動，如焊接、物體搬運(yùn);第三個是腦智力，像人一樣思考和處理問題的能力。

農(nóng)業(yè)中的智能科技不等同于簡單的信息領(lǐng)域中的智能科技。新一代人工智能技術(shù)包括五大方面：大數(shù)據(jù)智能、跨媒體智能、群體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能、自主無人系統(tǒng)。這些共性的智能科技和農(nóng)業(yè)融合之后，形成橫斷交叉、具有農(nóng)業(yè)特色和特點的智能科技。比如，農(nóng)業(yè)動植物智能識別（認(rèn)知計算，發(fā)現(xiàn)知識與規(guī)律）;農(nóng)業(yè)跨媒體數(shù)據(jù)挖掘分析（機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識別、病蟲草害識別）;基于5G+區(qū)塊鏈進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理;人機(jī)協(xié)同與農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)（無人農(nóng)業(yè)、智慧管理）;農(nóng)業(yè)無人機(jī)混合智能交互與虛擬現(xiàn)實（AR/VR，果樹剪枝、動物手術(shù)）;農(nóng)業(yè)機(jī)器人與農(nóng)業(yè)無人系統(tǒng)。

下面介紹三個具有代表性的、典型的，在農(nóng)業(yè)中非常重要的智能科技。

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能。它是以人工智能手段對大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，探析其隱含模式和規(guī)律的智能形態(tài)，實現(xiàn)從大數(shù)據(jù)到知識、進(jìn)而決策的理論方法和支撐技術(shù)。隨著新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能化已經(jīng)發(fā)生了很大的變化：從粗糙的低精度分析向更加精準(zhǔn)的高精度方向發(fā)展;從過去較為直觀的淺層特征分析到現(xiàn)在復(fù)雜關(guān)聯(lián)的深層特征分析;從有限特征的簡單關(guān)聯(lián)到農(nóng)業(yè)體系內(nèi)多因素、多系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)?；诖髷?shù)據(jù)智能化可以做很多事情，例如可以使用大數(shù)據(jù)搭建信息服務(wù)平臺，以基于大數(shù)據(jù)的全國農(nóng)業(yè)科教云平臺為例，在這個平臺中，覆蓋了3550個品種的全息知識圖譜庫，1000多萬張知識圖集，200多萬條知識規(guī)則，以及1.2萬個生產(chǎn)管理模型。這些知識是怎么來的呢？主要是通過數(shù)據(jù)挖掘和分析，探索它們之間內(nèi)部的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系逐漸形成的。通過這種大數(shù)據(jù)，我們可以構(gòu)建全息的知識圖譜，有利于從智能化的程度，智能化的角度來做好有針對性的、個性化的增值具體服務(wù)。

農(nóng)業(yè)AR/VR技術(shù)。AR/VR技術(shù)可能不是最新的技術(shù)，但是一個很實用的技術(shù)。AR主要是圖像增強(qiáng)，VR重點是虛擬設(shè)計。在下面這個例子中，我們主要是基于圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行表型信息的解析。對于玉米的莖稈來說，通過CT掃描之后可以形成維管束分布的圖像，但是由于維管束比較小，分布不規(guī)律等原因，維管束在空間的分布不便于觀察，我們需要通過圖像增強(qiáng)技術(shù)，把維管束整個莖稈橫切面面積、維管束總數(shù)目、周皮區(qū)/髓區(qū)維管束數(shù)目、周皮區(qū)/髓區(qū)維管束分布密度都計算、分析出來。通過AR技術(shù)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的識別，識別之后發(fā)現(xiàn)，不同的玉米品種之間，微管束的空間分布、束目數(shù)，包括整個體積變化等存在顯著差異。這為我們認(rèn)識玉米的生物學(xué)特性提供了一個方法性的基礎(chǔ)。目前，我們通過一些核心算法做成軟件，可以進(jìn)行批量的圖像處理來觀察大量自交系維管束的分布特征。如果是養(yǎng)魚的話，魚在水底下，水比較渾濁時看不清魚在水底下的行為表現(xiàn)和狀態(tài)，而這恰恰是喂魚投料的一個重要參考依據(jù)。通過基于人工智能算法的水下圖像增強(qiáng)，提高了圖像的質(zhì)量，圖像就可以看得非常清楚。

另外，我們可以應(yīng)用VR技術(shù)對農(nóng)作物理想的結(jié)構(gòu)株型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性設(shè)計，這對于提高光合生產(chǎn)潛力非常重要。判斷一個品種是否高產(chǎn)、倒伏，理想的株型結(jié)構(gòu)是其非常重要的表型參數(shù)，通過株型設(shè)計可以設(shè)計出最佳的理想株型，上面的光充分利用，下面還有抗倒的能力。

農(nóng)業(yè)自主無人系統(tǒng)。所謂自主無人系統(tǒng)，這是人工智能發(fā)展到比較高級的一個階段，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。它將情景感知、機(jī)器視覺、自動規(guī)劃等認(rèn)知技術(shù)整合傳感器、致動器等硬件中，使它有能力在農(nóng)業(yè)未知環(huán)境中靈活處理不同的任務(wù)。比如典型的農(nóng)產(chǎn)品智能加工車間、無人農(nóng)業(yè)等。

