文 / ?趙春江(中國工程院院士、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心)
01/前言
? ? ? ?人類社會經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命，正在經(jīng)歷智能革命[1]。具體到農(nóng)業(yè)領域，農(nóng)業(yè)自身發(fā)展經(jīng)歷了以矮桿品種為代表的第一次綠色革命[2]、以動植物轉基因為核心的二次綠色革命[3]，隨著現(xiàn)代信息技術在農(nóng)業(yè)領域的廣泛應用，農(nóng)業(yè)的第三次革命——農(nóng)業(yè)智能革命已經(jīng)到來。農(nóng)業(yè)智能革命的核心要素是信息、裝備和智能，其表現(xiàn)形態(tài)就是智慧農(nóng)業(yè)（Smart Agriculture/Farming）。
? ? ? ?智慧農(nóng)業(yè)是以信息和知識為核心要素，通過將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術與農(nóng)業(yè)深度融合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性化服務的全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡化再到智能化的高級階段?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)有三大科技要素：品種是核心，設施裝備是支撐，信息技術是質(zhì)量水平提升的手段。智慧農(nóng)業(yè)完美融合了以上三大科技要素，對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有里程碑意義。
02/全球智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
? ? ? ? 智慧農(nóng)業(yè)已成為當今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，世界多個發(fā)達國家和地區(qū)的政府和組織相繼推出了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展計劃。2014年，日本啟動實施“戰(zhàn)略性創(chuàng)新/創(chuàng)造計劃（Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program，SIP）”，并于2015年啟動了基于“智能機械+現(xiàn)代信息”技術的“下一代農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術”[4]。2017年10月12日，歐洲農(nóng)機協(xié)會(European Agriculture Machinery Association，CEMA)召開峰會[5]，提出在信息化背景下，農(nóng)業(yè)數(shù)字技術革命正在到來，未來歐洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是以現(xiàn)代信息技術與先進農(nóng)機裝備應用為特征的農(nóng)業(yè)4.0（Farming4.0）——智慧農(nóng)業(yè)；英國國家精準農(nóng)業(yè)研究中心（The National Centre for Precision Farming，NCPF）在歐盟FP7計劃支持下，正實施（Future Farm）智慧農(nóng)業(yè)項目，研發(fā)除草機器人進行除草作業(yè)，替代使用化學農(nóng)藥，目前已經(jīng)在100畝的田塊上實現(xiàn)了從播種到收獲全過程的機器人化農(nóng)業(yè)[6]。加拿大聯(lián)邦政府預測與策劃組織（Policy Horizons Canada）[7]在其發(fā)布的《元掃描3：新興技術與相關信息圖（MetaScan3: Emerging technologies）》報告中指出，土壤與作物傳感器、家畜生物識別技術、變速收割控制、農(nóng)業(yè)機器人、機械化農(nóng)場網(wǎng)絡、封閉式生態(tài)系統(tǒng)、垂直（工廠化）農(nóng)業(yè)等技術將在未來5-10年進入到生產(chǎn)應用，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)[8]。美國在經(jīng)歷了機械化、雜交種化、化學化、生物技術化后，正走向智慧農(nóng)業(yè)(Smart Agriculture)，到2020年，美國平均每個農(nóng)場將擁有50臺連接物聯(lián)網(wǎng)的設備[9]。
? ? ? ? 據(jù)國際咨詢機構研究與市場（Research and Market）預測[10]，到2025年，全球智慧農(nóng)業(yè)市值將達到300.1億美元，發(fā)展最快的是亞太地區(qū)（中國和印度），2017-2025年復合增長率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）達到11.5%，主要內(nèi)容包括大田精準農(nóng)業(yè)、智慧畜牧業(yè)、智慧漁業(yè)、智能溫室，主要技術包括遙感與傳感器技術、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計算服務技術、智能化農(nóng)業(yè)裝備（如無人機、機器人）等。
03/中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題
