院士觀察:我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與展望

2023 年10 月28 日， 沈陽(yáng)， 在CNCC2023（2023年中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)）上，CCF（中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)）數(shù)字農(nóng)業(yè)分會(huì)主任、中國(guó)工程院院士、國(guó)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(bào)告，介紹了計(jì)算科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用發(fā)展情況，包括：智慧農(nóng)業(yè)的介紹，智慧農(nóng)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(nóng)業(yè)

信息科技和農(nóng)業(yè)結(jié)合，現(xiàn)在一個(gè)很熱的發(fā)展方向是智慧農(nóng)業(yè)。2022 年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展，提了六項(xiàng)有重大影響的技術(shù)：生物科技，數(shù)字科技，可再生能源，機(jī)械化，灌溉技術(shù)，食品加工科技。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織認(rèn)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(lái)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的發(fā)展與計(jì)算科學(xué)有很大關(guān)聯(lián)。農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的發(fā)展，從1.0 向現(xiàn)在的3.0 逐漸演進(jìn)，歐洲已演進(jìn)到了4.0。當(dāng)然農(nóng)業(yè)發(fā)展的4.0 跟德國(guó)工業(yè)4.0不是一個(gè)完全相同的概念。但是從農(nóng)業(yè)科技發(fā)展和進(jìn)步的角度看，目前農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)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(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革，形成新的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。

圖1 農(nóng)業(yè)1.0~農(nóng)業(yè)3.0

信息科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)……，這幾個(gè)詞在國(guó)外的都有相對(duì)應(yīng)的英文單詞，smart，digital，precision 等。這是由于數(shù)字科技和農(nóng)業(yè)進(jìn)行融合之后，由于強(qiáng)調(diào)的方面、作用的對(duì)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(méi)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(qiáng)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(gè)要素，對(duì)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(yè)的報(bào)告，里面詳細(xì)列舉了信息科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的里程碑式的事件，從1974 年動(dòng)物的電子耳標(biāo)開(kāi)始，到上個(gè)世紀(jì)80 年代末90 年代初美國(guó)的GPS 用于農(nóng)業(yè)、發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，到現(xiàn)在大尺度的智能化、無(wú)人化的農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展，以美國(guó)約翰迪爾（John Deere）公司為代表。目前在農(nóng)業(yè)里，無(wú)論是種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)還是加工業(yè)都在廣泛地應(yīng)用信息技術(shù)。

美國(guó)農(nóng)業(yè)部2022 年發(fā)布了2016—2019 美國(guó)信息技術(shù)組合應(yīng)用的種植面積分布，其中，分析制圖技術(shù)+ 自動(dòng)導(dǎo)航對(duì)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(yàn)證了信息科技對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要影響。

信息科技應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、形成智慧農(nóng)業(yè)已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。美國(guó)三院（科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)科學(xué)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(xiàng)重點(diǎn)突破的方向，第一個(gè)是農(nóng)業(yè)傳感器，此外還有：數(shù)據(jù)科學(xué)/ 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(jī)器人系統(tǒng)對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的深刻影響。

以上是國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)。

未來(lái)我們要結(jié)合國(guó)際趨勢(shì)，考慮怎樣用信息科技、工業(yè)技術(shù)來(lái)促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，以加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。

2 智慧農(nóng)業(yè)中的信息科技

最近國(guó)內(nèi)外都在關(guān)注信息科技與農(nóng)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(shí)服務(wù)平臺(tái)，這里既和人工智能有很大的關(guān)系，也和網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、知識(shí)有關(guān)系，都可以歸結(jié)到計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域。

2.1 傳感器

國(guó)際上非常關(guān)注?，F(xiàn)在我們每年要花460 億元去進(jìn)口國(guó)外的高端的傳感器。我們?cè)跈C(jī)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(jí)的農(nóng)業(yè)傳感器的特點(diǎn)：①在復(fù)雜的場(chǎng)景下穩(wěn)定可靠，②把一些算法寫在芯片里。我國(guó)非常關(guān)注這種CMOS 結(jié)構(gòu)的傳感器的發(fā)展。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里，傳感探測(cè)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(guó)用LIBS（激光誘導(dǎo)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(cè)試方法要搬到化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在把化學(xué)計(jì)量通過(guò)物理計(jì)量、科學(xué)計(jì)算的方式，能在現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)，這是非常有意義的。如果把這種儀器設(shè)備連到網(wǎng)上，就變成了在線測(cè)試，所以對(duì)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(cè)儀，過(guò)去土壤重金屬傳感器主要從美國(guó)和韓國(guó)購(gòu)買。我們還有營(yíng)養(yǎng)液多元素速測(cè)儀，可用于農(nóng)業(yè)大棚。

