新興技術(shù)推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展

張弛 劉春林 陸鵬宇 徐嘯峰

推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，是實(shí)施促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略重要手段，也是推進(jìn)“智慧城市”體系建設(shè)的重要內(nèi)容

我國(guó)近年來(lái)越來(lái)越重視農(nóng)民的權(quán)益和生活水平的提高，對(duì)發(fā)展先進(jìn)農(nóng)業(yè)的行業(yè)專項(xiàng)廠商給予大量經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的扶持，大力推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用的落地。特別是經(jīng)歷過四次工業(yè)革命的發(fā)展，目前的智能化已成為當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的主題。與此同時(shí)，5G、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)、邊緣計(jì)算等新興技術(shù)也積極涌現(xiàn)出來(lái)，為智能化社會(huì)的發(fā)展添磚加瓦。“智慧農(nóng)業(yè)”是“智慧城市”建設(shè)體系中不可或缺的組成部分，將新興技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，一方面可以促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略實(shí)施，另一方面可以推進(jìn)“智慧城市”體系的建設(shè)。

智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展方向

以水稻、小麥等農(nóng)作物為主的種植業(yè)和以雞、豬等畜禽為主的畜牧業(yè)，是構(gòu)成我國(guó)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主體架構(gòu)的兩大部分。因此，智慧種植與智慧養(yǎng)殖就成為智慧農(nóng)業(yè)的兩大組成板塊。

智慧種植。糧食作物如水稻、小麥在我國(guó)有數(shù)千年的種植歷史。從原始的農(nóng)耕社會(huì)開始，種植業(yè)從原始的“刀耕火種”發(fā)展到現(xiàn)如今成熟的規(guī)模化農(nóng)機(jī)種植，我國(guó)的農(nóng)業(yè)種植具有悠久的發(fā)展歷史。隨著溫室大棚、規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)園區(qū)的逐步發(fā)展，智慧種植也逐漸成為種植業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。如智慧農(nóng)場(chǎng)所包含的無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)、無(wú)人機(jī)植保、農(nóng)作物溯源等，智能溫室的智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、智能噴滴灌系統(tǒng)、智慧決策等。在種植作物實(shí)現(xiàn)生命周期內(nèi)的規(guī)?；?、自動(dòng)化作業(yè)，并在種植環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化的控制。

智慧養(yǎng)殖。養(yǎng)殖業(yè)同樣在我國(guó)具有悠久的歷史，從小規(guī)模的農(nóng)戶養(yǎng)殖到如今的規(guī)?；⒓瘓F(tuán)化養(yǎng)殖場(chǎng)，我國(guó)的養(yǎng)殖業(yè)在近些年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著大型養(yǎng)殖集團(tuán)迅速發(fā)展、集團(tuán)運(yùn)營(yíng)模式成熟，智慧養(yǎng)殖成為養(yǎng)殖業(yè)的必然趨勢(shì)。智慧養(yǎng)殖主要包含三個(gè)方面的內(nèi)容：一是對(duì)畜禽的生理疾病信息的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警，如體重、體溫、采食量、咳嗽等信息的自動(dòng)測(cè)量;二是對(duì)畜禽的行為的智能監(jiān)測(cè)，如分娩、發(fā)情等行為的智能識(shí)別;三是精準(zhǔn)飼喂設(shè)施、智能環(huán)境控制系統(tǒng)等。智慧養(yǎng)殖就是通過自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽生命周期的各項(xiàng)生理、行為、周圍環(huán)境等信息的監(jiān)測(cè)、預(yù)警與調(diào)控。

智慧農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景

將大數(shù)據(jù)加入智慧農(nóng)業(yè)可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更為精準(zhǔn)的指導(dǎo)，在大數(shù)據(jù)分析的引導(dǎo)下可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量與效率，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入。

智慧種植大數(shù)據(jù)。一個(gè)完整農(nóng)作物的生命周期會(huì)形成作物高度、顏色、果實(shí)大小、土壤溫濕度等大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)、收集、分析、挖掘這些數(shù)據(jù)，分析在生命周期不同階段的作物表型，為不同生長(zhǎng)階段的作物提供更為精準(zhǔn)的作業(yè)意見，如溫室內(nèi)的環(huán)境調(diào)控、對(duì)作物的噴滴灌、水肥自動(dòng)施澆等，可以為農(nóng)作物提供更好的生長(zhǎng)環(huán)境。

