智能管理技術在農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)中的應用

沈娟娟，黃天佑，石芳權*

（1.甘肅省西和縣農(nóng)業(yè)機械化服務中心，甘肅 西和 742100；2.甘肅省西和縣畜牧獸醫(yī)站，甘肅 西和 742100）

農(nóng)業(yè)作為國家的基礎性產(chǎn)業(yè)，一直以來都是國民經(jīng)濟工作中的重中之重，連續(xù)多年中央“一號文件”將農(nóng)業(yè)發(fā)展列為的主要內(nèi)容，特別是近幾年以來，明確提出了一系列支持現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策性文件，有力地推進了我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的步伐[1]。但由于我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)起步較晚，與美國、澳大利亞、日本等發(fā)達國家相比，我國的農(nóng)業(yè)在機械化、信息化等方面相對落后。近年來，在國家制度優(yōu)勢、政策側重雙重推動下，以高端科技為技術支撐，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展取得了突破性的進展，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占GDP的比重逐年減少，2019 年這一比重約6.9%，意味著傳統(tǒng)農(nóng)村勞動力被轉移出來，我國從一個落后的農(nóng)業(yè)大國向新興工業(yè)國轉變，農(nóng)業(yè)的發(fā)展已進入了現(xiàn)代化轉型期[2]。隨著高科技、現(xiàn)代化時代的到來，大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著產(chǎn)業(yè)化、信息化、數(shù)字化和智能化方向飛速發(fā)展，為農(nóng)機裝備機械化轉型升級迎來了前所未有的前景。

1 農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程

從世界范圍來看，農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展與技術變革經(jīng)歷了3 個歷史飛躍，第一階段為20 世紀50 年代后的農(nóng)業(yè)機械化，應用科技與設備實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向工業(yè)化、集約化的轉變，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)資源利用率，增強了農(nóng)業(yè)的抗御風險能力[3]；如果說第一階段農(nóng)業(yè)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)在量方面的發(fā)展，那么第二階段開始，農(nóng)業(yè)發(fā)展實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，即大家所說的農(nóng)業(yè)綠色革命，利用現(xiàn)代生物、信息、工程等農(nóng)業(yè)高新技術，進一步提高農(nóng)產(chǎn)品單位產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、能耗、生態(tài)環(huán)境等諸多方面；步入21 世紀以來，農(nóng)業(yè)機械化不斷轉型升級，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展又一次革命性飛躍，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，農(nóng)業(yè)數(shù)字化、農(nóng)業(yè)5.0 模式已成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，智能化農(nóng)業(yè)機械設備與智慧農(nóng)業(yè)管理技術成為推動糧食生產(chǎn)、蔬菜種植、畜禽養(yǎng)殖等大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要把手；物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術的應用更是實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品溯源追溯，進一步夯實了政府監(jiān)管網(wǎng)絡體系，最大限度地提高了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，這種前沿性的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式被稱為智慧農(nóng)業(yè)，通過計算機網(wǎng)絡、傳感器、通信技術的不斷改進與整合，采用數(shù)據(jù)存儲、分析以及終端處理等手段，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細化作業(yè)、綠色化發(fā)展，使農(nóng)業(yè)發(fā)展能夠比以往更高效、更環(huán)保。

2 智能化管理技術

機械化是農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的基礎，智能化管理技術是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的關鍵，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展涵蓋了種植業(yè)、畜牧業(yè)、加工業(yè)、經(jīng)銷業(yè)等領域，涉及自動化設備、精細化控制、智能化管理等模塊，廣泛應用在畜牧養(yǎng)殖和環(huán)境、氣象、土壤、作物、蟲害的監(jiān)測，如圖1 所示。這些基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術下的農(nóng)業(yè)智能管理模式推動農(nóng)業(yè)機械化逐漸向高效率、高質(zhì)量方面發(fā)展，現(xiàn)代傳感、信息傳輸及人工智能等技術的利用，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械推向智能化發(fā)展創(chuàng)造了良好的開端[4]。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術下的農(nóng)業(yè)管理模式

