院士觀察:我國智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與展望

2023 年10 月28 日， 沈陽， 在CNCC2023（2023年中國計算機大會）上，CCF（中國計算機學會）數(shù)字農(nóng)業(yè)分會主任、中國工程院院士、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江教授做了《數(shù)字農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與展望》的報告，介紹了計算科技在農(nóng)業(yè)領域里的應用發(fā)展情況，包括：智慧農(nóng)業(yè)的介紹，智慧農(nóng)業(yè)關鍵技術(shù)，打造典型場景和未來展望。

1 關于智慧農(nóng)業(yè)

信息科技和農(nóng)業(yè)結(jié)合，現(xiàn)在一個很熱的發(fā)展方向是智慧農(nóng)業(yè)。2022 年聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）關于推進農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展，提了六項有重大影響的技術(shù)：生物科技，數(shù)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(nóng)組織認為科技和創(chuàng)新能夠加速農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，使得系統(tǒng)可以更有效率，包容性，韌性以及可持續(xù)性。

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

圖1 農(nóng)業(yè)1.0~農(nóng)業(yè)3.0

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

目前從政府部門現(xiàn)在基本上統(tǒng)一，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部一般把IT 和農(nóng)業(yè)的融合叫做智慧農(nóng)業(yè)，中央網(wǎng)信辦體系強調(diào)數(shù)字，有數(shù)字鄉(xiāng)村、數(shù)字農(nóng)業(yè)等概念。但總體上信息科技作為一個要素，對農(nóng)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(nóng)業(yè)狀況》是由部分世界著名的IT 與農(nóng)業(yè)融合專家寫的一份400 多頁的報告，里面詳細列舉了信息科技在農(nóng)業(yè)領域應用的里程碑式的事件，從1974 年動物的電子耳標開始，到上個世紀80 年代末90 年代初美國的GPS 用于農(nóng)業(yè)、發(fā)展精準農(nóng)業(yè)，到現(xiàn)在大尺度的智能化、無人化的農(nóng)場的發(fā)展，以美國約翰迪爾（John Deere）公司為代表。目前在農(nóng)業(yè)里，無論是種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)還是加工業(yè)都在廣泛地應用信息技術(shù)。

美國農(nóng)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)+ 自動導航對農(nóng)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(nóng)業(yè)發(fā)展的重要影響。

信息科技應用到農(nóng)業(yè)、形成智慧農(nóng)業(yè)已成為國際上的研究熱點。美國三院（科學院、工程院、醫(yī)學科學院）制定的面向2030 年食品農(nóng)業(yè)科技發(fā)展戰(zhàn)略中，列了5 項重點突破的方向，第一個是農(nóng)業(yè)傳感器，此外還有：數(shù)據(jù)科學/ 大數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)人工智能等。

日本也很重視農(nóng)業(yè)人工智能、機器人系統(tǒng)對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的深刻影響。

以上是國際上關注的熱點。

未來我們要結(jié)合國際趨勢，考慮怎樣用信息科技、工業(yè)技術(shù)來促進農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，以加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，建設農(nóng)業(yè)強國。

2 智慧農(nóng)業(yè)中的信息科技

最近國內(nèi)外都在關注信息科技與農(nóng)業(yè)融合。如果按照一個閉環(huán)來考慮，包括：信息的獲取，處理決策，實施。其中涉及的具體技術(shù)是非常多的。

智能服務也是一個非常重要的方面，建立知識服務平臺，這里既和人工智能有很大的關系，也和網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、知識有關系，都可以歸結(jié)到計算科學領域。

2.1 傳感器

國際上非常關注?，F(xiàn)在我們每年要花460 億元去進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一步的研究和突破。

微型化/ 芯片級的農(nóng)業(yè)傳感器的特點：①在復雜的場景下穩(wěn)定可靠，②把一些算法寫在芯片里。我國非常關注這種CMOS 結(jié)構(gòu)的傳感器的發(fā)展。

