戴晉 車芳芳 李家寧 柳家友 秦素研

摘要 隨著計算機領(lǐng)域的發(fā)展，人工智能在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，利用人工智能改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文概述了人工智能和“農(nóng)業(yè)4.0”的概念與發(fā)展現(xiàn)狀，分析探討了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，提出了發(fā)展人工智能推動“農(nóng)業(yè)4.0”。

關(guān)鍵詞 人工智能；“農(nóng)業(yè)4.0”；應(yīng)用；中國

中圖分類號 S24；TP242 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0284-02

實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推進數(shù)據(jù)資源開放共享，需人工智能技術(shù)牽引，利用人工智能改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。智能農(nóng)業(yè)主要是指研制智能化農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)機田間作業(yè)自主系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)智能傳感和控制系統(tǒng)等，建立完善天空地一體化的智能農(nóng)業(yè)信息遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和典型的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能決策分析系統(tǒng)，同時開展智能農(nóng)場、智能牧場、智能漁場、智能果園、智能農(nóng)產(chǎn)品加工車間、智能農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈等集成應(yīng)用示范[1-3]。

1 人工智能概述

人工智能（AI）是對人的意識與思維信息過程的模擬，是指由人工制造出來的系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的智能。主要研究內(nèi)容包括認知建模、知識表示、推理及應(yīng)用、機器感知、機器思維、機器學(xué)習(xí)、機器行為和智能系統(tǒng)等。研究動機包括推理、知識、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、交流、感知、移動和操作物體的能力。

1.1 人工智能的分類

人工智能分為弱人工智能、強人工智能和超人工智能。弱人工智能指擅長于單方面，比如打敗象棋世界冠軍的人工智能；強人工智能指讓機器真正思考，目前主要在強人工智能方面取得進展；超人工智能指在幾乎所有領(lǐng)域都比人類大腦聰明得多，包括科學(xué)創(chuàng)新、通識和社交技能等方面。

1.2 人工智能的發(fā)展歷程

一是起初期。20世紀50年代首次被提出，技術(shù)處于啟蒙階段，無法為人工智能技術(shù)的發(fā)展助力。二是上升期。1956年達特茅斯會議的召開奠定了人工智能的實用性基礎(chǔ)，1956—1970年是人工智能的第一次浪潮，基于規(guī)則的產(chǎn)生式功能系統(tǒng)，在統(tǒng)計方法中引入符號方法進行語義處理，人機交互開始成為可能。三是衰退期。20世紀70年代，由于技術(shù)限制而沒有突破，對人工智能的關(guān)注度急劇下降，相關(guān)研究一度停滯。四是突破期。20世紀80年代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)國際會議召開，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法嶄露頭角，反饋算法取得進展，使得多層人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)變?yōu)榭赡?。五是重生期?1世紀以來，算法改進，計算條件和能力提升，人工智能飛速發(fā)展，并緊跟物聯(lián)網(wǎng)的腳步，在多個方面得到應(yīng)用，但非確定性信息處理也常常遭遇識別率的“天花板”。

1.3 人工智能的新特點

隨著互聯(lián)網(wǎng)普及、傳感網(wǎng)滲透、大數(shù)據(jù)涌現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)和信息在人類社會、物理空間和信息空間之間的相互作用、交叉融合，人工智能發(fā)生了深刻變化。一是機器學(xué)習(xí)從表象和特征學(xué)習(xí)深入到推理和決策；二是從單一類型數(shù)據(jù)到跨媒體認知、學(xué)習(xí)和推理；三是從單純的機器智能到人機混合智能；四是從個體智能到基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能；五是從人工設(shè)計到仿真生物大腦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能自我成長。

2 認識和把握“農(nóng)業(yè)4.0”

2.1 從“農(nóng)業(yè)1.0”到“農(nóng)業(yè)4.0”

