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數位農業-它的真正含義是什麼

歐洲農業機械行業對數位農業的願景是什麼?

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

 CEMA aisbl - European Agricultural Machinery Diamant Building, Bld A. Reyers 80, BE-1030 Brussels T +32 (0)2 706 81 73 - F +32 (0)2 706 82 10 secretariat@cema-agri.org - www.cema-agri.org

 Digital Farming: what does it really mean?

And what is the vision of Europe’s farm machinery industry for Digital Farming?

13 February 2017

 1數位農業:它的真正含義是什麼?             

1.1引言       

數位農業描述了農業和農業工程學,自精準農業到基於知識的互聯農場生產系統的演變。數位農業(Digital Farming)利用了精準農業(Precision Farming)技術,此外,還利用智慧網絡和數據管理工具。在數位農業該目標是要使用所有可得資訊和專業知識,以實現可持續的自動化農業流程。

當向公眾提供GPS信號時,精準農業便開始了。Precision Farming可實現車輛導航和針對特定地點的監控。結合遠程資訊處理和數據管理相,精準農業提高操作的精度,並且允許管理田區(或在畜群)的變化。目的是要得到各植物(或動物)所需恰好要最佳地增長。其目的是提高輸出農作物同時減少了輸入(=產生多與進入少)。

2010年代初,由於新技術的發展,例如廉價和改良的感測器,制動器和微處理器,高寬帶手機通信,基於雲端的ICT系統和大數據分析,促進了精確農業。結果,數據不再僅僅從所使用的農場設備中獲取,而是以新算法提供了新服務,以將數據轉化為可操作的情報。

數位農業在結構上類似於工業4.0”的概念。但是,農業生產過程中的參數與工業過程有些不同,因為農業很大程度上是由自然和生物學因素決定的。因此,在本文檔中,我們使用 數位農業術語。1

1.2範圍       

數位農業涵蓋了農業的各個方面。但是其主要重點是耕作和畜牧業的初級生產。初級生產主要由農民和農業承包商(以下稱為最終客戶)進行。

1.3連接智慧機械       

由於農業生產過程的內在複雜性,所涉及的眾多商業夥伴以及資訊的不同來源,在數位農業中出現了廣泛而差異化的通信結構。1說明了農場級別的數位化農業格局。

為了使數位農業成為可能,必須滿足兩個中心前提:

智慧機器- 機器必須能夠接收,發送,產生(通過感測器)和處理數據。

連接的機器- 通信和介面標準必須允許機器之間,與業務夥伴以及數據門戶之間的無縫數據交換。

1.4數據管理與所有權       

在數位農業的背景下,數據管理是極其重要數據數量必須保持可控,並且如以上所敘述的內容是可控的。傳送管理數據到一個數據門戶它更容易控制與處理資訊流。農民決定訪問權限的分配,並決定哪個合作夥伴可以接收哪種數據。通過這種方式,農民可以保留的數據所有權

 

2數位農業:通過數據增值             

甚至當使用感測器和最佳化的控制演算法時,單個設備也已達到技術成熟度水準,與數據演算法提供的更大的最佳化潛力相比,進一步的改進受到了限制。以汽車設計加以理解,汽車設計最初只考慮速度,在到達一定的技術點,如果它總是發生在相同的路線,該汽車將不會更快到達它的最終目的地,然而新科技根據實際交通情況實時最佳化GPS路線,可以最佳化流程並縮短實際旅行時間。

數據是為歐洲農業部門提高生產力和持續保持競爭力的關鍵因素,在一個全球性的環境。在食品生產鏈作為一個整體,數據是用以證明食品安全和生產方法符合法律規範的關鍵工具,達到社會期望。隨著提高透明度和可追溯性,將有可能生產出更多更好的糧食以滿足不斷增長的人口,同時減少對環境的碳足跡。大量數據已存在可得,然而數位農業代表可以從這些數據中創造可觀的附加價值:

1.數據是技術的推動者:數位農業使其他精確農業工具更好地工作。例如可變速率技術(VRT)最初用於對土壤採樣,最初被限定於處理少數土壤樣品,但是隨著產量監視輸入得到改善。下一步是使用基於來自多個田間數據的演算法,並考慮到與田間本身不直接相關的參數(例如種子特性和環境條件),以改進機器行走。             

2.改進生產過程:對於終端客戶,連接的生產過程中,連同上述(部分地)自動收集和針對性的分析數據,允許一個完全新的,透明的和當前的操作狀態的即時評估品質,提供用於操作新的控制機會。             

3.決策支持:對於數據處理,與特定的數據分析,專家系統可提供給最終客戶。這原來是難以或不可能由個別農場通過內部數據處理實現。換句話說,農民現在可以利用外部合作夥伴達到迄今未有的知識水準。             