智慧養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)。畜禽在整個(gè)生命周期會(huì)產(chǎn)生體溫、體重、采食量、飲水量、體尺、聲音以及周圍環(huán)境等大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)并深度挖掘這些數(shù)據(jù)彼此之間的聯(lián)系，可為養(yǎng)殖提供預(yù)警、干預(yù)等指導(dǎo)信息。如通過大量數(shù)據(jù)探究大型牲畜體尺與體重的關(guān)系，就可以通過視頻無(wú)接觸測(cè)量體尺從而得到體重?cái)?shù)據(jù);通過挖掘畜禽整個(gè)生命周期的采食量數(shù)據(jù)，可以為后期養(yǎng)殖的喂食提供數(shù)據(jù)參考;通過挖掘畜禽的體溫與環(huán)境數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)異常體溫報(bào)警;通過挖掘分析養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)畜禽體重與年齡數(shù)據(jù)，給畜禽生長(zhǎng)狀況進(jìn)行評(píng)定。

將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，可以將作業(yè)人員的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、作物和畜禽生產(chǎn)特點(diǎn)等信息以數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有直觀可靠的依據(jù)，從一定程度上避免了生產(chǎn)損失，提高了生產(chǎn)效益。

智慧農(nóng)業(yè)的AI應(yīng)用場(chǎng)景

顧名思義，人工智能就是在一定程度上可以代替人工。如果將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將會(huì)極大限度地解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。在節(jié)省人工成本的同時(shí)還可以避免生產(chǎn)中因人為原因造成的疏忽、誤差、錯(cuò)漏等。以下就以具體實(shí)例分析AI在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

母豬分娩監(jiān)測(cè)。采用機(jī)器視覺的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)母豬分娩的預(yù)警，主要通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭俯拍產(chǎn)床上待產(chǎn)母豬，實(shí)時(shí)視頻截圖后經(jīng)過基于YOLOv3的深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，判斷是否有仔豬出生。當(dāng)識(shí)別會(huì)有仔豬出生后，可以通過現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給手機(jī)App或短信提醒飼養(yǎng)人員采取措施。這樣可以避免飼養(yǎng)人員長(zhǎng)時(shí)間在舍內(nèi)等候?qū)崿F(xiàn)解放勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)人力成本部分解放的目的。

雞只咳嗽識(shí)別。采用音頻識(shí)別技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)雞只咳嗽聲音，對(duì)雞只的呼吸系統(tǒng)疾病進(jìn)行預(yù)警。主要通過網(wǎng)絡(luò)拾音器，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建雞只咳嗽聲識(shí)別算法。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，肉雞咳嗽算法模型能較好地檢測(cè)肉雞咳嗽，為肉雞呼吸道疾病的早期自動(dòng)預(yù)警提供技術(shù)支持。

智能環(huán)控系統(tǒng)。無(wú)論種植作物還是養(yǎng)殖畜禽都需要良好而又舒適的環(huán)境，因此高效可靠的環(huán)境控制系統(tǒng)尤為重要。在環(huán)境調(diào)控中，溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素是相互耦合的，對(duì)某一環(huán)節(jié)因素進(jìn)行調(diào)控也會(huì)對(duì)其他環(huán)境因素造成影響。畜禽舍的環(huán)境控制還要根據(jù)畜禽的體溫，舍內(nèi)如氨氣、硫化氫等有害氣體的含量，舍外的溫度進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，尤其雞舍需要在冬天保溫與通風(fēng)是對(duì)立的環(huán)境。

智慧農(nóng)業(yè)的5G應(yīng)用場(chǎng)景

5G具有高網(wǎng)速、低延時(shí)、海量連接等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)將在智慧園區(qū)、未來(lái)農(nóng)場(chǎng)等場(chǎng)景得到充分的應(yīng)用。

