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无人渔场引领农业智能化

发布时间: 2020-07-27 12:18   作者: 李道亮   来源: 机器人产业杂志

  一直以来,在水产养殖业中,装备数字化程度低,实时精准测控技术缺乏,导致劳动生产率和资源利用率低、劳动强度大、养殖风险高,严重制约了水产养殖业的可持续发展。但随着人工智能等技术的发展,无人渔场正在为水产养殖业带来新的可能。在第四届世界智能大会上,中国农业大学教授、长江学者李道亮,从无人渔场的战略需求、无人渔场的技术方向、无人渔场的主要形式,以及无人渔场发展策略四个方面阐述了无人渔场是如何引领农业智能化发展的。

  无人渔场的战略需求

  为什么要发展无人渔场?本文以渔业为例,实际上无人农场也是一样的。

  劳动力成本大幅提升、老龄化严重。当前,我国的劳动力结构正在发生历史性的变化。现在一线养殖人员平均年龄55岁,60后和70后是养鱼行业的主力军,但随着年龄的增加,他们将会慢慢地退出历史舞台,而年轻一代的劳动力不愿意从事体力劳动为主的传统渔业。所以再过30年谁来养鱼?这是我们面临的一个重要问题。

  资源约束大,劳动力生产率低。世界上最发达的国家之一——挪威,一个人一年可以产200吨鱼,而我国目前只能达到7吨的水平。核心原因就是我们的技术水平、装备水平比较低,导致劳动生产率比较低,这也是我国面临的一个基本问题。

  养殖生态环境恶化。由于我们现在的传统养殖是靠经验、体力、最传统的设施,没有水处理的条件,会导致过量的鱼饵、渔药的施用,进而导致水质的污染,造成生态环境的恶化和病害的发生,这也是摆在渔业面前的一个主要问题,所以必须改变这种方式。

  “五化”道路

  那么,水产养殖路在何方?随着老一代劳动力的退出,新生一代不愿意从事这种劳动强度比较大的生产方式,我们必然要走一条资源节约、产出高效、环境友好、产品安全的道路。这条道路的前提就是要高效、绿色,有且只有一条路,那就是“五化”道路。第一是装备化,装备代替劳力,使人的劳动强度降下来。第二是数字化,装备必须是数字化的装备,使投饵、增氧甚至渔药,以及水处理实现精准化。第三是网络化,这些数字化装备需要联网,只有联网才能实现数据的共享,为大数据的产生创造条件,为精准提供一个基础。第四是智能化,在大数据的基础上和人工智能融合,实现决策的智能化、控制的智能化和传统装备的自动化,这样就可以完全实现装备对人的替代。最后是无人化,这是中国渔业未来的发展方向,也是渔场未来的发展方向。

  转型升级—“渔业1.0—渔业4.0”

  针对这样一个基本命题,我们提出了渔业4.0的基本概念。

  渔业1.0主要还是传统渔业,依靠人力、手工工具和经验进行养殖。渔业2.0目前用得比较多,它是设施养殖,里面有装备、机械、设施来实现养殖的集约化和机器对人的部分劳动的替代。渔业3.0是在装备数字化、网联化和部分环节决策智能化的基础上形成所谓的智慧渔业。这个智慧渔业实际上是以数字化为基础,以在线化、网络化、精准化为目标,实现资源、环境、装备、养殖过程的全方位优化,这样一种生产方式就是智慧渔业。渔业4.0实际上指的是无人渔场,达到装备对人的全部替代,人不参与到生产过程中,实现无人化。

  从历史上发展来看,渔业4.0,也就是无人渔场的实现还需要几十年的时间,为什么现在就谈这个技术?我们希望现在开始进行这种实验示范,为未来无人渔场真正的市场化全面推广奠定基础。无人渔场的实现多方面的技术,比如传感技术、模型技术、人工智能技术,这些技术的核心是买不来的,必须靠我们自主研发,最后来支撑无人渔业的到来。

