十二五期間我國(guó)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步前論文
經(jīng)過“九五”、“十五”、“十^一五”的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)科技工作有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是在國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家科技支撐計(jì)劃的支持下，加大了高科技在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，使我國(guó)在數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)以及農(nóng)業(yè)信息化方面，均取得了矚目的成果。最具代表性的是由中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所熊范綸、李淼、張建等牽頭完成的“農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)技術(shù)體系研究與平臺(tái)研發(fā)及其應(yīng)用”項(xiàng)目和由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)汪懋華院士參與完成的“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究和示范”項(xiàng)目，均獲得了2008年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。前者研究的領(lǐng)域涉及農(nóng)業(yè)信息處理范疇，也稱農(nóng)業(yè)信息智能化。該研究是將人工智能知識(shí)工程應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)。它運(yùn)用知識(shí)表示、推理、知識(shí)獲取等技術(shù)總結(jié)農(nóng)業(yè)專家長(zhǎng)期積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)的農(nóng)業(yè)輔助決策軟件系統(tǒng)。由于它具有智能化的分析推理、獨(dú)立的知識(shí)庫(kù)使用非常方便，而且聲、圖、文并茂指導(dǎo)廣大農(nóng)民對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行合理的施肥、灌溉、施藥、選種、壯苗等田間管理，為畜禽配制飼料、診斷疫情等|21。“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究和示范”項(xiàng)目的研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)田“精耕細(xì)作”的技術(shù)體系，即農(nóng)業(yè)工程作業(yè)體系中調(diào)控的精確化問題，借助于全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和農(nóng)田地理信息系統(tǒng)對(duì)大田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)精確化采集和精準(zhǔn)化調(diào)控，主要涉及檢測(cè)技術(shù)和獨(dú)立的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化裝備的研發(fā)。這些技術(shù)的應(yīng)用可以有效的節(jié)約資源，提高資源利用率，提高單位產(chǎn)量。
總體來講，以上兩方面代表了我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的最新成果和進(jìn)展。在我國(guó)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域發(fā)揮著各自的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，取得效果的好壞還取決于農(nóng)民的自身學(xué)識(shí)和掌握程度。就農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用來說，農(nóng)民的操作、作業(yè)形式是:有問題先問“電腦”，有了結(jié)果，需要農(nóng)民親自回到田間中實(shí)施作業(yè)。這個(gè)過程中，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)僅幫助農(nóng)民解決了如何干、怎樣干的問題，但干的效果取決于農(nóng)民的操作精準(zhǔn)和素質(zhì)。而“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的許多設(shè)備操作也需要由農(nóng)民或農(nóng)業(yè)科技人員去完成。那么，可以考慮將以上這些技術(shù)集成在一起構(gòu)建一個(gè)大系統(tǒng)，以更高的角度看農(nóng)業(yè)問題，即：從農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)的產(chǎn)前、產(chǎn)中到產(chǎn)后全方位的、整體性的幫助農(nóng)民解決盡可能多的問題、真正降低農(nóng)民的勞動(dòng)投入和參與強(qiáng)度，提高農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體產(chǎn)出，并節(jié)約資源。
本文將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看成一個(gè)閉環(huán)大系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)角度闡述了一個(gè)新的概念:智能農(nóng)業(yè)體系。并論述了智能農(nóng)業(yè)體系的模型，以及基于此解決以上問題的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)建議政府部門在制定“十二五”規(guī)劃時(shí)，對(duì)智能農(nóng)業(yè)應(yīng)給予充分的重視。
1智能農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵和系統(tǒng)架構(gòu)
