用人工智能种黄瓜,中国这支团队还在国际大赛上拿了奖!

【公众号】农财网种业宝典2018-12-18 09:35:52

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通过这一次人工智能与农业等多学科团队协作,展示了人工智能驱动温室的能力。



今天要向大家介绍的是一筐黄瓜。



这可不是一筐普通的黄瓜。它们是由腾讯人工智能实验室AI Lab团队的成员协同国内外农业专家和学生,使用AI(即人工智能)在荷兰一间温室里种植出来的黄瓜。


它们和我们平常在菜市场买的黄瓜有什么区别呢?放大了图片看看... ...其实也没啥区别。依然是大家熟悉的黄瓜,可蒸煮,可煎炒。


这筐黄瓜的诞生,要从一个国际挑战赛说起。


今年3月,荷兰著名的高等学府瓦赫宁根大学面向全球人工智能团队,发起了一场线下真人实景大型农作物养成与模拟经营类挑战赛――种黄瓜。


它设定的挑战目标是:在限定4个月时间内,在指定的无差别的温室内,利用传感器和摄像头,获取温室气候、作物发育情况等数据,加入自己的模型或机器学习算法,远程控制作物生长。


最终,根据生产出的黄瓜产量、资源利用率和收益来评判获胜队伍。


如果挑战赛的规则理解起来费劲,可以回想一个熟悉的场景。


腾讯qq农场


限定场地,限定资源,限定种植规则。谁收获的黄瓜越多,质量越好,谁的资源利用率越高,再结合种植过程中,人工干预程度,综合所有因素,最终得分才会越高,获得胜利。


这场挑战赛吸引了来自15个国家的14支团队参与。其中不乏微软(Sonoma队)和英特尔(Deep_greens队)这些著名的互联网科技公司。


我们也组了一个队伍参赛,叫iGrow队。


它由10名跨学科的成员组成。其中,有腾讯人工智能实验室AI Lab的AI专家,也有来自中国农业科学院、北京农业信息技术研究中心、黑龙江植物学会、Syngenta种子公司和荷兰瓦赫宁根大学的农业专家和学生。


过去半年多,iGrow团队在位于荷兰中部的瓦赫宁根大学(WUR)的一间温室里,探索如何结合人工智能AI和农业专家的专业知识,进行更高效地农业生产。


种黄瓜的温室长这样,设备有这些:



最终,包括iGrow在内的五支参赛队伍闯入决赛。


12 月 12 日,本次大赛结果揭晓。我们这个种黄瓜的跨国联合团队凭借这批黄瓜和优秀的黄瓜AI种植技术,获得了“AI策略”单项第一名、总分第二名的成绩。


和传统的种植过程比,iGrow团队种黄瓜最大的不同是,整个种植中几乎没有人工操作。像浇水,通风、光照、施肥这些工作,都是由人工智能AI自动收集环境数据,通过深度学习和计算,进行判断和决策,再驱动温室里的设备元件完成。


这也是这一次大赛最富有挑战性的赛点,也是最重要的考核指标:要人工智能种植,而不是人工种植。



根据主办方从净利润、可持续发展和AI策略三个维度计算的最终数据显示,iGrow队交出了一份优异的成绩单。它在黄瓜产量、质量、资源利用率上,均表现十分出色。在整个过程中,它只利用了主办方配置的有限的传感器,采用了生物防治系统。


AI 策略第一名,以一分之差位列总分榜第二。


我们的AI专家说,一开始,大家除了对黄瓜的做法和口感有研究,对其他一无所知。多亏了团队里的农业专家。比赛中,iGrow团队充分利用团队成员跨学科的专业知识背景,分工协作。


首先,腾讯AI Lab的AI专家根据植物生长发育规律和温室环境动态过程等相关学科知识,建立一个模拟气候环境和作物生长的仿真器。


随后,团队搭建出一个农业人工智能系统,通过创新的强化学习方法,他们将团队里农业专家的知识和经验自然地融入这套系统中,使人类专家能够在初始种植设定,种植过程中的监控管理、打顶剪枝等方面,实现对AI的有效干预,提高AI学习效率和稳定性。


有了人类专家的知识和经验,剩下的工作就交给这套农业人工智能系统来做了。它将继续学习,自动适应新的环境和条件变化,并作出决策和判断。


从一开始的种植密度、留茎比例,到后来的留叶、留果策略,以及在温室中对光照、通风、温度、湿度、CO2浓度、水分等的控制,它通过自动学习,不断计算如何在资源最优化的同时,最大程度地提升黄瓜的产量。


团队成员远在中国,大多数时候只能通过监控摄像头远程观测这间位于欧洲的温室。大家天天盼着黄瓜苗早日长大,开花结果。



在人工智能系统的精心照料下,4个月里,iGrow团队的温室累计收获3496公斤黄瓜。这些黄瓜采摘下来后,将根据品质,按当地市场行情统一收购,放在市场上售卖。收购价售出的收益高低也会成为本次比赛考核指标。


有着142年历史的荷兰瓦赫宁根大学,在生命科学和农业等领域一直处于学界领先地位。作为主办方,它给获奖的腾讯参赛团队iGrow颁发的一尊“小黄瓜”奖杯,以鼓励该团队在AI 农业领域的技术探索。


从种植结果显示,iGrow研发的人工智能系统提高了农产品的产量和自然资源利用率,还大幅降低了传感器成本,体现了“AI 农业”的应用潜力。这个团队首创的农业人工智能系统还攻克了机器智能嵌入农业专家知识的难题。


拿着主办方颁布的“小黄瓜”奖杯,iGrow团队的成员们开心地做出了一个重要的决定――把剩下的由人工智能种植的黄瓜做成了一碗刀拍黄瓜吃掉。iGrow团队的成员说,有些遗憾,在外国的超市没买到生抽。


在iGrow团队成员的眼中,这一次的挑战赛只是一次很小的尝试。通过这一次人工智能与农业等多学科团队协作,展示了人工智能驱动温室的能力。农业在未来会遭遇来自环境、资源和人口增长的挑战。这一次尝试,验证了人工智能可以成为人类应对这些挑战的一种解决之道。


目前,人工智能在农业领域的应用,仍然面临很多技术难点。比如,如何把人工智能在某一个领域的学习能力有效地迁移到真实而又复杂多变的农业种植中去?如何将人类广博的专业知识与人工智能结合?


