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上海崇明岛:让科技成就土地,助力农业现代化进程

发表时间: 2023-07-11 13:50:32

作者: 林 欣

来源: 南方周末


    【 农研大赛的最终指向还是惠农,再高大上的技术成果,回到农业本身,如果在土地上无法扎根,便也没有产业化的意义。


     智能化的前沿科技正在改变传统农业“面朝黄土背朝天”的耕作方式,越来越多的年轻人,在广袤的田间地头,找到了技术的“应许之地”。】


     上海的崇明岛,风景向来怡人。


     温润的太平洋海风将亚热带春天的干燥吹散,为小岛涂上一片绿意,也造就了岛上最好的季节,踏青、旅游、观鸟,或者是一场春耕,都能给人带来身心的愉悦和回报。


     四个20英尺的白色集装箱,便是在立春后,从崇明岛的土地上“生长”出来。集装箱位于岛上的光明母港垂直农业研究中心,是第三届多多农研科技大赛的决赛场所,在接下来的90天里,它们化身为近几年从学术界到产业界都热切关注的“植物工厂”,为四支来自中国顶尖农业院校、科研机构、企业的研究团队,提供同场竞技、大展身手的舞台。


    植物工厂,顾名思义,就是生产植物的地方。与传统农业不同,在这里种植的作物,依托于科技设施,无需“看天吃饭”:集装箱的箱体隔绝了外部环境,内里种植架上的LED灯替代了太阳,有机养料替代了土壤,运用技术手段便能调控温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液投放量等,使之永远保持着最适宜植物生长的环境状态。


    通常35天左右,一棵生菜就能在植物工厂里,从种苗长大成熟。今年农研大赛的决赛,挑战的就是在“没有日照与土壤”的集装箱里,以更低能耗种出更高产量、更好品质的“水果生菜”。正式比赛前,来自上海交通大学的队伍,为了契合大赛主题,特意将名字改成了“生生不息”,不仅意味着方案中算法的迭代,也恰好寓意着生菜一茬一茬的长。


    一切也正如这些选手所愿,在崇明岛的夏天到来之前,四支参赛队伍,都迎来了各自的丰收。


图片▲本次大赛的四个集装箱式植物工厂位于上海崇明岛。(摄影:顾辰)


“生菜喜欢什么”


    1999年出生的熊元科,是“生生不息”团队最年轻的成员,从进入决赛的那一刻起,这位年轻人就明白,等待他们的绝对不是一场轻松的战役。


    从初赛选拔开始,农研大赛的“含博量”便是极高,决赛的四支队伍里,博士更是超过六成,无论是专业水平还是过往成就,毋庸置疑,挺进决赛的队伍,基本代表了国内农业科研领域的最强阵容。


    对手很强大,但更大的挑战来自赛事内容本身。尽管生菜是农业领域十分基础且普遍的植物种类之一,但摆在所有参赛队伍面前的,却是一种名为“翠恬”的全新品种。全新,意味着经验上的空白,哪怕是种植经验最为丰富的上海农科院团队,也花了相当长的一段时间去搜集信息数据,通过不断的实验来了解这个品种的生长习性。


     在三轮种植周期里,“翠恬”毫无保留地向四支队伍展现了它的培育难度:极其敏感极其娇嫩,环境稍不适宜,成长中后期还极易出现烧心现象,对外观和口感造成极大的影响。前两轮里,所有的队伍都在绞尽脑汁寻找应对策略,熊元科和他所在的“生生不息”也不例外,尽管在一年前,尝试在家里种生菜的他,连“烧心”是什么都不大理解。



图片▲集装箱里成长中的翠恬生菜。(摄影:陈达通)


    熊元科的硕士研究方向,是与农学并无直接关系的建筑能源优化,疫情期间,生鲜资源受限使他萌生了“农业自给自足”的想法,在家里实验了好几轮的无土栽培,均以失败告终。后来,经过院里老师的介绍,他认识了“生生不息”的队长鲍华教授,受他从纯工科背景转向农业研究的启发,熊元科作为中途的插队生,加入了“生生不息”团队。