早期對(duì)于智能農(nóng)業(yè)的雛形議論僅僅涉及了人工智能在農(nóng)業(yè)中以及智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用145。也有一些涉及到系統(tǒng)建模等等。但整體智能農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)的論述很少見到。毫無疑問，要評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的智能化，勢(shì)必要借鑒工業(yè)智能化評(píng)價(jià)指標(biāo)，從系統(tǒng)“軟件”和“硬件”組模型和控制1671。基于此，農(nóng)業(yè)智能化也應(yīng)該具備工業(yè)智能化的幾個(gè)主要特征。但是，由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)自身的特殊性，有時(shí)無法采用工業(yè)領(lǐng)域成熟的控制模型和智能控制技術(shù)所以必須規(guī)范農(nóng)業(yè)智能化的定義。這里給出了智能農(nóng)業(yè)要具備的兩個(gè)要素：
①反饋控制。這里要強(qiáng)調(diào)的是:智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)首先要有控制在里面，并且是反饋控制的，也即系統(tǒng)要構(gòu)成閉環(huán)。反饋控制是任何一個(gè)智能控制系統(tǒng)的首要構(gòu)件。在該體系中，從信息給定、處理、核心調(diào)控，再到信號(hào)的采集、反饋，應(yīng)該形成閉環(huán)，否則稱不上是智能化系統(tǒng)。
②自主控制。所謂自主控制包含兩層含義：一是系統(tǒng)的控制核心具備自適應(yīng)的調(diào)整能力。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的外在擾動(dòng)和內(nèi)在擾動(dòng)沒有規(guī)律，如果其控制核心具備自適應(yīng)、自調(diào)整能力，則具備初步智能;二是系統(tǒng)的控制模型具備自學(xué)習(xí)和自整定能力。由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)邊界條件模糊、建模困難的非線性系統(tǒng)，很難使系統(tǒng)向著收斂方向調(diào)控。這一點(diǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)要求比較苛刻，但這是系統(tǒng)智能化的一個(gè)重要標(biāo)志之一。
基于以上觀點(diǎn)，分別構(gòu)建兩個(gè)智能農(nóng)業(yè)體系：狹義智能和廣義智能的基本框架模型。
圖1所示為基于狹義智能特點(diǎn)構(gòu)建的經(jīng)典智能農(nóng)業(yè)體系模型。首先將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看成一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)，其各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用控制、管理、檢測(cè)等手段來調(diào)控。將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的產(chǎn)出視為系統(tǒng)的輸出，
而用戶的參數(shù)設(shè)定、目標(biāo)優(yōu)化和管理決策視為系統(tǒng)的給定。然后根據(jù)控制模型和能耗模型來構(gòu)建控制系統(tǒng)的前向通道。其中應(yīng)用許多智能手段，如多目標(biāo)優(yōu)化、智能預(yù)測(cè)、自適應(yīng)調(diào)控等以及智能檢測(cè)技術(shù)使系統(tǒng)達(dá)到智能的調(diào)控、降低農(nóng)業(yè)工作者的參與和勞動(dòng)強(qiáng)度的.目的，并使產(chǎn)出最優(yōu)化。
圖2是基于廣義智能化在大系統(tǒng)控制論18基礎(chǔ)上，構(gòu)建的多級(jí)遞階智能農(nóng)業(yè)體系模型。在這個(gè)大系統(tǒng)中，分別對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后的各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建各自的農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)成微觀級(jí)別。而各個(gè)子系統(tǒng)均受各自的局部控制器調(diào)控，同時(shí)應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化等智能手段做系統(tǒng)自適應(yīng)尋優(yōu)。這些局部智能控制器，可以是大田節(jié)溉系統(tǒng)智能控制器、農(nóng)作物溫室環(huán)境智能控制器、施肥及病蟲害處理智能控制器、傳感器網(wǎng)絡(luò)智能控制器和網(wǎng)上農(nóng)業(yè)智能控制器等。由于農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)的分散性和邊界的模糊性，分別設(shè)定各自的控制參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)智能調(diào)控。同時(shí)，處于該系統(tǒng)宏觀級(jí)的協(xié)調(diào)器通過觀測(cè)遞階和遞階信息流，借助于Interne將智能決策全局優(yōu)化作為給定去約束各個(gè)局部控制器，從而達(dá)到整體系統(tǒng)的智能能、運(yùn)籌學(xué)、先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等都要綜合的運(yùn)用到系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。另外，在農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)中恰當(dāng)?shù)囊雮鞲芯W(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是智能農(nóng)業(yè)的一個(gè)顯著標(biāo)志。目前農(nóng)業(yè)工程中多種應(yīng)用于大田數(shù)據(jù)釆集的傳感器，無論是有線的還是無線的，均要通過底層的傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此各種現(xiàn)代化、智能化農(nóng)業(yè)機(jī)具和作業(yè)設(shè)備。
2發(fā)展智能農(nóng)業(yè)的預(yù)期效益
