AI草莓種植大賽冠軍：讓“無人農(nóng)場”從實(shí)驗(yàn)室走向田間地頭

在嫦娥五號登月的過程中，登月地點(diǎn)是由人工智能自主決策的，AI就像一個經(jīng)驗(yàn)豐富的“宇航員”，邊走邊找，最終找到合適的著陸地點(diǎn)。如今，草莓種植也引入了人工智能技術(shù)。在云南昆明的玻璃溫室內(nèi)，AI就像一位“老師傅”，能夠精準(zhǔn)控制水肥灌溉系統(tǒng)，照顧一排排的草莓苗。

AI種草莓背后，中國優(yōu)秀的AI科學(xué)家正在將科幻小說中的“無人農(nóng)場”搬到現(xiàn)實(shí)。

林森是國家農(nóng)業(yè)智能裝備工作技術(shù)研究中心的博士生，鄭建峰是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生。他們共同參與了聯(lián)合國糧農(nóng)組織指導(dǎo)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和拼多多舉辦的首屆“多多農(nóng)研科技大賽”。

12月16日，他們組建的CyberFarmer·HortiGraph聯(lián)隊，經(jīng)過多輪激烈角逐之后，最終獲得多多農(nóng)研科技大賽的AI組冠軍，成為數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新星。

▲CyberFarmer·HortiGraph聯(lián)隊獲得多多農(nóng)研科技大賽的冠軍，右二為林森、右三為鄭建峰。（攝影：龍遇春）

在初賽階段，鄭建峰和林森各自率領(lǐng)的隊伍本來是對手，因?yàn)槌煽儾⒘械谒拿瑑申牶喜⒒旖M。兩隊風(fēng)格相近，都屬于“學(xué)院派”，隊內(nèi)成員分別來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、比利時根特大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程研究中心。

他們之前的隊名分別為“CyberFarmer”和“HortiGraph”。前者意為 “網(wǎng)絡(luò)農(nóng)民”，后者意為“園藝圖譜”。這批青年學(xué)者都想用科技做一些更酷的事情，極客、理性是這兩支團(tuán)隊的特點(diǎn)。落腳到比賽上，HortiGraph的技術(shù)優(yōu)勢是人工智能，CyberFarmer隊的技術(shù)優(yōu)勢是草莓管理和草莓模型。

決賽階段，“CyberFarmer． HortiGraph聯(lián)隊”是合并后的隊名，他們的對手除了3支AI隊，還引入了來自遼寧丹東、江蘇鎮(zhèn)江、安徽長豐的草莓種植高手。在這場人工智能和傳統(tǒng)農(nóng)人的較量中，他們使用9種算法，把人工智能技術(shù)、專家經(jīng)驗(yàn)、模型系統(tǒng)進(jìn)行融合，讓種草莓也變成了一樁年輕人眼中性感的工作。

在工業(yè)奏鳴曲中做持續(xù)奔跑的科研人

“板凳要坐十年冷，文章不寫半句空”，林森在求學(xué)階段，把這句話寫在了他的筆記本扉頁上。

在求學(xué)生涯中，林森認(rèn)為自己并不是一個出色拔尖的優(yōu)等生，只是一個在學(xué)術(shù)道路上不斷堅持的人。本科畢業(yè)后，林森跟大多數(shù)同學(xué)一樣，進(jìn)入一家電子企業(yè)，成為一名工程師。宿舍、工區(qū)，2300米的距離，兩點(diǎn)一線的生活，伴隨檢測、調(diào)試相關(guān)的單調(diào)工作，很快消磨了林森的激情。

“雖然當(dāng)時的收入已經(jīng)很不錯了，但企業(yè)里的隱性壁壘很多，而且因?yàn)槭峭赓Y企業(yè)，本土的工程師會被排斥。”林森說。

重拾學(xué)術(shù)夢，辭職考研成為他的選擇。2009年林森成功考入重慶大學(xué)攻讀碩士，3年后，他進(jìn)入中國科學(xué)院高能物理研究所，2016年林森通過人才引進(jìn)，來到北京市農(nóng)林科學(xué)院專攻農(nóng)業(yè)智能裝備研究，2019年，林森攻讀沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)專業(yè)博士。

▲CyberFarmer·HortiGraph的隊員林森（左一）、楊浩（左二）、王英利（左三），正在與大賽技術(shù)專家溝通調(diào)試環(huán)境控制設(shè)施。（攝影：穆功）

一晃11年的時間，林森依然保留著當(dāng)年考研期間的筆記。

企業(yè)的經(jīng)歷并非一無是處。在林森看來，科研一定要隨時做好走出實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)備。特別是農(nóng)業(yè)科研，價值成就于廣袤的田間地頭。

在近幾年的科研生涯中，林森和他的科研同伴們，構(gòu)建了一個農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)園區(qū)巡檢機(jī)器人、采摘機(jī)器人、路軌兩用自主導(dǎo)航運(yùn)輸機(jī)器人、無人噴藥機(jī)器人、智慧管控語音服務(wù)機(jī)器人、授粉機(jī)器人和機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)。負(fù)責(zé)運(yùn)輸、打藥、授粉、巡檢等工作。

