裝備與信息協(xié)同促進現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展研究

韓佳偉 ，朱文穎 ，張博，趙春江 ，楊信廷

（1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心，北京 100097；2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術及應用國家工程實驗室，北京 100097；3.北京市農(nóng)林科學院智能裝備技術研究中心，北京 100097）

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能（AI）、區(qū)塊鏈等新一代信息技術正在快速發(fā)展并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與之相互滲透、交叉融合，催生了智慧農(nóng)業(yè)這一新業(yè)態(tài)、新模式，支撐農(nóng)業(yè)建立更高級的生產(chǎn)力、生產(chǎn)方式和經(jīng)濟形態(tài)[1,2]。農(nóng)業(yè)發(fā)達國家積極開展前沿技術研發(fā)、數(shù)據(jù)共享開放、行業(yè)人才培育等方面的規(guī)劃部署，穩(wěn)健推動新一代信息技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度融合 [3]；大數(shù)據(jù)研究與發(fā)展計劃、農(nóng)業(yè)技術戰(zhàn)略、農(nóng)業(yè)發(fā)展4.0框架等政策文件，加快推進了智慧農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展 [4]。

我國農(nóng)業(yè)機械（簡稱“農(nóng)機”）的制造水平、裝備總量、作業(yè)水平取得快速發(fā)展，促使農(nóng)業(yè)從先前以人力、畜力為主的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型為以機械動力為主的機械化新階段[5]。目前，我國成為世界第一大農(nóng)機生產(chǎn)與使用國家，農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)企業(yè)數(shù)量超過8000家（規(guī)模以上企業(yè)超過1700家），農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量約4000種；農(nóng)機企業(yè)工業(yè)產(chǎn)值從2004年的830多億元增長到2019年的4500億元。然而，在農(nóng)業(yè)機械裝備自動化、信息化、智能化等技術研究與應用方面，農(nóng)機產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段[6]；以電控技術為基礎實現(xiàn)自動化是當前主流，而以信息技術為核心的智能化技術仍待充分發(fā)展?！笆奈濉睍r期，我國亟需加快建設智慧農(nóng)業(yè)技術體系，把握未來發(fā)展趨勢，支持農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

本文針對農(nóng)業(yè)裝備技術、信息技術進行闡述，深入剖析相關技術的應用現(xiàn)狀、應用成效與發(fā)展趨勢；在研判現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求、前瞻未來發(fā)展前景的基礎上，提出重點工程發(fā)展建議，以期為智慧農(nóng)業(yè)裝備與信息化的可持續(xù)發(fā)展、效能系統(tǒng)優(yōu)化、資源高效利用等研究提供基礎參考。

二、裝備技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用分析

（一）動力機械

動力機械指代替人力、畜力，為各種農(nóng)機與設施提供原動力的機械，其應用提高農(nóng)機作業(yè)效率、增強自然災害抵制力、減少人工勞動量，最終表現(xiàn)為顯著提升勞動生產(chǎn)率及產(chǎn)量。

拖拉機是主要的農(nóng)業(yè)動力機械，以“高效、智能、環(huán)保、信息集成”為發(fā)展目標，重點在動力、傳動、行走、液壓、懸掛、駕駛舒適性等多個技術方向開展改進優(yōu)化；信息化控制技術主要朝著自動化、智能化方向發(fā)展[7]。拖拉機的自動化、智能化與定位及導航、動態(tài)路徑規(guī)劃、機器視覺、遠程監(jiān)控等密切相關，涉及導航、圖像、模型與策略、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)鏈等工程技術 [8]。

應對農(nóng)業(yè)機械化規(guī)模擴大所伴隨的石化燃料過多消耗、環(huán)境污染有所加重等情況，有關柴油機排放法規(guī)要求必然更為嚴格。采用各種機內(nèi)凈化、機外尾氣處理技術來最大限度降低整機排放，并行發(fā)展高比能量動力蓄電池、生物甲烷燃料動力等新型替代能源技術，力求實現(xiàn)機組作業(yè)時的零排放、無污染、低噪聲、高效率，解決農(nóng)業(yè)機械化過程中的節(jié)能減排問題。

