□ 陳一飛 田見(jiàn)暉 趙要鳳 張樹(shù)川

發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為不可阻擋的世界潮流。2021 年10 月18 日，中共中央政治局就推動(dòng)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展進(jìn)行第三十四次集體學(xué)習(xí)。中共中央總書記習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)加速創(chuàng)新，日益融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展各領(lǐng)域全過(guò)程，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有，正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋?jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵力量。要站在統(tǒng)籌中華民族偉大復(fù)興戰(zhàn)略全局和世界百年未有之大變局的高度，統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局、發(fā)展安全兩件大事，充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)。習(xí)近平同時(shí)指出，要推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展，把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向，推動(dòng)制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，利用互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全方位、全鏈條的改造，提高全要素生產(chǎn)率，發(fā)揮數(shù)字技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的放大、疊加、倍增作用。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)視角下的農(nóng)業(yè)數(shù)字化，也就是在農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中全面推廣數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的體現(xiàn)，而發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。

在我國(guó)，針對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化先后提出眾多以科技冠名的概念，如20 世紀(jì)80 年代的電腦農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，到20 世紀(jì)90 年代的智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)，再到面向未來(lái)農(nóng)業(yè)4.0技術(shù)的無(wú)人農(nóng)業(yè)等，層出不窮。但不可否認(rèn)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中，它們或多或少都體現(xiàn)了應(yīng)有的價(jià)值，也取得了一定的應(yīng)用效果。數(shù)字經(jīng)濟(jì)視角下，筆者認(rèn)為以上這些概念都可以歸為農(nóng)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)范疇。

一、相關(guān)概念辨析

在本文的開(kāi)篇有必要先對(duì)幾個(gè)名稱背后的基本概念、內(nèi)涵進(jìn)行探究和厘清。

（一）數(shù)字農(nóng)業(yè)≠農(nóng)業(yè)數(shù)字化

世界范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體和社會(huì)經(jīng)濟(jì)體是相互關(guān)聯(lián)的，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體為社會(huì)經(jīng)濟(jì)體提供食物、原材料、勞動(dòng)力等，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)體為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體提供生產(chǎn)資料、科技、財(cái)政等[1]，這是一種相互耦合關(guān)系。但就農(nóng)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，一般總是滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，每一次科技浪潮的到來(lái)都是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)體的成熟應(yīng)用后，再傳導(dǎo)到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體，因此農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展最終離不開(kāi)科技的支撐，也離不開(kāi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系的反哺。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)視角下，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)應(yīng)該如何與數(shù)字經(jīng)濟(jì)結(jié)合，其實(shí)是一個(gè)水到渠成的結(jié)果，這種結(jié)合體現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)體對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體的反哺，即對(duì)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中某些環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化改造和數(shù)字技術(shù)應(yīng)用推廣。一句話，自有了計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用開(kāi)始，其實(shí)也就引發(fā)了數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，但數(shù)字農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)數(shù)字化不是一回事。

數(shù)字農(nóng)業(yè)一詞是1997 年由美國(guó)科學(xué)院、工程院的院士們正式提出的，核心內(nèi)容是將信息作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素，用現(xiàn)代信息技術(shù)，如遙感、地理信息、全球定位、計(jì)算機(jī)、通訊及網(wǎng)絡(luò)、傳感、仿真等技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象、環(huán)境和全過(guò)程進(jìn)行可視化表達(dá)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。數(shù)字農(nóng)業(yè)使信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)有效融合，來(lái)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植、養(yǎng)殖生產(chǎn)及管理方式。因此，數(shù)字農(nóng)業(yè)更加側(cè)重用成熟的數(shù)字和信息技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)本體的描述與分析，也即在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的某些環(huán)節(jié)，如農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)字化模擬、分子育種的虛擬數(shù)字化仿真、種植養(yǎng)殖中的圖像分析與診斷、農(nóng)業(yè)種植中的空、天、地信息融合與預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)等。一句話，數(shù)字農(nóng)業(yè)可以解釋為農(nóng)業(yè)某些環(huán)節(jié)的數(shù)字化表達(dá)。

