唐 明 ， 黎鑫溢 ， 梁 鼎

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410006）

人工智能作為計算機科學(xué)的一個重要分支，通?？梢员桓爬ǔ梢环N智能化的處理能力，能夠和人一樣感知、認知、決策、執(zhí)行的程序或系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人工智能已應(yīng)用于醫(yī)療、教育、金融等諸多領(lǐng)域，有效地推動了各領(lǐng)域高速發(fā)展[1]。農(nóng)業(yè)是人類衣食住行的源泉，是人民生活的重要基礎(chǔ)，是支撐國家經(jīng)濟的脊柱，也是國家穩(wěn)定發(fā)展的“壓艙石”。人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)機、智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用主要涉及傳感檢測、機器視覺、大數(shù)據(jù)處理等，以此實現(xiàn)自動監(jiān)控、自主修正、智能調(diào)整[2]。其中，傳感檢測技術(shù)應(yīng)用于智能農(nóng)機對外界的環(huán)境感知及決策反饋，實時感知當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)；機器視覺領(lǐng)域應(yīng)用于農(nóng)作物識別、雜草識別、病蟲害識別、障礙目標檢測以及路徑規(guī)劃等方面；而大數(shù)據(jù)處理技術(shù)則充分應(yīng)用在無人化耕作、精準施肥噴藥、智能收獲領(lǐng)域中，實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝的有機融合，保證各個作業(yè)環(huán)節(jié)的高效及高質(zhì)量。本文主要介紹了人工智能賦能農(nóng)業(yè)機械的主要技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用，并針對當(dāng)前存在的難題和機遇，提出了人工智能技術(shù)賦能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 人工智能賦能農(nóng)機概述及意義

人工智能農(nóng)業(yè)（Artificial Intelligence Agriculture,AI-Agri）是指以自然語言處理、知識表現(xiàn)、智能搜索、推理、規(guī)劃、機器學(xué)習(xí)、知識獲取、組合調(diào)度問題、感知問題、模式識別、邏輯程序設(shè)計軟計算、不精確和不確定的管理、人工生命、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜系統(tǒng)、遺傳算法等為研究范疇，來實現(xiàn)知識表示、自動推理和搜索方法、機器學(xué)習(xí)和知識獲取、知識處理系統(tǒng)、自然語言理解、計算機視覺、自動程序設(shè)計等方面研究成果，最終用于參與到農(nóng)業(yè)耕、種、管、收生產(chǎn)全過程解決無人化耕作、病蟲害精準識別及防治、智能收獲等有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題的未來智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[3]。

人工智能技術(shù)將會改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式、生活方式，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也將會有越來越多的應(yīng)用，必然會先從最適合且最能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利和成本節(jié)省的方向開始。人工智能技術(shù)的不斷成熟，使得擁有強大算力的芯片不僅僅出現(xiàn)在服務(wù)器端，人工智能的應(yīng)用還會延伸至終端應(yīng)用場景。

基于機器學(xué)習(xí)的視覺識別及以各類傳感器為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)收集、分析、應(yīng)用為精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程帶來了很大的想象空間。由人工智能技術(shù)賦能驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品，將利用機器學(xué)習(xí)而具備在作業(yè)現(xiàn)場自我智能決策的能力，可將產(chǎn)品的智能控制提升到一個新的高度。由人工智能技術(shù)驅(qū)動的農(nóng)業(yè)，將會使機器更加智能化，可節(jié)省人力、降低勞動強度、節(jié)省農(nóng)資消耗成本、保證環(huán)保增效創(chuàng)收，其功能及特色能為用戶帶來切實的收益。隨著進一步的市場推廣，整機銷量增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)加速積累，數(shù)據(jù)挖掘以使農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)將成為新的社會效益點。

2 人工智能賦能農(nóng)機的應(yīng)用現(xiàn)狀

全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)革命的風(fēng)口浪尖，人工智能將為農(nóng)業(yè)的未來帶來革命性的變化。

美國迪爾公司（John Deere）是世界上最大的農(nóng)機巨頭，也是精細農(nóng)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。2017年9月，該公司收購了人工智能初創(chuàng)公司藍河科技（Blue River Technology），基于人工智能對收獲機的損失率、含雜率進行監(jiān)測[4]，利用圖像識別技術(shù)來獲取農(nóng)作物的生長狀況，通過機器學(xué)習(xí)，分析和判斷雜草及病蟲害，實現(xiàn)精準施肥噴藥，比傳統(tǒng)種植方式減少了90%的農(nóng)藥化肥使用量[5]。

