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數位技術在農業中應用的問題與任務
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

資料來源:

Viktor V. Alt1,2, Maxim S. Chekusov3, Elena A. Balushkina1 and Svetlana P. Isakova1

1Siberian Federal Scientific Centre of Agro-Biotechnologies of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia

2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia

3Omsk Agrarian Scientific Center, Omsk, Russia

農業生產數位化已成為現實。大約 50% 的農場在一定程度上使用數位化元素來執行技術和管理任務。本研究採用對農業生產對象的系統分析,以及在資訊空間中描述它們的資訊環境。顯示了與大量數據相關的農業數位化的主要問題,以及由此產生的解決方案所需的準確性。確定並論證農業生產者使用數位化的主要任務。顯示了解決農業、作物生產問題資訊量的一般要求,以及處理這些資訊的方法。使用數位方法管理農業技術過程時的資訊量,取決於管理技術過程時,必要分辨率和以俄羅斯主題的耕地量。對於積極趨勢的分析使我們能夠制定數位技術在其發展現階段在農業生產中應用的主要資訊。

一、   介紹

沒有戰術的戰略是通往勝利最慢的道路。沒有戰略的戰術只是失敗前的小題大做

孫子,公元前六世紀的中國戰略家和思想家,著有著名的孫子兵法。農業生產管理中的數位技術是一套利用技術手段和電腦處理自然生產資訊的軟體方法[1, 2]。什麼應該優先考慮,根據具體情況什麼不能解決,目前還沒有達成共識。那些希望從數位技術的使用中受益的人也不確定面臨哪些困難,以及在使用這些技術時會帶來哪些機會。它提供數據庫和知識、平台解決方案、大數據系統、人工智慧系統等。當今數位技術的使用需要制定其應用方法。它們應該基於對資訊類型、資訊量和農業生產資訊支持範式變化的分析。

討論

為了在農業生產中應用形成數位技術主要資訊,計劃通過隱藏關係和隱式函數依賴的系統分析來解決以下任務:

1.農業生產對象結構關係的確定;

2.對多維空間的資訊量估計。這些資訊是所有對像作為一個整體的集合,並且每個對像都是單獨的;

3.利用專家系統和人工智慧系統,形成農業生產技術過程的支持資訊和管理範式。

對農業生產數位化趨勢的分析表明,在保持土壤肥力的同時,提高生產效率,農村社會緊張局勢有所緩解,年輕人湧入農村的人數增加[3,4,5]。在我們的研究過程中,我們對關係的共同性進行了系統的分析。這些連接將農業生產構成為一個由許多獨立子系統組成的系統。

它們在上層系統中具有穩定的聯繫,具有作為子系統獨立變化。在系統內作為整體變化的特性。應用限制子系統狀態轉移的方法,建立對整體系統及其子系統的相互影響。這種系統地表示農業(糧食)生產的方法是合法的。多年來,我們的研究團隊使用上述概念(機械單元、農業機械、變速器、發動機、植物、植物噬菌體、農業植物群落等)建立了許多資訊模型以證明了這一點。資訊模型的使用提供了 20 多個數據庫和知識建立 [3, 4, 5, 6, 7]。應用了樹狀搜索系統的面向主題的搜索算法。

農業數位化的可靠知識是什麼?農業的特點是要求使用現代能力來處理和分析數位資訊:

1.表徵生產和技術過程的因素的多維性;

2.農場的農業氣候分佈(超過 1 億公頃);

3.社會的多樣性;

4.物種、品種、動植物品種的多樣性。

農業生產中存在資訊不完整的必然性。這是由於農業管理設施的多重功能性。其中包括:環境、土地、植物、動物、機器和社會。農村人口及其環境:農業氣候條件、社會條件、收入和支出的金融和貨幣結構、交通基礎設施、生產物流等。

這些特點決定了創新數位技術的使用需求:人工智慧、機器人、物聯網、無人機,以及一些新硬體、軟體、移動應用、感測器技術和大數據處理系統的引入[8 9, 10]

