智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)組成與發(fā)展

牟雪雷

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)是指利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行改革,主要以智能化技術(shù)控制農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn),通過傳感器技術(shù)、信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中信息的全面感知和傳輸[1]。如通過自動采集農(nóng)作物生產(chǎn)特征和生產(chǎn)環(huán)境,基于智能控制技術(shù)根據(jù)作物生產(chǎn)情況對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),保證農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境更加適合作物生長[2]。

智慧農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)主要包括云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器技術(shù)等,并將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)[3],實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化決策、社會化服務(wù)、精細(xì)化管理,對于改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式具有重要意義。

針對以上問題,本研究系統(tǒng)論述了國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)典型發(fā)展模式與技術(shù),提出我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問題與未來發(fā)展前景。研究結(jié)果旨在為全面提升我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型提供技術(shù)參考與依據(jù)。

1 智慧農(nóng)業(yè)

1.1 定義

智慧農(nóng)業(yè)是指充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),集成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)和無線通信技術(shù)等,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、專家決策和災(zāi)難預(yù)警等功能,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一種可視化管理和智能化決策的發(fā)展模式[4]。智慧農(nóng)業(yè)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理智能化的同時,還包括農(nóng)業(yè)電子商務(wù)、食品溯源、農(nóng)業(yè)休閑旅游和農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等,將各項(xiàng)技術(shù)從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)延伸到農(nóng)業(yè)管理、營銷等各個環(huán)節(jié)。

1.2 發(fā)展特征

1.2.1 基本特征

與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比,智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和繼承,其基本特征是高效化、集約化、信息化。

1.2.2 產(chǎn)業(yè)特征

智慧農(nóng)業(yè)是將現(xiàn)代技術(shù)與專家經(jīng)驗(yàn)相互融合而成的農(nóng)業(yè)發(fā)展新形態(tài),最大限度地將人類智慧轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)生產(chǎn)力,利用信息化技術(shù)和知識驅(qū)動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長。

1.3 主要內(nèi)容

智慧農(nóng)業(yè)按照應(yīng)用領(lǐng)域不同分為智慧科技、智慧生產(chǎn)、智慧組織、智慧管理4個內(nèi)容[5]。

1.3.1 智慧科技

農(nóng)業(yè)科技是解決三農(nóng)問題的重要技術(shù),農(nóng)業(yè)只有依靠科技才能進(jìn)步,進(jìn)而改善農(nóng)民勞動環(huán)境。智慧科技是在農(nóng)業(yè)科技的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新模式。

1.3.2 智慧生產(chǎn)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的核心,主要包括生物、技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)4個生產(chǎn)要素,智慧農(nóng)業(yè)可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中探尋生產(chǎn)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),減少農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。

1.3.3 智慧組織

智慧組織是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)布局區(qū)域化、管理企業(yè)化、生產(chǎn)專業(yè)化、服務(wù)社會化和經(jīng)營一體化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,將散戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)現(xiàn)代市場發(fā)展需求的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

1.3.4 智慧管理

智慧管理主要是通過了解相關(guān)資源配置,感知農(nóng)業(yè)環(huán)境變化,加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)管、開發(fā),利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),如田間各類傳感器的應(yīng)用,及時幫助農(nóng)戶獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息,通過控制系統(tǒng)對信息進(jìn)行整理與分析,為農(nóng)戶做出合理的決策。

2 國外智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展模式與特征

2.1 美國

美國智慧農(nóng)業(yè)最突出的特征是農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)體系,主要以政府為主體,構(gòu)建一定規(guī)模的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)中心,全面采集區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源,為各個部門、農(nóng)戶提供生產(chǎn)管理決策基礎(chǔ)信息[6],其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 美國農(nóng)業(yè)信息服務(wù)體系基本構(gòu)成

2.2 英國

英國以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展為主要生產(chǎn)模式,其核心技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、空間技術(shù)、遙感系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)等各類信息技術(shù)的集成與應(yīng)用,涉及精準(zhǔn)播種、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程。

1)精準(zhǔn)播種。將精準(zhǔn)種子工程與精準(zhǔn)播種技術(shù)有機(jī)結(jié)合,使精準(zhǔn)播種機(jī)播種均勻、精量播種、播深一致。精準(zhǔn)播種技術(shù)既可以節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)種子,又可使作物在田間獲得最佳分布,從而為作物生長和發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境,有效提高作物對營養(yǎng)和太陽能的吸收率。