加拿大VineView公司可在云端利用人工智能技術(shù)分析無人機捕獲的圖像和數(shù)據(jù)，尤其是根據(jù)葡萄葉的圖像分析葡萄樹疾病的隱患[6]。海沃德公司（Aboundant Robotics）在不破壞蘋果樹和蘋果的前提下可達到一秒一個的采摘速度。蘋果采摘機器人可通過攝像裝置獲取果樹照片，用圖片識別技術(shù)定位適合采摘的蘋果，再用機械手臂和真空管道進行采摘，不會傷到果樹和蘋果[7]。

人工智能技術(shù)在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的時間相對較短，但近年來，農(nóng)業(yè)人工智能發(fā)展非常迅速，在精準施肥噴藥、智能收獲等領(lǐng)域出現(xiàn)了許多成功案例。如在2019年10月30日青島國際農(nóng)業(yè)機械展覽會上，中聯(lián)重科人工智能小麥機、水稻機、植保機等新品全新亮相[8]。

人工智能小麥機、水稻機上全方位搭載視覺攝像頭、傳感器等多種智能元件，在作業(yè)過程中可實時感知作物倒伏、密度、潮濕度、品種等特征信息，控制系統(tǒng)根據(jù)實時收集的信息進行智能決策，并通過末端執(zhí)行器實現(xiàn)實時的智能調(diào)整，如自動控制割臺、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、整車作業(yè)速度等。

人工智能植保機，噴桿上裝載多個視覺攝像頭，能夠?qū)崟r感知田間作物的雜草病蟲害情況及作物生長態(tài)勢等信息，控制系統(tǒng)通過推斷計算形成最佳施肥噴藥方案，實時控制電控噴頭的開閉及流量，從而達到最佳的施肥噴藥效果，確保肥料及農(nóng)藥利用最大化，減少浪費和環(huán)境污染。

3 人工智能賦能農(nóng)機的應(yīng)用實例

3.1 無人化耕作

無人化耕作（拖拉機），可通過機器視覺獲取地理位置及周邊環(huán)境信息，判斷地頭邊界、農(nóng)作物和障礙物，規(guī)劃作業(yè)路徑，對整車控制器發(fā)出相應(yīng)執(zhí)行指令，實現(xiàn)直線行駛、田間掉頭、農(nóng)具自動升降等自動駕駛功能。人工智能賦能拖拉機應(yīng)用實例圖如圖1所示。

圖1 人工智能賦能拖拉機應(yīng)用實例圖

直線行駛：通過機器視覺及GPS定位系統(tǒng)，獲取當(dāng)前地理位置及周邊環(huán)境信息，檢測作業(yè)垅邊界或待收獲作物邊界，智能調(diào)節(jié)作業(yè)車速及轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)高精度直線行駛。

田間掉頭：通過機器視覺，識別地頭邊界，智能推薦掉頭操作，控制功能部件及行走、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)掉頭動作。

農(nóng)具自動升降：通過機器視覺，檢測整機距離田間地頭的實時距離，智能判斷合適的農(nóng)具升降位置，控制農(nóng)具液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動升降。

3.2 精準施肥噴藥

精準施肥噴藥（植保機），建立滅草類、除蟲類、施肥類及相關(guān)農(nóng)藥大數(shù)據(jù)庫。將農(nóng)業(yè)機械作業(yè)控制算法與基于人工智能和機器視覺識別及深度機器學(xué)習(xí)的硬件平臺融合，辨識雜草與作物，識別害蟲及位置，判別作物長勢，實現(xiàn)精準施肥噴藥。人工智能賦能植保機應(yīng)用實例圖如圖2所示。

圖2 人工智能賦能植保機應(yīng)用實例圖

雜草、害蟲識別：通過機器視覺技術(shù)實時辨識雜草與作物，識別害蟲及位置，并對其進行標記。

精準施肥噴藥：根據(jù)雜草、害蟲主動識別結(jié)果以及作物生長態(tài)勢，控制電磁閥開閉及流量，實現(xiàn)精準施肥噴藥。

3.3 智能收獲

智能收獲（小麥機、水稻機），建立收獲作物種類的數(shù)據(jù)庫并基于人工智能分析；將農(nóng)業(yè)機械作業(yè)控制算法與基于人工智能和機器視覺識別及深度機器學(xué)習(xí)的硬件平臺融合，根據(jù)不同作物及地況，匹配合理的收獲速度，智能調(diào)節(jié)撥禾輪、割臺、脫粒滾筒、風(fēng)機、篩板等部件，優(yōu)化損失率、含雜率、破碎率，實現(xiàn)智能收獲。圖3、圖4分別為人工智能賦能小麥機應(yīng)用實例圖和人工智能賦能水稻機應(yīng)用實例圖。

