AI草莓種植大賽冠軍：讓“無人農(nóng)場”從實驗室走向田間地頭

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

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

林森是國家農(nóng)業(yè)智能裝備工作技術研究中心的博士生，鄭建峰是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室的博士生。他們共同參與了聯(lián)合國糧農(nóng)組織指導，中國農(nóng)業(yè)大學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的隊伍本來是對手，因為成績并列第四名，兩隊合并混組。兩隊風格相近，都屬于“學院派”，隊內(nèi)成員分別來自中國農(nóng)業(yè)大學、比利時根特大學、中國農(nóng)業(yè)科學院、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)絡農(nóng)民”，后者意為“園藝圖譜”。這批青年學者都想用科技做一些更酷的事情，極客、理性是這兩支團隊的特點。落腳到比賽上，HortiGraph的技術優(yōu)勢是人工智能，CyberFarmer隊的技術優(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、專家經(jīng)驗、模型系統(tǒng)進行融合，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”，林森在求學階段，把這句話寫在了他的筆記本扉頁上。

在求學生涯中，林森認為自己并不是一個出色拔尖的優(yōu)等生，只是一個在學術道路上不斷堅持的人。本科畢業(yè)后，林森跟大多數(shù)同學一樣，進入一家電子企業(yè)，成為一名工程師。宿舍、工區(qū)，2300米的距離，兩點一線的生活，伴隨檢測、調(diào)試相關的單調(diào)工作，很快消磨了林森的激情。

“雖然當時的收入已經(jīng)很不錯了，但企業(yè)里的隱性壁壘很多，而且因為是外資企業(yè)，本土的工程師會被排斥?！绷稚f。

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

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

一晃11年的時間，林森依然保留著當年考研期間的筆記。

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驗室的準備。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，構建了一個農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)園區(qū)巡檢機器人、采摘機器人、路軌兩用自主導航運輸機器人、無人噴藥機器人、智慧管控語音服務機器人、授粉機器人和機器人調(diào)度系統(tǒng)。負責運輸、打藥、授粉、巡檢等工作。

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

▲CyberFarmer·HortiGraph的隊員鄭建峰（右一）正在進行實驗。（攝影：穆功）

在工業(yè)實踐中做持續(xù)奔跑的科研人，是他們兩個科研團隊的共同想法。此次比賽，林森和鄭建峰的團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，并且形成可復制、可推廣的模式。

鄭建峰說：“我希望我們在比賽中實踐的技術能夠形成產(chǎn)品，這樣的技術產(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>

 “人機共舞”的新模式

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

林森認為，“當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該是知識、數(shù)據(jù)、算法和算力等要素構建的更強大的人工智能。當下農(nóng)業(yè)發(fā)展情況應該是人機協(xié)同作業(yè)的局面，決策系統(tǒng)由專家經(jīng)驗與人工智能結合，通過托管式的管控方式，最終形成‘人機共舞’的新模式。”

林森和他的團隊構建了一套專家經(jīng)驗與人工智能結合的智慧決策系統(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，他們團隊首先將種植者經(jīng)驗、環(huán)境數(shù)據(jù)和草莓圖像數(shù)據(jù)標準化，建立標準化的作物種植知識結構，構建智慧決策知識圖譜。第二步，知識圖譜的決策結果會輸出到模型系統(tǒng)進行溫室的控制，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、學習，翻譯的過程就是數(shù)據(jù)結構化的過程，先把草莓種植的所有要素“翻譯”成計算機看得懂的數(shù)據(jù)，再把過往的人工種植經(jīng)驗教給AI，讓AI進行學習，最后由AI對生產(chǎn)進行決策。

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)化為一場關于選擇和決策的數(shù)學游戲。

▲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）

團隊成員龍潔花說：“我們主要是采用機器視覺、知識圖譜以及模型相結合的方法構建一個標準化的草莓種植知識結構?！?/p>

團隊成員張宇介紹，決策當中數(shù)據(jù)和專家的標準化、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?！氨热缯f阿爾法狗，這是機器和人結合的決策，我們也是一樣的道理，我們首先把種植方法標準化，在這個框架下將經(jīng)驗填進來，相當于填了圖譜，填的越多越精準，這是我們總體思路。”

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（SPA技術），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)的缺點是，一旦傳感器出現(xiàn)問題，那么人工智能的所有干預就會失效，甚至會出現(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，導致水質(zhì)的pH值出現(xiàn)波動，這直接導致草莓的生長不及預期?！爱敃r我們打了一天的電話會，因為不在現(xiàn)場的話，是沒辦法知道哪個裝置出現(xiàn)問題，所以我們當時一方面聯(lián)系溫室進行檢查，另一方面挨個調(diào)試我們的裝置?！绷稚f。

文朝武說：“這件事情發(fā)生后，我們會定期對傳感器進行調(diào)試檢查，同時和在昆明當?shù)氐膶＜壹訌娐?lián)系，不再僅僅依靠AI。”

林森認為，長遠來看，未來人工智能技術會逐漸在生產(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)人機協(xié)調(diào)作業(yè)的局面。

“無人化”溫室的未來

錢學森曾對農(nóng)業(yè)發(fā)展提出建議，他認為：“在中國小農(nóng)經(jīng)濟基礎之上，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)化進程和整個中國的現(xiàn)代化進程。”

林森最喜歡的運動是爬山，在他看來，科研就是爬山，突破技術阻礙是到達山頂，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。前端技術進步的一小步，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。

為了實現(xiàn)技術商用，林森團隊正在開發(fā)的托管式可視化溫室智慧管控云服務系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以實現(xiàn)種植過程中水肥托管、環(huán)境管控托管、機器人托管、設備托管等。

▲在各類算法的支持下，比賽基地內(nèi)的草莓實現(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、可復制的草莓自動化生產(chǎn)方式，進一步構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。

在他們的構想中，“無人化”溫室并不是完全沒有人干預，它依然依賴人工智能和人工經(jīng)驗相結合的決策。林森說：“因為人工智能還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合以后，作用會強大很多。像阿爾法狗，它之所以能打敗人類就是棋譜和算法的結合，這里我們每個專家的經(jīng)驗就相當于一個棋譜，農(nóng)業(yè)人工智能也需要和種植專家經(jīng)驗進行結合?！?/p>

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

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

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

王少磊負責本次比賽云端管控系統(tǒng)的運行，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)驗做，這對于普通農(nóng)戶來說，會有很大幫助。”

鄭建峰說：我們技術開發(fā)的初衷是要低成本，讓農(nóng)戶容易接受，真正能夠應用到實際生產(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，這是我們的最終目標。

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