Підвищення продуктивності сільського господарства за допомогою штучного інтелекту

У статті розкриті особливості автоматизованого управління вирощуванням сільськогосподарсь­кої продукції з використанням штучного інтелекту на базі мікроконтролера MAX78000 .

В. Романов

На сьогодні 80% сільських господарств у багать­ох країнах, що розвиваються, залежать від продук­тивності виробництва сільськогосподарської про­дукції. Населення цих регіонів найбільше піддається ризику голоду та відсутності продовольчої безпеки, спричинених зміною клімату. Особливо вразливі жінки та діти. Відсутність продовольчої безпеки є для таких країн глобальною проблемою. 822 мільйо­ни людей у цих країнах недоїдають, 149 мільйонів з них – діти, які відстають у розвитку через недоїдан­ня. Таким чином, відсутність продовольчої безпеки, що викликана перш за все зміною клімату, становить життєвий виклик для мільярда людей на планеті. За заявою Міжнародного валютного фонду (МВФ), «в інтересах усього світу забезпечити, щоб зміна клі­мату не загрожувала розвитку та стабільності в бід­ніших країнах. Інвестиції в кліматичну стійкість… можуть бути дешевшими, ніж гуманітарна допомога та відновлення після катастрофи». Різниця економік розвинутих країн і країн, що розвиваються, відобра­жена на рис. 1, з якого випливає що країни, які роз­виваються, стикаються з більшими економічними ризиками через зміну клімату та менш здатні до них адаптуватися.

Рис. 1 Індекс адаптивної здатності країн з різними економіками до зміні клімату

Вищі температури, дефіцит води, посухи, повені та більші концентрації CO2 в атмосфері суттєво впливають на вирощування сільськогосподарських культур. Як наслідок, виробництво їжі в світі скоро­чується. Багаторічні дослідження, проведені Міжна­родним дослідницьким центром продовольчої полі­тики, показали, що Гватемала та Коста-Ріка втра­тять по 17% урожаю богарної кукурудзи до 2050 року через зміну клімату. Гондурас втратить 12% свого врожаю, а Колумбія, Перу, Сальвадор і Нікарагуа втратять приблизно 8%. Мало що можна зроби­ти, щоб захистити рослини від частих на сьогодні ураганів або підвищення рівня моря, викликаних зміною клімату.

Однак поява та поширення технологій штучного інтелекту (Intelligent Edge) дозволяє як великим, так і малим господарствам краще управляти та підви­щувати врожайність сільськогосподарських культур в умовах довготривалих змін погоди. Відзначимо, що термін Intelligent Edge (інтелект на межі) означає, що елементи штучного інтелекту використовують обчислювальні потужності інтелектуальних при­строїв у точці використання на межі традиційних об­числювальних мереж.

Традиційні мережі будуються за принципом від­далених сенсорів, які надсилають дані до віддалених центрів обробки даних для аналізу та прийняття рі­шень. Переміщення обчислювальної потужності до джерел даних забезпечує більшу швидкість реагу­вання та ефективність управлінських рішень, особ­ливо в сільськогосподарських країнах, що розви­ваються. Сьогодні фахівці провідних компаній в тому числі і компанії Analog Devices працюють у такій країні як Філіппіни із дрібними фермерами, щоб створити замкнуті рішення Intelligent Edge для моні­торингу та реагування на потреби в зрошенні та добривах їхніх посівів кави в реальному часі.

Потенційні переваги включають більш ефективне використання обмежених ресурсів фермерів, знач­не підвищення врожайності кавових культур, а на на­ціональному рівні – потенційне повернення Філіппін на місце одного з провідних світових експортерів кави. Виробництво кави на Філіппінах скоротилося з 68 800 тонн у 2016 році до 60 600 тонн у 2020 році, що становить 12% падіння лише за чотири роки. Ру­шійними силами падіння виробництва кави стали зміни клімату і відсутність сільськогосподарської технології для боротьби з невизначеністю цих змін.

Чому Філіппіни вибрані як приклад впроваджен­ня нових інформаційних технологій і штучного інте­лекту? Тому що у 2017 році уряд Філіппін оголосив про 5-річну дорожню карту для відновлення перш за все кавового сектора у сільському господарстві країни. Цей план призвів до партнерства між ком­панією Analog Devices і кооперативною кавовою фермою Amadeo. Разом вони створили замкнуту автоматизовану систему яка виявляє, аналізує та визначає оптимальні рівні зволоження та добрив. Система забезпечує подачу води та необхідної кіль­кості поживних речовин у потрібний час для забез­печення максимальної врожайності. Зусилля уряду країни зупинити падіння рівня виробництва кави на Філіппінах зробили країну ідеальним місцем для ви­пробувань технологій штучного інтелекту безпосе­редньо у сільському господарстві. На рис. 2 показа­на структура запровадженої технології вирощування кави.

