程國(guó)亞 嚴(yán) 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(nóng)業(yè)的概念

如果以驅(qū)動(dòng)力定義農(nóng)業(yè)發(fā)展的階段，可分為：以人力和畜力為驅(qū)動(dòng)力的原始農(nóng)業(yè)階段、以簡(jiǎn)單農(nóng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段、以信息技術(shù)和自動(dòng)化裝備為驅(qū)動(dòng)力的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)階段，以及以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為驅(qū)動(dòng)力的智慧農(nóng)業(yè)階段[1]，用農(nóng)業(yè)1.0、農(nóng)業(yè)2.0、農(nóng)業(yè)3.0和農(nóng)業(yè)4.0來(lái)形容這四個(gè)階段，其優(yōu)、劣勢(shì)見表1。

表1 農(nóng)業(yè)發(fā)展的四個(gè)階段

由此，本文立足于當(dāng)前的現(xiàn)代化煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)際，將今后一個(gè)時(shí)期的煙草農(nóng)業(yè)階段定義為智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段，該階段充分應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞優(yōu)化生產(chǎn)管理方式、促進(jìn)綠色生產(chǎn)技術(shù)落實(shí)，在煙葉育苗、植保、采收、烘烤、分級(jí)、機(jī)械化等方面開展智能化研究，在信息化建設(shè)中引入智慧農(nóng)業(yè)要素，通過應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)，對(duì)煙葉生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集與分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策。

國(guó)家煙草專賣局一再?gòu)?qiáng)調(diào)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)在推動(dòng)煙草行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中的作用，促進(jìn)優(yōu)化升級(jí)，就煙草農(nóng)業(yè)而言，以安徽煙草為例，近年來(lái)緊密結(jié)合煙區(qū)實(shí)際，探索實(shí)踐出了科技引領(lǐng)、創(chuàng)新發(fā)展、煙葉主業(yè)與多元產(chǎn)業(yè)雙環(huán)驅(qū)動(dòng)的煙農(nóng)增收新路子。2018年全國(guó)煙農(nóng)增收工作現(xiàn)場(chǎng)會(huì)在安徽宣城召開，會(huì)議圍繞“科技引領(lǐng)煙農(nóng)增收”主題，突出科技引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，高質(zhì)量推進(jìn)煙農(nóng)增收工作[2]，這對(duì)安徽煙草建設(shè)現(xiàn)代化煙草農(nóng)業(yè)，邁向智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段奠定了基礎(chǔ)。

(二)人工智能在智慧煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1．人工智能的概念

人工智能(Artificial Intelligence，AI)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門學(xué)科，屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支，它試圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等[3]。如今在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人工智能技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。

2．人工智能在智慧煙草農(nóng)業(yè)4．0階段的應(yīng)用

在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)3.0階段，以人工智能為代表的信息技術(shù)支持已經(jīng)開始顯現(xiàn)作用，邁入智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段，人工智能技術(shù)將覆蓋煙葉種植的全流程，以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展，降低傳統(tǒng)勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)抗災(zāi)能力，發(fā)揮更大的作用。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)在安徽煙草取得了良好的應(yīng)用成效。比如育苗水肥一體化控制，通過傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥；農(nóng)用無(wú)人機(jī)，在煙葉植保作業(yè)和丘陵山區(qū)地面農(nóng)業(yè)病蟲害防治方面體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。

3．人工智能在智慧煙草農(nóng)業(yè)4．0階段的應(yīng)用原則

考慮到安徽煙草現(xiàn)狀，將人工智能在智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段的實(shí)施應(yīng)用定義三個(gè)原則，一是先進(jìn)實(shí)用原則，既要在技術(shù)層面適度超越和示范引領(lǐng)，又要精益降本，不脫離實(shí)際；二是先機(jī)械后智能原則，智能農(nóng)機(jī)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，從構(gòu)成來(lái)講，動(dòng)力平臺(tái)和智能設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)，作業(yè)機(jī)具是難點(diǎn)重點(diǎn)。所以，要先機(jī)械化再智能化，在堅(jiān)持機(jī)械化優(yōu)先的前提下，用智能化提升機(jī)械作業(yè)質(zhì)量；三是先易后難原則，優(yōu)先試驗(yàn)成熟的智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品引領(lǐng)示范，如無(wú)人機(jī)智能噴藥、水肥一體化控制技術(shù)、智能面積測(cè)量?jī)x、光靶導(dǎo)航作業(yè)、定量植保控制、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備配置。對(duì)難度較大的測(cè)產(chǎn)、成熟度判定、病蟲害預(yù)測(cè)等環(huán)節(jié)要等條件成熟時(shí)再開展探索。

