智能管理技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用

沈娟娟，黃天佑，石芳權(quán)*

（1.甘肅省西和縣農(nóng)業(yè)機(jī)械化服務(wù)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(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，一直以來都是國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(dá)國家相比，我國的農(nóng)業(yè)在機(jī)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(cè)重雙重推動(dòng)下，以高端科技為技術(shù)支撐，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展取得了突破性的進(jìn)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(dòng)力被轉(zhuǎn)移出來，我國從一個(gè)落后的農(nóng)業(yè)大國向新興工業(yè)國轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入了現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型期[2]。隨著高科技、現(xiàn)代化時(shí)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(jī)裝備機(jī)械化轉(zhuǎn)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(shù)變革經(jīng)歷了3 個(gè)歷史飛躍，第一階段為20 世紀(jì)50 年代后的農(nóng)業(yè)機(jī)械化，應(yīng)用科技與設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向工業(yè)化、集約化的轉(zhuǎn)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(qiáng)了農(nóng)業(yè)的抗御風(fēng)險(xiǎn)能力[3]；如果說第一階段農(nóng)業(yè)實(shí)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(shí)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(shù)，進(jìn)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(jì)以來，農(nóng)業(yè)機(jī)械化不斷轉(zhuǎn)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(shù)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(jī)械設(shè)備與智慧農(nóng)業(yè)管理技術(shù)成為推動(dòng)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(shù)的應(yīng)用更是實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品溯源追溯，進(jìn)一步夯實(shí)了政府監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器、通信技術(shù)的不斷改進(jìn)與整合，采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析以及終端處理等手段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)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(shù)

機(jī)械化是農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)，智能化管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)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(lǐng)域，涉及自動(dòng)化設(shè)備、精細(xì)化控制、智能化管理等模塊，廣泛應(yīng)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(jì)算技術(shù)下的農(nóng)業(yè)智能管理模式推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)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(shù)的利用，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)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(jì)算技術(shù)下的農(nóng)業(yè)管理模式

2.1 信息感知與傳輸技術(shù)