鄭建峰的團(tuán)隊主要來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，在科研道路上，鄭建峰和林森的感受一樣，“科研成果要經(jīng)得起推敲和實(shí)踐?！?/p>

▲CyberFarmer·HortiGraph的隊員鄭建峰（右一）正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（攝影：穆功）

在工業(yè)實(shí)踐中做持續(xù)奔跑的科研人，是他們兩個科研團(tuán)隊的共同想法。此次比賽，林森和鄭建峰的團(tuán)隊希望在和其他隊伍的切磋中，探索一套能夠提高生產(chǎn)效益的數(shù)字化草莓種植方案，并且形成可復(fù)制、可推廣的模式。

鄭建峰說：“我希望我們在比賽中實(shí)踐的技術(shù)能夠形成產(chǎn)品，這樣的技術(shù)產(chǎn)品能幫小農(nóng)戶提高生產(chǎn)效率，能給小農(nóng)戶帶來真金白銀，讓他們從中受益?！?/p>

 “人機(jī)共舞”的新模式

《機(jī)器管家》是美國導(dǎo)演克里斯·哥倫布執(zhí)導(dǎo)的科幻片，片中的機(jī)器人管家誕生了好奇心，在藝術(shù)創(chuàng)作上顯示了非凡的創(chuàng)造力，并且具有了“人性”。這種機(jī)器演化為人的故事，其實(shí)并不是真實(shí)的人工智能。

林森認(rèn)為，“當(dāng)前的人工智能是以知識、算法和算力為代表的弱人工智能，人工智能的更高形式應(yīng)該是知識、數(shù)據(jù)、算法和算力等要素構(gòu)建的更強(qiáng)大的人工智能。當(dāng)下農(nóng)業(yè)發(fā)展情況應(yīng)該是人機(jī)協(xié)同作業(yè)的局面，決策系統(tǒng)由專家經(jīng)驗(yàn)與人工智能結(jié)合，通過托管式的管控方式，最終形成‘人機(jī)共舞’的新模式?！?/p>

林森和他的團(tuán)隊構(gòu)建了一套專家經(jīng)驗(yàn)與人工智能結(jié)合的智慧決策系統(tǒng)。

▲7月22日，在多多農(nóng)研科技大賽的媒體開放日上，林森介紹團(tuán)隊研發(fā)的智慧決策系統(tǒng)（攝影：穆功）

在這套系統(tǒng)中，他們團(tuán)隊首先將種植者經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境數(shù)據(jù)和草莓圖像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立標(biāo)準(zhǔn)化的作物種植知識結(jié)構(gòu)，構(gòu)建智慧決策知識圖譜。第二步，知識圖譜的決策結(jié)果會輸出到模型系統(tǒng)進(jìn)行溫室的控制，第三步，溫室內(nèi)的傳感器會反饋環(huán)境參數(shù)和作物生長情況，這些數(shù)據(jù)會反饋回知識圖譜，知識圖譜會決定是否修正。

簡言之，就是翻譯、學(xué)習(xí)，翻譯的過程就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的過程，先把草莓種植的所有要素“翻譯”成計算機(jī)看得懂的數(shù)據(jù)，再把過往的人工種植經(jīng)驗(yàn)教給AI，讓AI進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后由AI對生產(chǎn)進(jìn)行決策。

在這個過程中，玻璃溫室里的各項傳感器就像人工智能的眼睛，通過它們，草莓的生長過程被完整記錄。溫度、土壤、水、養(yǎng)分成為了可以看得見的數(shù)據(jù)，有了數(shù)據(jù)，人工智能就把草莓種植轉(zhuǎn)化為一場關(guān)于選擇和決策的數(shù)學(xué)游戲。

▲CyberFarmer·HortiGraph在AI溫室內(nèi)加裝的攝像頭，通過圖像識別算法來智能偵測草莓的生長狀態(tài)。（攝影：穆功）

團(tuán)隊成員龍潔花說：“我們主要是采用機(jī)器視覺、知識圖譜以及模型相結(jié)合的方法構(gòu)建一個標(biāo)準(zhǔn)化的草莓種植知識結(jié)構(gòu)?！?/p>

團(tuán)隊成員張宇介紹，決策當(dāng)中數(shù)據(jù)和專家的標(biāo)準(zhǔn)化、知識化是最重要的，可解釋的知識越多，這套方法和決策越精準(zhǔn)?！氨热缯f阿爾法狗，這是機(jī)器和人結(jié)合的決策，我們也是一樣的道理，我們首先把種植方法標(biāo)準(zhǔn)化，在這個框架下將經(jīng)驗(yàn)填進(jìn)來，相當(dāng)于填了圖譜，填的越多越精準(zhǔn)，這是我們總體思路?！?/p>

在草莓模型的搭建方面，鄭建峰介紹，種植戰(zhàn)略采用與植物對話的智能環(huán)控技術(shù)（SPA技術(shù)），以小時為單位計算參考作物的能耗，然后調(diào)整水肥灌溉量?！熬秃孟裾埩艘晃徊葺N植的老師傅”。 

