煙葉標準化生產的數字化轉型升級展望

劉鋒 王大偉 黃元炯 丁爽 劉劍君

摘? ? 要：為滿足卷煙工業對均質化煙葉原料的需求，借鑒理想株型育種的技術思路和精益管理的基本理念，將物聯網、大數據、人工智能技術運用于煙葉生產標準化。建立以煙葉品種各生育期的煙株個體和煙田群體生長發育理想值為基準，以區域氣候條件、栽培措施為偏離因素的“標準煙株”技術指標體系。用農業物聯網設備實時采集煙葉生長發育的動態數據，并通過互聯網傳輸至煙葉生產經營管理平臺，平臺對大數據進行分析，并對長勢偏離度進行監測，專家系統給出種植調控措施建議或操作指令，推動煙葉標準化生產管理由宏觀向微觀、整體到個體轉變，提高煙葉生產數字化、精準化、均質化水平。

關鍵詞：煙葉;理想株型;標準煙株;卷煙;均質化

文章編號：1005-2690（2022）05-0121-03? ? ? ?中國圖書分類號：TS41? ? ? ?文獻標志碼：A

農業現代化是現代科學技術、現代工業裝備、現代管理方法在農業生產中應用的過程。隨著現代農業的發展，化學化實現了穩產高產，機械化實現了省工高效，生物化實現了可持續發展，信息化成為集成農業生產要素，進一步提升了農業生產效率的新動能[1]。

隨著信息科技的發展和其在農業生產中的應用，農業生產模式從管理信息系統、專家咨詢系統和機械化作業起步，已發展成綜合運用物聯網、移動互聯、空間信息、大數據技術的精準農業、智慧農業[2]。使得管理層級由著復微，數據獲取對象由群體向個體深入，從整體向局部推進，催生了“數字農業”“精準農業”“互聯網+農業”“智能農業”“虛擬農業”等信息技術在農業中應用的新場景，使得農業資源利用更加有效、農產品競爭力更為顯著、農業生產發展更可連續、農業環境養護更可持續。

1 標準煙株的概念

標準煙株是指正常氣候條件下，特定品種在特定區域理想化生長發育指標的可視化數據集合。其內涵在區域上涵蓋全部煙區，并細化到一定規模的煙田;在品種上包括當地推廣種植的全部品種類型;在范圍上包括煙株個體和煙田群體;在階段上包括苗床、大田、烤房，從種子到煙葉商品的整個發育時期。其外延包含且不限于數字、圖像、光譜等可測量的數據形式。

2 標準煙株技術指標的構成原則

2.1 可視化

可視化即構成標準煙株的技術指標數據可測量、可比較。數字化轉型的核心是用現代信息技術改造傳統產業。對煙草業而言，就是在分析環境條件、種植技術、管理模式數字化的基礎上，實現全產業鏈的信息化升級。煙葉生產規范化、標準化工作起步早、基礎好，其數字化升級一方面是技術標準的數字化，把煙葉從種子到原煙整個生長過程的技術標準，從以文字為主的描述變成可測量的數據形式;另一方面是數據采集的自動化，應用現代物聯網技術，在煙葉生產中對標準煙株的技術指標進行全過程記錄、智能化監控、可視化采集，用于集中展示、數據分析、輸出控制，并隨著技術進步提高技術指標體系的可測量比例。

2.2 體系化

體系化即組成標準煙株的技術指標數據系統完整，體現生產管理水平。通過對現有煙葉生產標準的精細化和精準化確定，將統一規范的生產技術標準分區域、分品種進行體系化細分。分區域是指兼容環境的可變性，既要體現出區域的土壤氣候特點，彰顯區域特色，又要控制變化幅度，保證產區煙葉質量的一致性。分品種是指實現品種特性和環境條件的最優組合，既要體現出品種性狀的總體一致性，彰顯品種特色，又要縮小特定品種在特定區域與原育種地的種植性狀差異。

2.3 可控化

可控化是標準煙株的關鍵指標，可以通過技術措施進行目標管理和動態調控，運用現代物聯網和信息化技術，對煙葉生長發育進行全方位、立體化、連續性監測。將可視化監控系統測量的技術指標結果通過網絡傳輸到專家系統，應用大數據技術分析生長發育數據與特定種植區域、特定品種的標準煙株技術指標體系的數據差異。

3 標準煙株的技術指標體系

3.1 區域自然條件

區域自然條件指煙區自然條件中與煙葉生長或質量密切相關的土壤、氣候等指標。

氣候條件：全年無霜期、大田期日照時數、日平均氣溫20 ℃以上天數、日最高氣溫30 ℃以上天數、成熟期日均溫、成熟期>20 ℃積溫、年降水量及大田生育期平均降水量等。

地形地貌和土壤質地：平原、丘陵或山區，耕層土壤容重，土壤黏粒含量，總孔隙度，土壤最大有效持水量，土壤表層硬度等。

土壤肥力：耕層厚度、pH值、土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、可溶性氯、有機質及汞、鉛、砷、鉻、鎘含量等。