     农研大赛上,像熊元科这样的工科背景的参赛者并不是个例,“智慧农业”的推进一定离不开学科交叉。“生生不息”团队从成员组成来看,工学背景尤为强大,从制定比赛策略开始,成员们就非常有“自知之明”,最大程度地发扬团队在前沿技术方面的优势,实现节能和提产,是最符合他们的出路。


    决赛最开始的两周,硬核的工科生们克服了各种bug,成功改造了植物工厂里的一些硬件设备后,甚至还自学数据通信,搭建了一整套智能系统,通过算法和图像识别,自动导入生菜在整个生长周期的数据和“表情”,供成员自由拉取,同时辅助团队里唯一的农学家查凌雁进行种植的分析决策。


    但是“翠恬”并没有因此给这群工程学家们行太多的方便,蕴含生命力的植物和实验室里二进制的数字有着天壤之别,任何环境参数的变量,都可能影响培育的结果。成员们能够很快地修补好渗水的营养液装备,调试好失控的灯光照明,但是很难应付生菜成长中各种突如其来的变化。


    “很多时候生菜就是不喜欢这样”,第一轮验收时,“生生不息”的结果不尽如人意,烧心率达到40%,一向以严谨见长的工科生熊元科在复盘时,也颇显无奈,生菜到底喜欢什么,或许在那个时候,就连团队里的“超级博士后”、上海交通大学农业与生物学院博士后查凌雁也无法给出确切的答案。


     按比赛要求,第二茬生菜很快就要被种下,来不及沮丧,成员们就投入了新一轮的实验。随着智能系统的不断迭代以及对“翠恬”习性的逐渐了解,团队慢慢能够比较准确地预测植物的生长速率和状态,并做到及时调整种植策略,较第一轮生菜的产量和品质都有了不小的提升,成员们开始找到了自己的节奏。


     团队分工中,熊元科主要负责的是云数据平台和相应的算法分析,尽管比赛以远程操作为主,但有的时候,他仍需要到现场采集数据,调整设备。从交大到崇明岛,路上需要耗费将近两个小时,往返一次,真正留给他干活的时间,总是特别匆忙,就连吃饭都是争分夺秒,回到学校后,又是继续进行数据分析,这些对于仍然有本专业学习任务的他来说,并不轻松。


     但值得高兴的是,每一次登岛,他都能比上一次更多一点的了解“生菜喜欢什么”,包括他自己,喜欢什么。


     从小在法国长大的熊元科见识过农业现代化的硕果,而今,即将从交大硕士毕业的他,选择继续申请农业能源方向的博士,将其作为长期发展的职业方向,期待在祖国的土地上,能有一番作为。


图片▲熊元科选择研究农业能源方向。(图为受访者提供)


加法和减法 


     按照理想的状况,四支队伍在前两轮的生长周期里,主要是“试错和建模”,然后在最后一个周期里,铆足劲,完成既定目标的同时,种植出最多最好的生菜。


    “生生不息”团队的各项成果,均在第三个周期得到了有效的检验。被称为“能耗大师”的队长鲍华教授,通过数据测算,在比赛开始初期,便将团队的参赛目标设定为:能耗降低25%以上的同时,保证产量提高至少40%。


    放在传统农业时代,像鲍教授这样的精确到具体数字的预测,不啻为天方夜谭,然而现代农业与科技的交融,让这一切都成为可能。


    经过前两轮的沉淀,“生生不息”团队基本克服了硬件带来的各种影响,并根据前两轮的充分的实地测量和仿真工作,自研出一套以节能为导向的环控算法,把农业模型和热力学算法做了一个串联,直接针对室内种植场景,做出适合的温湿度及二氧化碳浓度的调控。最终,基于这一平台的实践操作显示,团队在第三轮的生产种植产量,直接较第一轮大幅提升了135%,三轮种植迭代后节能率明显提升,全部达到鲍教授的预期水平。


图片▲“生生不息”团队自研出一套以节能为导向的环控算法。(图为受访者提供)


    崇明岛上,与“生生不息”团队的集装箱相邻的是上一届农研大赛的冠军队伍,“Lettus Grow”,他们在今年的决赛中,也有亮眼的表现。作为一支偏农学的队伍,队长徐丹也不讳言在比赛中的失误与不足,种植进入中期阶段以后,团队发现在植物工厂里,是无法像在玻璃温室里一样,随意调节苗盘的生长密度的,临时调整的策略尽管起到了不错的效果,但一定程度上仍然影响了培育结果。


