Нынешняя автоматизация сельского хозяйства является завершением долгой эволюции механизации, которая шла на протяжении всей истории существования этого сектора. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) определяет механизацию как использование в сельскохозяйственном производстве всех видов машин и оборудования, от самых простых и базовых ручных инструментов до более сложной моторизованной техники14. Таким образом, механизация автоматизирует только часть сельскохозяйственных работ, и с переходом от базовых ручных инструментов к механизированной технике степень автоматизации возрастает.
Выполнению любой сельскохозяйственной операции всегда предшествуют два этапа: оценка ситуации (диагностика) и принятие решения. На рисунке 1 эти три этапа представлены в виде циклического процесса с постоянной обратной связью между ними. Выполнение любой сельскохозяйственной операции – от сбора урожая до борьбы с болезнями и орошения – обычно начинается с диагностики рассматриваемой проблемы: это нужно для того, чтобы определить, какие действия необходимы в каждом случае. Например, прежде чем организовать полив, производителям надо понять, нуждаются ли растения в воде. Животноводам, прежде чем назначать антибиотики, необходимо оценить состояние здоровья животных. Диагностика может производиться на основании опыта производителей, но этот процесс можно автоматизировать с помощью датчиков, показания которых будут отслеживать производители. Оценив ситуацию, производители решают, что следует предпринять (например, какое им нужно количество воды для орошения или какие нужны антибиотики) и когда. Решения могут приниматься сельхозпроизводителями на основании собственного опыта и знаний, но этот процесс тоже можно автоматизировать: в этом случае контроллеры будут посылать соответствующие сигналы на основе информации, полученной от датчиков на этапе диагностики. На третьем, заключительном этапе (выполнение) фермеры могут осуществлять необходимые сельскохозяйственные операции сами, используя для этого ручные инструменты или животных, а могут использовать для этого соответствующие машины и оборудование. Самые передовые технологии автоматизации позволяют полностью автоматизировать все три этапа. Примером здесь могут служить роботы для сбора фруктов. Такие роботы последовательно выполняют все три этапа автоматически, а сельхозпроизводители просто следят за работой датчиков и обслуживают оборудование.
Рисунок 1 Трехфазный цикл системы автоматизации
Любая технология, позволяющая автоматизировать хотя бы один из этих трех этапов, может считаться технологией автоматизации. Механизация с использованием машин и механизмов, приводимых в движение различными двигателями15, в основном ориентирована на последний из этих трех этапов, т.е. на выполнение. Она позволяет автоматизировать такие сельскохозяйственные операции, как вспашка, посев, внесение удобрений, доение, кормление, сбор урожая, орошение и многие другие. Для целей настоящего доклада любая технология, которая помогает сельхозпроизводителям на одном или нескольких из трех этапов, показанных на рисунке 1, считается технологией автоматизации. Сюда относятся и ситуации, когда сельхозпроизводители используют датчики для мониторинга состояния растений и животных, автоматизируя таким образом этап диагностики, но решения принимают исходя из собственного опыта без помощи автоматики. В некоторых случаях этап выполнения может также включать в себя зондирование (например, создание карт урожайности во время уборки урожая), данные которого затем используются на этапе диагностики (отсюда и цикл, показанный на рисунке 1).
С развитием цифровых технологий и автоматизированного оборудования, такого как датчики и роботы, в которых используются машинное обучение и искусственный интеллект, становится возможной автоматизация процессов диагностики и принятия решений. Моторизованную технику все чаще дополняет или даже заменяет новое цифровое оборудование, которое автоматизирует процессы диагностики и принятия решений. Например, обычный трактор может быть преобразован в автоматизированное транспортное средство, способное самостоятельно засеять поле15. Таким образом, если механизация облегчает работу, снижает необходимость в тяжелом и однообразном труде и позволяет справиться с дефицитом рабочей силы, то технологии цифровой автоматизации еще больше повышают производительность, поскольку позволяют более точно выполнять сельскохозяйственные операции и более эффективно использовать ресурсы и факторы производства. Как следствие, цифровая автоматизация может повышать экологическую устойчивость и жизнестойкость в условиях климатических потрясений и стрессов. Но связанные с этим последствия для рабочей силы – вопрос, требующий серьезного внимания. Об этом говорится в докладе далее.
Описанная выше технологическая эволюция показана на рисунке 2. Эта схема иллюстрирует развитие сельскохозяйственных технологий (с примерами каждой из них) от самых простых, которые помогают только в физическом выполнении операций, до более сложных, позволяющих автоматизировать процессы диагностики и принятия решений. Технологическую эволюцию можно описать, подразделив технологии на следующие категории:
- Ручные инструменты. Люди проводят диагностику ситуации и принимают решения, а для выполнения необходимых операций используют простые инструменты, такие как топоры и мотыги.
- Тягловая сила животных. Люди по-прежнему сами проводят диагностику и принимают решения, но физические сельскохозяйственные операции выполняются животными (или с их помощью), которых впрягают в сельскохозяйственную технику, например в плуг.
