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    智慧農業的基本概念與核心邏輯

    2022-01-21 10:32 智慧農業物聯網

    導讀:智慧農業是新一代信息技術與農業決策、生產、流通交易等深度融合的新型農業生產模式與綜合解決方案,通過對人、機、物等的全面連接。

      智慧農業是新一代信息技術與農業決策、生產、流通交易等深度融合的新型農業生產模式與綜合解決方案,通過對人、機、物等的全面連接,一方面對農業生產進行全流程跟蹤式監測、管理,以數據驅動技術流、資金流、人才流、物資流,實現更為高端化、智能化、綠色化的農業產品的種、管、采收、儲存、加工等。

      1、智慧農業的基本概念

      智慧農業是新一代信息技術與農業決策、生產、流通交易等深度融合的新型農業生產模式與綜合解決方案(詳見圖1),通過對人、機、物等的全面連接,一方面對農業生產進行全流程跟蹤式監測、管理,以數據驅動技術流、資金流、人才流、物資流,實現更為高端化、智能化、綠色化的農業產品的種、管、采收、儲存、加工等;另一方面打通供需連接渠道,打造快速、高效、精準的農業產銷生態系統,重塑農業與消費者之間雙向互動關系,構建起覆蓋農業全產業鏈、全價值鏈的全新生產和服務體系。

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      智慧農業不是新一代信息技術在農業的簡單應用,而是具有更為豐富的內涵和外延,它既是農業數字化、網絡化、智能化轉型的具象化、系統化呈現,同時也是一種新業態、新產業,將重塑生產形態、供應鏈和產業鏈,在推動農業提質、增效、降本、綠色、安全發展等方面蘊含著巨大潛力。

      2.核心邏輯:數字孿生與定制化生產

      智慧農業是農業產業數字化的具體形態。數字化發展是以新一代信息技術(NextGenerationICT)1的研發應用為基礎支撐,以實現產業全流程數字化、網絡化、智能化為目的的技術范式革新2。數字化發展需要具備一個由硬件與軟件所共同構筑的,集“感知、傳輸、計算、存儲、應用”等為一體的“閉環”。通過“閉環”的不斷迭代與升級,產業發展逐步數字孿生(DigitalTwin),以及定制化生產邁進。

      (1)控制論、閉環、反饋與智慧農業

      1948年諾伯特·維納(NorbertWiener)的代表性著作《控制論》出版,成為一個時代開啟的標志。維納將這本書的副標題取為“關于在動物和機器中控制與通信的科學”,指出無論是機器還是動物,一切能夠適應周圍環境變化,具備自主決策能力的“智能”系統都包含有信息提取、信息傳輸、信息處理、信息存儲和信息利用等環節,而閉環和反饋在整個系統中占據基礎性地位(所謂的“智能”行為不過是這套機制運作的外在表現)??刂普撘愿叨瘸橄蟮姆绞浇沂玖税ㄉ?、機器、經濟社會等在內的一切簡單或復雜系統在面對不斷變化的周邊環境與不確定性時自主運行的本質規律。

      在新一代信息技術大范圍普及的今天,信息的主要表現形式與承載主體就是存儲在各類電子計算機中的二進制數據。實現有效控制的前提——對信息的有效組織,本質上就是對承載信息的數據進行采集、傳輸、分析與利用。在數據大量增長、數據來源和種類多樣化、數據快速生成、數據質量有待提升、數據價值密度不高的時代背景下,解決好“數據從物理世界中來,到物理世界去”的問題是實現“智能”的關鍵。無論是一臺智能農機,還是一間智能大棚,或是一個智能農場,構建有效的信息流,消除不確定性,快速做出最優決策的重點都是打造一個完整的數據閉環。

      完整、準確的數據采集是閉環的起點。對于一個系統而言,其所處的外部環境復雜多變,自身運行狀態也會時刻改變,如果不能夠及時、準確地掌握外部環境情況和內部運行狀態,就難以提取出有效信息,減小不確定性。目前能夠采集溫度、濕度、氣壓等多物理量的傳感器已開始廣泛應用,讓系統獲取的數據量更大、質更優。

      網絡為數據在閉環中流動提供管道。智能行為實現的前提是構建閉環,實現反饋控制,需要系統中各個部分相互連接、相互溝通、相互交流。與動物的神經系統相似,網絡為數據采集交互、分析處理和反饋執行聯通可靠通道,是“大閉環”各部分連接的紐帶。5G等新一代網絡技術是系統內各部分互聯互通和無縫集成的關鍵技術支撐。