2.2 農(nóng)業(yè)計(jì)算智能

現(xiàn)在我國(guó)很多專項(xiàng)，例如腦科學(xué)、人工智能、種業(yè)等專項(xiàng)。趙春江院士認(rèn)為，目前我們所談的智能、新一代的人工智能，都是以計(jì)算智能為主體。

關(guān)于計(jì)算智能，特別是新一代人工智能的創(chuàng)新發(fā)展很快，我國(guó)圍繞5 個(gè)方面進(jìn)行了戰(zhàn)略性的部署，突出機(jī)器學(xué)習(xí)。其實(shí)所有還是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，沒(méi)有從根本上離開(kāi)計(jì)算。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(zhǎng)。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(yīng)性，即跟位置緊密關(guān)聯(lián)。所以與工業(yè)計(jì)算相比更復(fù)雜。這也是為什么農(nóng)業(yè)率先大規(guī)模實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。

從大量的數(shù)據(jù)中可以提取知識(shí)，有了知識(shí)，就可以做很多服務(wù)和研究。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)本身是與生命科學(xué)領(lǐng)域緊密關(guān)聯(lián)的，所以現(xiàn)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(shù)據(jù)，然后建立模型和算法，再進(jìn)行計(jì)算、篩選，從而加速育種周期。

另外，可以通過(guò)智能計(jì)算，對(duì)病害、蟲害進(jìn)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(jì)80 年代曾研制過(guò)一種智能機(jī)，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(jī)一個(gè)非常重要的應(yīng)用方向就是病蟲害的在線的診斷和服務(wù)。從今天看來(lái)，當(dāng)時(shí)的方向定得非常準(zhǔn)確，可惜那時(shí)網(wǎng)絡(luò)還跟不上。

動(dòng)物疫病方面，我們?nèi)爽F(xiàn)在可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診療，那么動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)也一樣可以。非洲豬瘟在國(guó)內(nèi)曾導(dǎo)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(jìn)行整理和分析，構(gòu)建了相關(guān)的診療的模型。

另外還有以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的育種。動(dòng)物育種特別強(qiáng)調(diào)群體性，需要通過(guò)計(jì)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(shè)計(jì)育種，是以人工智能的計(jì)算方法突破和發(fā)展，結(jié)合已有的全基因組進(jìn)行選擇的大數(shù)據(jù)育種，發(fā)展速度非常快。

分子育種是智能設(shè)計(jì)育種的一個(gè)基本范式。從分子輔助標(biāo)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(shè)計(jì)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(jī)

雖然地形、地況、地貌場(chǎng)景非常復(fù)雜，但是農(nóng)田機(jī)器高度智能化的程度發(fā)展速度非?？臁?/p>

目前我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航已基本滿足我們農(nóng)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(xiàn)在基本上以中國(guó)自己的北斗衛(wèi)星為主。

機(jī)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(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(jī)器人

驅(qū)勢(shì)是從一般的智能機(jī)械到智能機(jī)器人。荷蘭瓦格寧根大學(xué)（WUR）是一所以農(nóng)業(yè)為特點(diǎn)在全球排名靠前的綜合性大學(xué)，該校在設(shè)施園藝方面發(fā)展得很好，其中機(jī)器人從種到收各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)展很好。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人非常復(fù)雜。趙春江院士團(tuán)隊(duì)研制了蘋果采收機(jī)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，最后確定為采取多臂方案。因?yàn)? 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(dāng)然現(xiàn)在還在探索中，還不完全成熟。因?yàn)樘O果樹的結(jié)構(gòu)很復(fù)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(zhǔn)定位，還要考慮速度和效率，而且對(duì)果實(shí)不能進(jìn)行傷害，這帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)。因?yàn)椴烧獣r(shí)不是以摘下來(lái)為目的，還要保證外觀良好，所以情況非常復(fù)雜，從對(duì)象感知到情景感知，然后消除背景的復(fù)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?yàn)閯判×苏虏粊?lái)，勁大了會(huì)把蘋果夾傷。

