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智能农业:物联网,机器人技术和人工智能如何解决本世纪最大的问题之一

目前,世界人口约为76亿,预计到2100年将达到112亿。因此,我们将需要一个能够容纳另外36亿人口的粮食生产和分配系统,理想情况下,这将消耗很少的额外土地,而剩下的土地却很小。为了维持重要的生态系统服务并保护地球上剩余的野生动植物,尽可能地减少环境足迹。

鉴于世界上约有一半的可居住土地属于某种农业,其中很大一部分用于畜牧业(图A),这显然是一个挑战。
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图A(单击以查看大图)。百分比基于2014年数据。
图片:我们的数据世界
在最近广泛报道的一项研究中, Poore和Nemecek(2018)指出,从肉类和奶制品消费的转变对缓解农业用地的压力和减少环境影响大有帮助:“肉,水产养殖,鸡蛋和奶制品的使用〜尽管仅提供了37%的蛋白质和18%的卡路里,但全世界83%的农田仍贡献了56%至58%的食物不同排放量。”
该研究的作者说,改用不包括动物产品的饮食,可以使全球31亿公顷的土地恢复(减少76%),同时使食物的温室气体排放减少66亿吨CO2eq(减少49%)。其他环境效益。
当然,要实现饮食习惯的重大转变(主要是在发达国家)和全球土地使用方式还需要时间,尽管诸如实验室种植的肉类等新兴技术 可能在这里起着越来越重要的作用。
在农作物方面,近几十年来生产取得了长足的进步,现代技术有望提供更多。
˚F布防输出可以以两种基本方式增加:通过增加每单位面积(集约化)产率,或由下培养(粗放)扩大的区域。在过去的50年中,通过集约化,谷物产量的增长在很大程度上得以实现(图B)。例如,2014年用于谷物谷物的土地仅比1961年多16%,而全球谷物产量增加了280%。在同一时期,世界人口增加了136%,这意味着即使人口增加了一倍以上,人均谷物产量也有所增加。
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图B(单击查看大图)。
图片:我们的数据世界
这些增长主要是由第二次世界大战后的绿色革命带来的。 绿色革命是一整套技术和农业实践,涉及高产农作物品种,农药(化肥,除草剂和杀虫剂),灌溉和机械化。经常使用转基因作物的工业规模农业无疑带来了许多好处,但也有成本。其中包括高水平的投入(如果使用效率低下,可能会成为污染物),对农药和除草剂的抵抗力的发展以及使用大型,昂贵且对环境造成破坏的农业机械。
这些问题和其他问题激发了人们对可持续集约化的兴趣 ,其目标是增加现有农田的产量,同时将对环境的破坏降至最低,从而保持土地继续生产粮食的能力,并有助于保护生物多样性。

什么是精准农业?

精确农业,也称为“智能农业”或“精确农业”,是可持续集约化的关键组成部分。它将遥感,物联网设备,机器人技术,大数据分析,人工智能和其他新兴技术组合到一个集成的高分辨率农作物生产系统中。
请参阅:食品的未来(ZDNet / TechRepublic专刊)
工业规模农业的最大弊端之一是使用大型重型机械,例如拖拉机,喷雾器和收割机,这些机械会压实土壤并损害农作物发展健康根系的能力。在最近的几十年中,土壤压实是一个重要的因素,也许是重要的因素,在减缓农作物单产的增长中,例如在英国(图C)。
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图C(单击查看大图)。数据来自《数据世界》。
图片:ZDNet
工业规模农业的另一个缺点是分辨率低。例如,当通过几米宽的喷雾器将农用化学品施用到田间时,很多农药都无法达到目标:这不仅浪费,而且还会造成环境污染,损害有益生物并损害生态系统服务。
这些问题和其他问题可以通过在现代IT基础架构的支持下用多个小型自主设备替换大型人机来解决。主要目标是“解锁”平坦的作物产量曲线,如上图所示。
高盛(Goldman Sachs) 在2016年发表了一份题为“ 数字农业作弊马尔萨斯作弊”的报告,主题是精准 农业。据该投资银行称,到2050年,通过将精密种植,肥料施用,灌溉喷洒和自动驾驶应用相结合,可以实现以技术为驱动力的作物单产提高70%,并在发达市场开始采用。到2050年,这(在某些假设下)转化为2400亿美元的可寻址市场,其主要组成部分如图D所示
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图D(单击查看大图)。数据来自高盛全球投资研究。
图片:ZDNet
显然,在精准农业中可以发挥很多作用-不仅在帮助更可持续地养活世界方面,而且在寒冷,艰难的商机方面。有证据表明,农业设备巨头约翰迪尔(John Deere)在2017年 9月以3.05亿美元的价格收购了机器学习专家Blue River Technology。
在本文的其余部分中,我们将研究在这个新的农业革命的先锋中英国的两家初创公司。