灌溉水質：pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀及可溶性氯等。

3.2 品種特征特性

品種特征特性指有別于其他品種、具有相對遺傳穩定性的生物學及經濟學特征。

植物學性狀：株形、葉形、葉面、葉尖、葉色、葉耳、花冠、花枝及蒴果等。

農藝性狀：打頂株高、莖圍、節距、腰葉長寬、可采收葉數、大田生育期、田間長勢及整齊度等。

栽培特性：種植密度、行距、株距、適合土壤肥力、單位面積施純氮量和氮磷鉀比例等。

抗病性：黑脛病、青枯病、根腐病、根結線蟲病、各類花葉病、氣候斑點病、赤星病、野火病和白粉病等。

采收：下、中、上部葉采收成的熟度，成熟葉片的SPAD值。

烘烤特性：易烤性和耐烤性，煙葉變黃期、定色期溫濕度要求和烘烤時間等。

產量和質量特點：單位面積產量，上中等煙比例，原煙外觀質量、物理特性、主要化學成分、原煙評吸質量等。

3.3 栽培措施和生長發育情況

3.3.1 育苗期

環境條件：育苗棚內外的實時溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、實時苗池水溫、pH值和電導率等。

管理措施：播種期、施肥時間及種類數量，加水時間及數量等。

煙苗長勢：育苗期隨時間變化的煙苗葉數、葉片大小，莖高、莖粗，根系數量及分布等。

3.3.2 大田期

環境條件：實時田間最大持水量、土壤和灌溉水中的速效氮磷鉀等。

管理措施：煙田施肥量及種類、起壟高度、移栽期、移栽方式、移栽密度、中耕培土揭膜時間、追肥時間及種類數量、灌溉時間及數量等。

煙株個體發育：隨時間變化的株形、株高、莖圍、節距、葉片數、葉色、最大葉長寬及莖葉夾角等。

煙田群體結構：隨時間變化的苗齡、葉齡、缺棵比例、煙田總葉面積系數、田間最大葉面積系數、圓頂期行間最大葉間距及中下部葉光照度等。

病蟲害發生情況：黑脛病、青枯病、根腐病、根結線蟲病、各類花葉病、赤星病、野火病及白粉病等。

采收成熟度：不同葉位、葉齡的葉色SPAD值、成熟度、莖葉角度、成熟斑、主支脈變黃程度及枯尖焦邊情況等。

3.4 烤后煙葉質量

外觀質量：葉長寬、厚度、單葉重、顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分及色度等。

物理特性：厚度、拉力、填充值、含梗率、平衡水分及葉面密度等。

主要化學成分：總植物堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯、淀粉、糖堿比、氮堿比及鉀氯比等。

感官質量：香氣質、香氣量、勁頭、濃度、雜氣、余味、刺激性、燃燒性及灰色等。

煙葉安全性指標：殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、抑芽劑及重金屬含量等。

4 標準煙株的數據采集與分析處理

農業物聯網設施設備的規模化應用，采用各類傳感器動態采集種植環境和作物生長數據。通過無線網絡和互聯網傳輸到云服務器，應用專家決策系統等智能程序挖掘和分析大數據，形成的決策指令交由控制器終端顯示或自動化設備執行，從而推動農業數據的獲取和耕作措施的實施從人與物的交流轉向物與物的傳遞，實現對農業生產的實時感知、可靠傳輸、智能決策和精準管控。

4.1 數據的獲取

智能感知的基礎是技術指標的數字化，即集成應用物理、化學、生物、位置等多種傳感器，對生長環境進行實時監控，對生長過程進行動態測量，把采集的聲、光、電、熱等信息轉化為可供計算機信息系統處理的數據。根據標準化生產管理需要，煙葉育苗期的環境實時監控設備應包括育苗大棚苗池的溫度、電導率傳感器，大棚內空氣的溫濕度、光照、二氧化碳傳感器，大棚外的溫濕度、蟲情傳感器等;育苗期生長發育過程監測設備包括高清圖像傳感器、莖稈生長傳感器等。

大田期的數據采集分為監測點和大田生產兩大部分，監測點可以應用土壤中使用的溫濕度、pH值、ORP、鹽分、電導率、氮磷鉀傳感器和根系掃描儀等，地面使用的圖像、葉面溫濕度、光照度、莖稈生長傳感器等，苗情監測、墑情監測、農情監測、孢子監測、蟲情監測設備等，對環境條件進行實時監控，對煙葉生長發育以及病蟲害發生進行監測預警。對大面積煙田的數據采集，主要采用衛星遙感監測、無人機輔助、人工校正的方法，以可見光圖像采集為基礎，積極研究應用紅外圖像、遙感圖像、NDVI指數，多光譜/高光譜圖像、雷達圖像以及近年興起的三維圖像等方式，從而全面獲取個體發育、群體結構等方面信息。在煙葉采烤期，可以用手持的圖像或光譜傳感器，煙葉烘烤過程中還會用到溫濕度、圖像、重量、水分、風力等傳感器。

