數(shù)字化技術(shù)賦能蘋果果園精準(zhǔn)生產(chǎn)管理

楊劍超 趙浩健 劉 偉 李淑平 楊魯光 張煥春*

（1山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東煙臺(tái) 265500；2天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384；3蓬萊市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東煙臺(tái) 264009；4萊州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東煙臺(tái) 261437）

蘋果是我國北方地區(qū)面積最大的果樹門類，由于其經(jīng)濟(jì)效益較高是許多地區(qū)的農(nóng)民增收的主要途徑，但是由于我國鄉(xiāng)村從業(yè)人員近年來老齡化嚴(yán)重，對(duì)于蘋果生產(chǎn)人工的依賴度要求越低越好，所以需要借助于數(shù)字化信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果栽培和管理過程中的精準(zhǔn)管理。本文提出了基于數(shù)字化蘋果園管理的三個(gè)層次，并根據(jù)三個(gè)層次提出相對(duì)應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，為果園邁進(jìn)數(shù)字化提供參考。

蘋果是我國第一大水果品種和第一大出口水果，有140多年的歷史，蘋果也是我國最早放開市場(chǎng)的農(nóng)產(chǎn)品之一，生產(chǎn)、流通、加工、貿(mào)易各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈齊全完善。進(jìn)入到2010年前后，由于蘋果生產(chǎn)的勞動(dòng)力缺乏等問題，開始參考?xì)W美結(jié)合日本，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)喬化果樹栽培，推廣矮化果樹，大量引入歐美的機(jī)器方案，實(shí)現(xiàn)果園的機(jī)械化，并逐漸加入信息化管理要素，為數(shù)字化果園的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)作為新型生產(chǎn)要素，是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)，已快速融入生產(chǎn)、分配、流通、消費(fèi)和社會(huì)服務(wù)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)，深刻改變著生產(chǎn)方式、生活方式和社會(huì)治理方式[1-5]，數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的深度融合已成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要驅(qū)動(dòng)力。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》明確了新時(shí)期數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村建設(shè)的總體思路和發(fā)展藍(lán)圖，要求以產(chǎn)業(yè)數(shù)字化為主線，全面提升農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)智能化、經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化、管理服務(wù)高效便捷化，以數(shù)字化引領(lǐng)驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興提供有力支撐[6]。

我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)融合發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。從2013年“寬帶中國”上升為國家戰(zhàn)略以來，農(nóng)村寬帶覆蓋率逐年提升，至2019年，我國行政村4G覆蓋率超過98%，實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先的農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)覆蓋[7]。隨著我國5G新基建和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建成和完善，可用于農(nóng)業(yè)觀測(cè)的高分辨率遙感衛(wèi)星部署完成，農(nóng)業(yè)遙感、導(dǎo)航和通信衛(wèi)星應(yīng)用體系初步確立，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷得到推廣和應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化提供了基礎(chǔ)保障。特別是2018年后，全國蘋果主產(chǎn)區(qū)的各地市都朝向數(shù)字化發(fā)力，例如山東省開展了數(shù)字化果園認(rèn)定，讓數(shù)字果園的管理有章可依，更加規(guī)范。

1 數(shù)字技術(shù)賦能果園發(fā)展的三個(gè)層次

數(shù)字化信息技術(shù)賦能果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理，隨技術(shù)發(fā)展和資金投入和技術(shù)成熟水平，分為三個(gè)賦能服務(wù)類型，從信息本體服務(wù)，到信息規(guī)劃管理，再到信息智能化管理三個(gè)服務(wù)類型，功能和服務(wù)依次遞進(jìn)。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)測(cè)型賦能服務(wù)

1.1.1 果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、 連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[8-12]。

目前應(yīng)用于果園的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要分為環(huán)境類傳感器和生物體傳感器兩種，環(huán)境類傳感器主要為監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度、光照、二氧化碳、降雨、風(fēng)力和監(jiān)測(cè)土壤水分、溫度、ec的傳感器；生物體傳感器包括植物莖桿粗度、莖桿液流和葉片濕度及光合作用等傳感器。然后利用有線或者無線的方式組建信息采集平臺(tái)，并由平臺(tái)給終端手機(jī)或者電腦等發(fā)布實(shí)時(shí)的信息，用戶可以根據(jù)信息做出自主判斷，執(zhí)行農(nóng)業(yè)操作[13-18]。

以上兩種傳感器多由工業(yè)傳感器的改型而成，網(wǎng)絡(luò)也是基于工業(yè)總線轉(zhuǎn)化，我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用較廣的為rs485總線的傳感器，在無線網(wǎng)絡(luò)主要采用蜂巢電話的2G/4G技術(shù)和以WIFI/LORA為代表的無線局域網(wǎng)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)載體，不論傳感器、網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)，大都是采用開源框架。相對(duì)歐美等大的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成供應(yīng)商，我們的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體除了造價(jià)成本和組網(wǎng)門檻較低外，不論硬件還是軟件都較國外基于can總線等方式的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有較大的差距，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳感器精確度和壽命上。