農業受數位化影響的領域和方向如下:

1.通過使用人工智慧處理無人機獲得的圖像來檢測疾病、害蟲和雜草。

2.通過接收、處理和分析來自當地氣象站的數據,和以前時期的統計數據來預測天氣狀況。

3.使用 GPS 導航、無人機、數位測繪和土壤評估的精準農業。

4.使用 GPS 導航對航空攝影、作物監測和資金,現場應用獲得的數據進行分析,施用肥料和防護設備。

5.使用無人機監測植物生長、計算植被指數、跟蹤產品品質和預測產量。

6.使用資訊系統控制生產過程,這些資訊系統為經濟和其他計算、現場歷史和文件管理提供工具。

7.使用跟踪其運動、燃料消耗和設備狀態遠程監控系統的農業機械。

8.使用互聯網門戶、移動app等購買和銷售設備。

農業生產的特點是一系列過程的組合,週期從幾微秒(確保曳引機、聯合收割機和其他設備的可操作性)到三年(更新動物群的任務)。這些例子展示了對速度、資訊量和資訊消息大小的極端要求。在農業生產和數位技術發展的現階段,有必要制定工具和軟體的形成方法。

農業生產管理的每一個主體,都與決策過程中管理對象相互關係的多功能性有關。

我們可以將它們系統化為環境、土地、植物、動物、機器和社會的廣義形式。社會是一個農村人,有他的社會和生活條件、收支的財政和貨幣制度、交通基礎設施、生產物流等。

所有這些都可以表示為 8 種資源,有時甚至可以表示為 12 種資源。它們在一個公共集合中交互影響,並由一個 n 維空間表示。其大小由所考慮的資源數量決定 [11]。一個人生活在一個 4 維空間(寬度、長度、高度和時間)中。當空間的維數增加時(四維空間任何一個度量的一階導數都可以表示為第五個坐標),就會感到某種不適。分析812維空間的流程流程對他來說是一項難以逾越的複雜任務。

為了解決這個問題,一個人假設某些資源是非物質的或無限的,以減少空間的維度。因此他做的私人決定。結果形成了對農業生產過程的不完整知識[12]

正如Friedrich von Hayek(二十世紀經濟學家和哲學家)所說,每個人都只有一個知識粒子。因此在管理和創業活動的過程中,行為或決策的錯誤在客觀上是不可避免的。這是在農業生產中使用數位技術的第一個也是主要資訊之一。

提高田地和農場生產力的願望,總是與對決定農業和畜牧業所有組成部分功能的過程,有更深入的了解和理解的需求有關。田地、品種、品種、它們的生長和發育條件、加工成支持人類生命的產品,及其存在和棲息地的環境與對整個宇宙多樣性的定量和定性描述有關。我們對世界了解得越深入,我們用來建立文章、書籍、數據庫和知識的參數、特徵和描述就越多 [7]

需要使用大型數據庫及其分析來制定管理決策,這決定了改變數位化農業生產資訊方式的及時性 [12, 13]。我們提出了數位化農業生產的資訊支持範式。

糧食生產效率在很大程度上取決於根據農場所在地的農業氣候(土壤多樣性、溫度、水分)和農業景觀特徵選擇的各種品種和技術。這些資訊只能通過分辨率高達 0.01-0.003 m 的現場遙感獲得。這種準確性需要處理大量數據。

我們以新西伯利亞地區及其 190 萬公頃的面積為例來確定可能需要的資訊量。該領土的特點是農作物種類和品種、種植和收穫技術的整個範圍。

解決它們的數位管理問題涉及使用處理量約為 2 petaflops 的數位平台。只有在使用大數據、數位平台、數據庫、知識庫、專家系統和人工智慧系統的數位資訊技術的基礎上,才有可能解決這個問題。這是在農業工業生產中使用數位技術的下一個主要資訊。