（二）大田精準作業(yè)機械

大田精準作業(yè)機械主要分為土壤耕作機械、播種機械、田間管理作業(yè)裝備、精準灌溉裝備、聯(lián)合收獲機、農(nóng)業(yè)廢棄物收集裝備等。以國產(chǎn)農(nóng)機的耕作深度控制為例，較多采用耕整機械力調(diào)節(jié)和位置調(diào)節(jié)方法（見圖1），實質(zhì)為機械與液壓系統(tǒng)的簡單結(jié)合，在實際作業(yè)過程中出現(xiàn)了阻力不恒定、無法實時監(jiān)測等問題；為了實現(xiàn)耕作深度的精準控制,未來將采用基于機電液一體化技術的電子耕深控制系統(tǒng)。

圖1 耕整地機械耕深控制系統(tǒng)示意圖

耕整地正在由“功能需求”轉(zhuǎn)向“品質(zhì)需求”，加強精細耕整地機械的關鍵零部件材料、加工工藝等核心技術研發(fā)，優(yōu)化寬幅聯(lián)合耕整地機械工序組合，提升耕整地機械自動監(jiān)測與故障診斷、作業(yè)深度控制、機組水平調(diào)節(jié)、作業(yè)速度匹配等水平；研制減少進地次數(shù)、節(jié)能降耗、智能化、高速寬幅的聯(lián)合耕整地機械，是農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)發(fā)展的重要方向[9,10]。

（三）工廠化農(nóng)業(yè)裝備

工廠化農(nóng)業(yè)指在相對可控的生長環(huán)境下，采用工業(yè)化生產(chǎn)方式為農(nóng)業(yè)生物（植物、動物、微生物）提供適宜的生長環(huán)境，以提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、品質(zhì)與效益，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的集約、高效與可持續(xù)發(fā)展；具有均衡生產(chǎn)（實現(xiàn)周年性、全天候、反季節(jié)生產(chǎn)）、產(chǎn)出效率高（規(guī)?；a(chǎn)程度高、土地產(chǎn)出率高、勞動生產(chǎn)率高、資源利用率高）、產(chǎn)品價值高（質(zhì)量安全性高、商品化程度高、市場適應能力高）等顯著特征。

工廠化農(nóng)業(yè)核心裝備主要分為工廠化設施設計與制造、智能傳感與感知設備、智能控制設備、精準作業(yè)裝備等 [11]。目前國內(nèi)投入應用的工廠化種植設施有日光溫室、塑料大棚、連棟溫室、人工光植物工廠等?；谛畔⒏兄谋O(jiān)測裝備包括傳感監(jiān)測、光譜監(jiān)測、視頻監(jiān)測，基本形成了多源信息耦合感知模式；監(jiān)測方式從實驗室離線測量發(fā)展到便攜式多參數(shù)測量再到實時在線測量，通過快速提取工廠化種植執(zhí)行器精準作業(yè)所需的各種信息，為標準化流水線作業(yè)提供關鍵技術支撐。以荷蘭為代表的設施園藝發(fā)達國家，在設施溫度、濕度、CO2、光照等環(huán)境調(diào)控等方面發(fā)展了成熟穩(wěn)定的設備和系統(tǒng)。我國在設施環(huán)境調(diào)控技術裝備能力及創(chuàng)新方面達到世界先進水平，發(fā)展了基于正壓通風的溫室環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)（見圖2）、基于雙熱源熱泵的溫室間能量轉(zhuǎn)移加溫系統(tǒng)、溫室環(huán)境綜合管控云平臺、基于環(huán)境-作物耦合模型的最優(yōu)控制決策算法等；但溫室環(huán)境控制策略及控制系統(tǒng)仍是我國設施園藝發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 基于正壓通風的溫室環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)

未來智能化作業(yè)裝備技術將著力突破無人操控條件下的作物生產(chǎn)、采后、物流等環(huán)節(jié)的關鍵技術，實現(xiàn)AI、大數(shù)據(jù)、智能裝備與農(nóng)藝的結(jié)合 [12]；形成覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈應用的智能作業(yè)技術裝備，如作物育苗機器人、物流機器人、植保機器人、采收機器人、采后處理作業(yè)裝備、農(nóng)業(yè)廢棄物處理機器人等；集成機械、電子、控制等技術，發(fā)展實時監(jiān)控植物生理、生態(tài)特性的生物傳感裝備，最大限度地獲得植物生長需求信息、減少人為影響，全面進行科學生產(chǎn)與信息化管理 [13]。

