人工智能在智慧煙草農業4.0階段應用的思考與展望

程國亞 嚴 俊 何 芳 于 超 安徽省煙草公司安慶市公司

一、引言

(一)智慧煙草農業的概念

如果以驅動力定義農業發展的階段，可分為：以人力和畜力為驅動力的原始農業階段、以簡單農機為驅動的傳統農業階段、以信息技術和自動化裝備為驅動力的現代農業階段，以及以大數據、物聯網、人工智能為驅動力的智慧農業階段[1]，用農業1.0、農業2.0、農業3.0和農業4.0來形容這四個階段，其優、劣勢見表1。

表1 農業發展的四個階段

由此，本文立足于當前的現代化煙草農業發展實際，將今后一個時期的煙草農業階段定義為智慧煙草農業4.0階段，該階段充分應用人工智能、大數據、物聯網技術，圍繞優化生產管理方式、促進綠色生產技術落實，在煙葉育苗、植保、采收、烘烤、分級、機械化等方面開展智能化研究，在信息化建設中引入智慧農業要素，通過應用現代化信息技術，對煙葉生產過程數據進行監測、采集與分析，實現自動化控制、精準化種植、可視化管理、智能化決策。

國家煙草專賣局一再強調創新驅動在推動煙草行業高質量發展中的作用，促進優化升級，就煙草農業而言，以安徽煙草為例，近年來緊密結合煙區實際，探索實踐出了科技引領、創新發展、煙葉主業與多元產業雙環驅動的煙農增收新路子。2018年全國煙農增收工作現場會在安徽宣城召開，會議圍繞“科技引領煙農增收”主題，突出科技引領、創新驅動，高質量推進煙農增收工作[2]，這對安徽煙草建設現代化煙草農業，邁向智慧煙草農業4.0階段奠定了基礎。

(二)人工智能在智慧煙草農業領域的應用

1．人工智能的概念

人工智能(Artificial Intelligence，AI)是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能理論、方法、技術及應用系統的一門學科，屬于計算機科學的分支，它試圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等[3]。如今在農業領域，人工智能技術的應用日趨廣泛。

2．人工智能在智慧煙草農業4．0階段的應用

在現代煙草農業3.0階段，以人工智能為代表的信息技術支持已經開始顯現作用，邁入智慧煙草農業4.0階段，人工智能技術將覆蓋煙葉種植的全流程，以其獨特的技術優勢促進生產力發展，降低傳統勞動強度，增強抗災能力，發揮更大的作用。將人工智能技術應用于煙草農業生產中，已經在安徽煙草取得了良好的應用成效。比如育苗水肥一體化控制，通過傳感器等物聯網設備，實現精準施肥；農用無人機，在煙葉植保作業和丘陵山區地面農業病蟲害防治方面體現出巨大優勢。

3．人工智能在智慧煙草農業4．0階段的應用原則

考慮到安徽煙草現狀，將人工智能在智慧煙草農業4.0階段的實施應用定義三個原則，一是先進實用原則，既要在技術層面適度超越和示范引領，又要精益降本，不脫離實際；二是先機械后智能原則，智能農機是農業的基礎，從構成來講，動力平臺和智能設備容易實現，作業機具是難點重點。所以，要先機械化再智能化，在堅持機械化優先的前提下，用智能化提升機械作業質量；三是先易后難原則，優先試驗成熟的智慧農業產品引領示范，如無人機智能噴藥、水肥一體化控制技術、智能面積測量儀、光靶導航作業、定量植保控制、物聯網設備配置。對難度較大的測產、成熟度判定、病蟲害預測等環節要等條件成熟時再開展探索。

二、人工智能在智慧農業精準作業方面的應用探索

(一)設施環境智能監控與調控

1．設施環境智能監控與調控的優勢

當前影響農業發展的因素很多，要想實現科學決策，避免主觀因素對于農業生產的干擾，就需要借助于精準、科學、及時的設施環境信息采集，在此基礎上構建智能模型，進行精準調控。煙葉生產八大環節中育苗環節通過溫室大棚物聯網設備對于信息的采集，通過自動采集溫濕度、自動卷膜、自動加肥加水，實現水肥一體化管理，該技術可大幅提高肥料利用率，根據煙葉生長各時期對水肥的不同需求，實現水肥的定量、精準供給，當前在安徽煙草已經實現大棚溫濕度采集及自動控制。

在大田環節，通過智能大田監測系統，可以在移動端隨時訪問目標區域田間的實時數據并進行系統管理，對每個監測點的環境、氣象、病蟲狀況、煙葉生長情況等進行實時監測[4]，從而以電子化預警的形式實現對煙葉的實時監測，方便管理人員診斷煙葉生長狀況，并獲得智能化、自動化的解決方案，通過智慧植保系統，及時判定病蟲害信息，自動定位，探索根據蟲情、病情變量施藥和自動對耙施藥技術，從而可以為煙葉生長提供較為適宜的，從而提高煙葉質量和產量。

2．設施環境智能監控與調控在煙葉種植中的應用

1994年，S.Blackmore首次闡述了利用信息采集技術輔助農業生產的方法[5]。文中提到了應用無線傳感器網絡進行環境信息采集的思路，認為昂貴的價格阻礙了其在農業領域的大范圍應用。但是隨著技術的發展，無線傳感器網絡的成本在不斷降低，推動了其在設施環境智能監控中的應用。