英国的精准农业

“小型机器人公司的灵感来自于哈珀·亚当斯大学的西蒙·布莱克莫尔教授,并以此为基础。在过去的十五年左右的时间里,他一直致力于小型机器人而非大型拖拉机的构想,” SRC的联合创始人本·斯科特(Ben Scott) -罗宾逊告诉ZDNet。
斯科特·罗宾森(Scott-Robinson)是一位在用户体验设计和AI领域有着特殊专业知识的企业家,他强调了英国精密农业的新兴地位:“我在广播中听到了他[布莱克莫尔],并受到他的讲话的启发,所以我联系了他,问:“谁可以加入小型农业机器人世界的热门创业公司?” 他说没有,但是我应该见见这个名叫山姆的小伙子,他很感兴趣,并对此提出了不同的看法。”
“ Sam”是SRC的另一位联合创始人,农民和前管理顾问Sam Watson Jones,他讲述了一个故事:“在农场前后,农业业务高度整合,实际上只有少数公司向农场提供机械和设备的技术。这种新技术极大地破坏了他们的工作,并可能蚕食了他们的业务。此外,农民还没有真正要求使用该技术,尽管我们已经与许多人进行了交谈。过去的12个月中,有150名员工在工作。但是他们知道他们的商业模式在很多方面都被打破了,主要是因为他们的收入是固定的:在什罗普郡的农场,我们从农作物中获得的收益与25年前一样,但是获得这些收入的成本要高得多。”
沃森·琼斯(Watson Jones)继续说道:“农民对如何摆脱这种状况没有清晰的认识,这就是为什么,如果您关注农业媒体,就会看到很多关于补贴,政府支持以及Ben和我在一起的原因是,我们对技术抱有积极的看法,实际上使农场能够以不同的方式,在不同的商业模式下运行。”
Scott-Robinson说:“当我们刚开始研究这一技术时,我对这项技术感到非常兴奋。” “但是我们想知道农民对此有何看法-因为众所周知,他们没有采用新技术。因此,萨姆(Sam)用了八个月的大部分时间采访了农民-我们称之为“ Aga会议”-以找出答案他们的痛点是什么,并探索关于机器人是否会成为他们感兴趣的东西的想法。”
查看:词汇表:智能农业
“出现的结果是,农民本身并不害怕技术,尽管有些人反动;他们真正害怕的是被出售的东西会破裂,然后坐在棚子里积聚灰尘。我们所做的事情都远离了酷机器人的想法,并询问他们将要购买哪种模型。这就是我们提出“农业即服务”的思想的原因-“耕种即服务”年,首先,所有风险都由农民承担;其次,他们可以根据需要进行试验(可能是一块田地,可能是20公顷),看看它是否有效。冒险使我们能够进行真正的公开对话,他们对此表示了难以置信的积极态度。”
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在有关TechRepublic / ZDNet的“未来食品”专题视频中,Jason Hiner和Karen Roby讨论了智能农业,大数据和其他技术如何为更多人生产更多食物的关键。
山姆·沃森·琼斯(Sam Watson Jones)的农业资格是SRC的另一个优势。“我认为,如果一堆技术人员对农民的工作方式以及他们所担心的事情一无所知,这将更加困难。这是不寻常的事情-农民不习惯与初创企业打交道。但是关键是,我们并不是说这是拖拉机所有用途的目的,我们只是在问一个问题:“关于您要做什么的基础知识-将种子埋在地下,监控并尽可能精确地进行维护-拖拉机是完成这项工作的最佳工具吗?” 所有农民都同意的一个响亮的答案是,利用当今可用的技术,事实并非如此。我们有更好的做事方式,而我们
SRC正在开发三个名为Tom,Dick和Harry的机器人。Tom是一个农作物和土壤监测机器人,能够分别检查每棵植物;Dick是一种微喷涂和非化学除草机器人;哈里负责精密钻孔和种植。当不在现场收集数据时,汤姆住在农场的收费“狗窝”中,还将数据上传到 公司的基于Ubuntu的AI驱动的操作系统WILMA。迪克和哈里会根据需要从SRC传唤出来。
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这是小型机器人公司Harry的精密钻孔和种植机器人的早期设计。
图片:小型机器人公司
整个过程的关键是高分辨率的数字化土壤和作物数据(通过Tom),以及以相似的分辨率对数据进行处理的能力(通过Dick和Harry)。许多农场已经有土壤图(由Watson Jones所说的“用桶装桶”创建),通常在10公顷的田地上约有200个样本。沃森·琼斯(Watson Jones)表示:“但这确实是伪造的数字,因为只有一个粗略的迹象表明这些样品来自何处,而且这些土壤样品周围的面积被认为是相同的-平均数仍然很多。”补充说:“我还没有遇到一个农民,他会全心全意地相信这些地图作为他们农场管理决策的基石。”
“在发展方面,我们正在采取重要步骤来获取基础数据-比目前农业中的任何数据都更为精确-然后,当我们开发Dick和Harry时,农民将能够更准确地采取行动。” 汤姆(监视机器人)通常一天可以覆盖20公顷的土地,也可以在1-2周内覆盖整个农场。沃森·琼斯(Watson Jones)说:“植物的移动速度并没有那么快,因此,能够随时掌握土壤状况的变化和杂草的生长情况,这将使我们几乎实时地了解如我们所愿。