（四）農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地初加工裝備

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地初加工裝備主要分為糧食干燥裝備、生鮮農(nóng)產(chǎn)品預冷保鮮裝備、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測分級裝備，相應裝備從機械化逐漸向智能化、自動化發(fā)展。

糧食干燥裝備重點在高效、高質(zhì)、能源節(jié)約化、智能化等方面進行技術突破；在增強對生鮮農(nóng)產(chǎn)品預冷保鮮裝備重要性認知的基礎上，穩(wěn)步提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測分級裝備的可靠性與檢測精度。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地初加工裝備將在保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、提高農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力方面發(fā)揮關鍵作用，驅(qū)動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更高效、更舒適，農(nóng)業(yè)資源利用更充分、更環(huán)保。

三、信息技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用分析

我國農(nóng)業(yè)信息技術研究起步稍晚，發(fā)展經(jīng)歷可分為：萌芽期（20世紀70年代末—80年代初）、成長期（20世紀80—90年代）、成熟期（21世紀初—2010年前后）、4.0時代（2011年以后）。經(jīng)過40多年的發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息領域形成了相對完整的技術體系 [14,15]。

（一）作物信息獲取技術

作物表型信息獲取技術主要利用傳感設備、無線通信、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析等自動化平臺裝備及信息化技術手段，系統(tǒng)、高效地獲取作物多尺度性狀（組織-器官-植株-群體）等表型信息，包含從基因與環(huán)境相互作用形成的作物表型原始數(shù)據(jù)、作物表型性狀元數(shù)據(jù)到生物學知識的全集數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗環(huán)境的差異，表型信息獲取技術分為室內(nèi)、室外兩類：前者對各類環(huán)境因素進行精確調(diào)控，嚴格控制生長箱或溫室中的作物的生長條件，能夠在復雜實驗條件下對作物生長發(fā)育進行精確分級模擬與針對性研究，有著后者難以復制的優(yōu)勢。

表型信息獲取與智能解析技術是推進農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化，引領未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的關鍵方面。未來表型技術發(fā)展趨勢為：地上表型至地下表型、宏觀表型至微觀表型、物理表型至生理表型、靜態(tài)表型至動態(tài)表型；針對作物表型信息采集手段單一、表型數(shù)據(jù)解析時效性不足等問題，重點研究多傳感器時空同步采集、多模態(tài)數(shù)據(jù)融合處理及實時在線解析等關鍵技術 [16]。構(gòu)建以自主技術為主、性能可靠穩(wěn)定、具備自主作業(yè)與自動處理能力的系列化作物表型平臺產(chǎn)品，支撐我國植物表型研究邁入世界先進行列。

（二）農(nóng)業(yè)智能知識服務技術

農(nóng)業(yè)智能知識服務技術以農(nóng)業(yè)知識為內(nèi)容，通過智能化方式將分散的農(nóng)業(yè)知識與數(shù)據(jù)組織起來，利用知識共享與綜合輔助決策模型，為廣大用戶提供個性化精準服務，緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中存在的資源利用低效、水肥施用過量、專家數(shù)量短缺、知識傳播受限等問題 [17]。完整、規(guī)范、準確地描述農(nóng)業(yè)知識，以本體知識圖譜等方式存儲農(nóng)業(yè)知識的數(shù)據(jù)及關系，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)知識的實時、高效重用及共享。

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分類多、氣候區(qū)域差異顯著、季節(jié)性生產(chǎn)需求變化快等特征，使得用戶服務需求差異極大。傳統(tǒng)的知識服務逐步發(fā)展成為大數(shù)據(jù)驅(qū)動與知識指導相結(jié)合的服務模式，以20世紀90年代美國的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)為代表。我國在2000年后研究形成了一系列農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)，涉及小麥、煙草、水稻、花卉、果樹、園藝作物的病蟲害診斷、栽培、管理等，但在知識規(guī)則構(gòu)建、更新、維護等方面存在局限性。