二、人工智能在智慧農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)方面的應(yīng)用探索

(一)設(shè)施環(huán)境智能監(jiān)控與調(diào)控

1．設(shè)施環(huán)境智能監(jiān)控與調(diào)控的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素很多，要想實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策，避免主觀因素對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的干擾，就需要借助于精準(zhǔn)、科學(xué)、及時(shí)的設(shè)施環(huán)境信息采集，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建智能模型，進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。煙葉生產(chǎn)八大環(huán)節(jié)中育苗環(huán)節(jié)通過溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)于信息的采集，通過自動(dòng)采集溫濕度、自動(dòng)卷膜、自動(dòng)加肥加水，實(shí)現(xiàn)水肥一體化管理，該技術(shù)可大幅提高肥料利用率，根據(jù)煙葉生長(zhǎng)各時(shí)期對(duì)水肥的不同需求，實(shí)現(xiàn)水肥的定量、精準(zhǔn)供給，當(dāng)前在安徽煙草已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度采集及自動(dòng)控制。

在大田環(huán)節(jié)，通過智能大田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在移動(dòng)端隨時(shí)訪問目標(biāo)區(qū)域田間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行系統(tǒng)管理，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境、氣象、病蟲狀況、煙葉生長(zhǎng)情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]，從而以電子化預(yù)警的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)煙葉的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便管理人員診斷煙葉生長(zhǎng)狀況，并獲得智能化、自動(dòng)化的解決方案，通過智慧植保系統(tǒng)，及時(shí)判定病蟲害信息，自動(dòng)定位，探索根據(jù)蟲情、病情變量施藥和自動(dòng)對(duì)耙施藥技術(shù)，從而可以為煙葉生長(zhǎng)提供較為適宜的，從而提高煙葉質(zhì)量和產(chǎn)量。

2．設(shè)施環(huán)境智能監(jiān)控與調(diào)控在煙葉種植中的應(yīng)用

1994年，S.Blackmore首次闡述了利用信息采集技術(shù)輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方法[5]。文中提到了應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境信息采集的思路，認(rèn)為昂貴的價(jià)格阻礙了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本在不斷降低，推動(dòng)了其在設(shè)施環(huán)境智能監(jiān)控中的應(yīng)用。

水肥一體化技術(shù)在煙葉育苗灌溉施肥上已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，特別是在早期溫室大棚栽培和無(wú)土栽培灌溉中有較大應(yīng)用空間。但是由于壓力的不均衡，導(dǎo)致水肥一體化的管道易于堵塞，因此需要對(duì)傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)，運(yùn)用智能化手段對(duì)水肥一體化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過系統(tǒng)傳感器檢測(cè)煙苗土壤水分情況，動(dòng)態(tài)控制施肥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，通過采用互聯(lián)網(wǎng)控制EC/pH值、循環(huán)加熱降溫、噴霧控制等方式，達(dá)到全自動(dòng)混配肥、精準(zhǔn)、智能化灌溉施肥管控一體化。此技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于部分國(guó)家蔬菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)，尤其是缺水國(guó)家的精準(zhǔn)滴灌施肥。

智能大田監(jiān)測(cè)技術(shù)是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煙葉的墑情、苗情、病蟲情及災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集土壤墑情數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙株長(zhǎng)勢(shì)、田塊病害情況。探索中棵煙智能化判定，根據(jù)中顆煙技術(shù)要求，對(duì)煙株進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判定長(zhǎng)勢(shì)是否符合中顆煙要求，即煙株長(zhǎng)勢(shì)整齊一致，營(yíng)養(yǎng)水平適中，旺長(zhǎng)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(shù)12—14片，上部葉開片充分，分層落黃明顯，出現(xiàn)偏差時(shí)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警和決策。探索煙葉成熟度智能化判定，根據(jù)大田煙葉顏色智能判定成熟度，提供采收時(shí)間和葉片數(shù)的決策，根據(jù)煙田長(zhǎng)勢(shì)，自動(dòng)測(cè)定煙葉產(chǎn)量。

(二)煙葉無(wú)人機(jī)自主作業(yè)