数据是摄影,近红外和高光谱成像的混合。沃森·琼斯说:“通过摄影确定一种植物是农作物还是杂草,近红外光谱使您可以查看植物中细胞的健康状况,而高光谱则可以查看土壤中的化学成分。” “我们每10分钟左右收集一次千兆字节的数据,而Tom不能这么快的原因之一就是收集了很多数据,而农场上的互联网连接速度意味着我们不能只推它这就是汤姆必须回溯到我们所谓的“狗窝”并将其物理上载到本地服务器的原因。” 最初通过服务器场服务器上的AI软件运行后,核心数据随后被上传到云(也称为“ SRC中心”)。
SRC围绕数据收集,训练AI并在机器人,“狗窝”和云上运行分布式操作系统的项目在2018 年获得了Innovate UK的三年资助 。“目标是收集数据并理解其含义。 ,从图像到命令再到其他机器人,以便他们知道去向,从而为我们提供了完整的端到端自动化解决方案。”
SRC的AI应用程序由一家名为COSMONiO的公司开发,该公司 专门研究深度学习系统,该系统可使用少量的训练数据(数百或“几千”)而不是数十万的图像。人工智能在Ubuntu上运行:“这是一个很棒的平台,具有许多专业知识和建议。对于我们在Ubuntu上运行机器人算法来说,这绝对有意义。” Watson Jones说。
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SRC的原型机器人Rachael用于测试控制系统和收集AI训练数据。
图片:小型机器人公司
当ZDNet在2018年春季与SRC进行对话时,该公司的原型设备 Rachael正在测试用于在恶劣的室外环境中控制机器人的系统,并收集数据以训练AI。“在整个生长季节的过程中,我们必须了解小麦植物从地下生长到完整植物时的样子,因此我们可以确定小麦与杂草,”沃森·琼斯说。“这是Rachael的核心重点-作为机器人平台的测试平台并收集训练数据。” 原型机器人目前使用Raspberry Pi硬件,尽管SRC也正在考虑开发定制套件。
查看:词汇表:智能农业
当SRC通过Dick和Harry的设计工作时,很明显它们不是不同的机器人,而是具有不同附件的相同基本平台。沃森·琼斯(Watson Jones)对种植机器人哈利说:“我们赢得了工程技术学院的比赛 在2017年底开发一种不需要耕作的种植方式。拖拉机如此沉重的原因之一是它们需要在土壤上拖犁,并且由于我们的主要精神是拥有不会压缩土壤的轻型车辆,因此我们需要进行其他种植。因此,我们希望不使用耕作机在土壤上耕种然后将种子滴到地面上,而是希望使用不需要吃力的技术将种子精确地放置在地面上,该技术是将某种东西拉过地面的力。”
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SRC的精密种植机制将基于haraka(一种简单的打孔种植装置)。
图片:伊甸园装备
与科文垂(Coventry)制造技术中心共同开发的精密播种机制,是 从一种名为haraka的手推打孔播种机中汲取灵感的,该机器是为在撒哈拉以南非洲国家和印度使用而开发的,沃森·琼斯(Watson Jones)说,他将其描述为“一种非常聪明,非常简单的机制”。他解释说,SRC面临的最大技术挑战是“在地面上获得与拖拉机完全相同的种子,然后在后面钻一个完整的种子,以正常的速度播种。”
那么,SRC路线图的下一步是什么?沃森·琼斯说:“我们正在尝试哈里机制,该机制有望在9月份冬小麦或明年[2019]春小麦的播种中发生,” “我们的重点是通过打孔来证明这一点,然后与商业合作伙伴进行各种试验,以测试这样做的好处。” (最新的Harry原型于11月7日在剑桥的Agri-Tech East REAP会议上揭晓 。)
从长远来看呢?Scott-Robinson说:“我们的目标是在2021年实现商业化,并招募30名农民,这些农民基本上是我们的第一批客户。” “他们每个人都向我们支付了5,000英镑的预售定金,我们将与他们一起开发我们的服务的所有要素。他们成为了我们的农夫咨询小组,我们将不断在农场上进行试验,获取反馈。他们将告诉我们准备好收取服务费用的时间。”