水肥一體化技術在煙葉育苗灌溉施肥上已經有了一定的應用，特別是在早期溫室大棚栽培和無土栽培灌溉中有較大應用空間。但是由于壓力的不均衡，導致水肥一體化的管道易于堵塞，因此需要對傳統水肥一體化技術進行進一步升級，運用智能化手段對水肥一體化技術進行改進，通過系統傳感器檢測煙苗土壤水分情況，動態控制施肥，實現自動化管理，通過采用互聯網控制EC/pH值、循環加熱降溫、噴霧控制等方式，達到全自動混配肥、精準、智能化灌溉施肥管控一體化。此技術已經廣泛應用于部分國家蔬菜生產環節，尤其是缺水國家的精準滴灌施肥。

智能大田監測技術是基于移動互聯網絡技術、物聯網技術，對煙葉的墑情、苗情、病蟲情及災情進行監測，采集土壤墑情數據、氣象數據，實時監測煙株長勢、田塊病害情況。探索中棵煙智能化判定，根據中顆煙技術要求，對煙株進行實時監測并判定長勢是否符合中顆煙要求，即煙株長勢整齊一致，營養水平適中，旺長期及以前葉色正綠，雙打前后葉片開始褪綠，打頂后10天左右株型呈筒型或腰鼓型、株高110-120cm，留葉數12—14片，上部葉開片充分，分層落黃明顯，出現偏差時進行自動預警和決策。探索煙葉成熟度智能化判定，根據大田煙葉顏色智能判定成熟度，提供采收時間和葉片數的決策，根據煙田長勢，自動測定煙葉產量。

(二)煙葉無人機自主作業

1．煙葉無人機自主作業的背景

近年來無人機技術飛速發展，尤其是在植保方面，使用能自主作業的無人機從天空中進行噴灑農藥，不僅節約對農藥的使用量，而且取得的效果更好。比起傳統人工方式有著較大幅度的提升，能提升約30倍的作業效率，節約30%的農藥和90%的用水，其綜合收益是人工作業的20倍。

我國有兩千多萬畝煙田，相應也有較大的植保作業需求，因此植保無人機有廣泛應用的空間，特別是針對丘陵地區的煙田，人工作業的勞動強度較大，使用普通地面機械進行防蟲作業難度較大，因此使用能夠空中作業的無人機自主作業具有較大的優勢。

2．煙葉無人機自主作業技術特點

煙葉無人機自主作業技術特點有：一是自動飛行，不需要專業人員進行操作，只需要通過軟件對飛行軌跡進行定義，即可沿路線作業，排除了人為干擾因素，降低了培訓專業無人機操作人員的培訓成本；二是精準作業，煙葉無人機可以設定高度，依據GIS信息和導航信息，在相對最優距離實現對農作物的精準作業。三是能實現自主避險，由于噴灑農藥需要，因此煙葉無人機飛行高度不高，再加上山區環境復雜，因此需要對周圍環境進行風險識別，自動規避各類障礙物和突發情況。四是自主規劃路線，根據以往作業情況和作業安排，自主設計飛行路線，從而實現最優的路線和作業配載，從而減小能源消耗，降低作業時長。五是實時信息統計，通過互聯網統計并上傳作業量到云端，為綜合研判及系統分析提供第一時間的精準數據支撐。

綜上所述，在智慧煙草農業4.0階段，智能化煙葉無人機具有廣闊的應用空間，不僅能夠高噴灑作業效率，同時能夠降低人工操作的系列安全隱患。

三、人工智能在智慧煙草農業4.0階段的發展趨勢

以安徽煙草為例，當前推廣應用大棚自動溫控、無人機植保和烘烤遠程監測等物聯網人工智能研究成果，極大的提升了科技創新對于煙葉高質量發展的驅動力，展望未來的智慧煙草農業4.0階段，人工智能的應用發展可能在三個方面取得突破。

一是構建以物聯網和智能化精準作業技術為核心的環境監測控制系統，提高資源利用率和勞動生產率，通過實現育苗水肥一體化控制、構建移動端農作物病蟲害采集構建病蟲害數據庫，實現常見病蟲害自動分類識別和智能化控制，實現煙葉全程信息可知、智能控制，顯著提升資源利用效率，真正實現煙葉生產精益管理，解決當前煙葉生產用工緊缺問題。

二是構建以智慧農機為核心的智能化服務系統，通過綜合應用無人機定點定位智能噴藥、定量植保，光靶導航智能化控制農機，遙感技術實現田塊定位和面積自動測量等渠道，實現農機作業全程可控、可視、可查，作業數據精準采集，作業面積智能統計，作業效果質量自動評估。

三是構建基于深度學習的智能化煙葉分級分揀為核心的科學決策系統，通過機械化采收、配套散煙烘烤工藝、新能源烤房設施配套的集約化采烤工藝，消除煙葉分級中人為主觀因素的干擾，實現減工降本、高效環保的綠色精益理念落地，顯著提高煙葉生產效率和質量安全水平。■