院士觀(guān)察:我國智慧農業(yè)的現狀與展望

2023 年10 月28 日， 沈陽(yáng)， 在CNCC2023（2023年中國計算機大會(huì )）上，CCF（中國計算機學(xué)會(huì )）數字農業(yè)分會(huì )主任、中國工程院院士、國家農業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江教授做了《數字農業(yè)現狀與展望》的報告，介紹了計算科技在農業(yè)領(lǐng)域里的應用發(fā)展情況，包括：智慧農業(yè)的介紹，智慧農業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，打造典型場(chǎng)景和未來(lái)展望。

1 關(guān)于智慧農業(yè)

信息科技和農業(yè)結合，現在一個(gè)很熱的發(fā)展方向是智慧農業(yè)。2022 年聯(lián)合國糧農組織（FAO）關(guān)于推進(jìn)農業(yè)和農村的可持續發(fā)展，提了六項有重大影響的技術(shù)：生物科技，數字科技，可再生能源，機械化，灌溉技術(shù)，食品加工科技。

聯(lián)合國糧農組織認為科技和創(chuàng )新能夠加速農業(yè)食品系統轉型，使得系統可以更有效率，包容性，韌性以及可持續性。

未來(lái)農業(yè)和農村的發(fā)展與計算科學(xué)有很大關(guān)聯(lián)。農業(yè)經(jīng)歷了長(cháng)期的發(fā)展，從1.0 向現在的3.0 逐漸演進(jìn)，歐洲已演進(jìn)到了4.0。當然農業(yè)發(fā)展的4.0 跟德國工業(yè)4.0不是一個(gè)完全相同的概念。但是從農業(yè)科技發(fā)展和進(jìn)步的角度看，目前農業(yè)農村領(lǐng)域一直面臨著(zhù)農業(yè)的第三次綠色革命，即數字革命，將生物技術(shù)、信息科技和智能裝備融合在一起，推動(dòng)農業(yè)生產(chǎn)方式的變革，形成新的數字經(jīng)濟。

圖1 農業(yè)1.0~農業(yè)3.0

信息科技在農業(yè)領(lǐng)域的應用形成了很多不同的名詞：智慧農業(yè)，智能農業(yè)，數字農業(yè)，精準農業(yè)……，這幾個(gè)詞在國外的都有相對應的英文單詞，smart，digital，precision 等。這是由于數字科技和農業(yè)進(jìn)行融合之后，由于強調的方面、作用的對象、產(chǎn)生的結果不太一樣，所以有了不同的名詞，但總體上沒(méi)有本質(zhì)上的差異。

目前從政府部門(mén)現在基本上統一，農業(yè)農村部一般把IT 和農業(yè)的融合叫做智慧農業(yè)，中央網(wǎng)信辦體系強調數字，有數字鄉村、數字農業(yè)等概念。但總體上信息科技作為一個(gè)要素，對農業(yè)生產(chǎn)的降本增效產(chǎn)生了重大的影響，是一種新的生產(chǎn)方式。

FAO 發(fā)布的《2022 年食品和農業(yè)狀況》是由部分世界著(zhù)名的IT 與農業(yè)融合專(zhuān)家寫(xiě)的一份400 多頁(yè)的報告，里面詳細列舉了信息科技在農業(yè)領(lǐng)域應用的里程碑式的事件，從1974 年動(dòng)物的電子耳標開(kāi)始，到上個(gè)世紀80 年代末90 年代初美國的GPS 用于農業(yè)、發(fā)展精準農業(yè)，到現在大尺度的智能化、無(wú)人化的農場(chǎng)的發(fā)展，以美國約翰迪爾（John Deere）公司為代表。目前在農業(yè)里，無(wú)論是種植業(yè)、養殖業(yè)還是加工業(yè)都在廣泛地應用信息技術(shù)。

美國農業(yè)部2022 年發(fā)布了2016—2019 美國信息技術(shù)組合應用的種植面積分布，其中，分析制圖技術(shù)+ 自動(dòng)導航對農業(yè)產(chǎn)量的影響非常大。例如冬小麥和玉米能夠增產(chǎn)12% 以上。這再次驗證了信息科技對農業(yè)發(fā)展的重要影響。

信息科技應用到農業(yè)、形成智慧農業(yè)已成為國際上的研究熱點(diǎn)。美國三院（科學(xué)院、工程院、醫學(xué)科學(xué)院）制定的面向2030 年食品農業(yè)科技發(fā)展戰略中，列了5 項重點(diǎn)突破的方向，第一個(gè)是農業(yè)傳感器，此外還有：數據科學(xué)/ 大數據，農業(yè)人工智能等。

