煙葉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)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(yè)對均質(zhì)化煙葉原料的需求，借鑒理想株型育種的技術(shù)思路和精益管理的基本理念，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)運用于煙葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(fā)育理想值為基準(zhǔn)，以區(qū)域氣候條件、栽培措施為偏離因素的“標(biāo)準(zhǔn)煙株”技術(shù)指標(biāo)體系。用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時采集煙葉生長發(fā)育的動態(tài)數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至煙葉生產(chǎn)經(jīng)營管理平臺，平臺對大數(shù)據(jù)進行分析，并對長勢偏離度進行監(jiān)測，專家系統(tǒng)給出種植調(diào)控措施建議或操作指令，推動煙葉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理由宏觀向微觀、整體到個體轉(zhuǎn)變，提高煙葉生產(chǎn)數(shù)字化、精準(zhǔn)化、均質(zhì)化水平。

關(guān)鍵詞：煙葉;理想株型;標(biāo)準(zhǔn)煙株;卷煙;均質(zhì)化

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

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)裝備、現(xiàn)代管理方法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的過程。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化學(xué)化實現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，機械化實現(xiàn)了省工高效，生物化實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，信息化成為集成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素，進一步提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的新動能[1]。

隨著信息科技的發(fā)展和其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式從管理信息系統(tǒng)、專家咨詢系統(tǒng)和機械化作業(yè)起步，已發(fā)展成綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、空間信息、大數(shù)據(jù)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)[2]。使得管理層級由著復(fù)微，數(shù)據(jù)獲取對象由群體向個體深入，從整體向局部推進，催生了“數(shù)字農(nóng)業(yè)”“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”“智能農(nóng)業(yè)”“虛擬農(nóng)業(yè)”等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的新場景，使得農(nóng)業(yè)資源利用更加有效、農(nóng)產(chǎn)品競爭力更為顯著、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展更可連續(xù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境養(yǎng)護更可持續(xù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)煙株的概念

標(biāo)準(zhǔn)煙株是指正常氣候條件下，特定品種在特定區(qū)域理想化生長發(fā)育指標(biāo)的可視化數(shù)據(jù)集合。其內(nèi)涵在區(qū)域上涵蓋全部煙區(qū)，并細化到一定規(guī)模的煙田;在品種上包括當(dāng)?shù)赝茝V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(fā)育時期。其外延包含且不限于數(shù)字、圖像、光譜等可測量的數(shù)據(jù)形式。

2 標(biāo)準(zhǔn)煙株技術(shù)指標(biāo)的構(gòu)成原則

2.1 可視化

可視化即構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)煙株的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)可測量、可比較。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心是用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。對煙草業(yè)而言，就是在分析環(huán)境條件、種植技術(shù)、管理模式數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的信息化升級。煙葉生產(chǎn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化工作起步早、基礎(chǔ)好，其數(shù)字化升級一方面是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化，把煙葉從種子到原煙整個生長過程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從以文字為主的描述變成可測量的數(shù)據(jù)形式;另一方面是數(shù)據(jù)采集的自動化，應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在煙葉生產(chǎn)中對標(biāo)準(zhǔn)煙株的技術(shù)指標(biāo)進行全過程記錄、智能化監(jiān)控、可視化采集，用于集中展示、數(shù)據(jù)分析、輸出控制，并隨著技術(shù)進步提高技術(shù)指標(biāo)體系的可測量比例。

2.2 體系化

體系化即組成標(biāo)準(zhǔn)煙株的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)系統(tǒng)完整，體現(xiàn)生產(chǎn)管理水平。通過對現(xiàn)有煙葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的精細化和精準(zhǔn)化確定，將統(tǒng)一規(guī)范的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)域、分品種進行體系化細分。分區(qū)域是指兼容環(huán)境的可變性，既要體現(xiàn)出區(qū)域的土壤氣候特點，彰顯區(qū)域特色，又要控制變化幅度，保證產(chǎn)區(qū)煙葉質(zhì)量的一致性。分品種是指實現(xiàn)品種特性和環(huán)境條件的最優(yōu)組合，既要體現(xiàn)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(qū)域與原育種地的種植性狀差異。

2.3 可控化

可控化是標(biāo)準(zhǔn)煙株的關(guān)鍵指標(biāo)，可以通過技術(shù)措施進行目標(biāo)管理和動態(tài)調(diào)控，運用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)，對煙葉生長發(fā)育進行全方位、立體化、連續(xù)性監(jiān)測。將可視化監(jiān)控系統(tǒng)測量的技術(shù)指標(biāo)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析生長發(fā)育數(shù)據(jù)與特定種植區(qū)域、特定品種的標(biāo)準(zhǔn)煙株技術(shù)指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)差異。

