數字化技術賦能蘋果果園精準生產管理

楊劍超 趙浩健 劉 偉 李淑平 楊魯光 張煥春*

（1山東省煙臺市農業科學研究院，山東煙臺 265500；2天津農學院，天津 300384；3蓬萊市農業農村局，山東煙臺 264009；4萊州市農業農村局，山東煙臺 261437）

蘋果是我國北方地區面積最大的果樹門類，由于其經濟效益較高是許多地區的農民增收的主要途徑，但是由于我國鄉村從業人員近年來老齡化嚴重，對于蘋果生產人工的依賴度要求越低越好，所以需要借助于數字化信息技術實現對蘋果栽培和管理過程中的精準管理。本文提出了基于數字化蘋果園管理的三個層次，并根據三個層次提出相對應的架構設計，為果園邁進數字化提供參考。

蘋果是我國第一大水果品種和第一大出口水果，有140多年的歷史，蘋果也是我國最早放開市場的農產品之一，生產、流通、加工、貿易各個環節產業鏈齊全完善。進入到2010年前后，由于蘋果生產的勞動力缺乏等問題，開始參考歐美結合日本，轉變傳統喬化果樹栽培，推廣矮化果樹，大量引入歐美的機器方案，實現果園的機械化，并逐漸加入信息化管理要素，為數字化果園的發展提供了基礎。

數據作為新型生產要素，是數字化、網絡化、智能化的基礎，已快速融入生產、分配、流通、消費和社會服務管理等各個環節，深刻改變著生產方式、生活方式和社會治理方式[1-5]，數字技術與農業產業的深度融合已成為產業轉型升級的重要驅動力。2020年農業農村部發布的《數字農業農村發展規劃（2019-2025年）》明確了新時期數字農業農村建設的總體思路和發展藍圖，要求以產業數字化為主線，全面提升農業農村生產智能化、經營網絡化、管理服務高效便捷化，以數字化引領驅動農業農村現代化，為實現鄉村全面振興提供有力支撐[6]。

我國數字經濟與農業融合發展已經日趨成熟。從2013年“寬帶中國”上升為國家戰略以來，農村寬帶覆蓋率逐年提升，至2019年，我國行政村4G覆蓋率超過98%，實現了全球領先的農村網絡覆蓋[7]。隨著我國5G新基建和北斗衛星系統的建成和完善，可用于農業觀測的高分辨率遙感衛星部署完成，農業遙感、導航和通信衛星應用體系初步確立，農業物聯網監測系統不斷得到推廣和應用，為農業生產數字化提供了基礎保障。特別是2018年后，全國蘋果主產區的各地市都朝向數字化發力，例如山東省開展了數字化果園認定，讓數字果園的管理有章可依，更加規范。

1 數字技術賦能果園發展的三個層次

數字化信息技術賦能果園生產精準管理，隨技術發展和資金投入和技術成熟水平，分為三個賦能服務類型，從信息本體服務，到信息規劃管理，再到信息智能化管理三個服務類型，功能和服務依次遞進。

1.1 物聯網信息監測型賦能服務

1.1.1 果園物聯網系統物聯網是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、 連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡[8-12]。

目前應用于果園的物聯網設備主要分為環境類傳感器和生物體傳感器兩種，環境類傳感器主要為監測空氣溫度、濕度、光照、二氧化碳、降雨、風力和監測土壤水分、溫度、ec的傳感器；生物體傳感器包括植物莖桿粗度、莖桿液流和葉片濕度及光合作用等傳感器。然后利用有線或者無線的方式組建信息采集平臺，并由平臺給終端手機或者電腦等發布實時的信息，用戶可以根據信息做出自主判斷，執行農業操作[13-18]。

以上兩種傳感器多由工業傳感器的改型而成，網絡也是基于工業總線轉化，我國農業物聯網應用較廣的為rs485總線的傳感器，在無線網絡主要采用蜂巢電話的2G/4G技術和以WIFI/LORA為代表的無線局域網技術為網絡載體，不論傳感器、網絡和平臺，大都是采用開源框架。相對歐美等大的農業物聯網集成供應商，我們的農業物聯網體除了造價成本和組網門檻較低外，不論硬件還是軟件都較國外基于can總線等方式的農業物聯網系統有較大的差距，主要體現在系統的穩定性、傳感器精確度和壽命上。

但是近幾年我國的基于開源的物聯網平臺發展迅速，組網和程序設置的門檻也再次降低，雖然在繼承性產品的熟化程度落后于國外，但是在應用成本，在快速組網布局、研發新的應用模式方面遙遙領先于國外，也為物聯網小型化農業傳感器的大規模零售化推廣應用提供了新的機遇。

1.1.2 蘋果物聯網系統賦能果園精準管理應用數字化傳感器對于了解蘋果栽培環境等信息至關重要，首先是利用氣象信息實現對果園氣象災害的提前預判，特別是近地表的傳感器可以捕捉自有園區小氣候的特征，對于霜凍、冰雹等災害具有一定的前瞻性預報推送，彌補氣象災害造成直接或間接的損失，另外利用土壤傳感器可以得到果園的水分情況，為果樹進行人為水費調控提供了科學依據，物聯網+傳感器的組合是數字果園的基礎。