但是近幾年我國的基于開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)展迅速，組網(wǎng)和程序設(shè)置的門檻也再次降低，雖然在繼承性產(chǎn)品的熟化程度落后于國外，但是在應(yīng)用成本，在快速組網(wǎng)布局、研發(fā)新的應(yīng)用模式方面遙遙領(lǐng)先于國外，也為物聯(lián)網(wǎng)小型化農(nóng)業(yè)傳感器的大規(guī)模零售化推廣應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。

1.1.2 蘋果物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)賦能果園精準(zhǔn)管理應(yīng)用數(shù)字化傳感器對(duì)于了解蘋果栽培環(huán)境等信息至關(guān)重要，首先是利用氣象信息實(shí)現(xiàn)對(duì)果園氣象災(zāi)害的提前預(yù)判，特別是近地表的傳感器可以捕捉自有園區(qū)小氣候的特征，對(duì)于霜凍、冰雹等災(zāi)害具有一定的前瞻性預(yù)報(bào)推送，彌補(bǔ)氣象災(zāi)害造成直接或間接的損失，另外利用土壤傳感器可以得到果園的水分情況，為果樹進(jìn)行人為水費(fèi)調(diào)控提供了科學(xué)依據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)+傳感器的組合是數(shù)字果園的基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)字化輔助管理賦能服務(wù)

1.2.1 現(xiàn)代化果園的管理特征現(xiàn)代化果園的管理較傳統(tǒng)果園的管理，有著本質(zhì)上的不同，傳統(tǒng)果園的管理一般是由農(nóng)戶依據(jù)不同時(shí)令的操作規(guī)程進(jìn)行，肉眼對(duì)果園的經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行施肥、打藥、除草等操作。現(xiàn)代化果園，除了具備不同時(shí)令的操作規(guī)程外，由于果園面積大，農(nóng)機(jī)具數(shù)量多，在進(jìn)行農(nóng)事管理和操作過程中，都需要合理進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī) 劃，另外，現(xiàn)代化果園通常由農(nóng)業(yè)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行公司化運(yùn)營，從業(yè)人員也劃分為長期工、臨時(shí)工、農(nóng)機(jī)師、農(nóng)藝師和經(jīng)理等職位，所以在不同任務(wù)和不同人物之間也存在協(xié)調(diào)關(guān)系，只有確保人、機(jī)、物的高效協(xié)調(diào)，才能降低人力、能耗、管理成本，這些離不開數(shù)字化信息技術(shù)。

1.2.2 數(shù)字化信息技術(shù)賦能果園人機(jī)物精準(zhǔn)管理首先，在對(duì)園區(qū)人員和農(nóng)機(jī)的管理上，數(shù)字化信息技術(shù)通過考勤機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員的考勤管理，另外通過衛(wèi)星定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)定位，方便對(duì)人員和生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行調(diào)度。

另外，通過對(duì)區(qū)域標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)操作和被操作物的標(biāo)記，并在系統(tǒng)中進(jìn)行記錄，從而實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中進(jìn)行溯源，溯源不僅可以記錄農(nóng)事操作軌跡，還可以協(xié)助管理農(nóng)資投入品信息，人員責(zé)任追溯等，讓果園管理場(chǎng)景更加透明化。

同時(shí)，配合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、土壤和生物等傳感器信息，可以針對(duì)果園的農(nóng)事操作構(gòu)建作業(yè)模型，用于實(shí)現(xiàn)園區(qū)人員、農(nóng)機(jī)統(tǒng)籌管理和農(nóng)事操作信息與決策信息自動(dòng)掛鉤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)督導(dǎo)，信息系統(tǒng)自動(dòng)化輔助決策的管理模式。

1.3 數(shù)字化技術(shù)賦能果園管理的無人化水平，促成無人果園的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 無人化果園的前提基礎(chǔ)首先，無人化果園的基礎(chǔ)是機(jī)械化果園和數(shù)字化果園，缺一不可。機(jī)械化是為了通過農(nóng)機(jī)機(jī)器人來代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè)農(nóng)機(jī)具，數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)機(jī)械對(duì)園區(qū)感知的前提，只有及時(shí)獲取園區(qū)的植物、環(huán)境、機(jī)械等信息，才能構(gòu)建起機(jī)器人的感知系統(tǒng)。

另外，有了硬件的條件，軟件決策分析系統(tǒng)也不可缺乏，并且必須依賴于人工智能技術(shù)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)決策分析通過簡單的機(jī)械學(xué)習(xí)可以為水肥機(jī)、割草機(jī)、彌霧機(jī)等制定行走路線，但是并無法與果園每日都在變化的狀況適應(yīng)，所以必須依賴于日益更新的視覺技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)信息和近地遙感等信息，共同組成智慧機(jī)械的感知系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的判斷。