2.1 信息感知與傳輸技術

傳感器是監(jiān)測作物、畜牧養(yǎng)殖等環(huán)境并從其中獲取客觀信息的通用設備，通常集成在一個平臺中，主要包括農(nóng)業(yè)感知生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和動植物生命信息狀況等。環(huán)境監(jiān)測傳感器如土壤（各種物質(zhì)成分傳感器）、溫濕度、光照、二氧化碳等方面的傳感器。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，3S 技術發(fā)揮了關鍵性作用，因為人們普遍可以通過人造衛(wèi)星獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，其中遙感技術是指通過接收電磁波信息，對物體和現(xiàn)象進行檢測識別的現(xiàn)代綜合技術，可用于植被資源調(diào)查、氣象預報、作物產(chǎn)量估測以及病蟲害預測、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等方面[5]；全球定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r三維導航與定位的系統(tǒng)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息提供了快速接收和數(shù)據(jù)記錄，可以生成和處理幾張地圖以及其他空間可變信息層；地理信息系統(tǒng)來管理地圖上顯示的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)并最終找到切實可行的解決方案，已廣泛應用于農(nóng)業(yè)方面。無線傳感器技術是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)信息快速傳輸?shù)妮d體，無線傳感器網(wǎng)絡是一種分布式傳感網(wǎng)絡，其通過PC 服務器、無線網(wǎng)絡等技術實現(xiàn)信息指令的無線傳感，在農(nóng)業(yè)領域應用廣泛；宋永嘉等[6]總結無線傳感網(wǎng)絡技術特征，綜述了該技術在精準農(nóng)業(yè)的應用、旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉精細作業(yè)、農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合監(jiān)測、作物生長生理實時監(jiān)控取得的一系列進展，為推動我國農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了基礎。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

大數(shù)據(jù)、云計算已應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，方便管理者從批量數(shù)據(jù)中提取最佳信息資源。云計算技術的應用將網(wǎng)絡、計算、存儲和農(nóng)業(yè)應用聯(lián)為一體，可以大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高了效率，節(jié)約資源，促進了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[7]；大數(shù)據(jù)具有大量、高速、多樣、低價值密度、真實性5 大特性，大量是指存儲、管理和分析信息能力的數(shù)據(jù)集；高速是指快速獲取、分析以及現(xiàn)場處理的數(shù)據(jù)能力；多樣性是指數(shù)據(jù)格式（視頻、文本、語音）和不同程度的復雜性；價值性是合理運用大數(shù)據(jù)，以低成本創(chuàng)造高價值；真實性是指數(shù)據(jù)的質(zhì)量、可靠性和整體性。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，區(qū)別之一是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基于大量數(shù)據(jù)分析來評估和決策生產(chǎn)，消除了種植者通過視覺判斷與決策的主觀單一性，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效管理；大數(shù)據(jù)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對這些大數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，在海量的數(shù)據(jù)信息中對有價值信息進行高效篩選[8]。應用大數(shù)據(jù)、云計算可對氣象、土壤、病蟲害、畜牧養(yǎng)殖等信息數(shù)據(jù)進行收集、分析、監(jiān)測與控制，為農(nóng)業(yè)發(fā)展為提供全面、及時、準確的信息，不僅提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理水平，更為農(nóng)業(yè)信息服務提供便捷，拓寬了農(nóng)業(yè)經(jīng)營范圍，提高了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。大數(shù)據(jù)技術在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的具體應用十分廣泛，未來也必將會成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中必不可少的一項新技術，將逐步形成信息資源數(shù)據(jù)庫的構建與共享，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與市場的對接，建立產(chǎn)品流通與消費模型，將整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)與大數(shù)據(jù)技術深度融合，將農(nóng)業(yè)發(fā)展與人們生活密切關聯(lián)，構建萬物互聯(lián)一體化的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡體系，切實提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)資源利用率[9-10]。

2.3 智能控制與應用

物聯(lián)網(wǎng)是信息感知、傳輸與應用的結合，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術就是物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)領域的應用，使用傳感器與其他設備將農(nóng)業(yè)中涉及的每個元素和操作轉化為數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)有溫度、濕度、光照以及氣體含量等，利用無線傳感技術實時傳輸與處理，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、自動化、精細化。物聯(lián)網(wǎng)應用在農(nóng)業(yè)領域中是對互聯(lián)網(wǎng)技術的擴展和延伸，是農(nóng)業(yè)機械設備與信息網(wǎng)絡聯(lián)通的傳感網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)采集、檢測，并對其進行分析、存儲和決策，管理者可通過電腦或手機等終端訪問查詢[11]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術應用下，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迎來了良好的發(fā)展機遇，智能監(jiān)控、自動駕駛、精準識別、人工智能應答等成為現(xiàn)實，促使農(nóng)業(yè)機械設備更新?lián)Q代，推行智能管理模式與時俱進，推動大農(nóng)業(yè)發(fā)展真正走上了現(xiàn)代化。