“当年轻的人工智能与古老的农业相碰撞时,会遇到诸多挑战,如何预见和解决这些难题,需要耐心、创新,甚至是一些灵感。”


作为团队核心力量的腾讯人工智能实验室AI Lab希望,未来能有更多跨学科专家、企业家和投资者一起携手,共同发掘AI 农业的各种可能性,激发出更多的解决方案。




▌附AI科技大本营专访节选


AI科技大本营:比赛过程中除了人工智能系统远程控制以外,需要人工在现场的参与和辅助吗?


答:瓦大的传感器会收集温室温度、湿度、水分、二氧化碳浓度、光照热量等数据,通过网络把数据传输给我们,一些传感器无法获取的信息和数据(比如黄瓜产量和售价)会由瓦大的工作人员定期进行整理,发送邮件告知,我们对这些信息整体分析后,在深圳通过控制器远程操控温室,比如屋顶通风、照明、加热等等。另外一些无法通过控制器完成的,比如摘果或者打顶这些事情,我们会发邮件告知瓦大的工作人员具体策略,然后他们进入温室实施。


AI科技大本营:腾讯用的是强化学习的方法,将农业专家的知识和经验自然地嵌入仿真器中,能具体介绍下这项技术吗?


答:首先,我们根据植物生长发育规律、温室环境动态过程等相关知识进行建模,用生成对抗网络构建了一个模拟温室气候条件和作物生长情况的仿真器(模拟器)。所以我们创建了一个农业人工智能系统,利用创新的强化学习方法,将农业专家的知识和经验自然地嵌入到仿真器中,让人类专家在温室初始设定(如种植密度)、种植过程的策略(如灌溉、打顶)等方面能够有效地干预AI,提高AI的学习效率。


具体做法是把农业专家的动作加入到强化学习的回报函数中,并通过一个判定准则自动判定是否采取农业专家动作。如果 AI 判定用农业专家的动作,则直接采用,否则忽略农业专家的意见。


AI科技大本营:为什么腾讯用的传感器比较少?系统如何与这些传感器结合?


答:本次比赛中我们是唯一一个仅使用主办方配置的传感器,没有添加额外添加的 AI 种植团队。我们的系统通过高效的数据模拟和运算,得知额外传感器对增加最终产量和减少资源损耗并没有带来帮助,因此决定不增加除了组委会提供的标准以外的传感器,相比于其他队伍大大降低了智慧农业的生产成本,在市场应用和推广上颇具潜力。因没有增加传感器,整个系统运作时就与之前提到的模拟器完全一致,用同样的操作逻辑即可用上这些传感器。


AI科技大本营:腾讯应用了怎样的生物防治系统?全程都不需要农药吗?


答:温室主要是是防病,而非防虫。一方面温室自身的封闭性可以减少虫害,另一方面人工智能对温湿度等各方面的调控可以为作物提供最健康和适宜的环境,所以能增强作物的抗病虫害能力。


我们一直监控着病虫害情况,采用生物防治系统进行控制。农作物的生长过程非常复杂,在病虫害的困扰这点上。人工智能在这方面还要继续学习。


到具体的行业应用上,我们调查发现有一些成功案例,是 AI 在产中阶段用于监测环境数据和农作物生长情况。通过建立病虫草害特征分类数据库,并利用计算机视觉技术识别作物品种、病害程度和杂草生长情况,可实现智能预防和管理病虫草害,减少经济损失。不仅如此,这在一定程度上还可减少除草剂和杀虫剂的使用,提升农产品安全性,减轻环境影响。


AI科技大本营:系统如何判断黄瓜的生产情况(坐果率、病虫害等),并自动给出相应的解决方案(留叶、留果策略等)?


答:温室本身的设置就是不容易有虫害,因为温室有隔离,很大程度上减少害虫的困扰。植物会生病,但生病的原因可能是因为空气潮湿不是很适合生存之类的,而不是害虫的原因。不过,在未来的户外实验和应用中,AI 还得继续学习,研究下如何解决这个害虫的问题。


至于留叶留果策略是比赛后期一个很大的挑战,并不是AI自动给出的相应解决方案,而是通过了三四十个来回的讨论,查阅大量相关文献才定下的重大策略。比赛快结束的时候重要的大事是做好留果留叶策略,争取黄瓜有个好收成。


植物生长的过程类似抛物线,生命周期会有起伏、最高点最低点。所以我们要估算什么时候结束是最合适的。首先我们都不是种植黄瓜的专家,其次关于黄瓜的资料也都很少,所以我们也将种植西红柿等的资料作为参照。我们团队里AI侧成员和农业专家来回讨论了三四十回来制定策略。从结果来看当初的策略很正确,在最后冲刺了一下产量。


AI科技大本营:黄瓜的质量是怎样评定的?有哪些标准?


答:优质A:重量375g或更多; 优质B:重量300克至374克之间,有瑕疵,如弯曲的形状,不是深绿色; 质量C:低于300克。


- End -


来源丨转自中国蔬菜,内容综合自腾讯、AI科技大本营

编辑丨农财君

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南方农村报丨农财宝典









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