2.3.3 大載荷無(wú)人機(jī)

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

目前農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)的載荷和續(xù)航時(shí)間還有待提升，另外還要把無(wú)人機(jī)做到智能化，①作業(yè)時(shí)不能遺漏，②不能重復(fù)，③安全。浙大有個(gè)無(wú)人機(jī)群研究小組，多架無(wú)人機(jī)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(jì)算科學(xué)疊加成一個(gè)完整的作業(yè)系統(tǒng)，包括播種、管理和收獲。

無(wú)人農(nóng)場(chǎng)。在人工智能領(lǐng)域里，可以叫自主無(wú)人的系統(tǒng)。當(dāng)然目前自主無(wú)人系統(tǒng)從單個(gè)機(jī)器已經(jīng)變成多機(jī)協(xié)同的體系。

目前國(guó)內(nèi)在積極探索。國(guó)外，像美國(guó)約翰迪爾、美國(guó)凱斯紐荷蘭(CNH) 等農(nóng)機(jī)巨頭現(xiàn)在已有相應(yīng)的一些技術(shù)解決方案，是多機(jī)協(xié)同，為我們提供了很好的思路。國(guó)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(jìn)行試驗(yàn)。

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(jié)合。基于多組學(xué)、大數(shù)據(jù)的全基因組選擇進(jìn)行智能設(shè)計(jì)育種。

2）大田精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。這個(gè)話題更大，從種到收每個(gè)環(huán)節(jié)都有計(jì)算機(jī)的參與，把過(guò)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(guò)去叫農(nóng)業(yè)大棚，現(xiàn)在叫智能溫室，現(xiàn)在的形勢(shì)也發(fā)生很大的變化，例如有26 層樓進(jìn)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(lái)的就是我們要吃的蔬菜。這是一個(gè)生產(chǎn)工廠的概念，涉及環(huán)境和科學(xué)計(jì)算、控制等非常復(fù)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(lǐng)域有智能的植物生產(chǎn)工廠，還有垂直的農(nóng)場(chǎng)，可達(dá)二十幾層。國(guó)外給了智能垂直農(nóng)場(chǎng)的定義等級(jí)以及相應(yīng)的技術(shù)支撐要素。這里有幾個(gè)與我們有關(guān)：①對(duì)場(chǎng)景要判斷和分析，②基于場(chǎng)景和業(yè)務(wù)流程的計(jì)算和控制，③讓機(jī)器來(lái)完成人去做的工作，即實(shí)施。

4）智慧設(shè)施動(dòng)物養(yǎng)殖

●   中國(guó)樓房智能養(yǎng)豬

我國(guó)的一個(gè)重要?jiǎng)?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(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(jì)算、控制和實(shí)施這一個(gè)鏈條為主線的，包括豬從不同的樓層進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。在樓房養(yǎng)豬方面，廣西揚(yáng)翔也做得比較好。

表1 智慧垂直農(nóng)場(chǎng)的分級(jí)

●   智慧漁場(chǎng)/ 海洋牧場(chǎng)

現(xiàn)在提出大食物觀，因此要向海洋要食物?，F(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(guó)信1 號(hào)是10 萬(wàn)噸級(jí)的大型養(yǎng)殖工船，可以飼養(yǎng)大黃魚。

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(guó)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(guó)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(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(yán)重。我國(guó)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(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(lái)農(nóng)業(yè)會(huì)是這種場(chǎng)景：沒(méi)有人，機(jī)器做業(yè)完成后進(jìn)入機(jī)庫(kù)，晚上也可以作業(yè)。過(guò)去傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已不復(fù)存在了。

這是未來(lái)人們預(yù)想的一種模式：在機(jī)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(nóng)業(yè)，計(jì)算技術(shù)、計(jì)算科學(xué)非常重要。

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

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.1-2）