十二五期間我國農業(yè)科技進(jìn)步前論文
經(jīng)過(guò)“九五”、“十五”、“十^一五”的發(fā)展，我國農業(yè)科技工作有了長(cháng)足的進(jìn)步。特別是在國家863計劃和國家科技支撐計劃的支持下，加大了高科技在現代農業(yè)中的應用，使我國在數字農業(yè)技術(shù)、精準農業(yè)技術(shù)以及農業(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科學(xué)院合肥智能機械研究所熊范綸、李淼、張建等牽頭完成的“農業(yè)智能系統技術(shù)體系研究與平臺研發(fā)及其應用”項目和由中國農業(yè)大學(xué)汪懋華院士參與完成的“精準農業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究和示范”項目，均獲得了2008年度國家科技進(jìn)步二等獎。前者研究的領(lǐng)域涉及農業(yè)信息處理范疇，也稱(chēng)農業(yè)信息智能化。該研究是將人工智能知識工程應用于農業(yè)領(lǐng)域的一項高新技術(shù)。它運用知識表示、推理、知識獲取等技術(shù)總結農業(yè)專(zhuān)家長(cháng)期積累的寶貴經(jīng)驗及實(shí)驗數據，建立數學(xué)模型，構建了基于計算機的農業(yè)輔助決策軟件系統。由于它具有智能化的分析推理、獨立的知識庫使用非常方便，而且聲、圖、文并茂指導廣大農民對農作物進(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。“精準農業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究和示范”項目的研究方向為現代農田“精耕細作”的技術(shù)體系，即農業(yè)工程作業(yè)體系中調控的精確化問(wèn)題，借助于全球定位系統、農田遙感監測系統和農田地理信息系統對大田農業(yè)數據精確化采集和精準化調控，主要涉及檢測技術(shù)和獨立的農業(yè)自動(dòng)化裝備的研發(fā)。這些技術(shù)的應用可以有效的節約資源，提高資源利用率，提高單位產(chǎn)量。
總體來(lái)講，以上兩方面代表了我國農業(yè)科技的最新成果和進(jìn)展。在我國農業(yè)工程領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)各自的作用。但在實(shí)際應用中，取得效果的好壞還取決于農民的自身學(xué)識和掌握程度。就農業(yè)專(zhuān)家系統應用來(lái)說(shuō)，農民的操作、作業(yè)形式是:有問(wèn)題先問(wèn)“電腦”，有了結果，需要農民親自回到田間中實(shí)施作業(yè)。這個(gè)過(guò)程中，農業(yè)專(zhuān)家系統僅幫助農民解決了如何干、怎樣干的問(wèn)題，但干的效果取決于農民的操作精準和素質(zhì)。而“精準農業(yè)”的許多設備操作也需要由農民或農業(yè)科技人員去完成。那么，可以考慮將以上這些技術(shù)集成在一起構建一個(gè)大系統，以更高的角度看農業(yè)問(wèn)題，即：從農業(yè)大系統的產(chǎn)前、產(chǎn)中到產(chǎn)后全方位的、整體性的幫助農民解決盡可能多的問(wèn)題、真正降低農民的勞動(dòng)投入和參與強度，提高農業(yè)系統整體產(chǎn)出，并節約資源。
本文將農業(yè)系統看成一個(gè)閉環(huán)大系統，從控制系統角度闡述了一個(gè)新的概念:智能農業(yè)體系。并論述了智能農業(yè)體系的模型，以及基于此解決以上問(wèn)題的優(yōu)勢。同時(shí)建議政府部門(mén)在制定“十二五”規劃時(shí)，對智能農業(yè)應給予充分的重視。
1智能農業(yè)的內涵和系統架構
早期對于智能農業(yè)的雛形議論僅僅涉及了人工智能在農業(yè)中以及智能控制技術(shù)在農業(yè)溫室環(huán)境控制中的應用145。也有一些涉及到系統建模等等。但整體智能農業(yè)大系統的論述很少見(jiàn)到。毫無(wú)疑問(wèn)，要評價(jià)一個(gè)系統的智能化，勢必要借鑒工業(yè)智能化評價(jià)指標，從系統“軟件”和“硬件”組模型和控制1671。基于此，農業(yè)智能化也應該具備工業(yè)智能化的幾個(gè)主要特征。但是，由于農業(yè)系統自身的特殊性，有時(shí)無(wú)法采用工業(yè)領(lǐng)域成熟的控制模型和智能控制技術(shù)所以必須規范農業(yè)智能化的定義。這里給出了智能農業(yè)要具備的兩個(gè)要素：