日本也很重視農業(yè)人工智能、機器人系統對未來(lái)農業(yè)發(fā)展的深刻影響。

以上是國際上關(guān)注的熱點(diǎn)。

未來(lái)我們要結合國際趨勢，考慮怎樣用信息科技、工業(yè)技術(shù)來(lái)促進(jìn)農業(yè)轉型，以加速農業(yè)現代化，建設農業(yè)強國。

2 智慧農業(yè)中的信息科技

最近國內外都在關(guān)注信息科技與農業(yè)融合。如果按照一個(gè)閉環(huán)來(lái)考慮，包括：信息的獲取，處理決策，實(shí)施。其中涉及的具體技術(shù)是非常多的。

智能服務(wù)也是一個(gè)非常重要的方面，建立知識服務(wù)平臺，這里既和人工智能有很大的關(guān)系，也和網(wǎng)絡(luò )、數據、知識有關(guān)系，都可以歸結到計算科學(xué)領(lǐng)域。

2.1 傳感器

國際上非常關(guān)注?，F在我們每年要花460 億元去進(jìn)口國外的高端的傳感器。我們在機理、材料、加工工藝等方面都需要進(jìn)一步的研究和突破。

微型化/ 芯片級的農業(yè)傳感器的特點(diǎn)：①在復雜的場(chǎng)景下穩定可靠，②把一些算法寫(xiě)在芯片里。我國非常關(guān)注這種CMOS 結構的傳感器的發(fā)展。

農業(yè)領(lǐng)域里，傳感探測方面重點(diǎn)解決的是土壤環(huán)境和動(dòng)植物本身的信息。

例如我國用LIBS（激光誘導擊穿光譜）做的土壤硝態(tài)氮傳感器，目前精度很高。過(guò)去這種測試方法要搬到化學(xué)實(shí)驗室，現在把化學(xué)計量通過(guò)物理計量、科學(xué)計算的方式，能在現場(chǎng)獲取數據，這是非常有意義的。如果把這種儀器設備連到網(wǎng)上，就變成了在線(xiàn)測試，所以對快速的診斷和決策具有重要意義。另外，我們也研制出了土壤重金屬速測儀，過(guò)去土壤重金屬傳感器主要從美國和韓國購買(mǎi)。我們還有營(yíng)養液多元素速測儀，可用于農業(yè)大棚。

2.2 農業(yè)計算智能

現在我國很多專(zhuān)項，例如腦科學(xué)、人工智能、種業(yè)等專(zhuān)項。趙春江院士認為，目前我們所談的智能、新一代的人工智能，都是以計算智能為主體。

關(guān)于計算智能，特別是新一代人工智能的創(chuàng )新發(fā)展很快，我國圍繞5 個(gè)方面進(jìn)行了戰略性的部署，突出機器學(xué)習。其實(shí)所有還是以數據為基礎，沒(méi)有從根本上離開(kāi)計算。

農業(yè)領(lǐng)域有很多數據?，F在一年的數據量是8000PB，每年還在以60% 的速度在增長(cháng)。農業(yè)數據跟工業(yè)數據的不同之處是有生態(tài)適應性，即跟位置緊密關(guān)聯(lián)。所以與工業(yè)計算相比更復雜。這也是為什么農業(yè)率先大規模實(shí)現基于衛星導航定位的系統。

從大量的數據中可以提取知識，有了知識，就可以做很多服務(wù)和研究。因為農業(yè)本身是與生命科學(xué)領(lǐng)域緊密關(guān)聯(lián)的，所以現在人工智能用于生命科學(xué)領(lǐng)域的研究，像AlphaFold等，還有加拿大一家公司，通過(guò)人工智能算法進(jìn)行高通量的育種篩選，來(lái)加快育種周期，選出高產(chǎn)的品種。他們的研究范式是先獲取數據，然后建立模型和算法，再進(jìn)行計算、篩選，從而加速育種周期。

另外，可以通過(guò)智能計算，對病害、蟲(chóng)害進(jìn)行診斷。農業(yè)大概有7800 多種病害、7000 多種蟲(chóng)害。

日本上世紀80 年代曾研制過(guò)一種智能機，是從人工智能角度來(lái)做的，但是最后沒(méi)有研制成功，放棄了。該智能機一個(gè)非常重要的應用方向就是病蟲(chóng)害的在線(xiàn)的診斷和服務(wù)。從今天看來(lái)，當時(shí)的方向定得非常準確，可惜那時(shí)網(wǎng)絡(luò )還跟不上。