越來越多的實(shí)例證明，果園的智慧化和無人化，需要依賴最新和最先進(jìn)的人工智能技術(shù)和智慧化機(jī)械技術(shù)，包括無人駕駛車輛技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)和多機(jī)械協(xié)同技術(shù)等，并且無人化農(nóng)機(jī)技術(shù)必須建立在智慧化交通技術(shù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)下放基礎(chǔ)之上。

1.3.2 數(shù)字化技術(shù)賦能果園無人化管理截止目前，信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)果園無人化管理的最突出應(yīng)用在于水肥管理，特別是目前市售水肥機(jī)的基本內(nèi)核采用PLC控制，大多數(shù)都具備有通訊模塊，可以根據(jù)數(shù)字化信息進(jìn)行變量決策，另外由于水肥操作除了控制繼電器開合實(shí)現(xiàn)配肥施肥外，對(duì)于農(nóng)機(jī)并沒有其他操作，因此水肥機(jī)的智慧化決策操控相較其他農(nóng)機(jī)無人化管理更容易實(shí)現(xiàn)。

另外，如果實(shí)現(xiàn)無人化果園，那么對(duì)于果園的數(shù)字化管理平臺(tái)的智慧化決策要求更高，必須有根據(jù)果園物聯(lián)網(wǎng)信息的通過算法提煉出的模型，推測(cè)出精準(zhǔn)的施肥策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)的調(diào)控。

2 數(shù)字化技術(shù)賦能蘋果果園精準(zhǔn)生產(chǎn)管理的展望

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟為農(nóng)業(yè)信息精準(zhǔn)獲取提供更好的未來

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和供電技術(shù)的改進(jìn)，越來越多的以mems芯片傳感器為代表的新型傳感器得到應(yīng)用，也為農(nóng)業(yè)傳感器目前高耗能、穩(wěn)定性差等突出問題提供了解決方案，并且傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的成本價(jià)格也越來越低，這些都為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件更新提供了新的方案。

另外，傳感器的研發(fā)不僅僅利用微電子技術(shù)，目前更多的研究希望利用熒光物質(zhì)、化感物質(zhì)等，在植物體內(nèi)注入生物傳感器，為植物“造影”，并配合目前的表型捕捉技術(shù)，完善對(duì)植物的感知，實(shí)現(xiàn)生命體傳感器。

同時(shí)，日益更新的無人機(jī)技術(shù)和影像解析技術(shù)，打破傳統(tǒng)傳感器的固定式束縛，可以利用可見光和光譜航拍照片對(duì)果園進(jìn)行冠層和土壤分析，從而實(shí)現(xiàn)從中等尺度對(duì)果園生產(chǎn)和管理信息的獲知。

2.2 越來越多的人工智能輔助產(chǎn)品技術(shù)可能下放到農(nóng)業(yè)產(chǎn)生新應(yīng)用

從目前人類工業(yè)發(fā)展水平來看，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人工無法完全實(shí)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景相較工業(yè)更為復(fù)雜，所以短期果園操作過程中，很難實(shí)現(xiàn)無人采摘、修剪等成熟裝置的自動(dòng)化。如何利用機(jī)器輔助來實(shí)現(xiàn)對(duì)人力和經(jīng)驗(yàn)需求的降低，也是數(shù)字化信息技術(shù)結(jié)合機(jī)械技術(shù)為農(nóng)業(yè)帶來的突破點(diǎn)之一，其中應(yīng)用于殘障領(lǐng)域的仿生外骨骼，可以作為人體輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘搬運(yùn)的省力操作，智能眼鏡通過AR應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹病蟲害的甄別、修剪枝條位置的判斷等，從而突破農(nóng)藝操作對(duì)人員技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的限制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同樣可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化農(nóng)機(jī)具操作。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益發(fā)展為農(nóng)業(yè)也帶來無限可能

通過數(shù)字化技術(shù)在蘋果種植、管理過程中的應(yīng)用歷史過程不難看出，數(shù)據(jù)的支撐作用越來越明顯，果園智能化發(fā)展水平不僅依賴硬件技術(shù)進(jìn)化，更取決于人類對(duì)大數(shù)據(jù)的把控應(yīng)用能力的升級(jí)。所以面向未來的數(shù)字化農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)，將是一個(gè)由感知網(wǎng)絡(luò)、信息交叉、自主學(xué)習(xí)模型共同組建的人工智能平臺(tái)，不僅僅需要農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息，還需要市場(chǎng)、環(huán)境信息，服務(wù)于農(nóng)業(yè)的綜合決策。