1.2 數字化輔助管理賦能服務

1.2.1 現代化果園的管理特征現代化果園的管理較傳統果園的管理，有著本質上的不同，傳統果園的管理一般是由農戶依據不同時令的操作規程進行，肉眼對果園的經驗判斷進行施肥、打藥、除草等操作?，F代化果園，除了具備不同時令的操作規程外，由于果園面積大，農機具數量多，在進行農事管理和操作過程中，都需要合理進行統籌規 劃，另外，現代化果園通常由農業專業機構進行公司化運營，從業人員也劃分為長期工、臨時工、農機師、農藝師和經理等職位，所以在不同任務和不同人物之間也存在協調關系，只有確保人、機、物的高效協調，才能降低人力、能耗、管理成本，這些離不開數字化信息技術。

1.2.2 數字化信息技術賦能果園人機物精準管理首先，在對園區人員和農機的管理上，數字化信息技術通過考勤機可以實現對工作人員的考勤管理，另外通過衛星定位技術可以實現對人員和農機的實時定位，方便對人員和生產機械進行調度。

另外，通過對區域標簽，可以實現農業操作和被操作物的標記，并在系統中進行記錄，從而實現在生產過程中進行溯源，溯源不僅可以記錄農事操作軌跡，還可以協助管理農資投入品信息，人員責任追溯等，讓果園管理場景更加透明化。

同時，配合物聯網環境、土壤和生物等傳感器信息，可以針對果園的農事操作構建作業模型，用于實現園區人員、農機統籌管理和農事操作信息與決策信息自動掛鉤，實現系統督導，信息系統自動化輔助決策的管理模式。

1.3 數字化技術賦能果園管理的無人化水平，促成無人果園的實現

1.3.1 無人化果園的前提基礎首先，無人化果園的基礎是機械化果園和數字化果園，缺一不可。機械化是為了通過農機機器人來代替傳統人工作業農機具，數字化是實現機械對園區感知的前提，只有及時獲取園區的植物、環境、機械等信息，才能構建起機器人的感知系統。

另外，有了硬件的條件，軟件決策分析系統也不可缺乏，并且必須依賴于人工智能技術。傳統的計算機決策分析通過簡單的機械學習可以為水肥機、割草機、彌霧機等制定行走路線，但是并無法與果園每日都在變化的狀況適應，所以必須依賴于日益更新的視覺技術，結合物聯網信息和近地遙感等信息，共同組成智慧機械的感知系統，從而實現精準的判斷。

越來越多的實例證明，果園的智慧化和無人化，需要依賴最新和最先進的人工智能技術和智慧化機械技術，包括無人駕駛車輛技術、無人機技術和多機械協同技術等，并且無人化農機技術必須建立在智慧化交通技術實現的技術下放基礎之上。

1.3.2 數字化技術賦能果園無人化管理截止目前，信息化技術實現果園無人化管理的最突出應用在于水肥管理，特別是目前市售水肥機的基本內核采用PLC控制，大多數都具備有通訊模塊，可以根據數字化信息進行變量決策，另外由于水肥操作除了控制繼電器開合實現配肥施肥外，對于農機并沒有其他操作，因此水肥機的智慧化決策操控相較其他農機無人化管理更容易實現。

另外，如果實現無人化果園，那么對于果園的數字化管理平臺的智慧化決策要求更高，必須有根據果園物聯網信息的通過算法提煉出的模型，推測出精準的施肥策略，實現對園區的調控。

2 數字化技術賦能蘋果果園精準生產管理的展望

2.1 物聯網技術日趨成熟為農業信息精準獲取提供更好的未來

隨著半導體技術和供電技術的改進，越來越多的以mems芯片傳感器為代表的新型傳感器得到應用，也為農業傳感器目前高耗能、穩定性差等突出問題提供了解決方案，并且傳感器和物聯網的成本價格也越來越低，這些都為農業物聯網硬件更新提供了新的方案。

另外，傳感器的研發不僅僅利用微電子技術，目前更多的研究希望利用熒光物質、化感物質等，在植物體內注入生物傳感器，為植物“造影”，并配合目前的表型捕捉技術，完善對植物的感知，實現生命體傳感器。

同時，日益更新的無人機技術和影像解析技術，打破傳統傳感器的固定式束縛，可以利用可見光和光譜航拍照片對果園進行冠層和土壤分析，從而實現從中等尺度對果園生產和管理信息的獲知。

2.2 越來越多的人工智能輔助產品技術可能下放到農業產生新應用

從目前人類工業發展水平來看，實現機器代替人工無法完全實現，農業生產場景相較工業更為復雜，所以短期果園操作過程中，很難實現無人采摘、修剪等成熟裝置的自動化。如何利用機器輔助來實現對人力和經驗需求的降低，也是數字化信息技術結合機械技術為農業帶來的突破點之一，其中應用于殘障領域的仿生外骨骼，可以作為人體輔助系統實現農業采摘搬運的省力操作，智能眼鏡通過AR應用，可以實現對果樹病蟲害的甄別、修剪枝條位置的判斷等，從而突破農藝操作對人員技術經驗的限制。虛擬現實技術同樣可以應用于農業領域，通過機械聯動實現遠程化農機具操作。

2.3 大數據技術的日益發展為農業也帶來無限可能

通過數字化技術在蘋果種植、管理過程中的應用歷史過程不難看出，數據的支撐作用越來越明顯，果園智能化發展水平不僅依賴硬件技術進化，更取決于人類對大數據的把控應用能力的升級。所以面向未來的數字化農業決策系統，將是一個由感知網絡、信息交叉、自主學習模型共同組建的人工智能平臺，不僅僅需要農業基礎信息，還需要市場、環境信息，服務于農業的綜合決策。