動(dòng)物疫病方面，我們人現在可以進(jìn)行遠程診療，那么動(dòng)物養殖業(yè)也一樣可以。非洲豬瘟在國內曾導致了重大的損失。養魚(yú)、養雞也一樣。新希望、牧原等企業(yè)積累了很多數據和案例，然后把這些案例進(jìn)行整理和分析，構建了相關(guān)的診療的模型。

另外還有以數據為基礎的育種。動(dòng)物育種特別強調群體性，需要通過(guò)計算去進(jìn)行分析和判斷，這樣才能夠加速育種周期。目前全球育種已經(jīng)走向了一個(gè)新時(shí)代，就是智能設計育種，是以人工智能的計算方法突破和發(fā)展，結合已有的全基因組進(jìn)行選擇的大數據育種，發(fā)展速度非?？?。

分子育種是智能設計育種的一個(gè)基本范式。從分子輔助標記育種（MAS）到全基因組選擇育種（GS），轉基因/ 基因編輯育種（GM/GE）。目前分子設計育種在生命科學(xué)領(lǐng)域是非常熱的研究領(lǐng)域。

2.3 裝備的智能化

2.3.1 無(wú)人駕駛拖拉機

雖然地形、地況、地貌場(chǎng)景非常復雜，但是農田機器高度智能化的程度發(fā)展速度非?？?。

目前我國北斗衛星導航已基本滿(mǎn)足我們農業(yè)生產(chǎn)的需要。過(guò)去我們都用GPS 和俄羅斯的格洛納斯，現在基本上以中國自己的北斗衛星為主。

機器智能化可謂解放生產(chǎn)力的一個(gè)非常重要的方法，但是現在要想完全做到智能化、提高作業(yè)質(zhì)量還是很難的。

2.3.2 蔬果生產(chǎn)機器人

驅勢是從一般的智能機械到智能機器人。荷蘭瓦格寧根大學(xué)（WUR）是一所以農業(yè)為特點(diǎn)在全球排名靠前的綜合性大學(xué)，該校在設施園藝方面發(fā)展得很好，其中機器人從種到收各個(gè)環(huán)節發(fā)展很好。

農業(yè)機器人非常復雜。趙春江院士團隊研制了蘋(píng)果采收機器人，已經(jīng)花了約3 年時(shí)間，探索了很多不同的技術(shù)路線(xiàn)，最后確定為采取多臂方案。因為1 個(gè)臂效率較低，4 個(gè)臂速度較快，如果兩邊同時(shí)做/8 個(gè)臂就更好。

當然現在還在探索中，還不完全成熟。因為蘋(píng)果樹(shù)的結構很復雜，有一定的厚度，而且白天和晚上光照的影響也是較大的，所以怎樣提高精準定位，還要考慮速度和效率，而且對果實(shí)不能進(jìn)行傷害，這帶來(lái)一系列挑戰。因為采摘時(shí)不是以摘下來(lái)為目的，還要保證外觀(guān)良好，所以情況非常復雜，從對象感知到情景感知，然后消除背景的復雜噪聲，建立更加高精度的診斷模型。目前這種末端執行器要做到處理反饋，因為勁小了摘下不來(lái)，勁大了會(huì )把蘋(píng)果夾傷。

2.3.3 大載荷無(wú)人機

通常機器是在地面上的，其實(shí)空中也可以完成相應的作業(yè)，是很重要的發(fā)展方向。

目前農業(yè)農村領(lǐng)域的無(wú)人機的載荷和續航時(shí)間還有待提升，另外還要把無(wú)人機做到智能化，①作業(yè)時(shí)不能遺漏，②不能重復，③安全。浙大有個(gè)無(wú)人機群研究小組，多架無(wú)人機可以在竹林里快速飛行，而不相互碰撞，可以避障。

2.3.4 農業(yè)自主作業(yè)系統

把軟硬件系統以及人工智能、計算科學(xué)疊加成一個(gè)完整的作業(yè)系統，包括播種、管理和收獲。

無(wú)人農場(chǎng)。在人工智能領(lǐng)域里，可以叫自主無(wú)人的系統。當然目前自主無(wú)人系統從單個(gè)機器已經(jīng)變成多機協(xié)同的體系。

目前國內在積極探索。國外，像美國約翰迪爾、美國凱斯紐荷蘭(CNH) 等農機巨頭現在已有相應的一些技術(shù)解決方案，是多機協(xié)同，為我們提供了很好的思路。國內目前正在建三江墾區這種面積較大又平坦的地方進(jìn)行試驗。