圖3 人工智能賦能小麥機應(yīng)用實例圖

圖4 人工智能賦能水稻機應(yīng)用實例圖

撥禾輪智能升降：根據(jù)割臺高度、作物倒伏及長勢、作物喂入及堵塞情況，智能調(diào)節(jié)撥禾輪高度。

撥禾輪智能調(diào)速：根據(jù)作物長勢狀況和喂入狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)撥禾輪轉(zhuǎn)速。

割臺智能升降：根據(jù)作業(yè)地況、作物倒伏及長勢、作物喂入及堵塞情況，智能調(diào)節(jié)割臺高度。

脫粒滾筒智能調(diào)速：根據(jù)收獲作物種類、作物成熟度和產(chǎn)量、風(fēng)機轉(zhuǎn)速，智能調(diào)節(jié)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速。

風(fēng)機智能調(diào)速：根據(jù)收獲作物種類、含雜率、破碎率、損失率等收獲指標，智能調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

篩板開片角度智能調(diào)速：根據(jù)收獲作物種類、含雜率、損失率等收獲指標，智能調(diào)整上篩、下篩、尾篩的開片角度。

損失率/含雜率/破碎率優(yōu)化：利用谷物損失傳感器、機器視覺技術(shù)實時分析功能參數(shù)指標，并根據(jù)指標智能調(diào)整整機相關(guān)部件參數(shù)。

3.4 人工智能控制器研制

研制低成本、多用途的通用型人工智能計算設(shè)備。以現(xiàn)有的AI基礎(chǔ)硬件為參考，針對農(nóng)機的共性需求，例如視覺計算、導(dǎo)航定位、自動控制，在滿足AI推理性能、定位及控制精度、適配必要傳感器的條件下，大力降低硬件成本，提高性價比。

研制高性能、高可靠的專用型人工智能控制器。以通用型人工智能計算設(shè)備為基礎(chǔ)，針對智能感知、精準控制、自動駕駛、無人作業(yè)等多個人工智能模塊，以及視覺、GPS/北斗、雷達等多種傳感器數(shù)據(jù)處理，研制高性能、高可靠、專用于某一類農(nóng)機的人工智能控制器。

針對收獲機械，研制能夠同時適配8路以上視覺相機并實時運行其視覺感知算法，能夠運行基于GPS/北斗、雷達、視覺等三種以上傳感信息融合的高精度導(dǎo)航定位算法，能夠運行割臺/撥禾輪高度、滾筒/風(fēng)機轉(zhuǎn)速等參數(shù)優(yōu)化算法的專用AI控制器，實現(xiàn)高性能執(zhí)行AI算法、高可靠運行AI系統(tǒng)。

針對植保機械，研制能夠同時適配10路以上視覺相機并實時運行其視覺感知算法，能夠處理GPS/北斗、視覺、雷達等三種以上傳感信息，能夠根據(jù)視覺識別結(jié)果及車速實現(xiàn)精準控制作業(yè)噴頭開、閉的專用AI控制器，實現(xiàn)高性能運行AI感知算法、高可靠精準控制作業(yè)部件。

針對耕作機械，研制能夠同時適配6路以上視覺相機并實時運行其視覺感知算法，能夠處理GPS/北斗、視覺、雷達等三種以上傳感信息，能夠支持5G、云平臺傳輸，能夠智能控制深翻、深松、耙地、平地作業(yè)，能夠智能控制直線行駛、地頭掉頭等無人駕駛的專用控制器，實現(xiàn)高性能執(zhí)行AI算法、高可靠數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)運行。

4 農(nóng)業(yè)人工智能存在的問題及措施

隨著大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人工智能時代來臨，各個行業(yè)都期待擁抱人工智能技術(shù)。但是人工智能領(lǐng)域的發(fā)展沿襲了數(shù)字經(jīng)濟在我國的發(fā)展慣性，更加偏愛消費市場。雖然傳統(tǒng)行業(yè)早已開始探索“如何讓實體經(jīng)濟與人工智能技術(shù)碰出商業(yè)價值”這一重大命題，但也如某些專家所言，“缺少真正的投入與行動”。

