智能农业：“十二五”期间我国农业科技进步前

　　经过“九五”、“十五”、“十^一五”的发展，我国农业科技工作有了长足的进步。特别是在国家863计划和国家科技支撑计划的支持下，加大了高科技在现代农业中的应用，使我国在数字农业技术、精准农业技术以及农业信息化方面，均取得了瞩目的成果。最具代表性的是由中国科学院合肥智能机械研究所熊范纶、李淼、张建等牵头完成的“农业智能系统技术体系研究与平台研发及其应用”项目和由中国农业大学汪懋华院士参与完成的“精准农业关键技术研究和示范”项目，均获得了2008年度国家科技进步二等奖。前者研究的领域涉及农业信息处理范畴，也称农业信息智能化。该研究是将人工智能知识工程应用于农业领域的一项高新技术。它运用知识表示、推理、知识获取等技术总结农业专家长期积累的宝贵经验及实验数据，建立数学模型，构建了基于计算机的农业辅助决策软件系统。由于它具有智能化的分析推理、独立的知识库使用非常方便，而且声、图、文并茂指导广大农民对农作物进行合理的施肥、灌溉、施药、选种、壮苗等田间管理，为畜禽配制饲料、诊断疫情等|21。“精准农业关键技术研究和示范”项目的研究方向为现代农田“精耕细作”的技术体系，即农业工程作业体系中调控的精确化问题，借助于全球定位系统、农田遥感监测系统和农田地理信息系统对大田农业数据精确化采集和精准化调控，主要涉及检测技术和独立的农业自动化装备的研发。这些技术的应用可以有效的节约资源，提高资源利用率，提高单位产量。

　　总体来讲，以上两方面代表了我国农业科技的最新成果和进展。在我国农业工程领域发挥着各自的作用。但在实际应用中，取得效果的好坏还取决于农民的自身学识和掌握程度。就农业专家系统应用来说，农民的操作、作业形式是:有问题先问“电脑”，有了结果，需要农民亲自回到田间中实施作业。这个过程中，农业专家系统仅帮助农民解决了如何干、怎样干的问题，但干的效果取决于农民的操作精准和素质。而“精准农业”的许多设备操作也需要由农民或农业科技人员去完成。那么，可以考虑将以上这些技术集成在一起构建一个大系统，以更高的角度看农业问题，即：从农业大系统的产前、产中到产后全方位的、整体性的帮助农民解决尽可能多的问题、真正降低农民的劳动投入和参与强度，提高农业系统整体产出，并节约资源。

　　本文将农业系统看成一个闭环大系统，从控制系统角度阐述了一个新的概念:智能农业体系。并论述了智能农业体系的模型，以及基于此解决以上问题的优势。同时建议政府部门在制定“十二五”规划时，对智能农业应给予充分的重视。

　　1智能农业的内涵和系统架构

　　早期对于智能农业的雏形议论仅仅涉及了人工智能在农业中以及智能控制技术在农业温室环境控制中的应用145。也有一些涉及到系统建模等等。但整体智能农业大系统的论述很少见到。毫无疑问，要评价一个系统的智能化，势必要借鉴工业智能化评价指标，从系统“软件”和“硬件”组模型和控制1671。基于此，农业智能化也应该具备工业智能化的几个主要特征。但是，由于农业系统自身的特殊性，有时无法采用工业领域成熟的控制模型和智能控制技术所以必须规范农业智能化的定义。这里给出了智能农业要具备的两个要素：

　　①反馈控制。这里要强调的是:智能农业系统首先要有控制在里面，并且是反馈控制的，也即系统要构成闭环。反馈控制是任何一个智能控制系统的首要构件。在该体系中，从信息给定、处理、核心调控，再到信号的采集、反馈，应该形成闭环，否则称不上是智能化系统。

　　②自主控制。所谓自主控制包含两层含义：一是系统的控制核心具备自适应的调整能力。农业系统是一个非线性系统，并且系统的外在扰动和内在扰动没有规律，如果其控制核心具备自适应、自调整能力，则具备初步智能;二是系统的控制模型具备自学习和自整定能力。由于农业系统是一个边界条件模糊、建模困难的非线性系统，很难使系统向着收敛方向调控。这一点对农业系统要求比较苛刻，但这是系统智能化的一个重要标志之一。

　　基于以上观点，分别构建两个智能农业体系：狭义智能和广义智能的基本框架模型。

　　图1所示为基于狭义智能特点构建的经典智能农业体系模型。首先将农业系统看成一个大的闭环系统，其各个环节应用控制、管理、检测等手段来调控。将农业系统的产出视为系统的输出，