3 標(biāo)準(zhǔn)煙株的技術(shù)指標(biāo)體系

3.1 區(qū)域自然條件

區(qū)域自然條件指煙區(qū)自然條件中與煙葉生長或質(zhì)量密切相關(guān)的土壤、氣候等指標(biāo)。

氣候條件：全年無霜期、大田期日照時數(shù)、日平均氣溫20 ℃以上天數(shù)、日最高氣溫30 ℃以上天數(shù)、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(zhì)地：平原、丘陵或山區(qū)，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(zhì)及汞、鉛、砷、鉻、鎘含量等。

灌溉水質(zhì)：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(wěn)定性的生物學(xué)及經(jīng)濟學(xué)特征。

植物學(xué)性狀：株形、葉形、葉面、葉尖、葉色、葉耳、花冠、花枝及蒴果等。

農(nóng)藝性狀：打頂株高、莖圍、節(jié)距、腰葉長寬、可采收葉數(shù)、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(jié)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(chǎn)量和質(zhì)量特點：單位面積產(chǎn)量，上中等煙比例，原煙外觀質(zhì)量、物理特性、主要化學(xué)成分、原煙評吸質(zhì)量等。

3.3 栽培措施和生長發(fā)育情況

3.3.1 育苗期

環(huán)境條件：育苗棚內(nèi)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(dǎo)率等。

管理措施：播種期、施肥時間及種類數(shù)量，加水時間及數(shù)量等。

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

3.3.2 大田期

環(huán)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(shù)量、灌溉時間及數(shù)量等。

煙株個體發(fā)育：隨時間變化的株形、株高、莖圍、節(jié)距、葉片數(shù)、葉色、最大葉長寬及莖葉夾角等。

煙田群體結(jié)構(gòu)：隨時間變化的苗齡、葉齡、缺棵比例、煙田總?cè)~面積系數(shù)、田間最大葉面積系數(shù)、圓頂期行間最大葉間距及中下部葉光照度等。

病蟲害發(fā)生情況：黑脛病、青枯病、根腐病、根結(jié)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(zhì)量

外觀質(zhì)量：葉長寬、厚度、單葉重、顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、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(xué)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(zhì)量：香氣質(zhì)、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(biāo)：殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、抑芽劑及重金屬含量等。

4 標(biāo)準(zhǔn)煙株的數(shù)據(jù)采集與分析處理

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施設(shè)備的規(guī)模化應(yīng)用，采用各類傳感器動態(tài)采集種植環(huán)境和作物生長數(shù)據(jù)。通過無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆品?wù)器，應(yīng)用專家決策系統(tǒng)等智能程序挖掘和分析大數(shù)據(jù)，形成的決策指令交由控制器終端顯示或自動化設(shè)備執(zhí)行，從而推動農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取和耕作措施的實施從人與物的交流轉(zhuǎn)向物與物的傳遞，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時感知、可靠傳輸、智能決策和精準(zhǔn)管控。

4.1 數(shù)據(jù)的獲取

智能感知的基礎(chǔ)是技術(shù)指標(biāo)的數(shù)字化，即集成應(yīng)用物理、化學(xué)、生物、位置等多種傳感器，對生長環(huán)境進行實時監(jiān)控，對生長過程進行動態(tài)測量，把采集的聲、光、電、熱等信息轉(zhuǎn)化為可供計算機信息系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理需要，煙葉育苗期的環(huán)境實時監(jiān)控設(shè)備應(yīng)包括育苗大棚苗池的溫度、電導(dǎo)率傳感器，大棚內(nèi)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(fā)育過程監(jiān)測設(shè)備包括高清圖像傳感器、莖稈生長傳感器等。

大田期的數(shù)據(jù)采集分為監(jiān)測點和大田生產(chǎn)兩大部分，監(jiān)測點可以應(yīng)用土壤中使用的溫濕度、pH值、ORP、鹽分、電導(dǎo)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(jiān)測、墑情監(jiān)測、農(nóng)情監(jiān)測、孢子監(jiān)測、蟲情監(jiān)測設(shè)備等，對環(huán)境條件進行實時監(jiān)控，對煙葉生長發(fā)育以及病蟲害發(fā)生進行監(jiān)測預(yù)警。對大面積煙田的數(shù)據(jù)采集，主要采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、無人機輔助、人工校正的方法，以可見光圖像采集為基礎(chǔ)，積極研究應(yīng)用紅外圖像、遙感圖像、NDVI指數(shù)，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(fā)育、群體結(jié)構(gòu)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(fēng)力等傳感器。

4.2 數(shù)據(jù)的分析

將傳感器記錄的煙區(qū)多源數(shù)據(jù)匯集到具有深度學(xué)習(xí)功能的“智慧煙區(qū)”大數(shù)據(jù)平臺上，通過對照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建立生長模型、開發(fā)專家系統(tǒng)、人工智能分析，對煙區(qū)環(huán)境、煙田耕作、煙葉生長情況進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控。精準(zhǔn)育苗系統(tǒng)應(yīng)用計算機視覺技術(shù)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(yīng)，對照該品種標(biāo)準(zhǔn)煙苗的生長發(fā)育指標(biāo)，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(shè)備輸出管理指令。精準(zhǔn)栽培系統(tǒng)分析來自定點監(jiān)測點和遙感系統(tǒng)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(tǒng)確定是否采取農(nóng)業(yè)調(diào)控措施，并給出具體的調(diào)整方案或煙田操作建議，交由煙農(nóng)操作或發(fā)送指令到自動化田間作業(yè)機械、水肥一體化管理系統(tǒng)等。

