李德毅院士:AI机器人+农业自动驾驶与智联网如何赋能未来农机?

  近日,中国工程院李德毅院士在演讲中指出,自动驾驶是未来农田作业机器人的起跑线,而智能网联是未来农田作业机器人的生态,会学习则是未来农田作业机器人的核心

我在这里分享一下我对未来农机的看法,报告题目是《未来农机:会学习的农田作业机器人》,重点强调会学习。

未来农机到底讲的是什么时候呢,我个人看法,大家知道1950年人工智能诞生,我们讲人工智能100年,到2000年人工智能算是走过一半的时间,那回顾我们已经走过的前50年,我愿意把前半部分叫做传统的人工智能。以我为例,我在读博士的时候就已经在从事人工智能相关研究,人工智能几起几落,身在其中,深有体会。那么新一代人工智能呢,是在下一个五十年,中间的分界是什么?是当前研究的热点:深度学习!从人工神经网络到浅度的机器学习,发展到深度学习,使得人工智能从阳春白雪走入大众。

那么把传统智能叫做计算机智能是不过分的,目前所有的软件、所有的智慧,都是在计算机上完成的。那么后50年,人工智能还在计算机上做吗?我觉得新一代人工智能的特征可以用这几个字来表示:无意识的类脑智能。不是仅在计算机上写软件,也不是一直讲提高算法算力,它要有一个大的跃升。那么我们去设想一下,人工智能100年时候的农机是什么样呢?

说起人工智能100年,我们很多人都能身临其境。我想了一下,概括出未来农业机器人的三种形态:轮式/履带式的机器人,举例而言,当前我的团队正在东北大田进行无人拖拉机的大面积作业,这是第一种形态;还有一种很重要的形态,是多足多臂机器人,尤其是采摘机器人;当然,还有同等重要的飞行机器人,这些机器人放在一起,不是一台而是多台,不是一架,而是多架,共同组成拖拉机载无人机,无人船载无人机,或者载多足多臂机器人。由于农业植被差异性、农田作业复杂性,决定了农田作业机械的多样性。我觉得这三种形态在一起,会更有生动的画面出来。

我今天的报告,大致可以总结为三个关键词,一个叫起跑线,一个叫生态,一个叫学习。

01自动驾驶是未来农田作业机器人的起跑线

先讲讲起跑线,我个人认为:自动驾驶是未来农田作业机器人的起跑线。我们要将农村大面积的作业用机械化、智能化来替代,首要的,就是农机的驾驶脑。很遗憾,前几年我们走了一些弯路,过分看重智能驾驶L1、L2到L5的分级定义,过分从定义出发。我个人认为,我们应该逐渐淡化自动化驾驶的等级划分,遇到特殊情况的时候人适当干预一下,尤其是农田,我们强调的应该是应用价值。我们的科技工作者到农村的时候,农场主关心的更多是你的产品能不能干活、能不能省钱,当然,我们仍然要坚守驾驶的安全问题。如果说农业的无人驾驶分成三个时期来做的话,0到1的科研探索期已经过去了,现在1-10更多是产品的孵化期、市场的创新期和社会的接收期;那么,10到10的N次方呢,我个人认为是2025到2035年,到2050,正好是下一个50年,正好是人工智能100年,给我们提供了很好的契机。大家知道,这里面最痛苦的就是当前,1到10产业化的痛苦时期,这条路不好走。农场半封闭状态,场景相对简单,无人驾驶技术发展会比道路上的自动驾驶快一些。

要做智慧农业,机械化、自动化、数字化、网络化、智能化,这些一个都少不了。但是由于我国机械化、自动化不够扎实,数字化、网络化、智能化正在倒逼自动化、机械化,尤其是拖拉机,它的主要动力原来是模拟式的,不是数字式的,不便于人工智能对其进行改良。我们要由机械制造大国变成制造强国,才能克服这个问题。我们用三种方法来解决智能农机的问题,后装、前装及新概念拖拉机,也就是无驾驶舱农机。农业是我们的基本国策,任务繁重,农田作业主力军是大马力拖拉机。在智慧农场的应用当中,拖拉机要配合农具进行中耕植保、耕整地、机械收获、运输等一系列工作。过去我们比较强调拖拉机本身,但是真正的有效载荷在于后面的农机具。农活要干好,更要强调机头和农具的一体化。在东北、新疆,先将玉米小麦大豆等大田作物作为智慧农业落地的第一步,能够解决大量的劳动力缺口问题。

这是目前在东北做的工作,现在我们正在试图将单台无人拖拉机变成多台,形成一个群体系统作业的样子,能够完成农业机械化、智慧农场所有环节,包括大雪天,也包括夜间、复杂地形。我们现在更感兴趣的,如刚才所讲,是机载无人机和机载多足多臂机器人。