- Моторизованная техника. Люди по-прежнему сами проводят диагностику и принимают решения, но необходимые операции выполняют моторизованные машины и оборудование. Появление этой категории знаменует замену источника энергии, используемой на хозяйствах, с внутреннего (мускульная сила человека и животных) на внешний (например, ископаемое топливо и электричество). Но такая замена требует создания специальной инфраструктуры, которая обеспечивает бесперебойный доступ к этим источникам энергии.
- Цифровое оборудование. Усовершенствовать процессы диагностики и/или принятия решений людям помогает целый спектр цифровых инструментов, которые позволяют автоматизировать процесс умственной работы или повысить точность операций моторизованной техники.
- Робототехника с искусственным интеллектом. Люди используют сельскохозяйственных роботов, в которых все функции диагностики, принятия решений и выполнения работ опираются на искусственный интеллект. Эти роботы могут быть как статичными (как, например, доильные роботы), так и мобильными (как роботы для сбора фруктов). Люди отслеживают показания датчиков и обслуживают роботов. В эту категорию входят самые передовые технологии автоматизации, и некоторые из них еще не были масштабированы или пока находятся в стадии разработки.
Рисунок 2 Эволюция технологий автоматизации сельского хозяйства
К сожалению, все это разнообразие инструментов и технологий отчасти стало причиной того, что в литературе определения автоматизации сельского хозяйства зачастую противоречат друг другу, и это затрудняет работу по сбору данных об автоматизации11. Например, некоторые авторы определяют автоматизацию сельского хозяйства как автономную навигацию роботов без вмешательства человека, результатом которой является точная информация, помогающая разрабатывать сельскохозяйственные операции16. Другие определяют это понятие как выполнение производственных задач с помощью автономных мобильных мехатронных устройств, способных принимать решения17. Но эти определения носят очень ограничительный характер и не охватывают всех форм и аспектов автоматизации: ярким тому примером может служить статичное оборудование, такое как роботизированные доильные аппараты. Более того: из этих определений исключена не только большая часть моторизованной техники, позволяющей автоматизировать осуществление сельскохозяйственных операций, но и цифровые инструменты (например, датчики), которые автоматизируют только процессы диагностики.
На рисунке 2 показана упрощенная картина исторической эволюции технологий автоматизации. Разные категории технологий могут пересекаться друг с другом, и возможны случаи, когда ту или иную технологию трудно однозначно отнести к определенной категории. Тем не менее эта схема помогает получить представление о предмете настоящего доклада и дать определение автоматизации сельского хозяйства. Концепция автоматизации сельского хозяйства относится к трем синим прямоугольникам, содержимое которых и представляет собой предмет доклада. В этом контексте в докладе предлагается следующее определение автоматизации сельского хозяйства:
использование машин и оборудования в сельскохозяйственных операциях в целях повышения качества процессов диагностики, принятия решений или выполнения этих операций, снижения трудоемкости сельскохозяйственных работ и/или обеспечения своевременности, а в некоторых случаях – точности сельскохозяйственных операций.
В соответствии с этим определением автоматизация сельского хозяйства включает в себя прецизионное земледелие, которое представляет собой стратегию хозяйствования, обеспечивающую сбор, обработку и анализ данных в целях повышения качества управленческих решений (см. Глоссарий).
В первом синем прямоугольнике на рисунке 2 моторизованная техника включает машины, управляемые людьми для выполнения таких задач, как вспашка, орошение и доение. Но диагностику люди проводят на основе собственных наблюдений или путем измерения каких-то простейших параметров, а затем принимают решения исходя из (внутреннего или внешнего) опыта, знаний и с учетом имеющихся ресурсов. Последние две категории на рисунке 2 касаются цифровой автоматизации. Они включают широкий спектр инструментов, оборудования и программного обеспечения, которые являются или могут быть многофункциональными и междисциплинарными, что позволяет оптимизировать управление ресурсами во всей системе, обеспечив индивидуальный, интеллектуальный и упреждающий подход18. Благодаря развитию технологий цифровой автоматизации (робототехники с искусственным интеллектом) можно автоматизировать все три этапа: диагностику, принятие решений и выполнение, а роль человека в этом случае ограничивается мониторингом и обслуживанием автоматического оборудования. Так работает, например, робот – сборщик фруктов: получив сообщение от контроллера, которое формируется на основе информации, поступающей с датчиков, он приступает к сбору урожая.
Автоматизация может касаться любого из этих трех этапов или их комбинации. Например, диагностика может осуществляться датчиками, а принятие решений и их выполнение будут полностью зависеть от человека. Другой вариант – и диагностика, и принятие решений осуществляются с помощью цифровых технологий, а сами операции выполняют люди. Примером системы, в которой полностью автоматизированы все три этапа, является автономный робот для распыления удобрений. Сначала система получает данные о плодородии почвы, затем принимает решение относительно рабочей зоны и нормы внесения и, наконец, вносит удобрения в соответствии с этой нормой, которая является переменной величиной.