而農(nóng)業(yè)數(shù)字化是基于農(nóng)業(yè)的本質(zhì)屬性，針對(duì)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中甚至農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體中可以進(jìn)行數(shù)字化改造或數(shù)字化技術(shù)賦能的泛指。農(nóng)業(yè)體系包括農(nóng)業(yè)生物、農(nóng)業(yè)環(huán)境和人類的干預(yù)作用等，是一個(gè)客觀存在的復(fù)雜系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的本質(zhì)屬性是以動(dòng)、植物為對(duì)象的包括產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后三個(gè)環(huán)節(jié)在內(nèi)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，而動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁育是有其自身規(guī)律和對(duì)環(huán)境及能量需求互作的連續(xù)過(guò)程，即存在內(nèi)在的生理生化活動(dòng)。因此，從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的本質(zhì)角度看，有些環(huán)節(jié)或者規(guī)律是不能簡(jiǎn)單用數(shù)字化做本質(zhì)描述或引用簡(jiǎn)單的數(shù)字技術(shù)的。從科技賦能角度看，農(nóng)業(yè)的數(shù)字化應(yīng)該是泛指超越動(dòng)植物生長(zhǎng)的本質(zhì)生理、生化活動(dòng)以外的對(duì)動(dòng)植物從生長(zhǎng)到收獲、加工等環(huán)節(jié)可以施加“人為管控”的數(shù)字技術(shù)層面。以動(dòng)植物養(yǎng)殖和種植來(lái)看，與工業(yè)化系統(tǒng)不同的是，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)植物不是直接被“管控”的對(duì)象，而是各種養(yǎng)殖、種植技術(shù)施加后的間接的“受益”對(duì)象。故而農(nóng)業(yè)的數(shù)字化應(yīng)該描述成農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的不完全型的對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)“環(huán)境”和“條件”施加管控技術(shù)的數(shù)字化表達(dá)及應(yīng)用。因此，嚴(yán)格意義上講，農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)不是農(nóng)業(yè)的數(shù)字化表達(dá)。

總之，筆者認(rèn)為，數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)該是指數(shù)字化背景下、用數(shù)字來(lái)表達(dá)的農(nóng)業(yè)，包括把農(nóng)業(yè)做成虛擬化農(nóng)業(yè)來(lái)研究的仿真技術(shù)，而農(nóng)業(yè)數(shù)字化則是泛指對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)施加的各種技術(shù)（包括管理技術(shù)）的數(shù)字化描述及對(duì)應(yīng)的數(shù)字技術(shù)改造和應(yīng)用進(jìn)程。因此，農(nóng)業(yè)數(shù)字化應(yīng)該是我國(guó)目前乃至長(zhǎng)遠(yuǎn)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)。農(nóng)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)可以包含很多內(nèi)容，筆者認(rèn)為農(nóng)業(yè)數(shù)字化范疇中最具代表性的是智慧農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)在我國(guó)大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)給予足夠的重視。

（二）智慧農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同

智慧農(nóng)業(yè)（Smart Agriculture）側(cè)重體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中對(duì)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)加工、分析、仿真等研究，進(jìn)而生成對(duì)農(nóng)業(yè)知識(shí)的理解和生成決策判斷及對(duì)信息的管理，是以基于信息化技術(shù)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)是否更加“聰慧”來(lái)描述的。其技術(shù)體現(xiàn)在：以信息、知識(shí)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，側(cè)重在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中的大數(shù)據(jù)分析、識(shí)別診斷、數(shù)據(jù)利用與決策等方面的應(yīng)用及研究。故而智慧農(nóng)業(yè)研究及應(yīng)用歸屬農(nóng)業(yè)信息化層面[2]。

