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      生“菜”有道!這個比賽學霸扎堆 AI種菜你見過嗎?

      2023-07-07 15:25:19 來源:南方都市報

      熊元科疫情期間迷上了種菜,撒下生菜種子后,調配營養液、安裝植物燈,悉心照料卻一無所獲。研究能源系統優化的他萌生了用擅長的算法在集裝箱內種菜的想法。巧合的是,這個想法得以在第三屆“多多農研科技大賽”落地。


      (相關資料圖)

      本次大賽的四個集裝箱式植物工廠將成為拼多多與光明母港共建的農研基地,繼續用于垂直農業的研究與探索。

      根據大賽規則,參賽者要在自動化程度高的植物工廠內調控溫、光、水、肥等,完成三輪翠恬生菜的種植。第一次參賽的他與工科背景的隊友搭建信息化平臺,采集并可視化13萬組數據,整合監測、決策、控制系統,為農學專家提供環境參數和植物生長變化,分析數據即可更新種植策略,第三輪產量翻倍。

      集裝箱里成長中的翠恬生菜。

      純工科的楊浩一直羨慕“在火星種土豆”的馬特??缃绲睫r業后,連續三屆參賽的他用AI種草莓和番茄后,這次將博士研究的內容應用到植物工廠,團隊研發的植物光合性能監測系統可精準控制二氧化碳用量,預測生菜生長量,單株生菜的預測產量與實際僅差一克。

      通常,35天左右,一棵生菜就能從種苗長大成熟。

      6月27日,光明多多垂直農業挑戰賽暨第三屆“多多農研科技大賽”揭曉比賽結果。90天內,一群來自不同領域的新農人開啟一場種菜實驗。他們在集裝箱式植物工廠內用數字技術試種全新生菜品種,創新的算法、模型等提高產能、破解植物工廠能耗難題,一系列成果吸引產業界關注。

      四大頂尖團隊挑戰種新品種

      第一屆“多多農研科技大賽”至今,各界大咖組成的參賽隊伍是一大看點。本屆大賽開啟后吸引全球30支頂尖團隊、150多位青年科學家報名。最終,4支隊伍進入決賽。

      與會嘉賓、評審與參賽隊伍集體合影。

      四支決賽隊伍可謂頂級配置。上海交通大學的“生生不息”隊工學背景最強,團隊曾成功搭建海上自維蔬菜種植平臺,無土、無淡水、無電源條件下種菜成功;上海農科院團隊曾為南極科考隊員提供極端環境的蔬菜種植培訓,成員理論和實踐經驗豐富,植物工廠研究是該院近年來重點發展的新興學科,已組建植物工廠卓越團隊。

      上海交大“生生不息”團隊合影。

      上海農科院團隊分享獲獎感言。

      來自中國農業大學的CyberFarmer團隊基于集裝箱式植物工廠開展葉菜、草莓、中藥材等作物研究,團隊成員平均年齡不超過30歲;Lettus Grow團隊是唯一來自企業的團隊,種植管理經驗豐富,曾為北京冬奧會供應生菜。

      CyberFarmer團隊分享獲獎感言。

      LettusGrow團隊合影。

      四大頂尖團隊拿到考題后并不覺得輕松。他們試種的翠恬生菜是大賽引入的全新品種,國內外種植經驗少?!皼]有任何數據和經驗積累,考驗隊伍的實力。這個品種很嬌貴,不耐抽薹,后期易燒心,種出來容易種好難?!鄙虾^r科院隊的王虹博士告訴南都記者。

      各個團隊前期需快速摸清作物習性,建立模型,后期時刻根據模型和算法的建議,結合人工種植經驗調整種植策略。另一方面,大賽的考核標準倒逼團隊平衡產量、品質和能耗,尋求最佳方案。

      拆解比賽規則后,王虹發現本屆大賽的考核標準更加多樣化。今年,主辦方設置大眾評審環節,對生菜的外形、甜度、氣味等進行打分。專業評審團從產量、品質、算法策略、能耗成本、商業價值等維度進行評比?!翱己藰藴实淖兓馕吨?,保證生菜快速高產的同時,后期要通過人工精細化調控來凸顯翠恬的口感,提高商品性,這很有挑戰?!?/p>

      15位大眾評審對決賽團隊種植的“翠恬”生菜進行試吃、打分,上海市長寧區市場監管工作人員進行了現場快檢。

      模型、算法與栽培技術大比拼

      此次比賽專用的集裝箱內,配備科研專用的四路光譜調光燈及環控系統,支持不同類型的光譜搭配,人工可通過手機精準調配作物生長所需的水、肥、氣等,模擬出最理想的生長環境。

      各個隊伍為快速種好生菜而各顯神通,結合自身優勢制定最佳種植策略。由于四支隊伍的學科背景不同,在大賽評委、中國農業大學賀冬仙教授看來,決賽最大的看點是工學團隊和農學團隊的碰撞和較量。

      她認為,農業學者習慣從作物栽培的需求與規律入手,將傳統種植經驗與人工智能結合,獲取更佳的種植結果;工科專家則將生菜種植作為應用場景,以前沿技術解決農業生產的現實難題。