? ? ? ?近年來，在政府的大力支持下，中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展快速。農(nóng)村網(wǎng)絡基礎設施建設得到加強，2017年底，全國行政村通寬帶的比例達到96%[11]，農(nóng)村網(wǎng)民規(guī)模達到2.11億，城鄉(xiāng)網(wǎng)民比例為2.8:1[12]，“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”行動取得了顯著成效。截止到2018年7月，全國21個省市開展了8種主要農(nóng)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)的試點，通過完善監(jiān)測預警體系，每日發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)價格指數(shù)，每月發(fā)布19種農(nóng)產(chǎn)品市場供需報告和5種產(chǎn)品供需平衡表[11]，實現(xiàn)了用數(shù)據(jù)管理服務，引導產(chǎn)銷；以山東、河南等為代表的全國18個省市開展了整省建制的信息進村入戶工程，全國1/3的行政村（約20.4萬個村）建立了益農(nóng)信息社，農(nóng)村信息綜合服務能力不斷提升[11]；廣東、浙江等14個省市開展了農(nóng)業(yè)電子商務試點，在428個國家級貧困縣開展電商精準扶貧試點，電子商務進農(nóng)村綜合示范工程已累計支持了756個縣，農(nóng)村網(wǎng)絡零售額達到了1.25萬億元人民幣，農(nóng)產(chǎn)品電商邁向3000億元大關[11]。
? ? ? ?“十三五”期間，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國9個省市開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程區(qū)域試點，形成了426項節(jié)本增效農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品技術和應用模式[11]。圍繞設施溫室智能化管理的需求，自主研制出了一批設施農(nóng)業(yè)作物環(huán)境信息傳感器、多回路智能控制器、節(jié)水灌溉控制器、水肥一體化等技術產(chǎn)品，對提高我國溫室智能化管理水平發(fā)揮了重要作用。我國精準農(nóng)業(yè)關鍵技術取得重要突破，建立了天空地一體化的作物氮素快速信息獲取技術體現(xiàn)，可實現(xiàn)省域、縣域、農(nóng)場、田塊不同空間尺度和作物不同生育時期時間尺度的作物氮素營養(yǎng)監(jiān)測；研制的基于北斗自動導航與測控技術的農(nóng)業(yè)機械，在新疆棉花精準種植中發(fā)揮了重要的作用，研制的農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)解決了作業(yè)面積和質(zhì)量人工核查難的問題，得到大面積應用。
? ? ? ?在取得了大量成果的同時，我們還應該明確，我國智慧農(nóng)業(yè)仍缺乏基礎研究和技術積累，整體技術水平與發(fā)達國家差距15-20年。具體表現(xiàn)在我國智慧農(nóng)業(yè)所面臨的不僅僅是“短板”問題，而是整體技術水平均較低的“短桶”問題[13]。
? ? ? ?目前，制約我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板技術有三項：一是農(nóng)業(yè)專用傳感器落后，我國目前自主研發(fā)農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)量不到世界的10%，且穩(wěn)定性差[14,15]；二是動植物模型與智能決策準確度低，很多情況是時序控制而不是按需決策控制；三是缺乏智能化精準作業(yè)裝備，作業(yè)質(zhì)量差。在應用推廣上，全國各省市都開展了智慧農(nóng)業(yè)應用試點建設，但大都處于“盆景”狀態(tài)，缺乏智慧農(nóng)業(yè)大面積應用的“風景”。同時，大多數(shù)項目停留在信息的簡單傳輸與顯示，展示成分大于實際效果，與農(nóng)業(yè)融合深度不夠，缺乏解決農(nóng)業(yè)實際問題的效果。
? ? ? ?智慧農(nóng)業(yè)具有顯著的多學科交叉的特點，由于農(nóng)業(yè)具有生物特性，將信息技術直接拿到農(nóng)業(yè)領域往往不能有效解決問題，必須開展基于農(nóng)業(yè)生物特性的農(nóng)業(yè)信息學（Ag-informatics）交叉研究，揭示基礎原理。然而，目前國家自然科學基金學科目錄中只在作物一級學科下設立作物信息學，而與生物信息學對應的農(nóng)業(yè)信息學沒有作為學科方向給予支持[16]。因此，國家在智慧農(nóng)業(yè)基礎研究方面的支持力度還需繼續(xù)加大。
04/我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標任務
4.1 國家戰(zhàn)略需求分析
? ? ? ?當前，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著“誰來種地、怎樣種好地”的重大問題[17]，面臨著質(zhì)量效益不高、國際競爭力不強等多重挑戰(zhàn)[18]?，F(xiàn)代信息技術為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供了前所未有的新動能，成為提高我國農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益的新途徑。我國農(nóng)業(yè)在經(jīng)歷了人力和畜力為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)1.0）、生物—化學農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)2.0）、機械化農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)3.0）之后[19]，必須進一步轉變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，將現(xiàn)代信息技術與農(nóng)業(yè)深度融合，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)4.0）。