智能農(nóng)業(yè)（Intelligent Agriculture）側(cè)重體現(xiàn)在獲取有效的農(nóng)業(yè)信息和裝備（系統(tǒng)）及網(wǎng)絡(luò)支持下，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)不僅“聰明”而且有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)產(chǎn)出的能動(dòng)力，以是否帶來(lái)“產(chǎn)能”來(lái)判別。其技術(shù)體現(xiàn)在：為達(dá)到“產(chǎn)能”目標(biāo)，以裝備（傳感器、機(jī)器人）及自動(dòng)控制為核心，輔以農(nóng)業(yè)模型技術(shù)，在智能控制技術(shù)、智能感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)支撐下側(cè)重在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中實(shí)現(xiàn)“自主無(wú)人化”管控和高效生產(chǎn)等方面的技術(shù)集成應(yīng)用及研究[3]，故而智能農(nóng)業(yè)研究及應(yīng)用歸屬面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的農(nóng)業(yè)感知、智能裝備及各類自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用層面。

智慧農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)的關(guān)系，猶如人體的大腦和四肢的關(guān)系，所以是相互交融的集成關(guān)系，如圖1 所示。作為面向生產(chǎn)層應(yīng)用的智能農(nóng)業(yè)技術(shù)其實(shí)更加重要和關(guān)鍵。因此，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過(guò)程中，隨著農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)化進(jìn)程的深入推進(jìn)，智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展最終支撐著智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)，也即智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)需要智能的信息采集、智能的信息傳輸、智能的信息處理、智能的信息服務(wù)及智能的設(shè)施裝備與調(diào)控來(lái)支撐。所以，在發(fā)展過(guò)程中，二者的并行推進(jìn)將是實(shí)現(xiàn)未來(lái)“無(wú)人農(nóng)業(yè)”的保障。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

二、我國(guó)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)分析

基于上述闡述，筆者認(rèn)為智慧農(nóng)業(yè)不僅僅是一個(gè)概念、一個(gè)發(fā)展目標(biāo)，還應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)工程。數(shù)字經(jīng)濟(jì)視角下，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該是在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中有效地推廣數(shù)字技術(shù)應(yīng)用。由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，因此在數(shù)字技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的反哺應(yīng)用中絕不是在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中幾個(gè)環(huán)節(jié)做孤立的數(shù)字化改造或數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用那么簡(jiǎn)單，而應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)工程，即用系統(tǒng)的理論和方法首先研究農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，進(jìn)而指導(dǎo)、實(shí)施數(shù)字技術(shù)應(yīng)用及工作推進(jìn)，除此之外，還要從頂層高度推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)+智能農(nóng)業(yè)的全覆蓋。

圖2 所示為在由產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后環(huán)節(jié)組成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用及支撐可以看成是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)平行的子系統(tǒng)，而這個(gè)子系統(tǒng)不是孤立存在的，一定是基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)需求的、與農(nóng)業(yè)融合、有目的實(shí)施的系統(tǒng)化的應(yīng)用。具體要求是，既注重局部，又要關(guān)注局部之間的協(xié)調(diào)，以獲得整體最優(yōu)為目標(biāo)的技術(shù)的系統(tǒng)性應(yīng)用。因此，兩個(gè)系統(tǒng)有效融合才可以為真正實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)提供保障。

圖2 數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)系示意圖

基于系統(tǒng)觀和大系統(tǒng)控制論[4]，筆者梳理了數(shù)字經(jīng)濟(jì)視角下發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的兩個(gè)關(guān)鍵核心問(wèn)題。

（一）農(nóng)業(yè)模型及技術(shù)

如何將數(shù)字技術(shù)有效地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中并使數(shù)字技術(shù)發(fā)揮最大作用，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能減排、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的效果，其實(shí)就要認(rèn)識(shí)和理解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并在理論層面來(lái)研究農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理和耦合作用。理論層面上，如果把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看成被調(diào)控的“對(duì)象”，那么毫無(wú)疑問(wèn)，就一定要對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)做建模研究[5][6]。故此，農(nóng)業(yè)模型是理論研究的一個(gè)基本的關(guān)鍵核心問(wèn)題，也是各種數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用、瞄準(zhǔn)以農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行為目標(biāo)的方法及支持技術(shù)。