農(nóng)業(yè)智能知識服務技術領域正在逐步從傳統(tǒng)小樣本的數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析朝著海量數(shù)據(jù)智能分析預警模型、動植物數(shù)字化模擬與過程建模等方向演進。互聯(lián)網(wǎng)在向物聯(lián)網(wǎng)擴展，農(nóng)業(yè)智能知識服務能夠整合機器學習、建模與仿真、云計算、圖像識別、復雜網(wǎng)絡、地理信息系統(tǒng)等技術手段，使得農(nóng)業(yè)領域的很多問題、事件可被求解與模擬；以多模態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的農(nóng)業(yè)知識智能抽取技術、基于深度學習的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)自適應分析模型、跨媒體農(nóng)業(yè)知識關聯(lián)理解與服務交互機制為代表。

（三）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智慧管理技術

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智慧管理涉及多部門、多領域、多學科，系統(tǒng)性與復雜性突出，按照產(chǎn)業(yè)領域可分為作物生產(chǎn)智慧化、畜禽養(yǎng)殖智慧化、水產(chǎn)養(yǎng)殖智慧化。作物生產(chǎn)智慧管理技術指在掌握土地資源、作物群體變異情況的條件下，根據(jù)田間各個操作單元的具體情況，精準調(diào)整各項管理措施及各項物資投入量，追求經(jīng)濟效益最優(yōu)的同時降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的環(huán)境風險 [18]；具體分為精準施肥、精準灌溉、精準施藥、農(nóng)情會商、決策指揮等方向。這其中，物聯(lián)網(wǎng)技術基于智能裝備協(xié)同運作來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的實時感知與傳輸，大數(shù)據(jù)、云計算用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的數(shù)字化存儲、分析及運算處理，AI技術用于在海量數(shù)據(jù)中挖掘知識并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題進行分析、判斷以提供決策支持 [19]。

以畜禽養(yǎng)殖智慧管理技術為例，通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術，傳感器、圖像處理、聲音識別等先進感知監(jiān)測技術，進行畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能化管理、畜禽精準飼喂管理、畜禽疫病智能診斷與預警預報、畜禽養(yǎng)殖綜合信息化管理、畜禽遺傳育種數(shù)字化管理、畜產(chǎn)品質(zhì)量安全管理，實現(xiàn)生產(chǎn)智能化、經(jīng)營網(wǎng)絡化、管理精準化、模式標準化。未來將實現(xiàn)無人/少人智慧牧場（覆蓋稱重、存欄、飼喂、飲水等環(huán)節(jié)），集成基因遺傳、精準營養(yǎng)、環(huán)境控制、生產(chǎn)管理、生物安全等關鍵技術，實現(xiàn)智能化精準健康管理、發(fā)情期精準預測、自動補飼、牧場管理等，將畜禽因人的接觸而感染疫病的風險降到最低。

（四）農(nóng)產(chǎn)品智慧流通技術

農(nóng)產(chǎn)品智慧流通主要涉及流通環(huán)境信息獲取技術、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)感知技術、農(nóng)產(chǎn)品運輸與配送路徑優(yōu)化技術 [20]。流通環(huán)境信息獲取旨在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈流通過程尤其是長距離運輸過程中，嚴格控制食品的溫度、濕度、光照、空氣含氧量、乙烯含量、硫化氫含量等環(huán)境參數(shù)；針對單一溫區(qū)、單一產(chǎn)品的配送冷藏車，經(jīng)由傳感器完成運輸車內(nèi)環(huán)境信息的實時采集、傳輸及存儲。

農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)感知是保證冷鏈食品質(zhì)量與安全的關鍵環(huán)節(jié) [21]。食品品質(zhì)分為外表品質(zhì)、物理品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、安全品質(zhì)、感官品質(zhì)等方面，針對于此發(fā)展快速無損檢測技術，涉及力學、電子學、光學、電化學、生物學等方法；可細分為嗅覺、味覺、視覺傳感器技術，光譜分析技術，生物傳感器技術。