這一系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，一旦傳感器出現(xiàn)問題，那么人工智能的所有干預(yù)就會失效，甚至?xí)霈F(xiàn)燒苗、死苗的情況?！癈yberFarmer· HortiGraph聯(lián)隊”就遇到了這個情況。

在比賽過程中，水質(zhì)檢測和處理水的裝置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致水質(zhì)的pH值出現(xiàn)波動，這直接導(dǎo)致草莓的生長不及預(yù)期?！爱?dāng)時我們打了一天的電話會，因?yàn)椴辉诂F(xiàn)場的話，是沒辦法知道哪個裝置出現(xiàn)問題，所以我們當(dāng)時一方面聯(lián)系溫室進(jìn)行檢查，另一方面挨個調(diào)試我們的裝置。”林森說。

文朝武說：“這件事情發(fā)生后，我們會定期對傳感器進(jìn)行調(diào)試檢查，同時和在昆明當(dāng)?shù)氐膶＜壹訌?qiáng)聯(lián)系，不再僅僅依靠AI?！?/p>

林森認(rèn)為，長遠(yuǎn)來看，未來人工智能技術(shù)會逐漸在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)替代人的工作，這需要一個過程，短時間內(nèi)農(nóng)業(yè)種植過程仍然需要人的大量參與，呈現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)的局面。

“無人化”溫室的未來

錢學(xué)森曾對農(nóng)業(yè)發(fā)展提出建議，他認(rèn)為：“在中國小農(nóng)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)之上，不可能自發(fā)地走向農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化；中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的根本動力在于科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和整個中國的現(xiàn)代化進(jìn)程?！?/p>

林森最喜歡的運(yùn)動是爬山，在他看來，科研就是爬山，突破技術(shù)阻礙是到達(dá)山頂，看到新的山峰，要想登上新的山峰，需要先下山。這個下山就是技術(shù)商業(yè)化。

好的AI一定可以在田間地頭幫到農(nóng)民。前端技術(shù)進(jìn)步的一小步，有可能會重塑從生產(chǎn)到流通的全產(chǎn)業(yè)鏈條，從而為農(nóng)產(chǎn)品帶來更多的附加值，為規(guī)模龐大的農(nóng)業(yè)種植者們帶來更多收入。

為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)商用，林森團(tuán)隊正在開發(fā)的托管式可視化溫室智慧管控云服務(wù)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)種植過程中水肥托管、環(huán)境管控托管、機(jī)器人托管、設(shè)備托管等。

▲在各類算法的支持下，比賽基地內(nèi)的草莓實(shí)現(xiàn)了無人化種植。（攝影：穆功）

在此次比賽后，他們希望建立一套可推廣、可復(fù)制的草莓自動化生產(chǎn)方式，進(jìn)一步構(gòu)建人工智能的作物生產(chǎn)模式，在若干年內(nèi)，“少人化”、“無人化”溫室能夠逐步推廣。

在他們的構(gòu)想中，“無人化”溫室并不是完全沒有人干預(yù)，它依然依賴人工智能和人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的決策。林森說：“因?yàn)槿斯ぶ悄苓€不能解決溫室管理過程中的全部問題，將人工和人工智能相結(jié)合以后，作用會強(qiáng)大很多。像阿爾法狗，它之所以能打敗人類就是棋譜和算法的結(jié)合，這里我們每個專家的經(jīng)驗(yàn)就相當(dāng)于一個棋譜，農(nóng)業(yè)人工智能也需要和種植專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合?！?/p>

在采摘和托管環(huán)節(jié)，視頻監(jiān)控、采摘機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、自動化水肥設(shè)備、智能溫室設(shè)備等等將發(fā)揮更大作用，節(jié)約大量人力。

此次比賽的成果已經(jīng)在著手進(jìn)行商業(yè)轉(zhuǎn)化，也吸引著更多年輕科研學(xué)者入場。

林森表示：“我們會建立一個標(biāo)準(zhǔn)草莓知識庫，將種植草莓的過程中標(biāo)準(zhǔn)化、草莓方式標(biāo)準(zhǔn)化，包括草莓因素之間關(guān)系數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，我們將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化成知識，讓計算機(jī)讀懂知識，這是最重要的，已經(jīng)做了。”

王少磊負(fù)責(zé)本次比賽云端管控系統(tǒng)的運(yùn)行，王少磊說：“只需要給草莓種植戶一個接口，就可以把草莓相關(guān)種植的方法調(diào)出來之后，哪怕農(nóng)戶完全不懂種植，也可以按照流程做，按照專家的經(jīng)驗(yàn)做，這對于普通農(nóng)戶來說，會有很大幫助?！?/p>

鄭建峰說：我們技術(shù)開發(fā)的初衷是要低成本，讓農(nóng)戶容易接受，真正能夠應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去，讓知識不那么豐富的農(nóng)民，也能很快地使用這個技術(shù)，這是我們的最終目標(biāo)。

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