      決賽評審環節,評審對參賽隊伍提問。圖為中國農業大學教授賀冬仙。

      “生生不息”隊的工科專家們擬定策略,先改善硬件再搭建信息化平臺?!案嗟倪€是在尋找一種可持續、可復制的方法論,從工科角度為農學專家提供基礎設施,其他隊也可以直接用,如數據平臺?!标犻L鮑華解釋了該隊的打法。

      該隊的工科專家利用專業特長構建了輔助智慧栽培的信息化平臺,為農學專家提供植物生長變化和環境數據,及時調整生長策略。同時,該平臺不斷迭代,生菜快速增產,第三茬的生物量較第二茬增長86%,較第一茬增長135%。這讓不少評審專家感慨,“如果多種幾茬,冠軍可能就是工學家了?!?/p>

      CyberFarmer團隊的核心技術是植物光合效率及性能監測。這也是楊浩的博士研究方向。大賽中,他和團隊研發基于CO質量平衡的生菜凈同化量動態監測技術,預測單株生菜的產量和實際的產量只相差一克。

      上海農科院隊摸清作物習性后,種植策略由保守向大膽轉變?!暗谝惠喎浅1J?,光不敢加太大、光周期不敢加太長。后期采用了無固定暗期,也就是沒有黑夜,通過調節三層燈光讓生菜高速生長?!蓖鹾绺嬖V南都記者,重要的是調控策略。以光譜中的紅光為例,加大紅光比例后,生菜生長速度加快的同時,促進可溶性糖的合成,口感才會又脆又甜。比賽結束后,上海農科大產量排名第一,最后一茬生菜的生產效率達到/㎡/天,奪得大賽冠軍。送檢生菜可溶性糖含量達%,同樣位居第一。

      精準的調控離不開智能化的決策系統。比賽期間,上海農科院隊還開發了一套智慧種植決策管理系統。該系統融合植株的生長模型、光截獲模型、蒸騰模型等算法,實時收集各類傳感器回傳的數據,尤其是利用深度相機多源采集圖像數據進行植株長勢監測,可輔助有關光配方優化、環境調控、緩解燒心以及及時采收等方面的種植策略判斷。

      突破業界難題

      植物工廠是現代生物技術、信息技術、自動化控制等高新技術綜合集成的產物,技術高度密集,可實現周年連續生產,是未來農業發展的方向。一直以來,植物工廠雖大幅提升產量和品質,但能源消耗是行業難題。據了解,植物工廠種植1千克生菜最少需要10度電,對應的成本約20元。

      兩個有著工學背景的團隊均將降低能耗列為一大目標?!吧幌ⅰ标爩⒅参锕S視作一棟建筑,將過去積累的建筑能源控制經驗運動到集裝箱。中途加入團隊的熊元科研究方向為能源系統優化,對城市的空調系統節能有著濃厚興趣。但種菜之前,他從未想過自己所學可用于植物工廠。

      重點關注能耗的他研發出以節能為導向的綜合環控算法,將農業模型與熱力學算法做串聯后,直接調控集裝箱內的溫濕度及CO濃度。在該算法的支持下,第三輪生菜種植產量相比第一輪提升135%,能耗降低29%。

      獲得“最佳節能獎”的CyberFarmer團隊將生長速率作為環控的重要依據。他們將環控目標設定為,適度控制生長速率,不追求生物量最大,追求經濟產量最大。最后一茬,他們主動選擇了犧牲部分產量,改善感官、商品率等指標。該隊隊長鄭建鋒表示,基于生長速率的環控方法如果應用到大型植物工廠中,每千克的耗電量可以降低到度。

      重新認識農業

      決賽答辯結束后,4支團隊的隊員忙著互相交流。同臺競技,他們當中不少人被對方的想法、創意所打動,看到了農業的另一種可能。

      頒獎典禮后,參賽隊伍代表齊聚“農研茶話間”,分享心路歷程。

      入行10多年的王虹本次比賽中負責光配方調控模塊。她被“生生不息”隊的算法驚艷。在她看來,工科團隊的算法前期采集大量數據,后期分析時可同時考慮多個維度、多個變量,并做出預測?!斑@比做實驗得來的結果更高效多了。了解了他們的算法后思路一下子打開了。這大概就是學科融合的魅力吧?!?/p>

      這套算法的研發者也在重新認識農業。比賽結束后,熊元科仍在琢磨哪些環節可繼續迭代。引入以ChatGPT為代表的生成式AI技術即是其中之一。他告訴南都記者,如果數據來源于更大或更多的植物工廠,農學專家分析數據的工作量隨之增大。而借助生成式AI,我們或可將數據解讀、決策部分也實現智能化。

      決策階段智能化的想法讓光明母港農業事業部總監王金華“瘋狂心動”?!八麄兯惴ǖ某霭l點很先進?;蛘哒f,每個控制單元的聯動性,輸入一個參數就可改變另一個參數。如果是商業化生產,完全可以匹配到生產中?!彼邮苣隙加浾卟稍L時表示,以后有可能實現傻瓜種菜??萍贾χ?,未來的農業智能化令人期待。

      本次決賽在上海崇明的光明母港垂直農業研究中心進行。

      令多位連續多次參加“多多農研科技大賽”的選手們欣喜的是,最接近00后的熊元科用算法刷新眾人認知的同時,更多跨學科的年輕人參與進來,且農業在他們眼中變得越來越朋克。

      (文章來源:南方都市報)

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