無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集中使用了全球定位系統(tǒng)（GNSS）、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）等先進(jìn)技術(shù)。通過對(duì)農(nóng)機(jī)具加裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，不僅可以使農(nóng)機(jī)按照規(guī)定路線規(guī)劃自動(dòng)駕駛，還能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)行作業(yè)。

車路協(xié)同系統(tǒng)。基于5G通信，在農(nóng)場(chǎng)道路部署5G-V2X車路協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)、道路、人員與云端的全方位連接。在農(nóng)機(jī)進(jìn)行智能感知信息的共享與交換的同時(shí)，共享部分決策信息，使農(nóng)機(jī)具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)具全天候無(wú)人駕駛與高度協(xié)同的農(nóng)機(jī)作業(yè)。V2X路基設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)園區(qū)監(jiān)控，環(huán)境測(cè)量、超視距障礙物感知、行人與動(dòng)物闖入檢測(cè)、極端天氣（能見度低、道路結(jié)冰）檢測(cè)與預(yù)警。

智能環(huán)控系統(tǒng)。在擁有大面積溫室大棚的智慧園區(qū)中，需要大量環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，5G的海量連接可以提供強(qiáng)有力的幫助。同時(shí)5G的低延時(shí)可以精準(zhǔn)控制如風(fēng)機(jī)、濕簾等環(huán)境控制機(jī)構(gòu)，避免延時(shí)過長(zhǎng)造成的過量工作。

養(yǎng)殖機(jī)器人。智慧養(yǎng)殖所使用的舍內(nèi)巡檢機(jī)器人、喂料機(jī)器人等養(yǎng)殖機(jī)器人，代替飼養(yǎng)人員進(jìn)行作業(yè)也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。其中，機(jī)器人數(shù)據(jù)上傳對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，而5G的低時(shí)延特性可以很好地解決這一難點(diǎn)。

在未來(lái)，海量的實(shí)時(shí)性要求較高的設(shè)備與器械廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)場(chǎng)、智慧園區(qū)、智慧養(yǎng)殖場(chǎng)等場(chǎng)景中，5G則將成為必不可少的一環(huán)。

智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的其他新技術(shù)

將邊緣計(jì)算應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以減少服務(wù)器的壓力，提高生產(chǎn)效率。如在母豬分娩監(jiān)測(cè)中應(yīng)用邊緣計(jì)算，每頭或者每?jī)深^待產(chǎn)母豬配置一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。這樣只需將分娩成功的結(jié)果上傳至云端，可以避免大量視頻圖片數(shù)據(jù)全部上傳至云端。同樣的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將邊緣計(jì)算應(yīng)用于類似場(chǎng)景，一方面可以減少帶寬壓力，另一方面可以減少服務(wù)器壓力。

無(wú)人機(jī)現(xiàn)在已成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，無(wú)人機(jī)植保也正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。無(wú)人機(jī)植保具有霧化效果好、穿透力強(qiáng)、節(jié)省用藥等特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)還具備播撒系統(tǒng)，可均勻播撒種子、肥料等固態(tài)顆粒，最高流量高達(dá)每分鐘15公斤，可極大地節(jié)約人力成本，并避免人工的播撒不均。此外，在無(wú)人機(jī)上搭載高光譜系統(tǒng)可對(duì)作物病蟲害情況進(jìn)行檢測(cè)，便于農(nóng)藥噴灑進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。無(wú)人機(jī)還可以對(duì)草場(chǎng)草量分布情況、有毒害草種進(jìn)行檢測(cè)，在便于草場(chǎng)管理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理放牧，避免草場(chǎng)沙化。

在數(shù)字化時(shí)代，智慧農(nóng)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主旋律，在這個(gè)時(shí)代也涌現(xiàn)出眾多新穎的技術(shù)。將大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，讓各種技術(shù)各司其職，互相配合給我國(guó)農(nóng)業(yè)帶來(lái)重大的變革，最終實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略目標(biāo)，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但在我國(guó)加速推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的過程中，我們不能忽視智慧農(nóng)業(yè)仍面臨著缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、核心技術(shù)短板制約、體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)不夠完善等問題。只有切實(shí)解決這些痛點(diǎn)、難點(diǎn)，才能保障我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)快速健康持續(xù)地發(fā)展。

（作者單位：中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司）