“農(nóng)業(yè)1.0”是人力與畜力為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)?！稗r(nóng)業(yè)1.0”處于以體力勞動為主的小農(nóng)經(jīng)濟時代，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依靠經(jīng)驗，農(nóng)業(yè)用具較為簡單，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式主要為小規(guī)模分散生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平較低，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功效較低，商品經(jīng)濟屬性較薄弱?！稗r(nóng)業(yè)2.0”即進入機械化農(nóng)業(yè)時代。隨著機械化生產(chǎn)的普及，種植大戶逐漸出現(xiàn)，先進的農(nóng)業(yè)機械逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力和畜力生產(chǎn)工具，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到改善，大規(guī)模生產(chǎn)方式大幅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平。2016年我國農(nóng)業(yè)機械化率已超過65%，預(yù)計到2020年，我國農(nóng)業(yè)機械化率將提前突破70%，也就是“農(nóng)業(yè)2.0”時代將在2020年完全實現(xiàn)。從國際范圍看，美國1990年的大田種植業(yè)、荷蘭1990年的設(shè)施蔬菜和花卉產(chǎn)業(yè)以及比利時1990年的畜牧業(yè)都是“農(nóng)業(yè)2.0”的模塊。

“農(nóng)業(yè)3.0”是高速發(fā)展的自動化農(nóng)業(yè)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)以及自動化裝備在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)以廣泛應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和局部生產(chǎn)作業(yè)自動化為主要特征。與機械化農(nóng)業(yè)相比，自動化程度更高，資源利用率、土地產(chǎn)出率和勞動生產(chǎn)率更大。目前，我國“農(nóng)業(yè)3.0”已經(jīng)開始萌芽，按照70%的覆蓋率，預(yù)計到2050年我國可完成“農(nóng)業(yè)3.0”。

“農(nóng)業(yè)4.0”指即將來臨的智能農(nóng)業(yè)?！稗r(nóng)業(yè)4.0”是資源軟整合的農(nóng)業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)時代農(nóng)業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)、信息等進行資源軟整合，在大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器的基礎(chǔ)之上形成智能農(nóng)業(yè)。“農(nóng)業(yè)4.0”是利用農(nóng)業(yè)標準化體系的系統(tǒng)方法對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行統(tǒng)一管理，所有過程均是可控、高效的。農(nóng)業(yè)服務(wù)者與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者之間的信息通道通過農(nóng)業(yè)標準化平臺實現(xiàn)對等連接，使整個過程中的互動性更強?！稗r(nóng)業(yè)4.0”可以通過網(wǎng)絡(luò)和信息對農(nóng)業(yè)資源進行軟整合，增加資源的技術(shù)含量，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和質(zhì)量[4-7]。

2.2 我國“農(nóng)業(yè)4.0”發(fā)展的技術(shù)路線

我國正處在“農(nóng)業(yè)1.0”長期存在、“農(nóng)業(yè)2.0”普及推廣、“農(nóng)業(yè)3.0”成熟度提升、“農(nóng)業(yè)4.0”示范應(yīng)用并行推進的時期。以70%農(nóng)業(yè)代際實現(xiàn)的判斷標準，當前“農(nóng)業(yè)1.0”“農(nóng)業(yè)2.0”“農(nóng)業(yè)3.0”“農(nóng)業(yè)4.0”在全國范圍內(nèi)的分布比例大致為20%、66%、13%和1%。

2.3 “種植業(yè)4.0”

