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Man kneeling in outdoor field while using a mobile device to monitor agriculture smart technology.
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      借助边缘智能提升农业生产力


      如果你在自家花园里种过蔬菜水果,就知道生长季节的天气变化对植物有多大的影响。年景好时,你会收获丰收的喜悦,自豪地与家人朋友分享蔬菜农获;可如果当年天气异常炎热干燥,或者雨水偏多,你的收获甚至还不够做一顿饭。这当然谈不上好事,但终归还有来年可以期望。

      然而,对于低收入经济体而言,家庭种植的成功与否会带来更深远的影响。人们可能长期食不果腹,甚至更糟。诚然,面对由气候变化导致的更加捉摸不透的天气模式,即使是大型商业化农场主也束手无策。但在经济欠发达的国家和地区,农业是GDP的主要支柱之一,农场的收成好坏不仅仅会影响经济,还可能危及国家稳定。

      在一些发展中国家和地区,以农业为生的农户高达80%。面对气候变化引发的饥荒和粮食匮乏问题,首当其冲的便是这些地区的人口,其中尤以妇女和儿童为甚。粮食匮乏是一个全球性问题,全球营养不良的人口多达8.22亿,其中1.49亿为儿童——他们因营养不足而发育不良。1

      气候变化合并粮食匮乏问题,给人类带来了生死存亡的挑战。国际货币基金组织(IMF)指出:“确保气候变化不会危及贫困国家和地区的发展与稳定,符合全球利益。斥资提升气候恢复力……的成本可能低于灾难后的人道主义救济与重建的成本。”

      气候变化的不均等代价

      The unequal costs of climate change diagram chart.
      发展中国家不仅面临着更大的气候变化风险,适应气候变化的能力也相对较弱。

      资料来源:国际货币基金组织2

      高温、水资源匮乏、干旱、洪灾以及大气层二氧化碳浓度升高都会影响主要作物生长,这可能导致粮食产量下降。国际粮食政策研究所的一项多年研究预测,到2050年,气候变化将导致危地马拉和哥斯达黎加的旱作玉米减产17%;洪都拉斯的旱作玉米将减产12%;哥伦比亚、秘鲁、萨尔瓦多和尼加拉瓜各将减产约8%。3

      基于边缘技术的农业

      面对气候变化引起的飓风频发或海平面上升等威胁,可用于保护植物的手段极其有限。不过,在长期天气变化面前,智能边缘(Intelligent Edge)技术的出现与推广正助力人们在大农场和小花园中更好地管理和提升作物产量。智能边缘解决方案将算力移至传统计算网络边缘处使用的智能设备中。

      传统网络采用中心辐射型模式,数据需要远距离发送到集中化数据中心进行分析和决策,为获得数据处理能力牺牲了即时性和传输安全性。若能将处理能力向数据源迁移,将有助于提高响应性与效率。这一做法在发展中国家和地区的偏远农业社区的效果尤为明显。

      如今,ADI公司的工程师正与菲律宾的小型农场主合作研发闭环智能边缘解决方案,用于监控农场中咖啡作物的实时灌溉和肥料需求,并做出适当响应。此方案可以提高有限农场资源的使用效率,大幅度提升咖啡作物产量。在国家层面上,也有望使菲律宾重回全球最大咖啡出口国的行列。

      菲律宾的咖啡

      菲律宾的咖啡产量已从2016年的68,800公吨降低到2020年的60,600公吨,仅四年就减产8,200公吨,降幅达12%。4咖啡减产背后的原因包括气候变化引发的天气模式变化,以及缺少对抗天气变化不确定性的农业技术。

      Amadeo Cooperative Coffee Farm owners and employees in the field location is Minantok Eastm, Amadeo, Philippines.
      位于菲律宾甲米地省阿马德奥Minantok East的阿马德奥咖啡农场合作社(Amadeo Cooperative Coffee Farm)

      2017年,菲律宾政府发布五年咖啡发展规划5,致力于振兴咖啡产业。正是这项规划推动ADI公司与位于菲律宾甲米地省阿马德奥Minantok East的阿马德奥咖啡农场合作社达成合作。双方携手开发了一个零误差闭环系统,用于检测和分析土壤和植物叶片中的水分和肥料含量。此系统可在适当的时候为植物供应水分和营养,确保达到最优水分和营养含量,从而最大程度提高作物产量。“菲律宾为逆转咖啡减产趋势做出了种种努力。这让菲律宾成为了ADI智能边缘技术的理想应用场所。无论是立竿见影的效果还是未来的更多潜力,都让我们欣喜万分,”ADI环境团队的COS资深总监与项目发起人Manny Malaki说道。

      以技术支持咖啡种植

      Edge Farming diagram and how this operates on the coffee farm.
      1.太阳能电池板;2.(土壤)传感器节点(配备插入式微控制器芯片);3.灌溉水泵;4.加肥灌溉子系统(肥料稀释于水中)

      边缘农业技术能够检测当地天气和微气候变化并立即采取行动。不论天气模式如何,都可以帮助农场主控制那些可控的环节,确保作物得到妥善灌溉、施肥。

      ADI公司的太阳能动力系统以菲律宾充足的光照为能源,收集并分析土壤状态和咖啡树健康状态等信息,同时将数据和指示通过无线网络实时传输给灌溉和施肥系统。系统通过ADI MAX78000 AI微控制器中的人工智能引擎不断学习,提高对水源、大量营养素和pH值平衡的能力,即使是微弱的环境影响,也能及时做出反应。在菲律宾,潮湿酷热三天之后连下两天暴雨的天气并不少见,而ADI公司的解决方案能够以所需的时间间隔检测所有变量,确保以最优方式满足作物需求,保障植物健康生长。