     也正是如此,“生生不息”团队在植物工厂的环控技术,让他印象尤为深刻,“我们往往盯着植物自身,但他们关注的是整个植物工厂的设备环境”,他意识到,单一的农学专业也已无法应对植物工厂的各项需求,要想继续探索,必然需要具有工程学、信息技术学背景的跨行业人才加入。


     这一观点与此次大赛评委、上海农科院园艺所所长朱为民不谋而合。深耕农业数十年,在他看来,以植物工厂为代表的智慧农业已成发展趋势,智慧农业首先要解决的就是环境控制问题,而其背后所对应的是能量的计算和调整,“这不是单凭农学就能解决的事”,朱为民说。


     在崇明岛的春天里,农学家与工程专家的对决既是本次决赛的一大看点,又是现代农业发展过程中的一大亮点。闯进决赛的四支队伍,从人员组合到方案策略再到应用推广,都在说明同一件事情:当代农人已经有了解题思路——做加法。


     在赛后访谈环节,所有的参赛团队都提到跨学科的重要性,另一方面,在三轮比拼的过程中,几乎所有的团队,都用到了算法分析,算法的本质就是数据的不断的取样叠加,然后根据模型计算作出预测指令,只因策略各有不同,所以成果也各不一样。


     和“生生不息”一样以工学背景为主的CyberFarmer团队,做出的是一套基于生长速率的环控方法,通过适度控制生长速率,追求经济价值最大化的同时,做到了高效节能,打破了生菜培育上的耗电局限。在农学领域上,算法可以是技术层面上的加法,也可以像这样,成为应用层面上的减法。


    农研大赛的最终指向还是惠农,再高大上的技术成果,回到农业本身,如果在土地上无法扎根,便也没有产业化的意义。能够被推广的“好作物,好技术”,不仅仅是具有更高的品质、更好的口味,往往还意味着更简易的手段、更普惠的价格,这些在应用过程中必要的“减法”,对于这群在赛博世界无往不利的新农人来说,或许要比做加法更难。


    但这才是农业探索的真正意义所在:在多学科交融、多项技术叠加的背景下,寻找提升种植效率、节能减耗、缩减人力、缩短流程、降低成本等帮助农民减负的方法,最终让科研成果普适化,可操作化。


    正如CyberFarmer团队成员杨浩所言,只要能应用于生产的算法,都是好的算法,但是,对于未来面向这套算法的人群而言,掌握操作比理解原理更为重要,将程序简单化,才是硬道理。


    毕竟,“代码越少,bug越少”。



图片▲来自中国农业大学的杨浩认为在智慧农业中,将程序简单化才是硬道理。(摄影:付梵)


赛博农业,向前一步


    六月到来之前,四支队伍的状态均已渐入佳境,植物工厂里的生菜长势颇为喜人。


    6月6日,正式评审之前,大赛组织方邀请了包括种植者、消费者、厨师、市场监督执法人员等在内的15位大众评审,对收获的第三茬“翠恬”生菜进行品鉴,投票结果显示,“生生不息”团队的成果居于末尾。


    成员们坦然接受了这个结果,也纷纷安慰了负责生菜种植培育的查凌雁,这位曾被上海市政府认定为“超级博士后”的农学专家,提到团队成果时,不无遗憾,“如果在植物栽培上我能够做得更好,我们的成绩应该会更好”,但事实上,生菜的风味,也并不仅仅取决于某一个人的技术水平或者决策,比赛不仅仅是团队的合作,也是决策的博弈。


    在过去的研究经历中,查凌雁的聚焦点大多是关于农作物的品质提升,例如在植物工厂,通过光照调控提升植物的口感类物质,但通过大众品鉴结果的复盘,她意外有了一个新的收获——在光合作用下,植物的产量和品质之间,需要找到一个平衡点。


图片▲查凌雁正在集装箱内调试设备。(图为受访者提供)