? ? ? ?黨中央、國務院發(fā)布了系列政策文件支持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展：《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》第二十章中指出，要“加強農(nóng)業(yè)與信息技術融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)冶”[20]；2016年8月，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出了發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的明確任務[21]；《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020 年）》提出實施“智慧農(nóng)業(yè)引領工程”[22]；?2018年2月，《中共中央國務院關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中明確提出，“大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，推進物聯(lián)網(wǎng)試驗示范和遙感技術應用”[23]；2018年6月27日，李克強總理主持的國務院常務會議指出，“要加快現(xiàn)代信息技術在農(nóng)業(yè)中廣泛應用、實施‘互聯(lián)網(wǎng)+’農(nóng)產(chǎn)品出村工程并鼓勵社會力量運用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展各種親農(nóng)惠農(nóng)新業(yè)態(tài)、新模式，滿足‘三農(nóng)’發(fā)展多樣化需求”[24]；2018年12月12日，李克強總理主持召開的國務院常務會議再次指出，要“推進‘互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機作業(yè)’，促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展”[25]。連續(xù)發(fā)布的多個政策表明，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)已成為重要國家戰(zhàn)略之一。
4.2 智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略目標
? ? ? ?綜合智慧農(nóng)業(yè)的技術特征及我國發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略需求，我國未來10年智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標為：瞄準農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重大需求，突破智慧農(nóng)業(yè)核心技術、卡脖子技術與短板技術，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)“機器替代人力”、“電腦替代人腦”、“自主技術替代進口”的三大轉變，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和經(jīng)營網(wǎng)絡化水平，加快信息化服務普及，降低應用成本，為農(nóng)民提供用得上、用得起、用得好的個性化精準信息服務，大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、效能、效益，引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。
4.3 重點任務
? ? ? ?在戰(zhàn)略目標的指導下，按照“抓重點、補短板、強弱項”思路，今后智慧農(nóng)業(yè)的8項重點發(fā)展任務如下：
? ? ? ?（1）研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的農(nóng)業(yè)傳感器。傳感器是智慧農(nóng)業(yè)核心技術，高端傳感器的核心部件（激光器、光柵等）制約了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的土壤養(yǎng)分（氮素）傳感器、土壤重金屬傳感器、農(nóng)藥殘留傳感器、作物養(yǎng)分與病害傳感器、動物病毒傳感器以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)傳感器等。
? ? ? ?（2）發(fā)展大載荷農(nóng)業(yè)無人機植保系統(tǒng)。研發(fā)載荷200 kg以上的高端無人機的導航和仿形飛控平臺、作業(yè)裝備，重點攻克田間環(huán)境感知和自主作業(yè)避障技術，發(fā)展大載荷自主控制農(nóng)業(yè)植保無人機平臺和精準施藥技術裝備等。
? ? ? ?（3）研制智能拖拉機。目前我國大馬力高端智能拖拉機主要依靠進口。研制農(nóng)機傳感器高性能芯片，智能終端，基于國際標準的控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）總線技術控制模塊，攻克拖拉機自動駕駛技術，包括農(nóng)機導航陀螺加速度傳感器、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）板卡、ARM（Advanced RISC Machines）芯片、角度傳感器、電動方向盤電機和基增強技術等。