農(nóng)產(chǎn)品運輸與配送路徑優(yōu)化指通過海量數(shù)據(jù)的挖掘、處理與分析，增強冷鏈物流企業(yè)的信息獲取及應用、流程優(yōu)化等能力，為農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的物聯(lián)網(wǎng)建設提供基礎信息平臺。針對多目標最優(yōu)配送路徑選取問題，多數(shù)理論研究利用加權求和方式將多目標尋優(yōu)問題轉(zhuǎn)化為單目標尋優(yōu)，進而開展模型構(gòu)建與分析應用；而在實際配送過程中，群體智能算法能夠?qū)嵸|(zhì)性解決最優(yōu)配送路徑方面的多目標尋優(yōu)問題（依據(jù)與偏重目標相對應的最優(yōu)解）。

四、我國現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展價值分析

（一）發(fā)展需求

以衛(wèi)星定位、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術為核心的智能農(nóng)業(yè)裝備技術是未來農(nóng)機裝備發(fā)展的趨勢和主流。我國農(nóng)機裝備技術走過了機械替代人力、畜力階段，產(chǎn)品綜合水平取得長足進展，但相比農(nóng)業(yè)農(nóng)機強國還有不小的差距。隨著信息技術發(fā)展及其運用深化，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正在向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)農(nóng)機必將朝著與新一代信息技術深度融合的智能農(nóng)業(yè)裝備方向發(fā)展。

也要注意到，我國農(nóng)機裝備的自動化、信息化、智能化等技術研究尚屬起步，亟需對標產(chǎn)業(yè)應用、加大投入力度、保持高速發(fā)展。結(jié)合新形勢下國家糧食安全戰(zhàn)略、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求，農(nóng)業(yè)裝備領域圍繞發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌等重大發(fā)展需求，形成推進農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、加快農(nóng)業(yè)科技推廣應用的行動計劃；面向主要糧食作物與經(jīng)濟作物、設施農(nóng)業(yè)、畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)廢棄物加工利用等生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化精準生產(chǎn)實際，根據(jù)各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點及農(nóng)藝要求，開展主要環(huán)節(jié)精準作業(yè)智能裝備技術研究；盡快發(fā)展農(nóng)機智能技術與裝備體系，切實推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由粗放型經(jīng)營向集約化經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變、由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。

（二）應用前瞻

農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展是守住綠水青山、建設美麗中國的擔當之舉，對保障永續(xù)發(fā)展具有重大意義。以綠色生態(tài)為導向的農(nóng)業(yè)永續(xù)發(fā)展科技創(chuàng)新體系的全面構(gòu)建，在激活農(nóng)業(yè)發(fā)展內(nèi)生動力的同時，將推動農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有效修復，產(chǎn)地環(huán)境更加清潔、綠色供給能力顯著增長、資源利用效率改善提升。

現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術體系將成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的技術支撐，以現(xiàn)代種業(yè)、裝備技術為代表的智慧化、生態(tài)化集成解決方案，在種植、養(yǎng)殖、水產(chǎn)等領域廣泛應用，構(gòu)成推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與升級發(fā)展的主要推動力。到2050年，生物、信息、裝備等高新技術推進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)完成轉(zhuǎn)型升級，信息技術與智能裝備的農(nóng)業(yè)應用比例超過50%；農(nóng)業(yè)機械化、設施裝備化水平取得重大突破，實現(xiàn)“機器替代人力”“電腦替代人腦”“自主技術替代進口”的三大轉(zhuǎn)變。

在大田種植領域，機械化、信息化、智能化成為主流應用的基本特征，2050年將全面實現(xiàn)信息、生命科學、關鍵裝備、營養(yǎng)改良等先進技術在大宗作物生產(chǎn)中的集成應用。在設施與工廠化農(nóng)業(yè)方面，智能自主決策走向主流，智能溫室、植物工廠、太空農(nóng)業(yè)規(guī)?；瘧?，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合效率達到國際先進水平 [22]。在畜禽養(yǎng)殖方面，智能設施設備以及大數(shù)據(jù)、AI技術集成應用成為主要方式，到2050年將全面實現(xiàn)精準喂養(yǎng)、智能飼喂、自動清掃、疫病防控的智能化，形成綠色生態(tài)的智慧養(yǎng)殖體系，生產(chǎn)效率與質(zhì)量控制顯著提升。

