新興技術(shù)推動智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展

張弛 劉春林 陸鵬宇 徐嘯峰

推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，是實施促進(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

我國近年來越來越重視農(nóng)民的權(quán)益和生活水平的提高，對發(fā)展先進(jìn)農(nóng)業(yè)的行業(yè)專項廠商給予大量經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的扶持，大力推動智慧農(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)代社會發(fā)展進(jìn)步的主題。與此同時，5G、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、無人機(jī)、邊緣計算等新興技術(shù)也積極涌現(xiàn)出來，為智能化社會的發(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、小麥在我國有數(shù)千年的種植歷史。從原始的農(nóng)耕社會開始，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)?；r(nóng)機(jī)種植，我國的農(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、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。如智慧農(nóng)場所包含的無人駕駛農(nóng)機(jī)、無人機(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。在種植作物實現(xiàn)生命周期內(nèi)的規(guī)?；?、自動化作業(yè)，并在種植環(huán)境實現(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，我國的養(yǎng)殖業(yè)在近些年得到了長足的發(fā)展。隨著大型養(yǎng)殖集團(tuán)迅速發(fā)展、集團(tuán)運(yùn)營模式成熟，智慧養(yǎng)殖成為養(yǎng)殖業(yè)的必然趨勢。智慧養(yǎng)殖主要包含三個方面的內(nèi)容：一是對畜禽的生理疾病信息的智能監(jiān)測預(yù)警，如體重、體溫、采食量、咳嗽等信息的自動測量;二是對畜禽的行為的智能監(jiān)測，如分娩、發(fā)情等行為的智能識別;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)殖就是通過自動化、智能化、數(shù)字化等手段實現(xiàn)對畜禽生命周期的各項生理、行為、周圍環(huán)境等信息的監(jiān)測、預(yù)警與調(diào)控。

智慧農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景

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)。一個完整農(nóng)作物的生命周期會形成作物高度、顏色、果實大小、土壤溫濕度等大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測、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、對作物的噴滴灌、水肥自動施澆等，可以為農(nóng)作物提供更好的生長環(huán)境。

智慧養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)。畜禽在整個生命周期會產(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，就可以通過視頻無接觸測量體尺從而得到體重數(shù)據(jù);通過挖掘畜禽整個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，可以實現(xiàn)異常體溫報警;通過挖掘分析養(yǎng)殖場內(nèi)畜禽體重與年齡數(shù)據(jù)，給畜禽生長狀況進(jìn)行評定。

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、作物和畜禽生產(chǎn)特點等信息以數(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，將會極大限度地解放勞動力，提高生產(chǎn)效率。在節(jié)省人工成本的同時還可以避免生產(chǎn)中因人為原因造成的疏忽、誤差、錯漏等。以下就以具體實例分析AI在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

母豬分娩監(jiān)測。采用機(jī)器視覺的方式實現(xiàn)對母豬分娩的預(yù)警，主要通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭俯拍產(chǎn)床上待產(chǎn)母豬，實時視頻截圖后經(jīng)過基于YOLOv3的深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別，判斷是否有仔豬出生。當(dāng)識別會有仔豬出生后，可以通過現(xiàn)場發(fā)送報警信號給手機(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)人員長時間在舍內(nèi)等候?qū)崿F(xiàn)解放勞動力，實現(xiàn)人力成本部分解放的目的。

雞只咳嗽識別。采用音頻識別技術(shù)來監(jiān)測雞只咳嗽聲音，對雞只的呼吸系統(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)建雞只咳嗽聲識別算法。通過實踐發(fā)現(xiàn)，肉雞咳嗽算法模型能較好地檢測肉雞咳嗽，為肉雞呼吸道疾病的早期自動預(yù)警提供技術(shù)支持。

智能環(huán)控系統(tǒng)。無論種植作物還是養(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，對某一環(huán)節(jié)因素進(jìn)行調(diào)控也會對其他環(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)是對立的環(huán)境。

智慧農(nóng)業(yè)的5G應(yīng)用場景

5G具有高網(wǎng)速、低延時、海量連接等特點，這些特點將在智慧園區(qū)、未來農(nóng)場等場景得到充分的應(yīng)用。

無人駕駛農(nóng)機(jī)。自動駕駛系統(tǒng)集中使用了全球定位系統(tǒng)（GNSS）、自動控制系統(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)。通過對農(nóng)機(jī)具加裝自動駕駛系統(tǒng)，不僅可以使農(nóng)機(jī)按照規(guī)定路線規(guī)劃自動駕駛，還能實現(xiàn)精準(zhǔn)對行作業(yè)。

車路協(xié)同系統(tǒng)?；?G通信，在農(nóng)場道路部署5G-V2X車路協(xié)同系統(tǒng)，實現(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，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，最終實現(xiàn)農(nóng)機(jī)具全天候無人駕駛與高度協(xié)同的農(nóng)機(jī)作業(yè)。V2X路基設(shè)備還可以實現(xiàn)園區(qū)監(jiān)控，環(huán)境測量、超視距障礙物感知、行人與動物闖入檢測、極端天氣（能見度低、道路結(jié)冰）檢測與預(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)點的場景，5G的海量連接可以提供強(qiáng)有力的幫助。同時5G的低延時可以精準(zhǔn)控制如風(fēng)機(jī)、濕簾等環(huán)境控制機(jī)構(gòu)，避免延時過長造成的過量工作。

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)也是未來發(fā)展的趨勢。其中，機(jī)器人數(shù)據(jù)上傳對實時性要求較高，而5G的低時延特性可以很好地解決這一難點。

在未來，海量的實時性要求較高的設(shè)備與器械廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)場、智慧園區(qū)、智慧養(yǎng)殖場等場景中，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)測中應(yīng)用邊緣計算，每頭或者每兩頭待產(chǎn)母豬配置一個邊緣計算節(jié)點，各個節(jié)點實時對數(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，將邊緣計算應(yīng)用于類似場景，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。

無人機(jī)現(xiàn)在已成為一項成熟的技術(shù)，無人機(jī)植保也正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。無人機(jī)植保具有霧化效果好、穿透力強(qiáng)、節(jié)省用藥等特點。無人機(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，在無人機(jī)上搭載高光譜系統(tǒng)可對作物病蟲害情況進(jìn)行檢測，便于農(nóng)藥噴灑進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。無人機(jī)還可以對草場草量分布情況、有毒害草種進(jìn)行檢測，在便于草場管理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理放牧，避免草場沙化。

在數(shù)字化時代，智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主旋律，在這個時代也涌現(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，互相配合給我國農(nóng)業(yè)帶來重大的變革，最終實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略目標(biāo)，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但在我國加速推進(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。只有切實解決這些痛點、難點，才能保障我國智慧農(nóng)業(yè)快速健康持續(xù)地發(fā)展。

（作者單位：中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司）