人工智能“破譯”植物生長“密碼”

　　《中國信息化》雜志獨家采訪了IEEE高級會員、IEEE 計算智能（CIS）上海分會主席、教育部設(shè)施農(nóng)業(yè)網(wǎng)上合作研究中心主任、同濟大學教授徐立鴻，為大家解密人工智能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的最新研究與應(yīng)用。

　　徐立鴻介紹，同濟大學2011年建立了國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，近年來參與的兩個863項目分別是設(shè)施農(nóng)業(yè)植物工廠化生產(chǎn)低碳環(huán)境控制和溫室植物生長數(shù)字化與可視化過程再現(xiàn)。

　　設(shè)施農(nóng)業(yè)也就是人們常說的溫室技術(shù)，是一種采用人工技術(shù)手段，改變自然光、溫、濕、氣（CO2）、營養(yǎng)灌溉等條件，創(chuàng)造適宜動植物生長的理想環(huán)境，使之能夠全天候生長的設(shè)施工程。

　　“這類研究我們已經(jīng)做了20年，獲得了國家科技進步二等獎。十二五期間又繼續(xù)進行了以上兩個子項目的研究。植物的生長要依靠溫度、濕度、光照、二氧化碳、灌溉、營養(yǎng)等因素，非常復(fù)雜，我們對作物生長機理缺少深入的了解，需要研究智能算法來進行調(diào)控。”

　　要實現(xiàn)對溫室作物生長環(huán)境的智能調(diào)控，首先要充分獲取相關(guān)信息。徐立鴻老師的團隊設(shè)計了一套溫室調(diào)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采取了“4+1”的架構(gòu)。第一層是感知網(wǎng)絡(luò)或者傳感網(wǎng)絡(luò)，采集包括溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤溫度濕度、營養(yǎng)、水分等信息，同時還采用了圖像識別技術(shù)收集其他植物生長信息；第二層是現(xiàn)場控制系統(tǒng)，可以在本地進行一些簡單的調(diào)控處理。例如當現(xiàn)場控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度過高，則需要馬上打開天窗等調(diào)節(jié)手段；第三層是中心管控一體化系統(tǒng)，其核心是他們研發(fā)的國家發(fā)明專利成果“溫室環(huán)境多因子協(xié)調(diào)控制算法”，用此實現(xiàn)對整個園區(qū)各溫室植物的生長環(huán)境的優(yōu)化控制；第四層就是云服務(wù)器系統(tǒng)，匯聚來自各溫室信息，通過人工智能算法和大數(shù)據(jù)等技術(shù)對溫室植物生長和氣候環(huán)境建立模型，以代替過去的經(jīng)驗判斷。“4+1”的一是指手機等終端設(shè)備，使用戶可以在移動終端隨時了解溫室內(nèi)的情況并進行實時干預(yù)調(diào)控。

　　得益于人工智能等技術(shù)，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)可以實現(xiàn)多因子調(diào)控和節(jié)能低碳等環(huán)境調(diào)控措施。

　　溫室植物生長數(shù)字化與可視化過程的虛擬實現(xiàn)則主要依靠VR技術(shù)在計算機上模擬植物生長和調(diào)控過程，可以進行調(diào)控決策優(yōu)化。深度學習技術(shù)可以從獲取的視頻或者圖像中獲取葉片的亮度、顏色變化等信息，判斷出植物體內(nèi)氮磷鉀元素含量從而推斷其營養(yǎng)狀況指導(dǎo)灌溉控制。

　　在國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心控制實驗室，有一個建在沙盤上的可以調(diào)控的模擬溫室，它與真實溫室和計算機虛擬現(xiàn)實平臺三方聯(lián)動，聯(lián)合實驗，力求準確建立溫室作物與環(huán)境的相關(guān)模型、優(yōu)化植物生長的全過程和相關(guān)的調(diào)控技術(shù)，“破譯”植物生長“密碼”。