五、保障現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點工程

（一）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡新基建工程

目前，我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要采用地面調(diào)查統(tǒng)計、定點觀測、農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測等方式，“天空地”一體化監(jiān)測技術框架初步構(gòu)建并投入應用。然而，傳感器實時性、自動監(jiān)測設備應用水平不高，無法實現(xiàn)包括生產(chǎn)、流通、服務在內(nèi)的農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈快速監(jiān)測；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化水平僅為18.6%，自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)傳感器應用數(shù)量不到世界的10% [23]。與農(nóng)業(yè)強國應用、國內(nèi)其他行業(yè)相比，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的基礎設施薄弱、手段單一，監(jiān)測結(jié)果的實時性、精準性不足；缺乏全方位、立體式的監(jiān)測評估網(wǎng)絡，難以支撐以生態(tài)目標為導向的全產(chǎn)業(yè)鏈、全要素資源優(yōu)化配置。

建設集衛(wèi)星、無人機、移動通信基站、傳感器于一體的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)立體監(jiān)測網(wǎng)絡新型基礎設施，組建國家級智慧農(nóng)業(yè)研發(fā)團隊，加強實時感知、智能分析、智慧決策等核心技術研發(fā)。以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升為直接目標，兼顧農(nóng)業(yè)面源污染與溫室氣體排放控制目標，建設以生態(tài)為導向的智慧農(nóng)場、智慧漁場、智慧牧場。

（二）國家農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心及運行機制構(gòu)建工程

落實農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)國家戰(zhàn)略，構(gòu)建國家農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心，包括農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)存儲平臺、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)處理平臺、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)綜合分析平臺。優(yōu)化頂層設計，實行統(tǒng)一標準、分布存儲、集中管控、合理開放，匯集全局性、區(qū)域性、專業(yè)性（優(yōu)先種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)機、種業(yè)、耕地、科教、典型農(nóng)產(chǎn)品）大數(shù)據(jù)。建設基于大數(shù)據(jù)的“一張圖”，涵蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素、環(huán)境要素、產(chǎn)業(yè)布局等。開展基于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新應用，融合農(nóng)業(yè)部門的三次產(chǎn)業(yè)，提高生產(chǎn)調(diào)度、決策、管理、服務能力。

推動涉農(nóng)數(shù)據(jù)的標準化和共享機制建設，圍繞采集、存儲、共享、流通、使用、安全等數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，編制數(shù)據(jù)資源管理辦法、數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)范、數(shù)據(jù)共享機制等，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)歸集、應用管理、開放共享等確立制度依據(jù)。聚焦農(nóng)業(yè)應用，對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)進行清洗、集成、融合、挖掘，研究數(shù)據(jù)挖掘分析、動植物本體模型、大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村應用場景，形成農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)關聯(lián)預測、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)預警多維模擬等能力，提高農(nóng)業(yè)監(jiān)測預警的準確性。在兼顧數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全、數(shù)據(jù)合規(guī)風險、數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率的前提下，建設數(shù)據(jù)流動風險的防治體系，平衡數(shù)據(jù)流動與數(shù)據(jù)安全問題，同時提升各利益相關方的協(xié)同治理能力；提出關鍵信息的軟硬件基礎設施應用國家標準，增強對數(shù)據(jù)物理流動的溯源與安全預警能力。