圖3 展示了農(nóng)業(yè)模型所處的位置。從大系統(tǒng)角度看，要農(nóng)業(yè)系統(tǒng)高效產(chǎn)出并對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)“附加”合理要求（約束）下，在實(shí)際應(yīng)用層面其實(shí)就是要構(gòu)造面向農(nóng)業(yè)的管控系統(tǒng)，并要求這個(gè)系統(tǒng)按照既定目標(biāo)來(lái)有效運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行？就是要開(kāi)展對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的認(rèn)知研究和有效的調(diào)控研究，在理論層面就是要做“被控對(duì)象”建模和“控制方法”建模研究。有了建模研究后，才能很好地對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)開(kāi)展理論研究，進(jìn)而以理論指導(dǎo)實(shí)踐。

圖3 農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)架構(gòu)及農(nóng)業(yè)模型位置

農(nóng)業(yè)模型又分很多種。其中主要分為三大類：一類是動(dòng)植物生理生化的分子（基因）層面的模型，如各種表型模型、繁育及遺傳模型、代謝模型、疾病模型等。第二類是動(dòng)植物與環(huán)境互做的模型，如植物生長(zhǎng)模型、環(huán)境脅迫模型、溫室微氣候模型、動(dòng)物飼喂模型、發(fā)育及抗逆模型等。第三類模型就是圍繞農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的宏觀模型，如產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型、氣候預(yù)測(cè)模型、農(nóng)田碳收支模型、土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型等。而農(nóng)業(yè)模型的表達(dá)有數(shù)學(xué)公式、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)表達(dá)、圖譜及解釋語(yǔ)言等形式[7][8][9][10][11]。

以種植領(lǐng)域中的植物模型為例，其模型的構(gòu)建就是瞄準(zhǔn)兩個(gè)方向來(lái)研究植物生長(zhǎng)：一是在給定的環(huán)境（泛指動(dòng)植物生長(zhǎng)的物理空間環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)、飼喂等微觀環(huán)境）因子條件下，研究植物如何生長(zhǎng)，即關(guān)注植物生理生化方面的研究，或稱植物表型表達(dá)的研究，此模型簡(jiǎn)稱為植物機(jī)理模型；二是研究在不同環(huán)境因子和能耗條件下，植物生長(zhǎng)過(guò)程是否對(duì)最大產(chǎn)量（干物質(zhì)輸出）有影響，即以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的植物生長(zhǎng)模型。以上的研究都是植物與環(huán)境互作的研究，但模型構(gòu)建不用，研究目標(biāo)和方法也不同。對(duì)植物機(jī)理模型的研究可以為探究植物生理生化變化及為育種改良等提供理論支撐；而對(duì)不同植物的生長(zhǎng)模型的理論研究，其意義在于構(gòu)建及研究出可以應(yīng)用于管控系統(tǒng)的“植物生長(zhǎng)感知模型”和“管控模型”。這個(gè)感知模型的運(yùn)行結(jié)果就是用植物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境需求的數(shù)字化表達(dá)，以此替代人工種植經(jīng)驗(yàn)，為生產(chǎn)管控系統(tǒng)提供管控反饋信息，故植物生長(zhǎng)感知模型是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)種植、無(wú)人化種植的關(guān)鍵核心技術(shù)。20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)、荷蘭、以色列等國(guó)就已經(jīng)開(kāi)展這方面的理論研究和實(shí)踐，有較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，取得很多理論成果以及非常好的實(shí)踐應(yīng)用效果。以建造超級(jí)溫室生產(chǎn)系統(tǒng)（一般指投影面積大于3 萬(wàn)平米以上的半封閉玻璃聯(lián)棟溫室，也稱工廠化蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)）為例，全部的硬件及材料，如溫室建造結(jié)構(gòu)和材料、溫室內(nèi)設(shè)施設(shè)備，如通風(fēng)、補(bǔ)光、保溫、水肥滴灌、CO2補(bǔ)充、植保設(shè)備等，我國(guó)都已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，但是嵌入溫室生產(chǎn)管控系統(tǒng)電腦中的植物生長(zhǎng)感知模型及管控模型，國(guó)外廠商是不會(huì)輕易提供的，這也成為一個(gè)“卡脖子”技術(shù)。如果說(shuō)種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，那么植物生長(zhǎng)模型就是農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)的“芯片”。圖4 展示了植物生長(zhǎng)感知模型和管控模型在溫室生產(chǎn)管控系統(tǒng)中的地位，由此可看出其作用的重要性。