①反饋控制。這里要強調的是:智能農業(yè)系統首先要有控制在里面，并且是反饋控制的，也即系統要構成閉環(huán)。反饋控制是任何一個(gè)智能控制系統的首要構件。在該體系中，從信息給定、處理、核心調控，再到信號的采集、反饋，應該形成閉環(huán)，否則稱(chēng)不上是智能化系統。
②自主控制。所謂自主控制包含兩層含義：一是系統的控制核心具備自適應的調整能力。農業(yè)系統是一個(gè)非線(xiàn)性系統，并且系統的外在擾動(dòng)和內在擾動(dòng)沒(méi)有規律，如果其控制核心具備自適應、自調整能力，則具備初步智能;二是系統的控制模型具備自學(xué)習和自整定能力。由于農業(yè)系統是一個(gè)邊界條件模糊、建模困難的非線(xiàn)性系統，很難使系統向著(zhù)收斂方向調控。這一點(diǎn)對農業(yè)系統要求比較苛刻，但這是系統智能化的一個(gè)重要標志之一。
基于以上觀(guān)點(diǎn)，分別構建兩個(gè)智能農業(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)構建的經(jīng)典智能農業(yè)體系模型。首先將農業(yè)系統看成一個(gè)大的閉環(huán)系統，其各個(gè)環(huán)節應用控制、管理、檢測等手段來(lái)調控。將農業(yè)系統的產(chǎn)出視為系統的輸出，
而用戶(hù)的參數設定、目標優(yōu)化和管理決策視為系統的給定。然后根據控制模型和能耗模型來(lái)構建控制系統的前向通道。其中應用許多智能手段，如多目標優(yōu)化、智能預測、自適應調控等以及智能檢測技術(shù)使系統達到智能的調控、降低農業(yè)工作者的參與和勞動(dòng)強度的.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控制論18基礎上，構建的多級遞階智能農業(yè)體系模型。在這個(gè)大系統中，分別對農業(yè)系統的產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后的各個(gè)子系統構建各自的農業(yè)子系統，并設計成微觀(guān)級別。而各個(gè)子系統均受各自的局部控制器調控，同時(shí)應用多目標優(yōu)化等智能手段做系統自適應尋優(yōu)。這些局部智能控制器，可以是大田節溉系統智能控制器、農作物溫室環(huán)境智能控制器、施肥及病蟲(chóng)害處理智能控制器、傳感器網(wǎng)絡(luò )智能控制器和網(wǎng)上農業(yè)智能控制器等。由于農業(yè)子系統的分散性和邊界的模糊性，分別設定各自的控制參數進(jìn)行閉環(huán)智能調控。同時(shí)，處于該系統宏觀(guān)級的協(xié)調器通過(guò)觀(guān)測遞階和遞階信息流，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，從而達到整體系統的智能能、運籌學(xué)、先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、檢測技術(shù)等都要綜合的運用到系統的各個(gè)環(huán)節中。另外，在農業(yè)子系統中恰當的引入傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是智能農業(yè)的一個(gè)顯著(zhù)標志。目前農業(yè)工程中多種應用于大田數據釆集的傳感器，無(wú)論是有線(xiàn)的還是無(wú)線(xiàn)的，均要通過(guò)底層的傳感網(wǎng)進(jìn)行數據交換。因此各種現代化、智能化農業(yè)機具和作業(yè)設備。
2發(fā)展智能農業(yè)的預期效益
基于以上分析，發(fā)展智能農業(yè)是將農業(yè)視為一個(gè)可控的整體來(lái)看待，是解決農業(yè)大系統的問(wèn)題。既包括廣義上的農業(yè)信息處理、農業(yè)專(zhuān)家智能決策系統，又包括自動(dòng)控制系統、智能控制算法、機電一體化設備、檢測技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò )、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )等等。所以，在我國大力發(fā)展智能農業(yè)，就是要在大系統控制背景下做大系統集成，預期效益有以下幾方面：