英国脱欧的幽灵

从英国农业的更广泛角度来看,英国退欧的阴霾越来越大,关键问题是什么将取代欧盟每年30亿英镑的农业补贴,随着自由流动的结束,重要的移民劳动力可能外流。
SEE:英国脱欧困境:伦敦的初创企业会留下还是留下?(网易科技)
举例来说,有令人恐惧的故事,就是蔬菜在田间腐烂,需要工人采摘,例如,是否在SRC的路线图上收割机器人?
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小型机器人公司的哈利(Harry)在2018年11月的Agri-Tech East REAP大会上的最新原型。图为Agri-Tech East的董事Belinda Clarke和SRC的联合创始人Sam Watson Jones。
图片:东方农业科技
沃森·琼斯说:“它们在我们的路线图上,但不在我们最初的三年计划中。” “广阔的可耕种农场正在种植经过小麦,大麦和燕麦等联合收割机的作物,而这正是我们的目标目标。这些农场已经使用了相当少量的劳动力。最初,这些家伙将扮演监控机器人的角色,他们走遍了各个领域,但最终我们的信息是尝试鼓励农民进行多元化经营-增加他们生产的产品价值,以自己的品牌出售产品或扩展到其他行业。我们可以帮助增加经济产出一个农场。”
沃森·琼斯(Watson Jones)说,根本的问题是,英国农民实际上是在世界上最昂贵的国家之一生产商品作物,以生产商品,而这些商品并未受到市场的高度重视。“我们认为其中很大一部分可以通过机器人实现自动化,并且可以做得更好。提供的劳动力将必须与新技术保持同步,但也可以用于为整个农场业务增值的项目。”
关于田间的蔬菜腐烂,沃森·琼斯(Watson Jones)指出,该部门中的农场数量较少,目前需要大量体力劳动才能获得收成。“我确实认为机器人技术将在诸如生菜和草莓收获之类的东西,但这将是一条更长,更慢的道路。” “我们没有走这条路的原因之一是,例如,在英国有15名生菜农民-他们都是大菜商,但是市场很小。他们也以不同的方式做事,所以您“将被迫设计和开发昂贵的定制机器人来完成非常具体的事情-实际上,您不能使用“农业即服务”模型来进行操作。”
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看,没有手:HandsFree Hectare项目使用自动机械种植农作物。在两个公顷的土地上,没有人涉足这一领域。
图片:免提公顷
沃森·琼斯(Watson Jones)补充说,采菜机器人的采用速度将较慢,与目前正在实施的技术相比,它需要更先进的机器人技术。他预测:“我们建议的模型将更早并且更易于采用。”
沃森·琼斯(Watson Jones)(2018年4月)说,关于欧盟补贴的问题,可能是英国脱欧后年度30亿英镑中的很大一部分将消失。“目前,一家农业咨询公司安德森斯( Andersons)提出,英国85%的耕地没有补贴就无法盈利。因此,如某些人建议的那样,如果该补贴的一半或三分之二消失了,那么许多农场将需要为了维持生计,他们的商业模式发生了根本性的变化。我们认为我们可以非常有效地解决这个问题。”
由Harper Adams大学与精准农业服务专家Precision Decisions合作开发的另一个项目 是HandsFree Hectare,该项目于2016年11月启动,目标很简单:“种植和收获一公顷谷物作物;所有这些都无需踩脚进入领域。”