“農(nóng)業(yè)4.0”是2015年之后開始出現(xiàn)的概念，是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、云計算為技術(shù)支撐的現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)形態(tài)。種植業(yè)作為農(nóng)業(yè)中最重要的組成部分，其演變過程也可以劃分為4個階段?！胺N植業(yè)4.0”依靠農(nóng)情數(shù)據(jù)自動獲取及智能處理技術(shù)使農(nóng)產(chǎn)管理人員和農(nóng)技專家足不出戶即可觀測到農(nóng)場內(nèi)的實景和相關(guān)數(shù)據(jù)，隨時掌握農(nóng)情數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)對農(nóng)作物進行施藥、施肥、澆水或收獲。“種植業(yè)4.0”時代更多地依靠農(nóng)機自動化作業(yè)，農(nóng)機自動作業(yè)技術(shù)采用無人駕駛農(nóng)機實現(xiàn)在現(xiàn)場沒有人員干預(yù)的情況下自主完成作業(yè)任務(wù)。無人駕駛農(nóng)機是室外機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和智能控制于一體的復(fù)雜綜合系統(tǒng)。其利用傳感器、信號處理、通訊以及計算機等技術(shù)方法，通過集成視覺、激光雷達、超聲傳感器、微博雷達、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和農(nóng)機局作業(yè)狀況監(jiān)測設(shè)備辨識自身所處的環(huán)境狀況，通過智能分析判斷控制拖拉機的轉(zhuǎn)向和速度，調(diào)整農(nóng)具的作業(yè)狀態(tài)，從而實現(xiàn)無人駕駛農(nóng)機依據(jù)自身意圖和環(huán)境自動作業(yè)。全自動無人農(nóng)場的實現(xiàn)是“種植業(yè)4.0”的主要標志。

3 發(fā)展人工智能，推動“農(nóng)業(yè)4.0”

3.1 智能農(nóng)業(yè)理論體系與總體技術(shù)框架

基于農(nóng)業(yè)復(fù)雜環(huán)境和主體行為交互的人機協(xié)同混合系統(tǒng)，面向農(nóng)業(yè)不同領(lǐng)域的可重構(gòu)與柔性組配智能軟件技術(shù)體系，建立多元數(shù)據(jù)感知、內(nèi)容理解、深度學(xué)習(xí)、演繹推理一體化技術(shù)。各類農(nóng)業(yè)智能設(shè)備與傳感器接入服務(wù)能力總線為下一代智能農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用提供開放式支撐環(huán)境。

3.2 農(nóng)業(yè)動植物信息感知、解析與智能識別

結(jié)合基因重組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等組學(xué)信息，基于深度學(xué)習(xí)方法建立農(nóng)業(yè)動植物信息挖掘技術(shù)體系，構(gòu)建典型動植物表型數(shù)據(jù)庫、知識圖譜，解決農(nóng)業(yè)動植物生命和生產(chǎn)大數(shù)據(jù)價值密度低等難題。

3.3 農(nóng)業(yè)跨媒體數(shù)據(jù)挖掘分析

利用跨媒體高層語言信息的相關(guān)分析及分類技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘、智能感知與農(nóng)業(yè)模型智能化構(gòu)建。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人、機、動植物、生產(chǎn)環(huán)境與信息實現(xiàn)跨界融合，同時進行數(shù)據(jù)挖掘、柔性動態(tài)診斷、群智能決策。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的整合、歸納和過濾以及個性化搜索。

3.4 農(nóng)業(yè)無人機混合智能交互與虛擬現(xiàn)實

基于農(nóng)業(yè)知識和農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、具有結(jié)構(gòu)和功能負反饋機制的動植物生長過程可視化仿真技術(shù)體系，形成了基于人機混合智能的動植物自主感知計算和虛擬化交互模式，以及生物智能化可穿戴式虛擬現(xiàn)實裝備。

3.5 農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)

一是農(nóng)業(yè)機器人：基于視覺、觸覺、聽覺、味覺技術(shù)的空間環(huán)境、靶標位置與形態(tài)等多模態(tài)信息感知系統(tǒng)，涉及農(nóng)用機器人通用控制軟件、安全控制、靶向目標、高精度運動解算及規(guī)劃。二是智能植物工廠：工廠采用立體多層栽培，光照、環(huán)境、水肥、植物生產(chǎn)空間實現(xiàn)智能管理，應(yīng)用在線監(jiān)測與遠程診斷立體生產(chǎn)流水線等自動化系統(tǒng)技術(shù)與裝備，分為家庭型、商用型、社區(qū)型植物工廠。三是智能牧場：實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境、種群及商品畜群、飼料與營養(yǎng)、投入品、物流全過程的效能管理，同時可實現(xiàn)智能采集、遠程診斷、智能分析及產(chǎn)品溯源。其他農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)還包括智能果園、智能漁場、智能農(nóng)產(chǎn)品加工車間。

4 參考文獻

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