人工智能是智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、智能設備及系統(tǒng)平臺多種信息技術的集成，具有建模和推理能力，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前后各個階段中發(fā)揮關鍵作用，有助于理解所有可用數(shù)據(jù)[12]。在作物識別與檢測中，可通過圖像分析進行自動識別與監(jiān)測，高效定位經(jīng)濟林果、植株、作物田間雜草等，通過模糊邏輯模仿人類決策實施管理。近年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械設備改造、軟件程序開發(fā)成為熱潮，模型構建、機器學習、近似理論、復雜算法等知識理論對數(shù)據(jù)挖掘起到了積極作用，通過學習可以實現(xiàn)機器像人一樣進行思考和自動判斷，從而代替人類完成一些野外、危險、復雜性的工作。例如利用機器視覺技術，以數(shù)據(jù)信息采集、圖像傳輸、處理分析、應答獲得其目標形態(tài)意識，從而準確獲取判斷農(nóng)作物生長、病蟲害等情況，并為管理者反饋信息[13]。

機器人或無人機是基于IoT 與AI 技術下研發(fā)的智能設備，可以通過多光譜或超光譜成像，對監(jiān)測目標進行非接觸遠程測量。與遙感技術相比，無人機對精密農(nóng)業(yè)的優(yōu)點是其頻率靈活性（衛(wèi)星重訪時間）和更好的空間分辨率，可以從復雜的環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，甚至能夠分析地面植被圖像遮擋的情形。機器人主要用于土壤分析、播種、作物偵察、病蟲害防治、除草等；研究表明：農(nóng)業(yè)機器人可比人類更高效地完成某些任務。無人機及機器人可以有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率和作物堿度以及實現(xiàn)定制植物和作物處理方面發(fā)揮關鍵作用。智能控制與應用是根據(jù)感知層和分析層后的決策與命令，通常采用人工智能技術對接收到的信息進行智能化控制和命令，如聯(lián)合收割、自動駕駛、智能施肥施藥等，機器人可通過學習、思考當前現(xiàn)狀判斷如何應答反應。

2.4 安全追溯體系的形成

區(qū)塊鏈技術是一種新興信息與網(wǎng)絡技術，是一個共享數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、公開透明、不可偽造等特性，區(qū)塊鏈技術應用在農(nóng)業(yè)領域彰顯出了其堅實的信任基礎，有人曾總結區(qū)塊鏈技術是推動21 世紀技術革命的重要力量，是推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村走向現(xiàn)代化的快車，基于區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)，能夠提高管理效率，提升產(chǎn)業(yè)服務水平，建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系，實現(xiàn)風險預警、應急管理和監(jiān)督管理[13]。消費者通過顯示設備、手機APP、二維碼等，可以方便查詢追蹤農(nóng)產(chǎn)品從種養(yǎng)、加工、儲存、運輸、銷售等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，這種公開透明、安全可信賬本，不光方便消費者用得放心、監(jiān)管者管得清楚，最重要的有效促進農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，倒逼農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)、加工廠、物流、商戶重視農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。區(qū)塊鏈結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術，可以應用在土地經(jīng)營權證、生產(chǎn)經(jīng)營管理、豬肉產(chǎn)品溯源、建立銀行征信、提供信貸服務以及農(nóng)業(yè)保險等方面[14]。

3 結語

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術已滲透到農(nóng)業(yè)的各個領域，并逐步形成專業(yè)化經(jīng)營管理模式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理中發(fā)揮著更積極的推動作用。未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開智能傳感、大數(shù)據(jù)和人工智能諸多網(wǎng)絡信息技術，機器人、無人機等智能化農(nóng)業(yè)設備也將替代人類完成許多艱苦的工作，農(nóng)業(yè)機械5.0 是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的升級版，也將是未來農(nóng)業(yè)走向數(shù)字化、信息化和智能化的基礎，先進管理技術、新型作業(yè)裝備不斷涌現(xiàn)，智慧農(nóng)業(yè)會成為接下來發(fā)展的主流趨勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營與管理等匯聚形成農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)體系，同時利用區(qū)塊鏈可追溯性，保障食品安全，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通、銷售等環(huán)節(jié)進行有效結合，實現(xiàn)大農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源共享，推進農(nóng)業(yè)向高效、節(jié)約型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉型。