这个想法是利用开放源代码技术和已经可用的小型机器,在大学实验室中调整这些组件,以在现场进行自动操作。春季大麦将于2017年3月播种,在2017年4月至7月之间通过远程农学和自主输入应用进行播种,并于2017年8月/ 9月收获。
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与传统的农机相比,自动收割机再次收获,体积更小,重量更轻,在2017年9月收获了HFHa的第一批农作物。
图片:免提公顷
到2017年2月,由三人组成的HFHa工程团队已在现场的全地形电动汽车上测试了自动化系统,并准备将其安装到选择用于(对农作物进行钻孔和喷洒)(相对较小,轻型)的拖拉机上基于激光扫描仪的安全系统。
到6月,自动拖拉机已使用改良的基于GPS的无人机自动驾驶系统成功地使用了预播除草剂,并在田间进行了播种,以播种春季大麦种子。将种子放在地下,接下来的挑战是农艺学–使用地面流动站拍摄土壤和植物样本,照片以及使用无人机捕获多光谱图像以评估植物生长。然后根据此数据使用各种农药(杀菌剂,除草剂和肥料),随着收获时间的临近,(相对较小,较轻的)联合收割机可以自动运行。
HFHa大麦田的收获工作已于9月完成,单产约为4.5吨。HFHa行业合作伙伴Precision Decisions的机电一体化研究员Martin Abell在一份声明中说:“该项目旨在证明没有技术原因,如果没有人类直接在土地上耕种,我们就已经做到了。” 。阿贝尔补充说:“我们着手确定耕种机会,并证明有可能自主耕种土地,这是该项目的巨大成功。” “与其他寻求创建自动农用车的项目相比,我们以低得惊人的预算实现了这一目标。整个项目的成本不到20万英镑,由Precision Decisions和Innovate UK资助。我们使用了可供农民购买的机械。开源技术;以及来自无人机的自动驾驶仪,用于导航系统。”
“该项目旨在证明没有技术原因,如果没有人类直接在土地上耕种,我们就可以做到这一点。”
 
马丁·阿贝尔(HANDSFREE HECTARE的合作伙伴)精密决策部门的机电一体化研究员
免提公顷项目吸引了众多媒体(行业和主流)的关注,并获得了农业和园艺发展委员会(AHDB)的资助,用于第二种冬小麦。2017/18年的目标是通过更精确的地面机械和改进的远程农艺来提高产量;在受到天气影响的错误开始之后,于2017年11月成功地播种了冬小麦。在2018年4月/ 5月使用了化肥,杀菌剂和除草剂,并对小麦减产真菌病的孢子进行了遥感(特别是,棕褐色和黄锈)。小麦于2018年8月上旬收获,估计产量(通过无人机遥测)为每公顷6.2-7.8吨(最终数字为6.5吨/公顷)。同样,所有这些都无需人工介入。
HandsFree公顷已经获得了多个奖项,包括2018年6月在BBC食品与农业大奖中的未来食品类别 。

智能农业和移动覆盖

农业物联网设备需要通过快速,可靠的无线连接发送和接收数据,这意味着,如果要扩大小型机器人公司和免提公顷等项目的规模,农村地区移动宽带的可用性至关重要。
根据Ofcom的 《 2017年互联国家报告》,目前,英格兰61%的“户外地理区域”和北爱尔兰60%的地区都可以使用4G服务,威尔士(25%)和苏格兰(17%)仍远远落后于这一水平覆盖。
为了改善农村地区的移动覆盖范围,Ofcom已宣布计划对竞标700MHz频谱(下一代5G移动服务的一部分)的移动运营商施加 义务,该合同将于2019年下半年颁发并于2020年发布。Ofcom的5G 英国报告中的“ 启用5G”概述了部署策略。
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图E(单击查看大图)。
图片:Ofcom
2018年5月,全党农村议会议员组织(APPG)的56名议员签署了 一封信,呼吁当时的数字,文化,媒体和体育国务卿马特·汉考克(Matt Hancock)确保95到2022年底,英国的百分比将从所有四个运营商(三个英国,沃达丰,EE和O2)获得移动覆盖。
该信认为,市场力量不足以满足农村地区的需求,因此需要制定法规(对移动运营商具有法律约束力的覆盖义务)。APPG还对Ofcom的700MHz条件不能达到95%的覆盖范围抱有担忧(图E)。除了重新考虑这些条件外,这封信还建议更改透明度规则,以防止移动运营商在拒绝透露其推出计划时躲在“商业机密”之后。

 

在英国和其他地方,精确农业仍处于起步阶段。但是,显然,使用小型,轻巧和自治的设备进行耕作具有巨大的机会,这些设备对土壤的损害较小,对环境总体上更为友好,并释放了农业工人为有助于增加农场产出价值的项目做出贡献。小型机器人公司和免提公顷等项目正处于概念验证阶段。下一步是将它们推向市场并扩大规模。

(责任编辑:ioter)

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