　　產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用即將爆發(fā)

　　荷蘭是設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品凈出口額的“世界冠軍”，設(shè)施農(nóng)業(yè)世界一流。其如此高的土地生產(chǎn)率得益于設(shè)施農(nóng)業(yè)，有數(shù)字表明溫室和大田的產(chǎn)出比為8:1。

　　要真正實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能調(diào)控與管理，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和人工智能等技術(shù)是必不可少的，尤其是在無公害蔬菜、水果等優(yōu)質(zhì)安全的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中必不可少。近年來我國的經(jīng)濟發(fā)展水平達到了一個較高階段，人們對農(nóng)產(chǎn)品的安全優(yōu)質(zhì)要求越來越高。因此，用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和人工智能等技術(shù)武裝的設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化前景較為樂觀。

　　上海是農(nóng)業(yè)部信息化試點城市，目前在推進互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的行動計劃。互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)必須結(jié)合互通，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，物聯(lián)網(wǎng)是內(nèi)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)則是外網(wǎng)，內(nèi)外網(wǎng)互通，才能真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)境友好生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)前規(guī)劃，產(chǎn)中管控，產(chǎn)后加工、存儲、物流及電子商務(wù)等多環(huán)聯(lián)動。才能實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的溯源。

　　同時，徐立鴻表示，物聯(lián)網(wǎng)獲取的是真正的客觀信息，比起需要手工錄入的信息，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的信息不能作假，更為真實，在無公害或者有機種植時更為可信。比如農(nóng)藥用量如果以人為填報為主，信息容易作假。對農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留進行抽樣檢測也是事后行為，不如對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程全程監(jiān)控，例如對土壤中有害成分、植物的病蟲害情況等進行檢測，對保證農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)更為有效。

　　徐立鴻認為，物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器是一個關(guān)鍵因素。為此，智能感知技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)。

　　人工智能是用機器模擬人的智能，其核心是智能算法。近年來由于深度學習算法的誕生，使得諸如語音識別、圖像處理等智能感知技術(shù)躍上一個新臺階。這些極大的促進了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)感知產(chǎn)品的研發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的進一步推廣。隨著智能手機的普及，手機掃碼、拍照等使得物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)更加容易獲取。再加上大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算技術(shù)可以提供遠程服務(wù)，人們對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加清晰與迫切，物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)并將持續(xù)爆發(fā)。

　　徐立鴻老師還提到仿生機器魚在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用，這項技術(shù)最早在美國應(yīng)用于水源保護和水源質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域。將仿生機器魚納入水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控管理和水質(zhì)監(jiān)測中也是其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的未來方向。

　　目前的水質(zhì)監(jiān)測主要依靠在池塘中安放固定傳感器，只能監(jiān)測固定點的水質(zhì)數(shù)據(jù)，且傳感器容易損壞，影響捕撈。攜帶水質(zhì)傳感器的機器魚可以實時獲得不同位置的三維水質(zhì)數(shù)據(jù)，這對水產(chǎn)養(yǎng)殖是非常有益的。但機器魚走向應(yīng)用還有一個過程，目前還存在運動速度、水下通訊能力、續(xù)航能力不理想等問題。

　　“雖然我國在人工智能核心算法研究領(lǐng)域還是跟跑，但國人喜歡跟風也有它積極的一面，它會反過來推動技術(shù)發(fā)展。市場化強調(diào)應(yīng)用，而應(yīng)用又反過來促進研究。另外，把現(xiàn)有的人工智能技術(shù)用好，也能提升其市場化水平。” 徐立鴻說。

　　在學習了45首披頭士的歌曲后，索尼公司的一項人工智能項目已經(jīng)可以寫出一首完全披頭士風格的歌曲。令高曉松大為感慨幸虧自己沒有生在人工智能時代。隨著人工智能的商業(yè)化應(yīng)用逐步浮出水面，人工智能在各個行業(yè)開始全面開花結(jié)果。