4.數據交換/基準測試:與外部合作夥伴的網絡相連,尤其是資訊和數據的自動整合,導致了相當廣泛的知識庫。因此可用以進行有根據的快速決策。這些價值(演算法)是基於生產鏈其他領域中收集的數據所創建的。             

5.最佳化農場營運,投入和產出:針對田間和環境條件,最佳種子,以針對工作最佳設備。數據用於通過附加服務來增強這些輸入產品的性能。             

 

數位農業已經是現實作業中的一些方面工作:例如GPS導引系統,用於控制流量,定點施肥或植物保護措施,可在使用專有的基於雲端的連接完整的生產/輸入週期。然而自動化數據處理和完全整合,協調一致的網路,將為農業和農業機械提供一個並非遙不可及的未來。需要所有有關方面的專心致志,以實現這一未來願景。

 

3農業機械行業對數位農業的願景             

作為為農民和農業承包商服務的行業,農業機械行業完全致力於實現數位農業的概念,並不斷改進和發展它。農業機械製造商首先將開發重點放在適合數位農業的高效機械。換句話說,該行業致力於與農場的數位基礎設施兼容機器的開發,並且可以為生產過程的最佳化做出必要的貢獻。

 

數位化智慧農機必須具有:

1.能夠通過適當的感測器和通信硬體發送和接收資訊。                

2.促進自動化操作。                

3.實現機械的最佳利用。                

4.協助駕駛員。                

    

然而對於過去,該行業的主要重點是在該農場機器本身最佳化,這種關注已經現在逐步轉向,由最優整合的的農場機器進入了生產系統(作業流程最佳化)。

其次,農業機械製造商正在從硬體區域轉向面向服務的方法。數據不只是對於農場作業提供服務,但也用以提高車輛的性能。數據使設備更適合工作,並通過增強維護來增加機器的正常運行時間,並減少計劃外的停機時間,從而降低了農民的營運成本。

為了使農業機械製造商沿著這一發展道路前進。重要的是在最終客戶同意的情況下,獲得與農業機械有關的數據的訪問權,以便:

1.支持機械的使用,例如通過提供用於最佳化機械設置的數據。     

2.從利用率數據中得出最佳化的機械設計。             

3.促進機器對機器(M2M )通訊,以允許農機與另一個農機進行通信。以提高它們的與附加情報處理以增加知識與效率。             

4.認識到其他需求,例如與功能或駕駛員訓練有關的需求。             

5.從數據管理系統收集數據,例如準備最佳化種子播種以及肥料和植物保護產品的施用應用圖。             

6.使用獲得的數據來記錄完成的工作和使用的資源,例如通過產量圖和應用當前狀態圖。             

7.制定其他報價,例如在諮詢或服務領域。    

         

為了實現這些目標,農業機械製造商將與數據門戶建立網絡,從而提供數據交換的可能性。如有必要製造商也可以自己提供門戶以提供農民的可持續利用。十分重要的是:

1.不同的數據系統相互連接。             

2.最終用戶,即是作為數據的所有者,能確定數據量,數據類型(例如土壤,產量,機械等)的時間階段,以及他們希望通過門戶與之交換數據的合作夥伴。             

3.以透明的方式處理數據。             

4.以安全可靠的方式進行數據交換和處理。             

5.數據元素應定義明確,可藉由一個廣泛接受的通用數據模型。             

 

 4為客戶和製造商帶來的附加價值             

對於最終客戶而言,數位農業的主要優勢是從感測器,機器和其他來源獲得的大量資訊和知識基礎(與獨立品牌)。利用數據門戶可以帶來特定的好處,例如:

1.整合設計的農場數據處理解決方案代表該數據(例如主數據)只有一次輸入並保持。             

2.可以自動進行數據收集,而最終客戶不必人為輸入數據。             

3.一致的數據可舞提高決策品質。             

4.減少內部數據處理的複雜性和成本           

5.有是更加快速開發的高性能技術農場不須投資。            

6.專業的門戶提供商在數據保護和安全方面具有很高的安全標準。             

7.數據活動性大大增加,可直接在現場進行資訊有關的生產。             

8.農民可以利用來自外部各方的知識(基於演算法)。             

  

對於農業機械製造商而言,與數據門戶建立網絡還可以提供其他優勢,例如:

1.與最終客戶建立更好和更緊密的關係。             

2.使用來自車輛和價值鏈參與者的數據,來最佳化產品和內部流程。             

3.通過智慧網絡有更高的機器效率,包括生產成本和環境的保護。             

4.可利用其他數據門戶合作夥伴提供的資訊。             

5.為支持者和經銷商提供最佳化流程。             

6.與設備或農作物過程中提供有關的非物理服務,以擴大產品供應。例如在機器維修,諮詢服務等領域。             

 