3 打造典型場(chǎng)景

希望IT 領(lǐng)域的學(xué)者能夠加入進(jìn)來(lái)的領(lǐng)域有很多場(chǎng)景。

1）智能育種。信息技術(shù)和育種科學(xué)結合?；诙嘟M學(xué)、大數據的全基因組選擇進(jìn)行智能設計育種。

2）大田精準農業(yè)。這個(gè)話(huà)題更大，從種到收每個(gè)環(huán)節都有計算機的參與，把過(guò)去傳統的不可控的農業(yè)生產(chǎn)變成可控的。使生產(chǎn)管理更加精確，效率更高。

3）智能溫室。過(guò)去叫農業(yè)大棚，現在叫智能溫室，現在的形勢也發(fā)生很大的變化，例如有26 層樓進(jìn)行葉菜類(lèi)生產(chǎn)，它完全是一家生產(chǎn)工廠(chǎng)，種子下去，那邊出來(lái)的就是我們要吃的蔬菜。這是一個(gè)生產(chǎn)工廠(chǎng)的概念，涉及環(huán)境和科學(xué)計算、控制等非常復雜的一套技術(shù)系統。工業(yè)上有智能制造的工廠(chǎng)，現在農業(yè)領(lǐng)域有智能的植物生產(chǎn)工廠(chǎng)，還有垂直的農場(chǎng)，可達二十幾層。國外給了智能垂直農場(chǎng)的定義等級以及相應的技術(shù)支撐要素。這里有幾個(gè)與我們有關(guān)：①對場(chǎng)景要判斷和分析，②基于場(chǎng)景和業(yè)務(wù)流程的計算和控制，③讓機器來(lái)完成人去做的工作，即實(shí)施。

4）智慧設施動(dòng)物養殖

●   中國樓房智能養豬

我國的一個(gè)重要創(chuàng )新是樓房養豬。湖北鄂州在60畝地上建了兩棟樓，每棟樓一年出商品豬60 萬(wàn)頭，兩棟樓共120 萬(wàn)頭，投資了40 億元。整個(gè)過(guò)程全是以感知、計算、控制和實(shí)施這一個(gè)鏈條為主線(xiàn)的，包括豬從不同的樓層進(jìn)行轉運。在樓房養豬方面，廣西揚翔也做得比較好。

表1 智慧垂直農場(chǎng)的分級

●   智慧漁場(chǎng)/ 海洋牧場(chǎng)

現在提出大食物觀(guān)，因此要向海洋要食物?，F在在海里，特別是在公海，完全可以有一艘很大的養殖船，例如投入使用的青島國信1 號是10 萬(wàn)噸級的大型養殖工船，可以飼養大黃魚(yú)。

4 未來(lái)展望

從全球范圍來(lái)看，未來(lái)誰(shuí)來(lái)種地問(wèn)題非常突出。

首先，全球及我國的農業(yè)人口減少得很快。據《世界人口展望：2019 年修訂版》的數據顯示，到2050 年，全世界每6 人中，就有1 人年齡在65 歲（16%）以上，而這一數字在2019 年為11 人（9%）。2020 年美國3.3億人，從事農業(yè)的人大概占不到1%。我們現在雖然人數還比較多，但是農村勞動(dòng)力紅利已經(jīng)沒(méi)有了。

關(guān)于人口老齡化，日本的老齡化已經(jīng)非常嚴重。我國從2015、2016 就開(kāi)始，大于65 歲的人口占全社會(huì )人口的比重快速增加。

所以將來(lái)農業(yè)生產(chǎn)還得靠智能系統，從單一的生產(chǎn)到一套完整的作業(yè)系統。未來(lái)農業(yè)會(huì )是這種場(chǎng)景：沒(méi)有人，機器做業(yè)完成后進(jìn)入機庫，晚上也可以作業(yè)。過(guò)去傳統的農業(yè)生產(chǎn)模式已不復存在了。

這是未來(lái)人們預想的一種模式：在機器上裝傳感器，可以動(dòng)態(tài)感知，然后自主作出決策和控制、實(shí)施?？梢?jiàn)未來(lái)我們要推進(jìn)智慧農業(yè)，計算技術(shù)、計算科學(xué)非常重要。

值得一提的是，中國跟國外不同之處就是要發(fā)展小尺度的設備。美國的有些設備大概120 英尺寬（約合36.6 米），在我們國內沒(méi)法用。日本與我國有相近的地方，所以日本小尺度的智能設備發(fā)展值得關(guān)注。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.1-2）