農(nóng)業(yè)領域里，傳感探測方面重點解決的是土壤環(huán)境和動植物本身的信息。

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。過去這種測試方法要搬到化學實驗室，現(xiàn)在把化學計量通過物理計量、科學計算的方式，能在現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)，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，過去土壤重金屬傳感器主要從美國和韓國購買。我們還有營養(yǎng)液多元素速測儀，可用于農(nóng)業(yè)大棚。

2.2 農(nóng)業(yè)計算智能

現(xiàn)在我國很多專項，例如腦科學、人工智能、種業(yè)等專項。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 個方面進行了戰(zhàn)略性的部署，突出機器學習。其實所有還是以數(shù)據(jù)為基礎，沒有從根本上離開計算。

農(nóng)業(yè)領域有很多數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在一年的數(shù)據(jù)量是8000PB，每年還在以60% 的速度在增長。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)跟工業(yè)數(shù)據(jù)的不同之處是有生態(tài)適應性，即跟位置緊密關聯(lián)。所以與工業(yè)計算相比更復雜。這也是為什么農(nóng)業(yè)率先大規(guī)模實現(xiàn)基于衛(wèi)星導航定位的系統(tǒng)。

從大量的數(shù)據(jù)中可以提取知識，有了知識，就可以做很多服務和研究。因為農(nóng)業(yè)本身是與生命科學領域緊密關聯(lián)的，所以現(xiàn)在人工智能用于生命科學領域的研究，像AlphaFold等，還有加拿大一家公司，通過人工智能算法進行高通量的育種篩選，來加快育種周期，選出高產(chǎn)的品種。他們的研究范式是先獲取數(shù)據(jù)，然后建立模型和算法，再進行計算、篩選，從而加速育種周期。

另外，可以通過智能計算，對病害、蟲害進行診斷。農(nóng)業(yè)大概有7800 多種病害、7000 多種蟲害。

日本上世紀80 年代曾研制過一種智能機，是從人工智能角度來做的，但是最后沒有研制成功，放棄了。該智能機一個非常重要的應用方向就是病蟲害的在線的診斷和服務。從今天看來，當時的方向定得非常準確，可惜那時網(wǎng)絡還跟不上。

動物疫病方面，我們?nèi)爽F(xiàn)在可以進行遠程診療，那么動物養(yǎng)殖業(yè)也一樣可以。非洲豬瘟在國內(nèi)曾導致了重大的損失。養(yǎng)魚、養(yǎng)雞也一樣。新希望、牧原等企業(yè)積累了很多數(shù)據(jù)和案例，然后把這些案例進行整理和分析，構(gòu)建了相關的診療的模型。

另外還有以數(shù)據(jù)為基礎的育種。動物育種特別強調(diào)群體性，需要通過計算去進行分析和判斷，這樣才能夠加速育種周期。目前全球育種已經(jīng)走向了一個新時代，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(jié)合已有的全基因組進行選擇的大數(shù)據(jù)育種，發(fā)展速度非?？?。

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

2.3 裝備的智能化

2.3.1 無人駕駛拖拉機

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

目前我國北斗衛(wèi)星導航已基本滿足我們農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。過去我們都用GPS 和俄羅斯的格洛納斯，現(xiàn)在基本上以中國自己的北斗衛(wèi)星為主。

機器智能化可謂解放生產(chǎn)力的一個非常重要的方法，但是現(xiàn)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(qū)勢是從一般的智能機械到智能機器人。荷蘭瓦格寧根大學（WUR）是一所以農(nóng)業(yè)為特點在全球排名靠前的綜合性大學，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環(huán)節(jié)發(fā)展很好。

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

當然現(xiàn)在還在探索中，還不完全成熟。因為蘋果樹的結(jié)構(gòu)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，而且對果實不能進行傷害，這帶來一系列挑戰(zhàn)。因為采摘時不是以摘下來為目的，還要保證外觀良好，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(zhí)行器要做到處理反饋，因為勁小了摘下不來，勁大了會把蘋果夾傷。