作為回報,農民將獲得如下農業設備:

1.更適合這份工作。       

2.更高生產力。             

3.增加了正常運行時間,減少了計劃外停機。             

4.帶有增強自動化功能,可降低諸如農用化學品的投入成本。             

5.提供數據以進一步最佳化農作和物流流程             

 

5.成功的數據門戶網站的5個因素             

對於最終客戶而言,使用數據門戶時,重要的是他們不受決策範圍的限制。擁有所有必要的工具,可以從數據中創造價值。因此,在選擇數據門戶時,他們應檢查以下標準:

 (1)控制權的安全性和所有權             

a.保護個人和營運數據免受物理和邏輯錯誤以及未經授權的訪問。

b.數據處理和訪問權限控制中的透明度。

(2)設計的可能性,例如             

a.數據門戶網站對合作夥伴開放(例如通過跨製造商標準)以及添加或拒絕合作夥伴的可能性

b.玩家連接到總體生態系統(平台)

c.模塊化概念,允許分階段實施

d.簡單,多媒體操作

(3)可用性和性能             

a.確保數據門戶網站的永久可用性和性能;

b.數據傳輸自動化;

c.服務合作夥伴的現場支持;

(4)數據可移植性             

a.將數據從門戶移回內部數據處理,或轉移到另一個門戶的技術和經濟機會;

b.利用標準

(3)整合能力             

a.使用數據門戶網絡進行內部數據處理的前提條件。

 

門戶是用以來訪的,平台是用於建築物。通過門戶網站的用戶將擁有訪問權限來運行應用程序(接口功能)開發上的平台。還有可用作為開放平台。在計算中,一個開放的平台描述了一種基於開放標準。例如允許使用該軟體發布和完全記錄外部應用編程接口(API)的軟體系統,此功能在其它方面比允許原始程序員修改,而不需要修改原代碼。使用這些接口,第三方可以與平台整合以添加功能。但是,開放平台並不意味著它是開放的,並且大多數開放平台都具有API的多種實現。

 

對於CEMAAPI,正確的平台安全協議和跨平台標準化的通信接口,那是成功部署數據門戶的關鍵要素。

 

6數位農業的框架條件             

對於農業機械行業而言,最終客戶(農民)可以自由決定各個產品,並可以組合不同製造商的機械。這一點一直十分重要。這是通過統一的接口標準可以實現如同三點懸掛或拖拉機與機具之間的標準連接。

在以下方面可以自由選擇:

選擇數據門戶;             

a.在門戶上確定與之合作的合作夥伴;             

b.必須能夠在門戶之間交換數據             

d.在購買機器的使用相關的定向應用軟體。自由選擇機器的的農場必須也可以保持在最終客戶中的框架的進行數位農業。             

為了使農業4.0成為現實並在各級(製造商,經銷商和農民)公平競爭的意義上發揮其全部效益,並激發創新和競爭能力,仍需要以下前提條件:

a.智慧互聯機器的可用性;             

b.互操作性用於通信(設備,機器,FMIS,雲端,平台等)。

  

AEFAgGateway被認為是關鍵,以促進互操作性中的初級農業生產鏈。由於幾十年的ISO-11783 ISOBUS)建立標準可適用不同的拖拉機和農具。因此成立了一個獨立的國際組織農業工業電子基金會(AEF),以實施和進一步增強ISOBUS。但隨著時間的推移,其工作被擴展至包括其他重要領域如電力驅動器,攝影機系統,農業管理資訊系統,高速ISOBUS和無線電場通信發展準則,並將獲得的知識轉移到ISO級別。目前在AEF190多名成員,支持並積極合作。

除了交換有關田間和作物作業的農業特定數據外,還需要與供應鏈中的其他參與者進行標準化的標準化交易。AgGateway是公認的國際組織,致力於為農業提供資訊通信技術的使用。AgGateway目的在於通過協作概念在全球範圍內擴展電子商務標準和準則的使用。AgGateway收集和共享什麼是工作在各地區的的世界,通過對使用的AgGateway的智慧財產,以促進全球電子商務企業,並合作開發那裡的具體需要必要的標準存在。

AEFAgGateway聯手為數位化農業制定數據交換標準的未來證明。AEFAgGateway之間合作的附加價值在於不同專業知識領域的融合。它可以覆蓋整個數位農業領域。圖2說明了各個專業領域。在重疊區域(以灰色突出顯示)組織一起工作,以向對齊的發展和共同接受的這些數據交換標準:

a.數據權農民對數據所有權的保證(通過公共法律法規和合同法);             

b.連接性適當的數位基礎架構(例如網絡覆蓋範圍和傳輸速率);             

c.訪問訪問現有數據庫的機會(用於氣候/天氣,土壤等)。             

d.數位技術培訓,工具,客戶網絡,服務技術人員,顧問             

e.調整政策以採用農業4.0技術             

 