（三）智能農(nóng)機裝備研發(fā)應用工程

智能農(nóng)機技術以衛(wèi)星導航應用為核心，整合了傳感器、大數(shù)據(jù)、決策支持等功能，因而需要從智能傳感器、智能導航、精準化作業(yè)、運營管理等方面開展研究 [24]。①立足敏感性材料、核心芯片的技術與產(chǎn)品能力，研發(fā)農(nóng)機裝備專用智能傳感器，用于機體性能、環(huán)境狀態(tài)、作業(yè)情況等的信息傳輸。②應用機組定位、星基增強導航等技術，研發(fā)農(nóng)機裝備智能導航系統(tǒng)，提升農(nóng)機導航的精準性與穩(wěn)定性，保障農(nóng)機裝備自動化作業(yè)水平。③開展農(nóng)機裝備作業(yè)過程實時分析、智能化農(nóng)機決策與控制研究，建立并驗證農(nóng)機裝備智能化、精準化作業(yè)技術，實現(xiàn)精準播種、智能灌溉、智能施肥（藥）等功能，提升農(nóng)機作業(yè)水平與質(zhì)量。④跟蹤和應用信息技術，開展農(nóng)機裝備智能化運營管理研究，實現(xiàn)農(nóng)機裝備遠程智能調(diào)控、智能預警、智能診斷、協(xié)同作業(yè)等功能，提升農(nóng)機裝備的運營管理效率。

（四）農(nóng)業(yè)信息服務示范工程

農(nóng)業(yè)信息服務主要依托智能化技術手段，為農(nóng)業(yè)供應鏈（含生產(chǎn)、存儲、運輸、銷售）提供高質(zhì)量的信息服務能力，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和市場競爭力；是促進農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的重要途徑、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。我國農(nóng)業(yè)信息服務邁入了智慧農(nóng)業(yè)信息服務的初級階段，仍存在數(shù)據(jù)共享程度與數(shù)據(jù)分析挖掘能力不足、信息服務供需不匹配、資源配置不合理等現(xiàn)象，因而基于信息的可靠傳輸、對信息的深入分析來開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性服務，需求強烈。開展基于新一代信息技術的農(nóng)業(yè)信息服務工程建設，推動大數(shù)據(jù)技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性服務的深度融合，以數(shù)據(jù)創(chuàng)新應用引導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提供精準服務 [25,26]。

深入推進“寬帶中國”戰(zhàn)略，支持第五代移動通信等新基建工程向農(nóng)業(yè)農(nóng)村地區(qū)延伸，為農(nóng)業(yè)信息服務提供底層基礎設施支撐。針對農(nóng)業(yè)區(qū)域的生態(tài)性、分散性、品種類型、種養(yǎng)方式特點，以各級農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、農(nóng)業(yè)科技園區(qū)、重點農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地為重點形式，開展農(nóng)業(yè)信息服務試點示范。面向農(nóng)村新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，通過深度學習方法整合跨媒體、海量、碎片化的農(nóng)業(yè)信息知識，建立綜合農(nóng)業(yè)知識中心，提供高效便捷、簡明直觀、雙向互動的農(nóng)業(yè)知識主動服務。搭建統(tǒng)一的智慧農(nóng)業(yè)信息服務平臺，培育信息服務專業(yè)組織（線上、線下），開展農(nóng)機資源實時調(diào)用服務信息、農(nóng)資信息、農(nóng)事安排、作物植保、病蟲害防治指導、農(nóng)業(yè)保險、技能培訓等服務。提升企業(yè)的服務主體地位，支持涉農(nóng)信息服務企業(yè)提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務領域的智能解決方案與服務，構(gòu)建以滿足農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體多樣化、個性化信息服務需求為目標的多元化服務體系。

（五）果蔬商品化處理智能感控技術與裝備研發(fā)示范工程

相比發(fā)達國家，我國冷鏈物流體系發(fā)展起步較晚，在冷鏈物流管理運營方式、法律法規(guī)監(jiān)管體制及基礎硬件設施等方面還存在不足與隱患，如冷鏈斷鏈、環(huán)境溫濕度波動或分布不均、冷鏈流通過程不透明等現(xiàn)象，導致采后蘋果在冷鏈流通過程中（即采后預冷、運輸、貯藏及銷售環(huán)節(jié)）的損失率高達15%~25%。冷鏈各環(huán)節(jié)制冷條件操控不當或各環(huán)節(jié)之間缺乏無縫交接保障（即斷鏈），都將影響果品所需適宜低溫高濕環(huán)境的穩(wěn)定性，從而影響冷鏈流通中通風箱體內(nèi)風場、溫度場及濕度場的均勻性及穩(wěn)定性分布，導致果品品質(zhì)下降。因此，明確冷鏈環(huán)境溫濕度波動與果品品質(zhì)劣變互作機理，對改善冷鏈各環(huán)節(jié)環(huán)境溫濕度分布均勻性及保障果品品質(zhì)安全具有重要意義。