      适应未来气候变化的潜能

      ADI公司与阿马德奥咖啡农场合作社的合作始于一位ADI工程师地下室里的一株小小的植物。他将完整的系统实物模型安装于一个花盆中,在植物生长灯照射下试验,最后得到令人满意的结果。在干旱和暴雨轮番出现的生长环境下,系统实时收集相关数据,并相应调整植物的水分和肥料含量。“我们很快发现,边缘解决方案能够给合作社带来颠覆性作用。工程团队分析完试验结果后,我们无比激动地与合作社分享了这个消息,推动开展了更多试验。”ADI公司首席工程师、项目负责人Romulo Maggay表示。

      Smart and Edge device technology used in successful coffee growing.
      智能边缘系统能够显著改善健康生长和生产力等环节。

      下一步就是在农场中用一株植物再次试验,然后再扩大到十株。阿马德奥咖啡农场合作社利用十株植物开展为期七个月的试验后得到一些惊人的结果,而这正是我们咖啡农场主当下亟需的东西,”阿马德奥农场主协会农场业主Randy Mendoza如是说。

      阿马德奥咖啡农场合作社试验结果

      120%
      产量增加
      50%
      肥料成本降低
      14%
      人工成本降低
      64%
      利润增加

      智慧咖啡农场中的单株咖啡产量的相关数据(与对照组农场相比)

      智能边缘系统的第二阶段试验正在菲律宾三个不同地区的三个大型农场中进行,每个农场都具有独特的微气候环境。所有三个农场都使用了更大规模的系统,以考察其在热带天气模式变化下的适应力。在更大层面上,合作社也正着力制定荒地复垦和扩大生产的长期计划。

      阿马德奥农业部部长Luzviminda Amparo表示:“利用新技术最大程度提高作物产量——这是以智能和远见应对气候变化的典范。我很期待双方扩大合作,将其辐射到那些对我国经济和地方食物来源至关重要的作物。”

      从一小株植物入手,ADI公司的工程师和阿马德奥合作社的农场主展示了边缘技术的巨大潜力。阿马德奥咖啡农场主合作社主席Rolando Angcao提到:“有了咖啡豆的稳产能力,我们有望再次跻身最大咖啡产地的行列。”

      不论是菲律宾还是其他国家都有可能实现政府层面的合作,为农场主提供额外经济支持来使用边缘系统,提升生产力和效率。此外,由于这些系统能降低作物风险,私有银行也将更愿意以优惠的利率为农场主提供贷款,帮助农场主在生长季节开始时购买种子和肥料。这些举措,对于菲律宾农民盈利能力的帮助不言而喻。

      有效的发展道路

      随着气候变化继续,我们需要开发新技术削弱由此带来的影响,这一点至关重要。智能边缘技术带来全新可能,有望在天气模式愈发不可预测的情况下最大程度提高作物产量。


      全球饥荒加剧,影响近10%世界人口。

      加拿大世界展望组织(World Vision)


      实施闭环解决方案更有利于将智能边缘技术的适用范围从咖啡扩大到大米和豆类,而后者正是众多欠发达国家的主要粮食作物。推广这项新技术可显著提升作物产量,削减成本,也能积极改善第三世界、甚至全球范围的粮食匮乏现象。虽然全球大部分饥饿人口居住在发展中国家,但许多发达国家也不乏此类现象,例如美国营养不良的儿童人数高达3,000万。

      以边缘智能对抗气候变化与饥饿

      Two workers  discussing edge system technology in a greenhouse setting; background shows full growth of tomato plants.

      随着世界人口增加,城市化进程继续,农业实践将继续演变。ADI公司可以根据大型商业农场、蔬菜大棚、家庭花园等不同需求,推出量身定制的基于AI的边缘系统。除了咖啡之外,具有自主学习能力的加肥灌溉系统能够为几乎所有粮食作物带来裨益。

      从播种收割机械,再到大型灌溉和供水系统,技术进步一直在推动农场提高生产效率。如今,智能边缘技术已革命性地改变了我们改造住宅、控制住宅的方式。未来,它也将以同样的方式颠覆农场及其日常经营。在智慧的闭环加肥灌溉系统的加持下,农场主可以消除气候变化带来的部分影响,节省照料作物的时间,留出更多时间规划更美好的未来,为满足全球粮食需求做出更大贡献。

      “未来,我们可以设计更多学习型智能技术系统来解决气候变化对农业的影响,为全球更多人口带去粮食,这个前景令人为之振奋”,ADI公司的Manny Malaki总结道。

      参考资料

      1 联合国粮农组织(FAO)、国际农业发展基金会(IFAD)、联合国儿童基金会(UNICEF)、世界粮食计划署(WFP)、世界卫生组织,“2019年全球粮食安全与营养状况:经济发展减速与衰退下的安全措施”,联合国粮农组织,2019年。
      2 Kristalina Georgieva、Vitor Gaspar和Ceyla Pazarbasioglu,“贫困脆弱的国家需要支持才能适应气候变化”,国际货币基金组织博客,2022年3月。
      3 Timothy S. Thomas、Ana Maria Loboguerrero、Ana R. Rios、Deissy Martinez、Baron、Graciela Magrin和Vincente Barros,“气候变化将如何影响中美洲和安第斯山脉地区的农业生产力”,国际粮食政策研究所博客,2019年8月。
      4 Yvette Tan.,“菲律宾咖啡发展规划(修订案)致力于振兴当地咖啡产业”,《马尼拉公报》,2021年10月。
      5 “2017——2022年菲律宾咖啡产业发展规划”,菲律宾农业部。