植物生長(zhǎng)模型以及感知模型、管控模型的數(shù)字化表達(dá)就是模型技術(shù)。但在數(shù)字化表達(dá)的研究過(guò)程中，基于植物生長(zhǎng)模型，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，找到植物生長(zhǎng)與關(guān)鍵環(huán)境因子耦合模式和植物關(guān)鍵表型特征，進(jìn)而既為檢測(cè)手段和技術(shù)提供依據(jù)，又解析出可以作為反饋的植物生長(zhǎng)需求量，這些內(nèi)容則是模型技術(shù)的關(guān)鍵核心。至于模型是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的表達(dá)形式還是數(shù)學(xué)公式的表達(dá)形式等，在計(jì)算機(jī)中用數(shù)字技術(shù)都容易實(shí)現(xiàn)。

（二）動(dòng)植物感知技術(shù)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是以動(dòng)植物為對(duì)象的包含生命本質(zhì)的生理生化過(guò)程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。因此，要有效地管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，就必須知道動(dòng)植物的“需求”和動(dòng)植物在這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的“表現(xiàn)”，故對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)狀態(tài)的感知是又一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。除此之外，從動(dòng)植物遺傳育種角度看，對(duì)相關(guān)表型參量的在線檢測(cè)及獲取各種生理生化數(shù)據(jù)也是非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。

那么，動(dòng)植物的哪些生長(zhǎng)狀態(tài)需要感知呢？這里可分兩方面看：一是為動(dòng)植物遺傳育種分析生理生化服務(wù)的動(dòng)植物相關(guān)狀態(tài)的感知，另一個(gè)是為管控動(dòng)植物有效生長(zhǎng)服務(wù)的動(dòng)植物相關(guān)狀態(tài)的感知（包括動(dòng)植物“情感”的感知）。特別是后一種，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)有關(guān)動(dòng)植物生長(zhǎng)的所有狀態(tài)都應(yīng)該感知到，這樣才能有助于對(duì)動(dòng)植物健康生長(zhǎng)的全面管控。

感知是屬于理論及方法研究層面的，而檢測(cè)則是技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面的。在對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)狀態(tài)感知研究時(shí)，一般是根據(jù)感知的需求反向拆分出對(duì)核心表型參量的檢測(cè)。檢測(cè)到的信息一般先輸入到動(dòng)植物感知模型中，然后通過(guò)感知模型的運(yùn)算，解析出動(dòng)植物生長(zhǎng)成什么程度以及發(fā)生了什么狀況的相關(guān)量，進(jìn)而提供給管控系統(tǒng)的“大腦”，為進(jìn)一步改善（校正）調(diào)控策略提供參考依據(jù)，這個(gè)過(guò)程可以從圖4 看出。因此，對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)感知要做建模研究，即找出與感知狀態(tài)需求最密切相關(guān)的參量來(lái)，進(jìn)而研究這些相關(guān)參量的檢測(cè)手段和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但是，動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)往往跟許多表型參量相互關(guān)聯(lián)，即存在非線性的耦合機(jī)理。如何解耦和歸一化，進(jìn)而找出幾個(gè)核心代表的表型參量，則是一個(gè)核心問(wèn)題，這一解釋見(jiàn)圖5 所示。

圖4 溫室生產(chǎn)管控系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)感知模型的地位及作用示意圖