? ? ? ?（4）研發(fā)農(nóng)業(yè)機器人。研發(fā)一批能承擔高勞動強度、適應惡劣作業(yè)環(huán)境、完成高質(zhì)量作業(yè)要求的農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人。如嫁接機器人、除草機器人、授粉機器人、打藥機器人以及設施溫室電動作業(yè)機器人等。
? ? ? ?（5）解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源問題。信息最初1km是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。建立高效、低成本的天空地信息獲取系統(tǒng)，積極發(fā)展農(nóng)業(yè)專用衛(wèi)星，協(xié)同用好高分系列衛(wèi)星和國際其他衛(wèi)星資源，解決農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源問題。
? ? ? ?（6）發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能。充分利用新一代人工智能發(fā)展的歷史機遇，積極發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能。重點開展農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能研究，通過深度學習建立農(nóng)業(yè)知識圖譜實現(xiàn)作物病蟲害和動物個體智能識別與診斷，研究智能語音精準信息服務系統(tǒng)等。
? ? ? （7）開展集成應用示范。推進智慧農(nóng)場（大田精準作業(yè)）、智能植物工廠、智慧牧場、智慧漁場、智慧果園、農(nóng)業(yè)智能信息服務、典型農(nóng)業(yè)機器人、農(nóng)產(chǎn)品智能加工車間和智慧物流等的集成應用示范。
? ? ? ?（8）提升智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。通過研發(fā)農(nóng)業(yè)智能材料、農(nóng)業(yè)傳感器與儀器儀表、智能化農(nóng)機裝備、農(nóng)業(yè)智能機器人、農(nóng)業(yè)群體智能搜索引擎、農(nóng)業(yè)智能語音服務機器人、農(nóng)技推廣智能化工具箱、農(nóng)業(yè)軟件智能重構工具產(chǎn)品，發(fā)展農(nóng)業(yè)裝備智能化生產(chǎn)線、農(nóng)業(yè)商務智能、農(nóng)業(yè)綜合信息智能服務、農(nóng)機智能調(diào)度與運維管理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全智能監(jiān)管、農(nóng)業(yè)資源智能監(jiān)管、農(nóng)情監(jiān)測與智能會商、農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺等提升智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。
05/對智慧農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的政策建議
? ? ? ?完善的政策保障是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關鍵，我國智慧農(nóng)業(yè)尚處于起步發(fā)展階段，建議政府在以下5個方面制定相應政策措施，促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展：
? ? ? （1）加強政府支持。統(tǒng)籌各類政府資源，大幅度給予行業(yè)從業(yè)者政府資源支持。圍繞重點領域、重點產(chǎn)業(yè)實施一批智慧農(nóng)業(yè)重大項目工程，加強智慧農(nóng)業(yè)關鍵技術研究與應用示范，總結經(jīng)驗，建立可復制、可推廣模式。
? ? ? （2）制定相關補貼政策。鑒于農(nóng)業(yè)的社會公益性、生態(tài)區(qū)域性、高度分散和個性化特點，推廣智慧農(nóng)業(yè)不可能像工業(yè)那樣大規(guī)模復制，因此實施成本高、市場利潤低。建議相關部門類比農(nóng)機購置補貼政策，對智慧農(nóng)業(yè)技術產(chǎn)品和應用主體給予政策性補貼，減免農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)接入費用和農(nóng)民移動通訊、數(shù)據(jù)傳輸費用。
? ? ? （3）加強技術標準建設。依托聯(lián)盟、協(xié)會等團體和組織，快速建立包括數(shù)據(jù)標準、產(chǎn)品標準、市場準入標準等團體標準，并積極推動國家和行業(yè)標準的建設。建立國家和行業(yè)認可的第三方產(chǎn)品、技術檢測平臺。
? ? ? （4）開放數(shù)據(jù)共享。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有散亂雜、孤島林立等特點，建議政府部門加強農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集和整合，并在一定范圍內(nèi)開放相關數(shù)據(jù)，建立共享機制。對于進入國內(nèi)市場的外國企業(yè)產(chǎn)品，要求其提供數(shù)據(jù)接口標準。
? ? ? （5）加強人才隊伍建設。培養(yǎng)農(nóng)業(yè)與信息多學科交叉的人才，建議教育機構在高校研究生課程中開設智慧農(nóng)業(yè)相關課程；鼓勵信息領域人才進入農(nóng)業(yè)領域開展相關科學研究與應用推廣；積極開展技術培訓，建設懂技術會操作的智慧農(nóng)業(yè)推廣隊伍。