    在三轮种植周期中,不论是“Lettus Grow”还是“生生不息”,第一轮产量最低的时候,品质是最高的,到了最后一轮,二者恰好反了过来,这一点,“CyberFarmer”团队也遇到过,“我们也纠结过要产量还是要品质,但在最后一茬种植期时还是选择了牺牲部分产量,改善整齐度、感官、商品率等品相指标”。


     又好又多,从来都不只是一句轻松的口号,更是一条异常严苛的评判标准。6月26日的决赛评审会,面对顶级专家组成的评审团,四支参赛团队轮流介绍各自的种植策略、技术、成果,以及商业化推广方案。


    经专家评委审定,上海农科院队同时获得产量及品质得分的最高分,最终摘取冠军,来自中国农业大学的“CyberFarmer”队荣获大赛第二名与“最佳节能奖”,“生生不息”队与“Lettus Grow”队并列第三。


     值得一提的是,上海交大这群参赛前没种过菜的工学专家,在辅助智慧栽培的信息化平台的帮助下,实现了生菜的快速增长,其效率让不少评审专家感慨,“如果多种几茬,冠军可能就是工学家了”。


   不再看天吃饭的现代农业,正在以更广阔的格局吸纳着更多有为之士到来。在过去,与土地打交道的农业一直被认为是脏活累活,上一辈的农人,除了担心自然灾害,也总是忧心后继无人。然而,智能化的前沿科技正在改变传统农业“面朝黄土背朝天”的耕作方式,越来越多的年轻人,在广袤的田间地头,找到了技术的“应许之地”。


“我相信第一产业永远是最重要的,所以我觉得,把最好的技术给最重要的事情,也是理所当然的”,尽管熊元科只有24岁,但他十分坚定地,看向了现代农业蕴含的前景与未来。


    今年的多多农研大赛上,像熊元科这样年轻的身影并不鲜见,不少团队更是有00后成员参与,赛博农业培养出“新农人”,名副其实。来自中国农业大学的郑建锋参加完颁奖仪式后连夜登上返京的火车,并将得奖的消息分享给了等着他第二天一起拍摄婚纱照的妻子。他是一名标准的“90后”,目前做着农业工程方面的博后,学农已经十余年,现已独挑大梁,担任“CyberFarmer”的队长。2011年他不顾家人反对,选择填报农业大学时,只因单纯地想要改变种地难的状况。如今,被两颗种植的又大又好的水培生菜留在农学的他,已经将智慧农业核心技术的创新和发展,作为首要课题。


图片▲90后青年新农人郑建锋致力于研究智慧农业。


    而这同样也是多多农研科技大赛的目标,是至今已经举办了三届的大赛一直在坚持的同一件事——让赛博农业,再向前一步。


     拼多多高级副总裁朱建翀认为,拼多多起家于农业,现已发展成为中国最大的农产品上行平台,将始终把农业作为核心战略,长期致力于利用新模式、新技术推动农业数字化发展,希望通过科技带来农业领域的革命性变化。


    农研大赛结束后,熊元科洋洋洒洒地在朋友圈发了一篇小作文,结尾他写道,“老鲍加油”。老鲍是“生生不息”团队的队长鲍华,目前就职于上海交通大学博渊未来技术学院,负责绿色能源与新农村研究中心,农业是他认为的能源应用最重要的方向。从工科转向农业以后,他有了一个梦想,在未来的5至10年内,做出一个全绿电(碳排放为零)供给的植物工厂,降低能耗成本,让植物工厂从业者能真正看到盈利的可能性。


     科技的浪漫和魅力在于,你可以不仅仅只做一个围观者,幸运的话,你还可以用它去做出一点点改变,让大家生活在你参与定义的世界里。


    再向远看,植物工厂,可能是人类农业的未来,而以鲍华教授为代表的这群年轻人,或许真的足够幸运,可以改变世界的未来。


(原标题:崇明岛上的种菜青年与赛博农业)

上海崇明岛:让科技成就土地,助力农业现代化进程
农研大赛的最终指向还是惠农,再高大上的技术成果,回到农业本身,如果在土地上无法扎根,便也没有产业化的意义。智能化的前沿科技正在改变传统农业“面朝黄土背朝天”的耕作方式,越来越多的年轻人,在广袤的田间地头,找到了技术的“应许之地”。
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