精準(zhǔn)植保系統(tǒng)分析來自監(jiān)測點的病蟲監(jiān)測結(jié)果和遙感系統(tǒng)的冠層反射光譜信息，根據(jù)煙草病蟲害預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)對氣候條件的分析結(jié)果和品種抗病性，預(yù)測煙草病蟲害發(fā)生情況，實時發(fā)布病蟲害預(yù)警信息，提交病蟲害發(fā)生情況及對產(chǎn)質(zhì)量影響的分析報告，提出病蟲害防治內(nèi)容、防治措施或向自動化植保系統(tǒng)輸出精準(zhǔn)防控指令等。智能烘烤系統(tǒng)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(guān)數(shù)據(jù)，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(fēng)速等技術(shù)指標(biāo)，實時監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)竿煙葉在烤房中的顏色和形狀變化圖像，采用具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度學(xué)習(xí)功能的圖像分析技術(shù)對比標(biāo)準(zhǔn)條件下的煙葉變化，專家系統(tǒng)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(diào)節(jié)措施，提交給烘烤師或?qū)貪穸日{(diào)控指令發(fā)送到烤房自控裝置。

4.3 數(shù)據(jù)的利用

對煙葉生長發(fā)育規(guī)律認識的日益深入，對煙葉生長發(fā)育數(shù)據(jù)采集深度、廣度的不斷增加，為實現(xiàn)煙葉生產(chǎn)的智能化、智慧化演進提供了技術(shù)支撐。基本的應(yīng)用場景是集成展示，通過智慧煙草農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，不但可以隨時遠程查看煙葉生長情況、設(shè)備運行狀態(tài)，查詢土壤溫度、濕度、養(yǎng)分含量等煙葉生長發(fā)育的影響因素，還可以從質(zhì)量問題出發(fā)，對煙葉生產(chǎn)全過程的農(nóng)事操作進行追根溯源，對區(qū)域、人員、技術(shù)等進行統(tǒng)計分析，提供交互式、可視化、圖表化、定制化的界面功能，為領(lǐng)導(dǎo)決策、過程管控、技術(shù)指導(dǎo)提供科學(xué)參考。煙農(nóng)在智能手機上安裝生產(chǎn)管理客戶端后，可以遠程查看數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，未來還能對安裝了智能控制系統(tǒng)的設(shè)施進行遠程操作。

5 標(biāo)準(zhǔn)煙株的應(yīng)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(jīng)形成了流程化的操作過程、標(biāo)準(zhǔn)化的測量方法。煙葉育種的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是應(yīng)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全程監(jiān)控?zé)熑~育種過程，在新品種選育、試驗、示范、推廣過程中，運用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全面采集品種生長發(fā)育的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，全面記錄品種生長過程的可測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建較為系統(tǒng)完善的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，通過精準(zhǔn)化育種打造新品種的標(biāo)準(zhǔn)煙株技術(shù)體系基礎(chǔ)。

5.2 精益化生產(chǎn)管理

煙葉生產(chǎn)的核心任務(wù)是生產(chǎn)適合工業(yè)使用的均質(zhì)化原料，煙葉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、規(guī)范化管理、工序化操作是實現(xiàn)這一目標(biāo)的具體措施。煙葉生產(chǎn)管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是應(yīng)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全程監(jiān)控?zé)熑~生產(chǎn)過程，運用標(biāo)準(zhǔn)模型加影響因素的分析思路，在煙葉生產(chǎn)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(fā)育指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏離，讓煙株各項生長指標(biāo)始終保持在理想的品種特征特性范圍內(nèi)，通過煙葉生產(chǎn)精益化管理生產(chǎn)出契合品種特性、符合工業(yè)需要的高可用性煙葉原料。

5.3 精準(zhǔn)化生產(chǎn)考核

由于不同煙區(qū)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(zhì)量特點不一致，煙葉生產(chǎn)的考核評價很大程度上取決于參與人員的主觀評價、技術(shù)水平。煙葉生產(chǎn)考核的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是要運用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對煙葉生產(chǎn)的全過程監(jiān)控結(jié)果，統(tǒng)計實際操作與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的偏離與技術(shù)調(diào)整措施的落實情況，根據(jù)數(shù)據(jù)差異和評價標(biāo)準(zhǔn)實時給出考核結(jié)果，通過多層次、高密度、精準(zhǔn)化的考核，提高煙葉生產(chǎn)管理的公平性、時效性、效率性。

參考文獻：

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