圖5 感知的建模研究及實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖

在核心代表的表型參量中，有的參量是無(wú)法直接依靠檢測(cè)手段在線實(shí)時(shí)獲取的，如動(dòng)物的血液、體液參量、背膘厚度、排泄參量等，植物的營(yíng)養(yǎng)參量、根系參量、葉面孔隙參量等。目前常用的辦法是基于圖像識(shí)別來(lái)得到幾個(gè)表觀特征，如動(dòng)物體尺、外觀、植物的葉面積、紋理和色彩等有關(guān)信息，進(jìn)而利用人工智能算法（如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等）近似解析出動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)、行為狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等。顯然，這些信息反饋時(shí)是不“真實(shí)”的，因此單純依靠這種方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的動(dòng)植物生長(zhǎng)的精準(zhǔn)管控，也無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)的產(chǎn)出。所以，突破單純依靠圖像采集與處理的檢測(cè)方式，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崟r(shí)在線、無(wú)傷害、有效的動(dòng)植物生長(zhǎng)關(guān)鍵參量接觸式（植入式）芯片和檢測(cè)技術(shù)以及高效的信息融合技術(shù)（算法），則是擺在廣大科研工作者面前要攻關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

三、智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)破解之策

綜上所述，無(wú)論是農(nóng)業(yè)模型還是動(dòng)植物感知與檢測(cè)技術(shù)，這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)必須要考慮和研究的內(nèi)容。在植物生長(zhǎng)模型及動(dòng)植物感知與檢測(cè)的核心算法（包括仿真研究的算法）與芯片研發(fā)方面，國(guó)外對(duì)我國(guó)形成了“卡脖子”態(tài)勢(shì)。筆者嘗試提出以下對(duì)策建議：

一是將智慧農(nóng)業(yè)拓展為一個(gè)開(kāi)放的大系統(tǒng)，鼓勵(lì)開(kāi)展針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)體系的理論研究，包括梳理和開(kāi)展基于復(fù)雜大系統(tǒng)理論的系統(tǒng)架構(gòu)頂層設(shè)計(jì)、優(yōu)化目標(biāo)下的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型及調(diào)控理論和方法支撐的研究。這其實(shí)關(guān)乎系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究、生態(tài)學(xué)研究、生物與環(huán)境互作研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究等交叉的復(fù)雜綜合體系研究。早在20 世紀(jì)80 年代，以錢學(xué)森先生為代表的我國(guó)科學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)展了面向開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的理論研究[10]，所以，我國(guó)應(yīng)該在這方面有所建樹(shù)，并有可能在智慧農(nóng)業(yè)這一領(lǐng)域有重大理論突破，形成國(guó)際領(lǐng)跑態(tài)勢(shì)。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下，研究結(jié)果的表達(dá)和應(yīng)用要瞄準(zhǔn)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，并符合我國(guó)鄉(xiāng)村振興及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求。

二是建立跨學(xué)科的智慧農(nóng)業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略團(tuán)隊(duì)和國(guó)家工程中心，并按照理論和技術(shù)兩個(gè)方向，發(fā)揮國(guó)家隊(duì)實(shí)力和優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展并行的探究、研發(fā)、技術(shù)推廣與落地。其中要鼓勵(lì)和聯(lián)合社會(huì)科研力量向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域傾斜，聯(lián)合攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，在各種農(nóng)業(yè)模型構(gòu)建與建模方法研究[11]、動(dòng)植物感知方法及動(dòng)植物生理生化檢測(cè)核心芯片、農(nóng)用特種傳感器、農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)等方面提出中國(guó)方案和標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化“中國(guó)本土基因”。聚焦智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略前沿和制高點(diǎn)，立足智慧農(nóng)業(yè)重大技術(shù)突破和發(fā)展需求，在智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑。