實際上，自主無人系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中較為常見，比如汽車行業(yè)中的自動駕駛汽車，大家對此并不陌生。美國汽車工程師協(xié)會（SAE）發(fā)布了汽車自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn)：從“眼手腳”并用，到“脫腳”、“脫手”、“脫眼”、“脫腦”，到最后的“無人駕駛”。當(dāng)然，我國基本上也有這五級分級標(biāo)準(zhǔn)。目前自動駕駛汽車已經(jīng)有了商業(yè)化的應(yīng)用，比如說奧迪汽車就有無人駕駛的汽車，但這些汽車比農(nóng)業(yè)上的拖拉機(jī)行走的路況要好。那么農(nóng)業(yè)裝備的智能該如何分析、分級？凱斯紐荷蘭是一家很大的農(nóng)業(yè)裝備公司，他們對農(nóng)業(yè)裝備的智能化也進(jìn)行了分級和定義：輔助導(dǎo)航全部人操控、人機(jī)協(xié)同與優(yōu)化全部人操控、系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測下人輔助自動操控、在田間監(jiān)督下無人自動操控、遠(yuǎn)程監(jiān)督下（田間無監(jiān)控）無人全自動操控。這與工業(yè)上的汽車分級不太一樣，它結(jié)合了農(nóng)業(yè)的特點。

當(dāng)前，智能農(nóng)機(jī)裝備成為世界熱點，重點包括自動駕駛的拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以及無人機(jī)。特別是無人機(jī)，現(xiàn)在的市值很大，能夠達(dá)到178億美元，預(yù)計到2023年將達(dá)到400多億美元。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也很快，預(yù)計到2022年能夠達(dá)到128億美元。在自主無人系統(tǒng)中，很關(guān)鍵的一點是裝備智能，其最高體現(xiàn)形式就是農(nóng)業(yè)機(jī)器人，它是智能化程度最高的一個裝備。它具有基于視覺、觸覺、聽覺、味覺技術(shù)的多模態(tài)信息感知系統(tǒng)（相當(dāng)于人類的五官）;非結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)和復(fù)雜光環(huán)境下的靶標(biāo)高精度識別，場景預(yù)判與路徑規(guī)劃、智能控制算法的機(jī)器腦（相當(dāng)于人的大腦）;高效魯棒的機(jī)器人專用驅(qū)動及適應(yīng)于農(nóng)產(chǎn)品鮮活特性的柔軟末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件（人的手腳），從而進(jìn)行各項操作。

大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)

我們要大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)，那么未來智能農(nóng)業(yè)的場景應(yīng)該是什么樣的？人機(jī)和諧、環(huán)境優(yōu)美，機(jī)器在無人背景下進(jìn)行作業(yè)。要實現(xiàn)這種場景的話，我們還有很多工作要做，要大力發(fā)展農(nóng)業(yè)智能科技。國家《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，關(guān)于農(nóng)業(yè)提出了三個方面。第一個是研制農(nóng)業(yè)智能傳感與控制系統(tǒng)、智能化農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)機(jī)田間作業(yè)自主系統(tǒng)等;建立完善天空地一體化的智能農(nóng)業(yè)信息遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立典型農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能決策分析系統(tǒng);開展智能農(nóng)場、智能化植物工廠、智能牧場、智能漁場、智能果園、農(nóng)產(chǎn)品加工智能車間、農(nóng)產(chǎn)品綠色智能供應(yīng)鏈等集成應(yīng)用示范。未來，我國人工智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展路徑，將從技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研發(fā)、集成應(yīng)用到引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，最后形成產(chǎn)業(yè)，會經(jīng)過一步一步的協(xié)同攻關(guān)來實現(xiàn)。我們在發(fā)展的路徑當(dāng)中要抓住機(jī)遇，特別是對有針對性的農(nóng)業(yè)場景的智能應(yīng)用問題進(jìn)行深入研發(fā)。

我們該如何提高農(nóng)業(yè)智能化水平？主要從這三大技術(shù)出發(fā)：第一個是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，重點是數(shù)據(jù)的獲取、大數(shù)據(jù)的積累;第二個是大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，即大數(shù)據(jù)智能;第三個是人工智能的一系列算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、知識系統(tǒng)等方面。所以說，農(nóng)業(yè)智能科技和其他信息領(lǐng)域的智能科技有相同的地方，但更兼具有特色的地方。

近幾年，我們進(jìn)行了一些智能農(nóng)業(yè)的探索，比如在河北建立79個（小麥—玉米）智慧農(nóng)場，從播種到收獲，包括施肥管理等各個方面進(jìn)行全程化、智能化的管理。例如基于北斗導(dǎo)航的冬小麥寬窄行與玉米錯茬協(xié)同播種。就是小麥玉米兩茬，收完小麥之后播玉米種子，但不能把玉米種子播在小麥茬上，否則玉米種子出不來，玉米苗也長不好。為了解決這一問題，我們需要進(jìn)行寬窄行播種，把玉米種子播在寬行里面，這就需要機(jī)器來準(zhǔn)確地掌握小麥麥茬的位置，通過導(dǎo)航技術(shù)可以實現(xiàn)這一點。另外，在智慧農(nóng)場當(dāng)中，創(chuàng)新發(fā)展了“大底方+小處方”的氮肥追肥新技術(shù)和裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)施肥。我們相信，“智能技術(shù)+農(nóng)業(yè)”，將會帶來美好的明天。

（本文根據(jù)“第四屆世界智能大會”演講內(nèi)容整理而成，未經(jīng)演講人審閱）