附件:定義農業4.0”數位農業的術語

農業1.0

情況在早期20世紀。農業勞動密集型系統,生產率低下。它是能夠以養活人口。但需要一個龐大數目的小農場,和三分之一的人口在初級農業生產的活動。

農業2.0

農業的這一階段廣為人知,被稱為綠色革命。始於1950年代後期,當時農業管理實踐(如補充氮肥)和新工具(如合成農藥,化肥和更高效的專用機器)使人們能夠利用相對便宜的投入物,顯著在各個層次上提高產量潛力並擴大規模回報

 農業3.0

一旦軍事GPS信號可供公眾使用,便開始了精確農業

 精準農業需要以下解決方案:

1.導引:1990年代中期的早期,採用者使用GPS信號進行手動指導。他們建立進一步的技術用於在空中噴灑。第一個自動轉向解決方案出現在90年代後期。在2000年代,指導精度提高到1厘米。             

2.傳感&控制:在所述20世紀90年代,聯合收割機被配備有基於GPS位置監視器。第一個自動可變速率應用程序(VRA)技術同時啟動。低肥料價格和高昂的技術成本最初限制了可變速率技術的採用。早期,VRA只是基於土壤採樣輸入。但是由由基於產量監控器收集的數據的處理,其性能得到了極大的提高。             

3.遠程資訊處理:遠程資訊處理是一種用於監視車隊的技術。它出現在早期的21世紀,和運輸行業。它是基於對手機技術,並允許農場物流流程的最佳化。             

4.數據管理:80年代初期PC誕生以來,耕種軟體已變得廣泛可用。 精準農業提高了操作的準確性,管理了田間變化,而不是將田野作為一個整體,管理動物而不是畜群。其目的是給每家植物需要成長最佳條件,與該目標最佳化了農業產量,同時減少資材輸入。

 農業4.0

基於以下幾種技術的演進,可以在2010年代初觀察到精準農業的新發展:

X1.廉價且經過改進的感測器和執行器             

X2.低成本微處理器             

X3.高帶寬手機通信             

X4.基於雲端的ICT系統             

X5.大數據分析             

 

    2010年代起,智慧技術也越來越多地作用於曳引機,聯合收割機和其他設備的標準配置,例如:

X1.慧控制設備(車載電腦)             

X2.對機器的操作和農作生產的許多感測器             

X3.先進的自動化功能(導引,種子播種,噴灑等)             

X4.嵌入在車輛中的通信技術(資訊技術)             

 此外,還引入了以下現象:

1.物理產品已得到增強,另外非物理服務與新的演算法正在開發,將數據轉化為增值資訊,以農作過程中最佳化產品,降低機械故障等的外部影響的風險和限制漏洞,天氣與疾病。                

2.農業生態系統的興起,其平台結合了來自野外/農場或外部來源的多種來源的數據(無論是感測器還是設備)。農民通過具有即時或接近即時資訊的控制板監控其操作,並基於量化的假設做出決策,以增加財務結果。                

3.不同作業者共同提升農業和糧食價值鏈。數位數據是在團結下生態系統參與者提供價值食品供應鏈。基於同樣的數據,服務供應商提供不同的服務。                

    

農業設備已經成為一個由許多元素產生的完整的生產系統,但是一種突出與重要的概念。它不僅是最大的數據生成器,還是數據平台和農業模型生成的計劃和地圖的執行者。

這種演變發生在平行與類似的演進中的工業世界,在那裡它被標記為工業4.0”,因此,該術語在農業使用為農業4.0”

 

經常使用的其他術語是智慧農業數位農業。它基於農業中智慧技術的出現。智慧設備包括感測器,執行器,數位大腦和通信技術。

 

為了不混淆現有術語,本文檔通篇使用了數位農業一詞,指的是基於數位數據和數據管理的精確農業的最新發展。

 

農業4.0為無人操作和自主決策系統的組成,為下一次農業發展鋪平了道路。

農業5.0將基於機器人技術和某種形式的人工智慧。

 

 Note:數據標準化有待加強。如果沒有統一標準,物聯網技術就失去了價值,這也正是數據的價值。目前AgGatewayOADA正在研究農業數據標準化問題。AgGateway是一家非盈利性的商業聯合組織,致力於推進電子商務在農業領域的發展和推動信息和通信技術在農業的使用。OADA是一個幫助農民全面、安全獲取數據的開放式項目。美國農業與生物工程師協會(ASABE)也在支持這項建立農業數據標準的工作。