      科學、準確的數據分析是閉環核心。一個系統要實現基于數據閉環和反饋控制的智能行為,除了充分感知周圍環境和自身狀態以外,還需要對提取的信息進行分析和處理。對數據進行加工、分析和處理,為智能行為的實現提供決策依據。人工智能等技術的快速發展為實現更高層次的智能決策開辟了新路徑。

      精準、高效的執行是閉環的終點。系統的智能行為最終體現為一系列動作及其產生的積極效果。執行是在數據采集、傳輸、分析的基礎上發出指令,做出行為,產生效果。

      數字孿生是基于上述理論的高層次實踐,其依托知識機理、仿真技術為物理實體在虛擬空間創建數字孿生體或者應用場景,模擬、反映物理世界的狀態和行為?;诙嗑S度的實時數據、歷史數據,預測物理個體(系統)的未來狀態,以實現物理上的組織性加強、精準性提升和不確定性緩解(盧陽光,2020;殷浩棟等,2020)。由于數字孿生在產品開發、監督和驗證及應對突發情況等方面的顯著成效,數字孿生逐漸在牲畜家禽養殖、作物種植、智能農場管理等農業領域得到了推廣與應用。

      智慧農業之所以能實現精準、高效、低碳的發展目標,就是將傳統農業“靠天靠地靠簡單勞動投入”的落后生產模式轉變為“可感知、可控制、可預測”智能化生產模式。智慧農業根據各種類型的生產模型、系統規則與數據集合對農業知識進行數字固化,通過在虛擬空間建構物理對象(動植物、運動軌跡)的實時、精準數字化映射,面向增產、提質等應用需求,展開分析量化的預測和決策反饋,實現農業生產全流程的優化。正因如此,智慧農業需要系統化、全局性的發展方案,任何單一種類和單一環節的技術缺失都無法促成農業數字化轉型。任何一個節點存在未連接的問題,整個閉環的數據感知、采集、傳輸和處理將難以有效實現,整個系統就難以實現“智能”運行。

      (2)服務化延伸:智慧農業的增收邏輯

      智慧農業可以通過對農業產業的服務化延伸實現增收增效,這源于新一代信息技術的三次產業融合拓展了農業的多功能性。新一代信息技術能夠創新服務供給內容、改變服務供給方式(江小涓、羅立彬,2019)。在傳統“人對人”“點對點”的生產過程當中,勞動力是主要的供給要素,難以引入新的技術和設備,缺乏規模經濟。勞動生產率不僅長期保持不變(江小涓,2017),也很難對于其他產業產生技術的外溢效應。一些新興、小眾的服務由于相對高昂的獲客成本和低頻次的需求而難以存活。傳統農業具有這個特點,內卷化現象較為常見,沒有發揮出多元價值。

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      新一代信息技術與產業的融合使得產業發展愈發表現出顯著的差異化、服務化和敏捷化。不同于一般意義上的效率提升,智慧農業在服務化方面的影響包括依托新一代信息技術的農業產業鏈的延伸、農耕文明傳承、山水田園生活意境表達等。一方面通過更多樣化的連接形式,重塑生產者與消費者之間的關系,不僅包括物質生產、實物銷售,還有內容體驗與服務享受等。智慧農業通過訂單式作業、云上參與、視頻直播等方式,讓農業生產憑借“原生態”“定制化”“生活化”的標簽,變現自然景觀、文化價值、勞動凝聚等。另一方面新一代信息技術以更為低成本的數字化方式,消除物理隔閡、打通連接渠道,幫助以往難以單獨存活的小眾供需實現“線上規?;?,有效的將“長尾供需”轉變為可以盈利獲益的“大市場”。尤其是,中國是一個具有超大規模統一市場的國家,消費者眾多、小眾消費規模龐大,能夠支持多種新模式新業態的發展壯大。如新一代信息技術能夠幫助城市消費者以更便捷的方式參與耕種飼養,還能通過認養、認種的方式為農產品溢價買單。

      本文節選自:中國信息通信研究院政策與經濟研究所與中國人民大學智慧農業與數字鄉村發展研究中心聯合發布的《中國智慧農業發展研究報告——新一代信息技術助力鄉村振興》


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