針對我國果蔬商品化處理低端化的現(xiàn)狀，開展果蔬商品化處理過程中預冷、分選、包裝、貯存、配送等關鍵操作環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息收集、感知、控制，果蔬成熟度預判及品質(zhì)分選等技術研究；構(gòu)建果蔬貯藏期和貨架期精準預測數(shù)學模型，建立配套的智能化預判技術；提出我國大宗及特色果蔬成熟度精準判斷標準規(guī)程，制定果蔬智能化分級標準；研發(fā)果蔬商品化處理智能感控技術配套裝備。建立現(xiàn)代化的果蔬商品化處理智能裝備和技術示范基地。

六、對策建議

（一）加大農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新投入并優(yōu)化結(jié)構(gòu)

長期以來，我國農(nóng)業(yè)科技投入強度偏低、結(jié)構(gòu)不合理，建議進一步加大現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技投入規(guī)模，優(yōu)化科技投入結(jié)構(gòu)。農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新因其公益性、排他性，產(chǎn)生的社會效益大于私人收益；為了克服“搭便車”問題，需要在新的市場條件下，發(fā)揮政府的引導作用，合理加大對現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、轉(zhuǎn)化、推廣的財政支持力度。建議成立現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重大專項基金，用于扶持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前沿技術科技攻關，支持發(fā)揮農(nóng)業(yè)重大科研成果的技術帶動與示范作用。國際經(jīng)驗表明，私人研發(fā)投資與公共研發(fā)投資具有互補性；建議制定相關激勵措施，引導社會組織、農(nóng)業(yè)企業(yè)積極開展現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研究，從而形成穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)科技投入機制及多元化的投資格局。

（二）建立農(nóng)業(yè)“產(chǎn)學研”創(chuàng)新聯(lián)盟

“產(chǎn)學研”創(chuàng)新聯(lián)盟是知識經(jīng)濟背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的重要組織形式，有利于不同創(chuàng)新主體的優(yōu)勢互補、資源協(xié)同，拉長創(chuàng)新價值鏈，構(gòu)建現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的核心競爭力和創(chuàng)新能力。建議科研院所、高校、管理部門協(xié)同參與，突出農(nóng)業(yè)企業(yè)的主體作用，重構(gòu)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，通過創(chuàng)新價值鏈發(fā)揮預設效用、形成協(xié)同合作關系；在金融、財政、稅收等方面給予配套政策支持，完善聯(lián)盟內(nèi)不同創(chuàng)新主體的利益分配機制，加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，激發(fā)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系動力；進一步實施科技興農(nóng)戰(zhàn)略，加大農(nóng)業(yè)科研人才培養(yǎng)，培育新型農(nóng)民群體，構(gòu)建多樣化的人才激勵機制，提高人力資本儲備并給予充足支持。

（三）完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新激勵政策

農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新具有不確定性和風險，我國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新不足的原因之一即農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新動力缺失。建議剖析現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展特點，針對性完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新激勵政策體系。保持合理的政府采購支持力度，尤其是扶持現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)重大創(chuàng)新成果。鼓勵多元化投入主體參與現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新活動，激發(fā)農(nóng)業(yè)科技投入積極性，支持農(nóng)業(yè)從業(yè)者積極運用創(chuàng)新成果，同步加強農(nóng)業(yè)知識產(chǎn)權保護。引導民間資本進入并深度參與農(nóng)業(yè)企業(yè)創(chuàng)新活動，提高企業(yè)創(chuàng)新的抵御風險能力。建設農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化平臺，豐富信息交流渠道，降低市場信息不對稱，利于現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的科技成果轉(zhuǎn)化與商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。完善農(nóng)業(yè)科技考核評價體系，統(tǒng)籌評價農(nóng)業(yè)科研成果的學術價值、應用可行性、產(chǎn)業(yè)適用性；推動農(nóng)業(yè)科技鏈與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的有機結(jié)合，以共享科技超額產(chǎn)出的形式激發(fā)科研人員積極性。