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(shè)備，通常集成在一個(gè)平臺(tái)中，主要包括農(nóng)業(yè)感知生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和動(dòng)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?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，3S 技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，因?yàn)槿藗兤毡榭梢酝ㄟ^人造衛(wèi)星獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，其中遙感技術(shù)是指通過接收電磁波信息，對物體和現(xiàn)象進(jìn)行檢測識(shí)別的現(xiàn)代綜合技術(shù)，可用于植被資源調(diào)查、氣象預(yù)報(bào)、作物產(chǎn)量估測以及病蟲害預(yù)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(shí)三維導(dǎo)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(shí)現(xiàn)并最終找到切實(shí)可行的解決方案，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面。無線傳感器技術(shù)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(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，其通過PC 服務(wù)器、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息指令的無線傳感，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；宋永嘉等[6]總結(jié)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征，綜述了該技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用、旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉精細(xì)作業(yè)、農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合監(jiān)測、作物生長生理實(shí)時(shí)監(jiān)控取得的一系列進(jìn)展，為推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算已應(yīng)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(jì)算技術(shù)的應(yīng)用將網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和農(nóng)業(yè)應(yīng)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(jìn)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(jià)值密度、真實(shí)性5 大特性，大量是指存儲(chǔ)、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(fù)雜性；價(jià)值性是合理運(yùn)用大數(shù)據(jù)，以低成本創(chuàng)造高價(jià)值；真實(shí)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(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效管理；大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，在海量的數(shù)據(jù)信息中對有價(jià)值信息進(jìn)行高效篩選[8]。應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算可對氣象、土壤、病蟲害、畜牧養(yǎng)殖等信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)、準(zhǔn)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(wù)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(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的具體應(yīng)用十分廣泛，未來也必將會(huì)成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中必不可少的一項(xiàng)新技術(shù)，將逐步形成信息資源數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與共享，實(shí)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(fèi)模型，將整個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)與大數(shù)據(jù)技術(shù)深度融合，將農(nóng)業(yè)發(fā)展與人們生活密切關(guān)聯(lián)，構(gòu)建萬物互聯(lián)一體化的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系，切實(shí)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(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是信息感知、傳輸與應(yīng)用的結(jié)合，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使用傳感器與其他設(shè)備將農(nóng)業(yè)中涉及的每個(gè)元素和操作轉(zhuǎn)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(shù)實(shí)時(shí)傳輸與處理，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中是對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)采集、檢測，并對其進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和決策，管理者可通過電腦或手機(jī)等終端訪問查詢[11]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用下，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇，智能監(jiān)控、自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)識(shí)別、人工智能應(yīng)答等成為現(xiàn)實(shí)，促使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代，推行智能管理模式與時(shí)俱進(jìn)，推動(dòng)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(shè)備及系統(tǒng)平臺(tái)多種信息技術(shù)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(gè)階段中發(fā)揮關(guān)鍵作用，有助于理解所有可用數(shù)據(jù)[12]。在作物識(shí)別與檢測中，可通過圖像分析進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)測，高效定位經(jīng)濟(jì)林果、植株、作物田間雜草等，通過模糊邏輯模仿人類決策實(shí)施管理。近年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備改造、軟件程序開發(fā)成為熱潮，模型構(gòu)建、機(jī)器學(xué)習(xí)、近似理論、復(fù)雜算法等知識(shí)理論對數(shù)據(jù)挖掘起到了積極作用，通過學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器像人一樣進(jìn)行思考和自動(dòng)判斷，從而代替人類完成一些野外、危險(xiǎn)、復(fù)雜性的工作。例如利用機(jī)器視覺技術(shù)，以數(shù)據(jù)信息采集、圖像傳輸、處理分析、應(yīng)答獲得其目標(biāo)形態(tài)意識(shí)，從而準(zhǔn)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(jī)器人或無人機(jī)是基于IoT 與AI 技術(shù)下研發(fā)的智能設(shè)備，可以通過多光譜或超光譜成像，對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行非接觸遠(yuǎn)程測量。與遙感技術(shù)相比，無人機(jī)對精密農(nóng)業(yè)的優(yōu)點(diǎn)是其頻率靈活性（衛(wèi)星重訪時(shí)間）和更好的空間分辨率，可以從復(fù)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(jī)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(jī)器人可比人類更高效地完成某些任務(wù)。無人機(jī)及機(jī)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(shí)現(xiàn)定制植物和作物處理方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。智能控制與應(yīng)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(shù)對接收到的信息進(jìn)行智能化控制和命令，如聯(lián)合收割、自動(dòng)駕駛、智能施肥施藥等，機(jī)器人可通過學(xué)習(xí)、思考當(dāng)前現(xiàn)狀判斷如何應(yīng)答反應(yīng)。

2.4 安全追溯體系的形成

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種新興信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一個(gè)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(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域彰顯出了其堅(jiān)實(shí)的信任基礎(chǔ)，有人曾總結(jié)區(qū)塊鏈技術(shù)是推動(dòng)21 世紀(jì)技術(shù)革命的重要力量，是推動(dòng)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(wù)水平，建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)急管理和監(jiān)督管理[13]。消費(fèi)者通過顯示設(shè)備、手機(jī)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(chǔ)存、運(yùn)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(fèi)者用得放心、監(jiān)管者管得清楚，最重要的有效促進(jìn)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(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可以應(yīng)用在土地經(jīng)營權(quán)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(wù)以及農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)等方面[14]。

3 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已滲透到農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)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(dòng)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(luò)信息技術(shù)，機(jī)器人、無人機(jī)等智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備也將替代人類完成許多艱苦的工作，農(nóng)業(yè)機(jī)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(chǔ)，先進(jìn)管理技術(shù)、新型作業(yè)裝備不斷涌現(xiàn)，智慧農(nóng)業(yè)會(huì)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(shí)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(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源共享，推進(jìn)農(nóng)業(yè)向高效、節(jié)約型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。