①提高農業(yè)的整體產(chǎn)出和效益。智能農業(yè)把農業(yè)系統看成一個(gè)閉環(huán)的大系統，雖然有很多限制條件和不確定的制約因素，但在構建的整體系統框架下，可以有效的應用人工智能技術(shù)、運籌學(xué)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的三方融合技術(shù)進(jìn)行智能系統設計和系統全局最優(yōu)化調控，比如全局多目標動(dòng)態(tài)優(yōu)化與自適應尋優(yōu)、基于約束條件的大系統最優(yōu)控制等，從而增加農業(yè)系統的整體效益以及節能減排。
②有效地整合和管理各個(gè)農業(yè)子系統。在資源約束和經(jīng)濟效益最大化約束條件下，統籌管理整個(gè)農業(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)，為國家的農業(yè)宏觀(guān)規劃和管理打下基礎。
③促進(jìn)我國農業(yè)科技水平的整體提升，解放勞動(dòng)力，帶動(dòng)農民致富。智能控制可以極大地減輕勞動(dòng)者負擔，以盡可能少的人力、財力投入來(lái)降低操作誤差，提高系統效能和產(chǎn)出。農業(yè)智能化本身的科技含量很高，將會(huì )大大改進(jìn)我國農業(yè)科技水平，促使農業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，真正在“軟件系統”和“硬件系統”兩方面實(shí)現現代化。
④降低重復性科研投入。智能農業(yè)講究按照一個(gè)整體來(lái)研究農業(yè)事情，是將農業(yè)體系拆分但又綜合、協(xié)調的統一整體系統，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，設立同一目標，分部門(mén)協(xié)同攻關(guān)，在構建的智能農業(yè)大系統下，整合資源，共同努力，可以減少各自為政的科研投入，大大節省開(kāi)支，減少重復勞動(dòng)。
此外，加大智能農業(yè)的投入還可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和發(fā)展，對于擴大內需、拉動(dòng)經(jīng)濟有促進(jìn)作用。智能農業(yè)體系不是簡(jiǎn)單的軟件問(wèn)題，而是控制系統問(wèn)題，更是技術(shù)集成問(wèn)題。其中要用到各種高科技設備和裝置，特別是當今熱門(mén)的農業(yè)機器人技術(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)設備制造業(yè)、機械加工業(yè)、計算機和通訊業(yè)、電子技術(shù)產(chǎn)品和檢測傳感器領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品、自動(dòng)控制產(chǎn)品和生產(chǎn)線(xiàn)制造業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對運輸業(yè)、倉儲業(yè)和建筑業(yè)等均有提升作用。
3結論
國家在制定“十二五”發(fā)展規劃時(shí)，對于農業(yè)的投入應該有一個(gè)立足點(diǎn)并具備前瞻性。鑒于智能農業(yè)的特點(diǎn)和發(fā)展潛力，建議將重點(diǎn)放在這一方面。就像智能農業(yè)的含義一樣，這種投入不僅僅是農業(yè)信息化的軟件投入，還要增加調控設備、檢測設備、控制網(wǎng)絡(luò )、通訊設備等系統硬件的投入。我國農業(yè)信息化經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已初步具備發(fā)展智能農業(yè)系統的“軟件”基礎，為發(fā)展智能農業(yè)打下了一個(gè)良好的開(kāi)端。發(fā)展智能農業(yè)應該是一種與時(shí)俱進(jìn)的觀(guān)念，是轉變和促進(jìn)我國農業(yè)科技的進(jìn)步手段之一。
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