熊范綸：讓人工智能在田野“生長”

你可曾想過，人工智能在廣袤的田野上也能大展身手？

在最近一期《光明少年》新媒體節(jié)目“少年與AI的跨界對話”中，我國智能農(nóng)業(yè)的奠基人熊范綸先生傾心講述，與同學(xué)們分享了他與田野的故事：“人工智能技術(shù)就像一個(gè)智慧大腦，將復(fù)雜的農(nóng)業(yè)知識和多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化和智能化……”

熊范綸是我國農(nóng)業(yè)科技變革的重要推動者。他將人工智能從實(shí)驗(yàn)室引入田間地頭從讓計(jì)算機(jī)指導(dǎo)農(nóng)民施肥，到構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，這條路他已走過四十余年，現(xiàn)在已是“80后”的他依然堅(jiān)持行走在田野鄉(xiāng)間。

一次次的研討只為做到最好

熊范綸出生于江蘇靖江農(nóng)村。童年時(shí)代的他對身邊的一切都充滿好奇，看到風(fēng)箏在天空自由飛翔，就琢磨其中的原理；發(fā)現(xiàn)兩個(gè)杯子能用線連接起來通話，便驚嘆于聲音傳遞的奧妙。這些看似平常的現(xiàn)象，在熊范綸眼中都是一個(gè)個(gè)有趣的謎題。

因深知農(nóng)民勞作的艱辛，高中時(shí)的熊范綸立志要設(shè)計(jì)出能幫助鄉(xiāng)親們減負(fù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械。他利用課余時(shí)間，刻苦學(xué)習(xí)機(jī)械制圖知識，一筆一劃勾勒出理想的農(nóng)機(jī)圖紙。那些圖紙上的線條，不僅是簡單的描繪，更寄托著他對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的憧憬。

他的設(shè)計(jì)從割麥子到最后入倉一氣呵成，得到江蘇省農(nóng)業(yè)廳的高度評價(jià)。熊范綸備受鼓舞，更加堅(jiān)定了在科學(xué)道路上繼續(xù)前行的決心。

1958年，他成了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的第一屆學(xué)生，這段求學(xué)經(jīng)歷奠定了熊范綸研究自動控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。“我第一次了解人工智能是在1978年?！?0世紀(jì)70年代末，人工智能技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家迅速崛起，釋放出巨大潛能，這股科技浪潮也引起了中國科學(xué)界的關(guān)注。1981年就職于中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所的熊范綸，為深入學(xué)習(xí)和研究人工智能，前往美國馬里蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)系深造。

留學(xué)期間，熊范綸如饑似渴地學(xué)習(xí)模式識別、圖像處理及專家系統(tǒng)等技術(shù)。他說：“這些技術(shù)當(dāng)時(shí)在國內(nèi)還鮮為人知?！?/p>

1983年，熊范綸學(xué)成歸來，滿心都是如何運(yùn)用所學(xué)知識報(bào)效祖國，特別是在軍事或工業(yè)領(lǐng)域，但后來卻因種種原因未能成型。一次偶然，熊范綸與農(nóng)業(yè)意外結(jié)緣。盡管當(dāng)時(shí)在農(nóng)村搞科研意味著選擇艱苦的工作環(huán)境，工作前景也不被看好，但從鄉(xiāng)村走出來的熊范綸，加之其參觀美國農(nóng)莊后希望改變中國農(nóng)村的強(qiáng)烈愿望，讓他沒有絲毫猶豫，決然轉(zhuǎn)身另辟蹊徑，勇敢地投身農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

讓智能與農(nóng)業(yè)結(jié)合，必須先找到一個(gè)關(guān)鍵的切入點(diǎn)。在一次交流中，土肥專家吳文榮表示希望解決農(nóng)村嚴(yán)重的施肥問題。當(dāng)時(shí)，農(nóng)民的施肥方式粗放，不僅導(dǎo)致化肥的大量浪費(fèi)，土壤環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，還對農(nóng)作物產(chǎn)量造成影響。

雙方接觸研討后，才知道鴻溝如此難以跨越。熊范綸認(rèn)真聽取土肥專家多年積累的經(jīng)驗(yàn)知識。他們在一次次交流中碰撞出火花，在一次次迂回中取得共識，不斷向目標(biāo)靠近，最終決定將專家系統(tǒng)應(yīng)用于指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥。

渾身是勁的我們解鎖更多可能

在建造專家系統(tǒng)的過程中，棘手的問題很快出現(xiàn)了——如何將專家的知識經(jīng)驗(yàn)變成計(jì)算機(jī)能夠表示和運(yùn)轉(zhuǎn)的形式，也就是知識工程學(xué)科的知識表示與知識運(yùn)用。

“有難度沒關(guān)系，我們有的是干勁！”熊范綸和團(tuán)隊(duì)日夜鉆研，中科大的郭霖同學(xué)配合其取得了重要突破，他們大膽采用普通計(jì)算機(jī)語言Basic進(jìn)行編程，并排除常見的人工智能語言Lisp，在微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行專家系統(tǒng)，這種做法比國際上提前了十年時(shí)間。1985年，我國第一個(gè)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的原創(chuàng)成果“砂姜黑土小麥?zhǔn)┓视?jì)算機(jī)專家咨詢系統(tǒng)”研制成功。