雖然人工智能技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但是與其在金融、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域上的成功應(yīng)用相比，人工智能賦能農(nóng)機的應(yīng)用略顯初級，大多農(nóng)場、農(nóng)機制造商還沒有深入推進人工智能。原因在于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)獲取比其他行業(yè)要難，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計和量化應(yīng)用困難，農(nóng)業(yè)環(huán)境變化對人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的測試、驗證和推廣更加困難，既懂農(nóng)業(yè)又懂人工智能技術(shù)的復(fù)合型人才稀少[9-10]。

過去人工智能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中的投入占比較小，無法得到明顯的技術(shù)推進和深層的改動優(yōu)化。人工智能賦能農(nóng)機需要大量的資金投入和前期工作，人工智能與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域深度融合和推廣應(yīng)用仍面臨著多重挑戰(zhàn)，如農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，在農(nóng)業(yè)技術(shù)層面的應(yīng)用仍處在起步階段，研發(fā)的智能農(nóng)機還不具備適應(yīng)不同作業(yè)條件的能力，難以在現(xiàn)實農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入使用等。

要推動人工智能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深入融合與應(yīng)用，應(yīng)從基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)、科技應(yīng)用和人才隊伍建設(shè)四個方面發(fā)力。

1）加強基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。整合全球智能農(nóng)業(yè)技術(shù)資源，加強國際合作交流，建設(shè)智能農(nóng)業(yè)協(xié)同研發(fā)創(chuàng)新平臺。引進、消化國內(nèi)外智能農(nóng)業(yè)先進技術(shù)，集成創(chuàng)新一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能農(nóng)業(yè)技術(shù)。

2）突破關(guān)鍵核心技術(shù)。加快建立“信息感知、定量決策、智能控制、精準投入”的農(nóng)業(yè)智能技術(shù)體系。智能農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)包括了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)情感知技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)分析技術(shù)、基于云計算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合等。突破信息感知、決策智控、試驗檢測、精細生產(chǎn)管控等應(yīng)用基礎(chǔ)及無人化耕作、精準施肥噴藥與智能收獲裝備等關(guān)鍵共性核心技術(shù)，創(chuàng)建關(guān)鍵共性核心技術(shù)裝置與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析決策系統(tǒng)。

3）強化科技應(yīng)用開發(fā)。加快低成本、低功耗、高精度，穩(wěn)定可靠、適合農(nóng)業(yè)復(fù)雜特殊環(huán)境條件的新型人工智能控制器、感知傳感器及視覺設(shè)備的研發(fā)；開展人工智能知識處理與利用技術(shù)研究。

4）加強人才隊伍建設(shè)。將高端人才隊伍建設(shè)作為人工智能發(fā)展的重中之重，堅持培養(yǎng)和引進相結(jié)合，完善人工智能教育體系，加強人才儲備和梯隊建設(shè)，特別是要加快引進和培養(yǎng)全球頂尖人才和青年人才，形成人工智能人才高地。

5 結(jié)論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展深刻影響著國民經(jīng)濟和社會的各個領(lǐng)域。目前，智能農(nóng)機發(fā)展迅猛，人工智能賦能農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用研究進一步深入。人工智能技術(shù)在無人化耕作、智能收獲、精準施肥噴藥等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，在無人化耕作過程中實現(xiàn)直線行駛、田間掉頭、農(nóng)具自動升降等自動駕駛功能；在精準施肥噴藥過程中實時判別作物長勢，感知雜草、蟲害種類及位置，智能控制電控噴頭開關(guān)，實現(xiàn)精準施肥噴藥；在智能收獲過程中使農(nóng)機具備視覺感知能力，實時監(jiān)控感知作物倒伏、籽粒破碎、籽粒含雜和籽粒損失等狀況，在線決策實現(xiàn)對機器的智能化自動調(diào)整控制，最終實現(xiàn)機器的收獲高質(zhì)量、高效率、舒適性和智能化。與此同時，人工智能與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域深度融合和推廣應(yīng)用仍面臨著多重挑戰(zhàn)，存在資金投入需求大、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、農(nóng)機智能化水平不高等問題。基于此，課題組提出應(yīng)從基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)、科技應(yīng)用和人才隊伍建設(shè)四個方面發(fā)力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人工智能賦能農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用程度會不斷加深，農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域?qū)⑦~入智能化的嶄新時代。