2)精準(zhǔn)施肥。根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型、土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況、作物類別和產(chǎn)量水平,將氮、磷、鉀和多種可促進(jìn)作物生長的微量元素與有機(jī)肥加以科學(xué)配比,從而做到有針對性地科學(xué)施肥,既可以減少因過量施肥造成的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降情況,又可以降低成本。

3)精準(zhǔn)灌溉。根據(jù)不同作物、不同生育期間土壤墑情和作物需水量,實(shí)施精量灌溉,極大節(jié)約了水資源,提高了水資源利用率。

4)精準(zhǔn)收獲。利用精準(zhǔn)收獲系統(tǒng)做到顆粒歸倉,同時還可根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確分級。

2.3 日本

日本耕地面積較小,農(nóng)業(yè)資源有限,而且日本老齡化問題不斷加劇,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人口不斷減少,日本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員平均年齡達(dá)到64歲,在這種情況下,利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

1)重視農(nóng)村信息化的市場規(guī)則及發(fā)展政策的制定。日本政府根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的市場運(yùn)營規(guī)則,建立了若干個專門咨詢委員會,制定了一系列的制度性、運(yùn)行性規(guī)則,約束市場各方的行為規(guī)范,并根據(jù)實(shí)際需要制定發(fā)展政策,促進(jìn)市場有序運(yùn)行。

2)重視農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。日本歷屆政府都十分重視農(nóng)村的通信、廣播、電視的發(fā)展。目前,日本農(nóng)林水產(chǎn)省正在制訂一項(xiàng)名為“21世紀(jì)農(nóng)林水產(chǎn)領(lǐng)域信息化戰(zhàn)略”的計(jì)劃,其基本思路是大力建設(shè)農(nóng)村的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施,如鋪設(shè)光纜等,以建立發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)。

3 我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國高度重視現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,先后出臺多個政策支持各個地區(qū)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。目前,我國已經(jīng)建立了200個國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)域,對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行試運(yùn)行,全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)情災(zāi)害預(yù)警和無人機(jī)監(jiān)測等信息化試驗(yàn)示范工作,逐漸完善智慧農(nóng)業(yè)運(yùn)營機(jī)制與模式。

4 智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)集成,主要包括無線傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等[7]。

4.1.1 無線傳感器技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要是以無線傳感器技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù),如溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù),通過自動化、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等檢測作物生長環(huán)境,并將采集的信息進(jìn)行匯總與分析。

4.1.2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

遠(yuǎn)程控制技術(shù)主要是通過遠(yuǎn)程監(jiān)控參數(shù),與標(biāo)準(zhǔn)值動態(tài)調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,及時對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能化調(diào)控。

4.1.3 無線通信技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用無線通信技術(shù)建立農(nóng)業(yè)無線傳感器信息系統(tǒng),充分對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)指標(biāo)和信息參數(shù)進(jìn)行分析,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理向精細(xì)化和科學(xué)化方向發(fā)展。

4.1.4 射頻識別技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用射頻識別技術(shù)可以建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng),可追溯農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全與農(nóng)產(chǎn)品技術(shù)含量。

4.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)主要是采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分析、聚類和特征提取,找出有價值的數(shù)據(jù)資源,從復(fù)雜數(shù)據(jù)中分析其內(nèi)在規(guī)律與本質(zhì)關(guān)系,得出有價值的決策信息與結(jié)論。

1)大數(shù)據(jù)技術(shù)可以通過提取某個區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境信息和農(nóng)產(chǎn)品市場需求變化信息等,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與決策提供參考和依據(jù)。

2)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),如水資源數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)、氣候環(huán)境數(shù)據(jù)等,基于深度學(xué)習(xí)和回歸預(yù)測等方法,科學(xué)規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件與可行性分析。

3)通過農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、自動化技術(shù)等實(shí)時采集數(shù)據(jù),分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在的問題,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品深加工提供決策依據(jù)。

4.3 “5S”技術(shù)

在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中,利用“5S”技術(shù)可以快速分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤環(huán)境、作物長勢和氣候條件,進(jìn)而做出正確的決策?！?S”技術(shù)類型和應(yīng)用特點(diǎn)如表1所示。

表1 “5S”技術(shù)類型和應(yīng)用特點(diǎn)

4.4 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)可以執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、分析等指令,按照一定的運(yùn)算法則與方式進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存、共享和調(diào)用,基層管理部門等可以實(shí)時進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)督,為農(nóng)業(yè)管理提供參考。

5 我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢與策略

根據(jù)目前我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,提出未來我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢與要點(diǎn)。