02未来农田作业机器人的生态:智能网联

我们认为,当前对于中国农业要强调四个字,智能网联。如果把所有传感器都放在农机上,成本太高,能不能进行一定的环境改造,农业新基建给我们带来了契机,5G+数据中心+农业互联网+物联网+人工智能。这样能不能把北斗在农业上充分发挥作用,建立基于北斗的高精度导航定位系统,利用5G超高带宽、超低时延、超大连接的特性,极大降低拖拉机载传感器的成本,因为众所周知,一个激光雷达就要几万甚至几十万,有时候一个还不够,能不能通过机、物、网、管系统的优势改善智能网联。这块地是农场的,是固定的,那么农场是否能够把地面增强系统弄好点,在农忙时节把基站架起来,好处就是农田是不动的,今年的土地测量、路径规划明年还可以继续使用,更方便进行土地管理。所以我国具有独特的优势,能够加强垂直系统的农业物联网,就可以实现精准操控。据报道,农机一千米定位精度误差只有5cm,这就很好了呀。精准控制有很多办法,其中一个办法就是把拖拉机的V2X变成碎片化的“V”,“V”变小一点,把发动机、农具的消息都给传出来,便于农场主云上操控。在大型农场进行无人化工作,我们看到的是没有人,但是这些农业作业现状我们都能知道的话,例如农场主在家里通过Pad就可以控制犁铧、控制拖拉机档位、甚至进行增值服务,那该多好啊。

经常有人提智慧农场为无人农场,个人觉得不太确切,应该叫像无人农场,因为农场看不到那么多人现场操控,但是人类仍然在起作用。人工智能我的定义是人类智能的体外延伸。农场主在操控中心操控一台台农机的时候,那就是我们的智慧农场。智慧作业,就是操控手,尤其是遥控的操控手,加上智能网联,再加上会学习的农田作业机器人。我曾经把农业场景的拖拉机手比作驾驶脑,但是现在看来并不确切,不单单是驾驶,应该是农田农机作业脑包括对农机作业的有效控制,参数的调节和适时的干预。这样的情况之下,一个农场就可以变成少人农场或者几人农场。

03会学习是未来农田作业机器人的核心

最后重点讲一下会学习。农田作业的机器人,一定不是简单的机械化、自动 化,最基本是会学习。这个事情稍微追溯的要远一些,人为什么能够站在生物链的顶端,他的感官力气都不是最强的,人最厉害的是发明了脱离生命体的文化和文明,尤其是教育。人类用1/4的生命时间去学习,通过教育把全社会的群体智能吸收为个体智能,进而又变成群体智能,迭代发展。因此,人脑组织先天基因的持续进化和后天学习的双突破,才成就了人类的认知革命,也才进一步成就了人工智能。因此,我这儿有一个基本认识,那就是智能是可以教育的,文明是智能生产的。

我认为,学习的能力才是人工智能最基本的能力,因为会学习才能解释和解决现实中的问题。我对本世纪中叶未来农业机器人的定义,九个字,可交互、会学习、能进化,按照人类意志安全高效完成农田作业任务。在东北,为什么农场主欢迎我们,不单单是因为我们可以节省劳动力,因为传统的拖拉机手,他是人类,有情绪,在不开心的时候会在地里空跑耗油,农田作业机器人就没有意识和情绪,会按照人类的指示老老实实地干活。白天也好,夜间也好,都能够好好干活。

农业自动化技术做到极致,但如果农业机器人不能像人一样具备学习能力,不能应对农业植被的差异性,农田作业的复杂性,不能应对无法穷举的边缘工况,就无法完全替代人类劳动。因此,把一个千人农场,如何变成100个人,进而变成10个人,几个人,这就是我们对于未来农场的期望。

这里面最有难度的,就是农业作业的常识,为什么现在有人说农业机器人还不能用,主要是因为它没有农业常识。因此,我认为,未来农业机器人需要有像标杆农机手学习的能力。一开始,农机手在前台工作,农田作业机器脑就在后台静悄悄的向人学习;第二个阶段是机器人作业自动开始,人类农机手感觉作业不太妥当,就进行适当干预和修正,第三个阶段机器人自动作业,自己跟自己学习,独立进行作业,反复迭代学习。所以在这里,我呼吁学者们把我们常说的监督学习一词修改一下,我们平常说supervised learning,可以翻译成有指导的学习,不仅仅是监督。指导老师比监督老师作用可大多了,需要引领智能农机进入状态,是它的引路人。我们需要通过学习来应对无法穷举的工况,除了正学习还需要学习负样本,利用专家群体智能分析并吸取作业事故教训,物化为长期记忆,依靠突发场景触发,正确应对事故。例如,无人农机把苗垄弄断了,我们把它作为事故教训建立一个常见事故防范库,不断补充训练学习,以后就不再犯这个错误了。我们看到,用人工智能可以弥补突发情况下个体智能的缺失,可以让100台拖拉机,1000台拖拉机都可以向标准农机手那样干活,没有情绪,不闹脾气,就很好。

因此,我对人工智能赋能农业,前景看好。我国农业相关劳动力数量急剧下降,农民进城,铁牛耕地,智慧农场迫在眉睫。我个人认为,当前阶段主要强调智能,把人的智慧纳入到农机系统,不要急急忙忙把意识、情绪这些东西纳入到农机系统。中国人工智能2030年要占领世界高地,智能农机举足轻重,要勇闯未来农田作业机器人的无人区,抓好产业链的关键环节,加速我国农业的转型升级。