2.3.3 大載荷無人機

通常機器是在地面上的，其實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(nóng)業(yè)農(nóng)村領域的無人機的載荷和續(xù)航時間還有待提升，另外還要把無人機做到智能化，①作業(yè)時不能遺漏，②不能重復，③安全。浙大有個無人機群研究小組，多架無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(nóng)業(yè)自主作業(yè)系統(tǒng)

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

無人農(nóng)場。在人工智能領域里，可以叫自主無人的系統(tǒng)。當然目前自主無人系統(tǒng)從單個機器已經(jīng)變成多機協(xié)同的體系。

目前國內(nèi)在積極探索。國外，像美國約翰迪爾、美國凱斯紐荷蘭(CNH) 等農(nóng)機巨頭現(xiàn)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(nèi)目前正在建三江墾區(qū)這種面積較大又平坦的地方進行試驗。

3 打造典型場景

希望IT 領域的學者能夠加入進來的領域有很多場景。

1）智能育種。信息技術(shù)和育種科學結(jié)合。基于多組學、大數(shù)據(jù)的全基因組選擇進行智能設計育種。

2）大田精準農(nóng)業(yè)。這個話題更大，從種到收每個環(huán)節(jié)都有計算機的參與，把過去傳統(tǒng)的不可控的農(nóng)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。過去叫農(nóng)業(yè)大棚，現(xiàn)在叫智能溫室，現(xiàn)在的形勢也發(fā)生很大的變化，例如有26 層樓進行葉菜類生產(chǎn)，它完全是一家生產(chǎn)工廠，種子下去，那邊出來的就是我們要吃的蔬菜。這是一個生產(chǎn)工廠的概念，涉及環(huán)境和科學計算、控制等非常復雜的一套技術(shù)系統(tǒng)。工業(yè)上有智能制造的工廠，現(xiàn)在農(nóng)業(yè)領域有智能的植物生產(chǎn)工廠，還有垂直的農(nóng)場，可達二十幾層。國外給了智能垂直農(nóng)場的定義等級以及相應的技術(shù)支撐要素。這里有幾個與我們有關：①對場景要判斷和分析，②基于場景和業(yè)務流程的計算和控制，③讓機器來完成人去做的工作，即實施。

4）智慧設施動物養(yǎng)殖

●   中國樓房智能養(yǎng)豬

我國的一個重要創(chuàng)新是樓房養(yǎng)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 萬頭，兩棟樓共120 萬頭，投資了40 億元。整個過程全是以感知、計算、控制和實施這一個鏈條為主線的，包括豬從不同的樓層進行轉(zhuǎn)運。在樓房養(yǎng)豬方面，廣西揚翔也做得比較好。

表1 智慧垂直農(nóng)場的分級

●   智慧漁場/ 海洋牧場

現(xiàn)在提出大食物觀，因此要向海洋要食物。現(xiàn)在在海里，特別是在公海，完全可以有一艘很大的養(yǎng)殖船，例如投入使用的青島國信1 號是10 萬噸級的大型養(yǎng)殖工船，可以飼養(yǎng)大黃魚。

4 未來展望

從全球范圍來看，未來誰來種地問題非常突出。

首先，全球及我國的農(nóng)業(yè)人口減少得很快。據(jù)《世界人口展望：2019 年修訂版》的數(shù)據(jù)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(shù)字在2019 年為11 人（9%）。2020 年美國3.3億人，從事農(nóng)業(yè)的人大概占不到1%。我們現(xiàn)在雖然人數(shù)還比較多，但是農(nóng)村勞動力紅利已經(jīng)沒有了。

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

所以將來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還得靠智能系統(tǒng)，從單一的生產(chǎn)到一套完整的作業(yè)系統(tǒng)。未來農(nóng)業(yè)會是這種場景：沒有人，機器做業(yè)完成后進入機庫，晚上也可以作業(yè)。過去傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已不復存在了。

這是未來人們預想的一種模式：在機器上裝傳感器，可以動態(tài)感知，然后自主作出決策和控制、實施?？梢娢磥砦覀円七M智慧農(nóng)業(yè)，計算技術(shù)、計算科學非常重要。

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(nèi)沒法用。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)展值得關注。

（本文來源于《EEPW》2024.1-2）