1．煙葉無(wú)人機(jī)自主作業(yè)的背景

近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是在植保方面，使用能自主作業(yè)的無(wú)人機(jī)從天空中進(jìn)行噴灑農(nóng)藥，不僅節(jié)約對(duì)農(nóng)藥的使用量，而且取得的效果更好。比起傳統(tǒng)人工方式有著較大幅度的提升，能提升約30倍的作業(yè)效率，節(jié)約30%的農(nóng)藥和90%的用水，其綜合收益是人工作業(yè)的20倍。

我國(guó)有兩千多萬(wàn)畝煙田，相應(yīng)也有較大的植保作業(yè)需求，因此植保無(wú)人機(jī)有廣泛應(yīng)用的空間，特別是針對(duì)丘陵地區(qū)的煙田，人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，使用普通地面機(jī)械進(jìn)行防蟲作業(yè)難度較大，因此使用能夠空中作業(yè)的無(wú)人機(jī)自主作業(yè)具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2．煙葉無(wú)人機(jī)自主作業(yè)技術(shù)特點(diǎn)

煙葉無(wú)人機(jī)自主作業(yè)技術(shù)特點(diǎn)有：一是自動(dòng)飛行，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，只需要通過軟件對(duì)飛行軌跡進(jìn)行定義，即可沿路線作業(yè)，排除了人為干擾因素，降低了培訓(xùn)專業(yè)無(wú)人機(jī)操作人員的培訓(xùn)成本；二是精準(zhǔn)作業(yè)，煙葉無(wú)人機(jī)可以設(shè)定高度，依據(jù)GIS信息和導(dǎo)航信息，在相對(duì)最優(yōu)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的精準(zhǔn)作業(yè)。三是能實(shí)現(xiàn)自主避險(xiǎn)，由于噴灑農(nóng)藥需要，因此煙葉無(wú)人機(jī)飛行高度不高，再加上山區(qū)環(huán)境復(fù)雜，因此需要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，自動(dòng)規(guī)避各類障礙物和突發(fā)情況。四是自主規(guī)劃路線，根據(jù)以往作業(yè)情況和作業(yè)安排，自主設(shè)計(jì)飛行路線，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的路線和作業(yè)配載，從而減小能源消耗，降低作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。五是實(shí)時(shí)信息統(tǒng)計(jì)，通過互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)并上傳作業(yè)量到云端，為綜合研判及系統(tǒng)分析提供第一時(shí)間的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。

綜上所述，在智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段，智能化煙葉無(wú)人機(jī)具有廣闊的應(yīng)用空間，不僅能夠高噴灑作業(yè)效率，同時(shí)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(nóng)業(yè)4.0階段的發(fā)展趨勢(shì)

以安徽煙草為例，當(dāng)前推廣應(yīng)用大棚自動(dòng)溫控、無(wú)人機(jī)植保和烘烤遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)人工智能研究成果，極大的提升了科技創(chuàng)新對(duì)于煙葉高質(zhì)量發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，展望未來(lái)的智慧煙草農(nóng)業(yè)4.0階段，人工智能的應(yīng)用發(fā)展可能在三個(gè)方面取得突破。

一是構(gòu)建以物聯(lián)網(wǎng)和智能化精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)為核心的環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，提高資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，通過實(shí)現(xiàn)育苗水肥一體化控制、構(gòu)建移動(dòng)端農(nóng)作物病蟲害采集構(gòu)建病蟲害數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)常見病蟲害自動(dòng)分類識(shí)別和智能化控制，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)煙葉生產(chǎn)精益管理，解決當(dāng)前煙葉生產(chǎn)用工緊缺問題。

二是構(gòu)建以智慧農(nóng)機(jī)為核心的智能化服務(wù)系統(tǒng)，通過綜合應(yīng)用無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定位智能噴藥、定量植保，光靶導(dǎo)航智能化控制農(nóng)機(jī)，遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)田塊定位和面積自動(dòng)測(cè)量等渠道，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)全程可控、可視、可查，作業(yè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集，作業(yè)面積智能統(tǒng)計(jì)，作業(yè)效果質(zhì)量自動(dòng)評(píng)估。

三是構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的智能化煙葉分級(jí)分揀為核心的科學(xué)決策系統(tǒng)，通過機(jī)械化采收、配套散煙烘烤工藝、新能源烤房設(shè)施配套的集約化采烤工藝，消除煙葉分級(jí)中人為主觀因素的干擾，實(shí)現(xiàn)減工降本、高效環(huán)保的綠色精益理念落地，顯著提高煙葉生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平?！?/p>