  无人渔场的技术方向

  接下来介绍无人渔场主要的技术方向。

  具体而言,什么是无人渔场?在没有任何人进入渔场的情况下,由设施、装备、机械、机器人完成从巡检、增氧、投饵、日常管理直至收获的全部作业流程,实现这样养殖方式的渔场称为无人渔场。

  无人渔场的基本原理是通过物联网技术,获取各种环境数据、装备数据,以及养殖的鱼虾蟹等动物的数据,把这些数据通过无线传输到云平台上,在云平台上进行计算,然后对执行装备,比如投饵机、增氧机、巡检的机器人或者无人车进行控制,实现对人工作业的完全替代,或是自主作业。

  无人渔场的技术包含若干个研究方向。

  第一个是信息获取,我们要实现各种信息的实时获取。这些信息包括环境,比如水的环境、空气的环境;养殖动物的信息,比如鱼的各种行为,是否饥饿、有没有疾病,根据这些信息对它进行特征的提取和识别;此外还有对装备信息的实时获取,比如投饵机的工作状态、增氧机和循环水处理设备的状态、运输车的状态,以及捕捞设备的状态等,从而对这些装备进行控制。因此,信息获取是排在第一位的。

  第二个是信息处理。当信息获取之后,必须要经过大量的数据计算才能对执行装备施以精准的作业。这主要包括三个方面:对鱼类的生长状态进行监测,查看其是否正常;对鱼类的生长进行模拟,以知道它们的最好生长状态;把这两个数据进行对比,就是将现在状态与最优状态进行对比,控制相关装备,让现在状态向最优靠近,这是信息处理中一个重要需求。

  第三个是装备。要实现机器对人工的完全替代,必须对装备进行精准的控制。在信息获取和信息处理的基础上,将装备变成数字化的、可变频的、可精准调控的,甚至有一部分设备是可以自主作业的。这样的技术是装备方面的一个重要需求。

  无人渔场是新一代信息技术的高度集成。主要包括四大类:物联网与5G或者将来的6G,实现数据的获取;大数据实现精准的数据处理;基于大数据的人工智能使各种作业实现精准;智能装备与机器人完成作业。

  具体来讲,物联网的技术方向主要用来获取数据,包括精度、可靠性、状态、视频等方面。例如传感器,对于水里的传感器要求它能够实现水的各种参数的精准获取,并且保证这些数据是可靠的。在通信方面,由于养殖场里有很多池塘、网箱,以及有近海、深远海的养殖平台等,就牵扯到各类通信,该如何实现自由的跨网适配,这些技术都是在无人渔场里面需要大力研究的。

  大数据技术的技术方向主要用于建模清洗、水质参数的精准预测和处理、水产动物生长模型的精准调控,还有图像处理、能源管理、设备故障诊断,以及作业的决策支持等,这些都属于水产大数据的应用方向。

  人工智能的技术主要是在大数据处理的基础上,加上人工的知识和经验,相当于基于实时数据和知识,还有学习融为一体的智能技术。将智能机器人应用于整个农业生产智造链,意味着更大范畴上的人机共融。

  最后是智能装备与机器人,要实现无人渔场,就要实现将现在所有工人进行的劳动用机器来替代。在水产养殖中,尤其是增氧、投饵、循环水处理、分鱼、运输车、收获等,针对这些目前主要由人工来完成工作,如何实现智能控制,这是一个很重要的研究方向。机器人实质上是对渔场养殖工作的一些辅助,对于水下机器人来说更是如此。在水产养殖特别是深远海养殖时,人工是很难下到深远海中的,这就需要机器人完成目标的识别、路径的规划、导航、作业的控制,以及它本身的动力系统管控等。这些方面是非常值得研究的,尤其是水下和地面上存在着显著的差异性,其中的技术方向也是非常重要的。比如目前在水产养殖中海参的捕捞、死鱼的捡拾、网箱的巡检,以及水下鱼类、虾类、蟹类的生长监测等都需要无人技术的支持。