5.1 培育創(chuàng)新主題

研究制訂農(nóng)業(yè)創(chuàng)新型企業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn),培育一批研發(fā)投入大、技術(shù)水平高、綜合效益好的農(nóng)業(yè)創(chuàng)新型企業(yè)、以“星創(chuàng)天地“為載體,推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新,鼓勵新型職業(yè)農(nóng)民,如大學(xué)生、返鄉(xiāng)農(nóng)民工、留學(xué)歸國人員、科技特派員等組成農(nóng)業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新的生力軍。支持家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新。

5.2 做強(qiáng)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)

按照一區(qū)一主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的定位,加大高新技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用力度,著力提升主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平,打造具有競爭優(yōu)勢的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群。加強(qiáng)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)攻堅(jiān),著力培育現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的新業(yè)態(tài)、新模式,增強(qiáng)示范區(qū)創(chuàng)新能力和發(fā)展后勁。強(qiáng)化“農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新+產(chǎn)業(yè)集群”的發(fā)展路徑,提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力,推動其向產(chǎn)業(yè)鏈中高端延伸。

5.3 集聚科教資源

推進(jìn)“政產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)”的緊密結(jié)合,完善各類研發(fā)機(jī)構(gòu)、測試檢測中心、新農(nóng)村發(fā)展研究院、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心等創(chuàng)新服務(wù)平臺,引導(dǎo)高等學(xué)校、科研院所的科技資源和人才,向示范區(qū)集聚。健全新型農(nóng)業(yè)科技服務(wù)體系,創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)方式,探索研發(fā)與應(yīng)用無縫對接的有效辦法,支持科技成果在示范區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用和示范。

5.4 培育職業(yè)農(nóng)民

加大培訓(xùn)投入、整合培訓(xùn)資源、增強(qiáng)培訓(xùn)能力、創(chuàng)新培訓(xùn)機(jī)制,建設(shè)具有區(qū)域特點(diǎn)的農(nóng)民培訓(xùn)基地,提升農(nóng)民職業(yè)技能,優(yōu)化農(nóng)業(yè)從業(yè)者結(jié)構(gòu)。鼓勵院校、企業(yè)和社會力量開展專業(yè)化教育,培養(yǎng)更多愛農(nóng)業(yè)、懂技術(shù)、善經(jīng)營的新型職業(yè)農(nóng)民。

5.5 促進(jìn)融合共享

推進(jìn)農(nóng)村一、二、三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展,加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式積極探素農(nóng)民分享二、三產(chǎn)業(yè)增值收益的機(jī)制,激勵農(nóng)民增收致富,增強(qiáng)農(nóng)民的獲得感。推動城鄉(xiāng)融合發(fā)展,推進(jìn)區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新,逐步縮小城鄉(xiāng)差距,打造新型“科技+產(chǎn)業(yè)+生活”社區(qū),建設(shè)美麗鄉(xiāng)村推動綠色發(fā)展。堅(jiān)持綠色發(fā)展理念,發(fā)展循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè),推進(jìn)農(nóng)業(yè)資源高效利用,打造水體潔凈、空氣清新、土壤安全的綠色環(huán)境。加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度,提高垃圾和污水處理率,正確處理農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)、糧食安全、農(nóng)民增收的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的有機(jī)統(tǒng)一。

5.6 強(qiáng)化信息服務(wù)

促進(jìn)信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村全面深度融合,發(fā)展智慧農(nóng)業(yè),建立健全智能化、網(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體系,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息管理服務(wù)能力。加快建立健全適應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品電商發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系,支持農(nóng)產(chǎn)品電商平臺建設(shè),推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化建設(shè)。

5.7 加強(qiáng)國際合作

結(jié)合“一帶一路建設(shè)和農(nóng)業(yè)“走出去”,統(tǒng)籌運(yùn)用國外、國內(nèi)兩個市場、兩種資源,提升示范區(qū)國際化水平。加強(qiáng)國際學(xué)術(shù)交流和技術(shù)培訓(xùn),國家引進(jìn)的農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)模式優(yōu)先在示范區(qū)轉(zhuǎn)移示范。依托示范區(qū)合作交流平臺,推動裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),服務(wù)“走出去”,提高我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的國際竟?fàn)幜Α?/p>

6 結(jié)論

改革開放以來,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了巨大進(jìn)步與發(fā)展,我國糧食產(chǎn)量不斷提高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率逐漸提升。近年來,隨著云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等發(fā)展,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大力發(fā)展智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展模式,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化作業(yè),對于保障我國糧食安全,提升我國農(nóng)業(yè)競爭力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究系統(tǒng)論述了國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,提出未來我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向于實(shí)施策略。研究結(jié)果對于全面提高我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)趕超戰(zhàn)略提供技術(shù)參考。