這一新型系統(tǒng)問世后，熊范綸及其團(tuán)隊(duì)緊接著去農(nóng)村一線驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。在這期間，他認(rèn)真走訪各個(gè)村落，與農(nóng)民們深入交流，了解他們的實(shí)際需求，為其提供科學(xué)的施肥建議。在安徽蒙城的驗(yàn)證中，土肥站將實(shí)際施氮、施磷的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，得出的小麥母產(chǎn)量同實(shí)際產(chǎn)量只相差10斤左右，如此高精確度的驗(yàn)證結(jié)果令大家驚嘆不已。這一結(jié)果不僅證明了系統(tǒng)的可靠性，還讓農(nóng)民們看到了科學(xué)施肥的巨大潛力。

“砂姜黑土小麥?zhǔn)┓视?jì)算機(jī)專家咨詢系統(tǒng)”在安徽淮北十多個(gè)縣的500多萬畝地上推廣應(yīng)用，為農(nóng)民增收上億元。該成果系國內(nèi)外首創(chuàng)，比美國、日本、歐洲等同類研究早了兩、三年，標(biāo)志著我國農(nóng)業(yè)從技術(shù)上跨越了機(jī)械化、自動化、信息化，直接邁向智能化。1988年，這項(xiàng)成果榮獲當(dāng)時(shí)我國人工智能界最高獎勵——國家科技進(jìn)步二等獎。

腳步不停做自己人生的永動機(jī)

取得這一首創(chuàng)成果的熊范綸并沒有滿足。他說：“無論是當(dāng)時(shí)還是現(xiàn)在，農(nóng)業(yè)智能領(lǐng)域還有廣闊的空間等著我們?nèi)ヌ剿鳎业哪_步無法停，也不能停。”

在向國家有關(guān)部門匯報(bào)工作時(shí)，一位總工程師提出的問題又引發(fā)了他的思考：現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)能否適用于不同的地區(qū)和農(nóng)作物？熊范綸聽到這個(gè)問題，第一反應(yīng)是這幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。畢竟，我國地域遼闊，不同地區(qū)的土壤條件、氣候環(huán)境千差萬別，農(nóng)作物的品種更是繁多，要讓一個(gè)專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)普遍適用，難度可想而知。

然而，在返程的火車上，熊范綸的思緒卻始終圍繞這個(gè)問題打轉(zhuǎn)。他漸漸意識到，如果能夠解決這個(gè)問題，讓專家系統(tǒng)適用于不同地區(qū)和農(nóng)作物，那么農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)就能真正在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣，幫助更多的農(nóng)民科學(xué)種植，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，這對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的意義將不可估量。

于是，他計(jì)劃嘗試做出一個(gè)通用的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，以推廣應(yīng)用到全國各地的不同作物。

回到單位，他立刻組織團(tuán)隊(duì)開展研究?？紤]到在施肥問題上團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，他們決定先針對施肥問題進(jìn)行開發(fā)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員對之前積累的技術(shù)和知識進(jìn)行全面梳理，仔細(xì)分析了不同土壤類型、生態(tài)條件，各種農(nóng)作物對肥料的需求特點(diǎn)，以及施肥系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中反饋的問題和數(shù)據(jù)。

通過二十多年對農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)技術(shù)體系的深入研究，對開發(fā)工具的不斷優(yōu)化和拓展，他們成功將其應(yīng)用范圍從施肥擴(kuò)大到植保、栽培等農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，采用智能引導(dǎo)的人工獲取、自動半自動知識獲取，以及通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)等技術(shù)，形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)開發(fā)平臺系列。

該平臺能夠根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)和農(nóng)作物的需求，快速生成相應(yīng)的專家系統(tǒng)，大大縮短了開發(fā)周期。此外，平臺操作便捷，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員只需經(jīng)過簡單培訓(xùn)，就能利用該平臺開發(fā)適合當(dāng)?shù)氐膶＜蚁到y(tǒng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的指導(dǎo)，該技術(shù)也被評為國家自然科學(xué)基金委二十周年重大成果之一。 熊范綸做到了將復(fù)雜的技術(shù)“傻瓜化”，推動了農(nóng)業(yè)智能工程和智能農(nóng)業(yè)信息學(xué)這一新興研究方向在我國的發(fā)展。

2005年，熊范綸獲得世界自動控制界最高獎與最高榮譽(yù)IFAC Fellow，他是第一個(gè)獲得此獎項(xiàng)的中國科學(xué)家。2008年，獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎。2021年，他又獲得中國自動化學(xué)會60周年杰出貢獻(xiàn)獎。

如今，熊范綸心里依舊住著一個(gè)少年，提及如何保持學(xué)習(xí)的熱情和動力，他說：“我只是不忘初心罷了。”

沉浸在熱愛中是熊爺爺不斷科研探索的永動機(jī)。讀到這里，你可能會好奇：未來，智能農(nóng)業(yè)會是什么樣子？不妨打開AI對話框，輸入指令，看看AI是如何思考的？