  无人渔场的主要形式

  无人渔场的主要业务按照生产规律、生产要素可以分为以下几个方面:无人精准饲喂系统,自主投喂机,或者池塘养殖中可以部分使用无人机;无人循环水处理系统,水处理过程中是如何实现装备的自动化、智能化,确保水质的安全;水质环境监测调控系统;无人巡检系统,这是非常重要的系统;无人自动收获系统。

  基于上面的分析,无人渔场的主要形式可以分成以下几个方面:

  无人陆基工厂养殖。在水产养殖中如何把工厂化养殖的技术实现人工的替代?主要挑战在于突破基于基因与鱼类表型大数据的智能化育种技术;突破循环水设备状态动态识别与故障诊断关键;研发适用于不同场景的变量智能投饵机;研发用于循环水养殖工厂巡检与日常管理机器人,实现养殖场无人值守。

  无人池塘养殖。主要挑战在于突破循环水环境参数低成本、高可靠微纳传感技术;研发适用于不同场景的变量智能投饵机;循环水设备状态动态识别与故障诊断关键技术;研发基于大数据和物联网的池塘群优化管理与决策平台,有ANF巡检无人机,实现池塘养殖远程管理。

  深水网箱、海洋牧场养殖。目前这一方面的需求特别迫切,因为在深远海中进行人工作业是不现实的,因此更需要把监测、投饵、巡检还有收获、捕捞等环节实现无人化。主要挑战在于研究北斗卫星、无人机、水面传感网三位一体的海洋生态环境多源传感器数据融合技术;研发基于水质、摄食行为、剩饵等多源信息融合的超大型智能投饵系统,实现网箱养殖的精准投饵;超前布局深水网箱水下检测、死鱼回收、网衣清洗、网衣提升、活鱼驱赶、捕捞收获等机器人技术。

  无人渔场发展策略

  无人渔场是未来的发展趋势。从发展战略上来说,无人渔场的实现一定要在技术上取得重大突破,在政策上给予相关支持,在发展机制上进一步完善,这是一个基本的战略目标。因此,无人渔场的发展对推动人工智能在渔业的应用是非常重要的。

  基于此,我们需要在以下五个方面发力。

  第一个方面是提前布局新一代信息技术研究。准确把握无人渔业技术的切入点,加强基础研究和“卡脖子”技术研究。设立专项补贴撬动社会投资,推进物联网、大数据、人工智能、机器人等新一代信息技术在渔业领域研究和应用示范;推进芯片传感器、基于人工智能、大数据的生长调控模型等“卡脖子”关键技术投入。

  第二个方面是产业拉动。龙头企业承担引领行业、率先推进、提升现代农业的责任,引领行业和区域发展。充分发挥物联网、大数据、人工智能、机器人等龙头企业、明星企业的优势,全面进军渔业4.0;开展大规模试验示范。

  第三个方面是体系支撑,打造渔业4.0技术产业生态圈。无人渔场实际上是智能装备产业、现代信息技术产业、新一代信息服务业的系统集成,所以要围绕无人渔场打造产业的集成。

  第四个方面是加强产学研联合体。要推进产学研的融合,尤其是协同创新平台的搭建,政府、高校、科研院所、企业共同推进无人渔场的实现。

  第五个方面是人才为先。培育信息化人才,推进现代渔业。无人渔场的实现涉及到物联网、大数据、5G、人工智能和机器人,其中人才的培养是最为重要的。我们要通过人才的培养来推进无人渔场的实施。

  最后,无人渔场的实现需要万众一心、众志成城、开拓进取、携手共进,为推进和实现渔业无人化做出努力。

  (本文根据“第四届世界智能大会”演讲内容整理而成,未经演讲人审阅)

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