西伯利亞的農業氣候潛力為4。比歐洲和美國的同一指標降低6倍。1985-1999西伯利亞其農業潛力是俄羅斯的58-63%。在貝加爾是38 - 43%(根據俄羅斯科學院岡察洛夫PL院士)。

在西伯利亞,隨著高強度、低能耗和資源節約型技術的推廣使用,確保了有競爭力的產品的生產(表 1[47]。新西伯利亞地區的耕地面積在 30 年間減少了 25%。與此同時,糧食總收成下降了0.05%,單位面積產量提高了27%。俄羅斯科學院院士 AN Vlasenko 表示,競爭性試驗的結果表明,分區小麥品種的公頃產量為 4.5 7.6 噸,這表明它們優於非分區品種。西伯利亞選擇的品種佔據了該地區95 - 99% 的穀物。

根據 Rosstat 的數據,俄羅斯農村人口的比例在 1959 年至2018 年期間下降了 2 倍,到 2019 年達到總人口的 25.3% [13]2001 年至2010 年,農業組織的僱員人數減少了約 5 [14]。為村莊提供專家的消極趨勢仍在繼續。

為客觀起見,應該指出的是,大型商品生產商和農業控股公司不會因為高生產率、集約化和報酬而出現人員嚴重短缺。對農村地區人力資源變化方面的積極和消極趨勢的分析使我們得出結論。在尋求使用數位技術的工人、受過高等教育和中等專業教育的人中,高素質的生產專家長期短缺。

如果我們把六種資源(土地植物環境機器動物社會)統一考慮在糧食生產系統中,就很明顯我們在西伯利亞客觀上有糧食產量增倍的可能[15]

多數作者認為,保證糧食產量增長的因素有:

1.各種強化穀物品種。

2.植物營養(其補充由有機和礦物肥料提供)。

3.保護植物免受疾病、害蟲和雜草的侵害。

4.提高農業機械的生產力(通過增加其工作寬度、功率、自動化等)。

這當然是真的。但是,對阻礙糧食生產增長的成因進行整治,任務是將製約因素正規化,想辦法設法克服。例如,採取跨貝加爾邊疆區。有幾年時有在儀表層土壤的水分沒有,甚至楊樹乾涸。但在八月,九月,雨季來臨,導致洪水氾濫。可以這樣水分可以用嗎?是的,就可以了,這一技術的技術是已知的。這是一個深刻的鬆動。它確保水分在米層土壤及其在接下來的生長季節使用的積累。使用深鬆土壤的使我們能夠得到3.5g/公頃,新西伯利亞29春小麥。

尋找消除限制因素的技術是多餘的。它們的組成和克服它們的方法只能通過分析特定領土的農業生物群落數位模擬模型來確定。這是農業生產中數位資訊技術發展和發展的下一個資訊。

我們已經討論了社會對所有五種資源的統一作用。但對這個角色進行更詳細的分析。並不是一切都那麼簡單。應該考慮到,作為業務流程主體的人總是試圖保持自己相對於其他業務參與者的優勢,否則他們會和其他人一樣。在這種情況下,該原則起作用:我需要這個嗎?。通過科學、教育和管理可以克服這種情況。當然,這需要時間和財力。是的可能不是所有的基礎研究都涉及到這個過程,但應用研究絕對是一個優先事項。這是在特定農業企業中使用資訊和數位技術的發展。

解決特定農場組織實施農業生產問題的組合數量,採用 3 種耕作技術(傳統翻地、非翻地、不犁地)、3 級集約化(粗放、正常、集約)和 6 種耕作技術。資訊數位技術的消息等於 247,520 個選項。

三、結論

這些原則基於數位資訊技術的公式化資訊,允許它們以超過 247,520 種不同的組合使用,並適用於各種農場,具體取決於他們的能力和願望。解決農業高產生產量類型過渡問題方法,在於逐步解決技術選擇的問題。並根據特定資訊對每個特定農場的重要性進行排序,以消除(減少)對農產品生產者生活的負面影響。