4.2 數據的分析

將傳感器記錄的煙區多源數據匯集到具有深度學習功能的“智慧煙區”大數據平臺上，通過對照技術標準、建立生長模型、開發專家系統、人工智能分析，對煙區環境、煙田耕作、煙葉生長情況進行智能化識別、定位、跟蹤、監控。精準育苗系統應用計算機視覺技術識別煙苗長勢圖像，測量生長速度，分析氣候條件、育苗池水肥供應，對照該品種標準煙苗的生長發育指標，給出水肥管理、溫濕度管理的建議或向育苗大棚智能控制設備輸出管理指令。精準栽培系統分析來自定點監測點和遙感系統的圖像和光譜信息等，梳理本階段煙葉長勢長相與理想株形的差異，分析氣候和管理等因素的影響，專家系統確定是否采取農業調控措施，并給出具體的調整方案或煙田操作建議，交由煙農操作或發送指令到自動化田間作業機械、水肥一體化管理系統等。

精準植保系統分析來自監測點的病蟲監測結果和遙感系統的冠層反射光譜信息，根據煙草病蟲害預測預報系統對氣候條件的分析結果和品種抗病性，預測煙草病蟲害發生情況，實時發布病蟲害預警信息，提交病蟲害發生情況及對產質量影響的分析報告，提出病蟲害防治內容、防治措施或向自動化植保系統輸出精準防控指令等。智能烘烤系統通過實時采集鮮煙葉的高清圖像、SPAD值、重量和含水量變化等烘烤特性相關數據，實時記錄煙葉烘烤過程中的烤房溫度、濕度，煙葉顏色、重量及葉間風速等技術指標，實時監測標準竿煙葉在烤房中的顏色和形狀變化圖像，采用具備神經網絡及深度學習功能的圖像分析技術對比標準條件下的煙葉變化，專家系統分析煙葉烘烤工藝，針對煙葉烘烤過程中顏色和水分變化偏離的調節措施，提交給烘烤師或將溫濕度調控指令發送到烤房自控裝置。

4.3 數據的利用

對煙葉生長發育規律認識的日益深入，對煙葉生長發育數據采集深度、廣度的不斷增加，為實現煙葉生產的智能化、智慧化演進提供了技術支撐。基本的應用場景是集成展示，通過智慧煙草農業大數據平臺，不但可以隨時遠程查看煙葉生長情況、設備運行狀態，查詢土壤溫度、濕度、養分含量等煙葉生長發育的影響因素，還可以從質量問題出發，對煙葉生產全過程的農事操作進行追根溯源，對區域、人員、技術等進行統計分析，提供交互式、可視化、圖表化、定制化的界面功能，為領導決策、過程管控、技術指導提供科學參考。煙農在智能手機上安裝生產管理客戶端后，可以遠程查看數據、分析數據，未來還能對安裝了智能控制系統的設施進行遠程操作。

5 標準煙株的應用場景

5.1 精細化煙葉育種

在長期的研究和實踐中，煙葉育種已經形成了流程化的操作過程、標準化的測量方法。煙葉育種的數字化轉型是應用現代農業物聯網設備全程監控煙葉育種過程，在新品種選育、試驗、示范、推廣過程中，運用農業物聯網設備全面采集品種生長發育的相關技術指標，全面記錄品種生長過程的可測量數據，構建較為系統完善的種質資源數據庫，通過精準化育種打造新品種的標準煙株技術體系基礎。

5.2 精益化生產管理

煙葉生產的核心任務是生產適合工業使用的均質化原料，煙葉標準化生產、規范化管理、工序化操作是實現這一目標的具體措施。煙葉生產管理的數字化轉型是應用現代農業物聯網設備全程監控煙葉生產過程，運用標準模型加影響因素的分析思路，在煙葉生產過程中對各類影響因素采取針對性栽培措施，修正田間生長發育指標與標準數據的偏離，讓煙株各項生長指標始終保持在理想的品種特征特性范圍內，通過煙葉生產精益化管理生產出契合品種特性、符合工業需要的高可用性煙葉原料。

5.3 精準化生產考核

由于不同煙區的煙葉生育期不一致，不同田塊的煙葉長勢特點不一致，不同品種的長勢長相和質量特點不一致，煙葉生產的考核評價很大程度上取決于參與人員的主觀評價、技術水平。煙葉生產考核的數字化轉型是要運用農業物聯網對煙葉生產的全過程監控結果，統計實際操作與技術標準的偏離與技術調整措施的落實情況，根據數據差異和評價標準實時給出考核結果，通過多層次、高密度、精準化的考核，提高煙葉生產管理的公平性、時效性、效率性。

參考文獻：

[1]李瑾，馬晨，趙春江，等.“互聯網+”現代農業的戰略路徑與對策建議[J].中國工程科學，2020，22（4）：50-57.

[2]蔡程程.基于物聯網的智慧農業技術研究[J].數字通信世界，2018（3）：62.