基于以上分析，發(fā)展智能農(nóng)業(yè)是將農(nóng)業(yè)視為一個(gè)可控的整體來看待，是解決農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)的問題。既包括廣義上的農(nóng)業(yè)信息處理、農(nóng)業(yè)專家智能決策系統(tǒng)，又包括自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能控制算法、機(jī)電一體化設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等等。所以，在我國(guó)大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)，就是要在大系統(tǒng)控制背景下做大系統(tǒng)集成，預(yù)期效益有以下幾方面：
①提高農(nóng)業(yè)的整體產(chǎn)出和效益。智能農(nóng)業(yè)把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看成一個(gè)閉環(huán)的大系統(tǒng)，雖然有很多限制條件和不確定的制約因素，但在構(gòu)建的整體系統(tǒng)框架下，可以有效的應(yīng)用人工智能技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的三方融合技術(shù)進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)全局最優(yōu)化調(diào)控，比如全局多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與自適應(yīng)尋優(yōu)、基于約束條件的大系統(tǒng)最優(yōu)控制等，從而增加農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的整體效益以及節(jié)能減排。
②有效地整合和管理各個(gè)農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)。在資源約束和經(jīng)濟(jì)效益最大化約束條件下，統(tǒng)籌管理整個(gè)農(nóng)業(yè)體系，從而可避免顧此失彼的分散管理模式，做到集約管理和經(jīng)營(yíng)，為國(guó)家的農(nóng)業(yè)宏觀規(guī)劃和管理打下基礎(chǔ)。
③促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平的整體提升，解放勞動(dòng)力，帶動(dòng)農(nóng)民致富。智能控制可以極大地減輕勞動(dòng)者負(fù)擔(dān)，以盡可能少的人力、財(cái)力投入來降低操作誤差，提高系統(tǒng)效能和產(chǎn)出。農(nóng)業(yè)智能化本身的科技含量很高，將會(huì)大大改進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平，促使農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，真正在“軟件系統(tǒng)”和“硬件系統(tǒng)”兩方面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。
④降低重復(fù)性科研投入。智能農(nóng)業(yè)講究按照一個(gè)整體來研究農(nóng)業(yè)事情，是將農(nóng)業(yè)體系拆分但又綜合、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一整體系統(tǒng)，科研成果的研發(fā)和推廣按照這個(gè)整體進(jìn)行任務(wù)分配，就像研發(fā)一個(gè)航天太空船一樣，設(shè)立同一目標(biāo)，分部門協(xié)同攻關(guān)，在構(gòu)建的智能農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)下，整合資源，共同努力，可以減少各自為政的科研投入，大大節(jié)省開支，減少重復(fù)勞動(dòng)。
此外，加大智能農(nóng)業(yè)的投入還可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)于擴(kuò)大內(nèi)需、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)有促進(jìn)作用。智能農(nóng)業(yè)體系不是簡(jiǎn)單的軟件問題，而是控制系統(tǒng)問題，更是技術(shù)集成問題。其中要用到各種高科技設(shè)備和裝置，特別是當(dāng)今熱門的農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。進(jìn)而會(huì)帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、計(jì)算機(jī)和通訊業(yè)、電子技術(shù)產(chǎn)品和檢測(cè)傳感器領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、自動(dòng)控制產(chǎn)品和生產(chǎn)線制造業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)運(yùn)輸業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)和建筑業(yè)等均有提升作用。
3結(jié)論
國(guó)家在制定“十二五”發(fā)展規(guī)劃時(shí)，對(duì)于農(nóng)業(yè)的投入應(yīng)該有一個(gè)立足點(diǎn)并具備前瞻性。鑒于智能農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿Γㄗh將重點(diǎn)放在這一方面。就像智能農(nóng)業(yè)的含義一樣，這種投入不僅僅是農(nóng)業(yè)信息化的軟件投入，還要增加調(diào)控設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、控制網(wǎng)絡(luò)、通訊設(shè)備等系統(tǒng)硬件的投入。我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化經(jīng)過十多年的發(fā)展，已初步具備發(fā)展智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的“軟件”基礎(chǔ)，為發(fā)展智能農(nóng)業(yè)打下了一個(gè)良好的開端。發(fā)展智能農(nóng)業(yè)應(yīng)該是一種與時(shí)俱進(jìn)的觀念，是轉(zhuǎn)變和促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步手段之一。
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