三是建立國(guó)家級(jí)“智慧農(nóng)業(yè)×數(shù)字鄉(xiāng)村”綜合技術(shù)落地示范區(qū)，開(kāi)展智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)化示范。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下，深挖智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)性潛力的應(yīng)用推廣及技術(shù)培訓(xùn)工作，而不只是孤立地開(kāi)展幾個(gè)技術(shù)集成的應(yīng)用和常規(guī)的信息數(shù)字化展示。堅(jiān)決摒棄“2G 模式”的重?cái)?shù)字化展示而忽略“內(nèi)核+實(shí)效”的做法，要以最終農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的“固碳、減排、穩(wěn)糧、增收”最優(yōu)輸出為目標(biāo)，開(kāi)展對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化研究、制定和建設(shè)。對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，如有效產(chǎn)量、生產(chǎn)資料供給量、能耗、減排和固碳量、土地產(chǎn)出效率、勞動(dòng)生產(chǎn)效率、生態(tài)友好評(píng)價(jià)、數(shù)字技術(shù)支撐度、農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率評(píng)定等可量化的指標(biāo)開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。探索同一清單評(píng)價(jià)體系和推廣新模式，全面推進(jìn)數(shù)字化視角下智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)在農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展中的支持作用和規(guī)?；瘧?yīng)用，進(jìn)而依靠智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)為增強(qiáng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)供應(yīng)鏈體系的高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

四是瞄準(zhǔn)攻克智慧農(nóng)業(yè)“卡脖子”難題，統(tǒng)籌規(guī)劃國(guó)家戰(zhàn)略型農(nóng)業(yè)大學(xué)和農(nóng)業(yè)職業(yè)院校的人才差異化建設(shè)，強(qiáng)化我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)人才的階梯化培養(yǎng)，在智慧農(nóng)業(yè)理論及技術(shù)集成應(yīng)用兩個(gè)層面，開(kāi)展跨學(xué)科交叉培養(yǎng)，建立中國(guó)特色的智慧農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)模式。此外，要引導(dǎo)非涉農(nóng)院校的相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)針對(duì)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)的課程，拓展大學(xué)生的跨學(xué)科研究視野，鼓勵(lì)大學(xué)生參加涉農(nóng)領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽，激發(fā)大學(xué)生投身智慧農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村振興的興趣和動(dòng)力，為培養(yǎng)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)高端人才提供源頭活水。

四、結(jié)語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)是我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展的一個(gè)重要方向，要按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頂層構(gòu)建整體推進(jìn)，既包括關(guān)鍵核心技術(shù)的自立自強(qiáng)，更要重視理論層面的研究和創(chuàng)新。沒(méi)有系統(tǒng)化理論的支撐，技術(shù)推廣是不可持續(xù)的，特別是沒(méi)有系統(tǒng)研究農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的模型支撐，則難以找到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的最優(yōu)目標(biāo)以及需要優(yōu)化的多目標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的調(diào)控及各種技術(shù)的應(yīng)用來(lái)講，將會(huì)是盲目的、孤立的微小層面的應(yīng)用，而不會(huì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的整體最優(yōu)效果。各類農(nóng)業(yè)模型的研究是理論研究的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，對(duì)技術(shù)應(yīng)用有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的方法支撐。在實(shí)踐過(guò)程中，各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集特別是動(dòng)植物生長(zhǎng)的數(shù)據(jù)感知及檢測(cè)技術(shù)則是技術(shù)層面的關(guān)鍵。沒(méi)有這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的支持，農(nóng)業(yè)模型和管控系統(tǒng)也無(wú)法很好地應(yīng)用與運(yùn)行，所以二者是相輔相成的關(guān)系，也是數(shù)字經(jīng)濟(jì)下發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的兩大基石。目前，國(guó)家已經(jīng)在這方面加大了技術(shù)投入，模式動(dòng)物表型與遺傳重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，將為動(dòng)物模型構(gòu)建、動(dòng)物遺傳育種等基礎(chǔ)研究提供重大保障，因此，我們有理由堅(jiān)信中國(guó)的智慧農(nóng)業(yè)將會(huì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。