Сучасні технології землеробства, які можуть від­чувати місцеві зміни погоди та мікроклімату та миттєво реагувати на них, дозволяють фермерам конт­ролювати технологічні процеси і мати гарантію, що посіви належним чином поливаються та удобрю­ються незалежно від погодних умов. Система, що наведена на рис. 2, використовує сонячну енергію для збору та аналізу інформації про стан ґрунту та стан кавових рослин, забезпечуючи бездротову пе­редачу команд до систем поливу та внесення доб­рив у режимі реального часу. Використовуючи штуч­ний інтелект мікроконтролера MAX78000, система не тільки оптимально управляє цими процесами, але й навчається і вдосконалює свою здатність оп- тимізувати рівень води для штучного поливу, кіль­кість вносимих макроелементів та рівень pH грунту у відповідь на найменші впливи навколишнього сере­довища. Три дні сильної вологої спеки, а потім два дні сильного дощу, не є чимось незвичайним на Фі­ліппінах, і така технологія здатна відчути всі зміни через короткий проміжок часу, підтримуючи опти­мальний розвиток рослин.

Макет такої системи спочатку було випробувано на рівні одного квіткового горщику під освітленням, і це показало обнадійливі результати. Змінювалися умови посухи та сильних дощів, дані збиралися в ре­жимі реального часу під час коригування рівня води та кількості добрив. Виявилося, що рішення штучно­го інтелекту може кардинально змінити роботу фер­ми. Система Intelligent Edge призвела до значного збільшення здорового росту та продуктивності до­сліджуваних у горщику рослин.

Рис. 2. Структура нової технології вирощування кави, де 1 – сонячні батареї, 2 – сенсорний вузол з вбудованим мікроконтролером MAX78000, 3 – іригаційний насос, 4 – підсистема фертигації (підсистема введення добрив або пестицидів у зрошувальну систему іригації)

Наступним кроком було повторне проведення випробувань на фермі з однією рослиною, які неза­баром були розширені до десяти рослин (рис. 3). Кооперативна кавова ферма Amadeo отримала вра­жаючі результати під час семимісячного випробу­вання нової технології з використанням цих десяти дослідних рослин, а саме підвищення врожайності було зафіксовано на рівні 120%, зниження витрат на добрива – на рівні 50%, зниження трудовитрат – на 14%, збільшення прибутку – на 64%.

Рис. 3. Фотографії з дослідами вирощування кавових рослин під управлінням штучного інтелекту

Зараз триває друга фаза тестування штучного ін­телекту Intelligent Edge на трьох великих фермах у трьох різних регіонах країни, кожна зі своїм унікаль­ним мікрокліматом. Усі вони використовують більш масштабні системи та аналізують стійкість сільсько­господарських культур до змін тропічних погодних умов.

Оскільки зміна клімату прогресує, важливо роз­робляти та впроваджувати інтелектуальні технології, які послаблює її вплив. Технологія Intelligent Edge обіцяє оптимізувати врожайність в умовах неперед- бачуваних погодних умов. Таким чином, нова техно­логія може значно підвищити врожайність, знизити витрати та підвищити продовольчу безпеку в країнах третього світу та в усьому світі в цілому. Хоча пе­реважна більшість голодуючих у світі живе в країнах, що розвиваються, слід відмітити, що голод існує та­кож і в більш розвинених країнах, включаючи Спо­лучені Штати, де 30 мільйонів дітей страждають від недоїдання.

ВИСНОВКИ

Виходячи з того, що методи ведення сільського господарства продовжуватимуть розвиватися, ос­кільки світ стає більш заселеним і урбанізованим, іс­нує можливість масштабування подібних інтелекту­альних систем на базі штучного інтелекту, щоб задо­вольнити потреби, починаючи від великих фер­мерських хазяйств до окремих теплиць і присадиб­них ділянок. Крім кави, практично всі сільськогоспо­дарські хазяйства з виробництва продуктів харчу­вання можуть отримати вигоду від «розумних» си­стем фертигації або штучного зрошування, що мають змогу самонавчатися та адаптуватися до зміни клімату.

Впровадження штучного інтелекту в сільське гос­подарство України дозволить не тільки підвищити його продуктивність, але знизити навантаження на енергогенеруючі компанії, на постачальників доб­рив, пестицидів та біодобавок, зекономити водні ре­сурси.