　　而用户的参数设定、目标优化和管理决策视为系统的给定。然后根据控制模型和能耗模型来构建控制系统的前向通道。其中应用许多智能手段，如多目标优化、智能预测、自适应调控等以及智能检测技术使系统达到智能的调控、降低农业工作者的参与和劳动强度的目的，并使产出最优化。

　　图2是基于广义智能化在大系统控制论18基础上，构建的多级递阶智能农业体系模型。在这个大系统中，分别对农业系统的产前、产中和产后的各个子系统构建各自的农业子系统，并设计成微观级别。而各个子系统均受各自的局部控制器调控，同时应用多目标优化等智能手段做系统自适应寻优。这些局部智能控制器，可以是大田节溉系统智能控制器、农作物温室环境智能控制器、施肥及病虫害处理智能控制器、传感器网络智能控制器和网上农业智能控制器等。由于农业子系统的分散性和边界的模糊性，分别设定各自的控制参数进行闭环智能调控。同时，处于该系统宏观级的协调器通过观测递阶和递阶信息流，借助于Interne将智能决策全局优化作为给定去约束各个局部控制器，从而达到整体系统的智能能、运筹学、先进的自动控制技术、检测技术等都要综合的运用到系统的各个环节中。另外，在农业子系统中恰当的引入传感网和物联网技术也是智能农业的一个显著标志。目前农业工程中多种应用于大田数据釆集的传感器，无论是有线的还是无线的，均要通过底层的传感网进行数据交换。因此各种现代化、智能化农业机具和作业设备。

   2发展智能农业的预期效益

   基于以上分析，发展智能农业是将农业视为一个可控的整体来看待，是解决农业大系统的问题。既包括广义上的农业信息处理、农业专家智能决策系统，又包括自动控制系统、智能控制算法、机电一体化设备、检测技术与传感器网络、物联网络等等。所以，在我国大力发展智能农业，就是要在大系统控制背景下做大系统集成，预期效益有以下几方面：

　　①提高农业的整体产出和效益。智能农业把农业系统看成一个闭环的大系统，虽然有很多限制条件和不确定的制约因素，但在构建的整体系统框架下，可以有效的应用人工智能技术、运筹学技术、自动控制技术的三方融合技术进行智能系统设计和系统全局最优化调控，比如全局多目标动态优化与自适应寻优、基于约束条件的大系统最优控制等，从而增加农业系统的整体效益以及节能减排。

　　②有效地整合和管理各个农业子系统。在资源约束和经济效益最大化约束条件下，统筹管理整个农业体系，从而可避免顾此失彼的分散管理模式，做到集约管理和经营，为国家的农业宏观规划和管理打下基础。

　　③促进我国农业科技水平的整体提升，解放劳动力，带动农民致富。智能控制可以极大地减轻劳动者负担，以尽可能少的人力、财力投入来降低操作误差，提高系统效能和产出。农业智能化本身的科技含量很高，将会大大改进我国农业科技水平，促使农业技术发展进步，真正在“软件系统”和“硬件系统”两方面实现现代化。

　　④降低重复性科研投入。智能农业讲究按照一个整体来研究农业事情，是将农业体系拆分但又综合、协调的统一整体系统，科研成果的研发和推广按照这个整体进行任务分配，就像研发一个航天太空船一样，设立同一目标，分部门协同攻关，在构建的智能农业大系统下，整合资源，共同努力，可以减少各自为政的科研投入，大大节省开支，减少重复劳动。

　　此外，加大智能农业的投入还可以带动相关产业进步和发展，对于扩大内需、拉动经济有促进作用。智能农业体系不是简单的软件问题，而是控制系统问题，更是技术集成问题。其中要用到各种高科技设备和装置，特别是当今热门的农业机器人技术、传感网技术和物联网技术等。进而会带动相关设备制造业、机械加工业、计算机和通讯业、电子技术产品和检测传感器领域、网络产品、自动控制产品和生产线制造业等行业的发展，同时对运输业、仓储业和建筑业等均有提升作用。

　　3结论

　　国家在制定“十二五”发展规划时，对于农业的投入应该有一个立足点并具备前瞻性。鉴于智能农业的特点和发展潜力，建议将重点放在这一方面。就像智能农业的含义一样，这种投入不仅仅是农业信息化的软件投入，还要增加调控设备、检测设备、控制网络、通讯设备等系统硬件的投入。我国农业信息化经过十多年的发展，已初步具备发展智能农业系统的“软件”基础，为发展智能农业打下了一个良好的开端。发展智能农业应该是一种与时俱进的观念，是转变和促进我国农业科技的进步手段之一。