食用菌工厂化与人工智能
食用菌工厂化与人工智能 董晖 、张敏 二O二一年十一月摘 要 随着我国国民经济的快速发展，居民的收入水平越来越高，人们对绿色食品如低糖、低脂肪、高蛋白的食品消费需求日益旺盛，专家预测21世纪食用菌将发展成为人类主要的蛋白质食品之一。食用菌是一类具有食用价值和营养保健功能的大型真菌，它们能将农林作物废弃料和畜禽粪便转化为优质美味的保健食品，促进自然界物质循环和能量循环。 食用菌的集约化、设施化、标准化栽培技术，将进一步提高我国食用菌栽培的经济效益和生态效益；加快推进食用菌工厂化、机械化、自动化、智能化生产。整合我国的食用菌产业的合力，实现规模经济，提高生产集中度，将对全国食用菌产业发展起到积极的促进作用。本文针对目前食用菌行业存在的问题，提出相应的应用对策，食用菌结合人工智能有何优势，并就对食用菌工厂化和人工智能做简单介绍。 关键字：食用菌工厂化、人工智能 目 录摘要.............................................................................Ⅰ目录.............................................................................Ⅱ第一章 食用菌工厂化生产概况一、食用菌工厂化生产发展史....................................................01二、食用菌工厂化生产的介绍....................................................01三、食用菌工厂化生产名词解....................................................01第二章 人工智能概况一、什么叫作人工智能..........................................................02二、人工智能发展历程..........................................................02三、人工智能发展趋势..........................................................02第三章 食用菌工厂&人工智能一、食用菌工厂化生产的现状....................................................02二、食用菌工厂化存在的问题 ...................................................03三、食用菌结合人工智能目的....................................................03四、食用菌结合人工智能优势....................................................04五、人工智能使工厂化的变革....................................................04六、人工智能在工厂化的运用....................................................05第四章 人工智能在食用菌工厂的实施步骤一、硬件准备..................................................................06二、数据的传输及存储 .........................................................07三、初级的应用................................................................07四、大数据分析的应用..........................................................07五、人工智能的实现............................................................08六、实现人工智能食用菌工厂应用的难点问题......................................08结束语.......................................................................09参考文献.....................................................................09
第一章 食用菌工厂化生产概况 一、食用菌工厂化生产发展史我国食用菌工厂化生产起步较晚，随着改革开放以来，食用菌产业发展突飞猛进，目前已成为中国种植业第五大产业，超过棉、茶、油等产业。总体看，中国食用菌产业规模大，在实现农民增收致富、丰富和保障“菜篮子”产品、出口换汇以及推动区域经济发展中发挥了重要作用。食用菌产业见效快、效益高成为多地脱贫攻坚的支柱。二、食用菌工厂化生产介绍file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml15756\wps9.png食用菌工厂化栽培，实际上就是封闭式、设施化、机械化、标准化、周年栽培；简单一点说就是创造适合食用菌不同发育阶段的环境，进行规模的反季节周年栽培。与传统农业种植食用菌相比，工厂化食用菌生产具有解决食品安全问题、节约土地资源和劳动力资源等优势，真正体现循环经济概念。三、食用菌工厂名词解释3-1周年化——是指食用菌的生长都是季节性的，工厂生产的食用菌通过控温、控湿和控制通风等科学技术改变了食用菌反季节生长的特性，使食用菌一年四季均可生产，提高了食用菌的生产效率。3-2集约化——是指食用菌工厂化生产利用现代生物技术和先进的管理方式，提高食用菌生产力各个要素的素质，改善食用菌生产力的管理组织，转向工业生产的发展方式。3-3标准化——在生产过程中贯彻执行标准和对贯彻执行情况实施监督。按照食用菌生产各个环节制定工艺标准，生产者依据工艺标准规定组织生产，工厂有关部门依据标准对生产过程实施跟踪和监督。确保食用菌工厂化高效生产的稳定性。3-4设施化——设施农业借助设施设备，运用现代农业工程、机械设备技术和管理技术，改善局部温度、湿度、光照、水肥、空气等环境条件，为食用菌创造相对可控制的外界条件，从而促进食用菌生长。
第二章 人工智能概况 一、什么叫作人工智能人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了计算机科学的范畴，人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。二、人工智能发展历程人工智能发展的历史可以分为三个阶段，技术驱动阶段、数据驱动阶段、情境驱动阶段。在技术驱动阶段基本算法的发展，成为了推动人工智能进步的最大动力。中国人工智能起步较晚，萌芽于上世纪70年代末，随着互联网的蓬勃发展及技术的创新和应用，近年来中国人工智能逐渐落地，进入快速发展时期，已发展成为国家战略。三、人工智能发展趋势任何有助于让机器(尤其是计算机)模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法和技术，都可视为人工智能的范畴,展现出无比光明的发展前景。助推智能农业不断提速。新一代人工智能技术可从农业数据智能化分析、农业机械智能化运行等方面应用助力智慧农业提速。一方面，助推农业数据智能化分析。另一方面，助推农机智能化运行，加快推动现代农业发展。 第三章 食用菌工厂&人工智能 file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml15756\wps10.jpg一、食用菌工厂化生产的现状2006年以来，中国食用菌工厂化生产得到快速发展。据中国食用菌协会统计，2019年食用菌工厂化生产总产量348万t，主要栽培种类是金针菇（163.85万t）、杏鲍菇（127万t）、斑玉蕈（32.83万t）、双孢蘑菇（24.63万t），另外，荷叶离褶伞（鹿茸菇）、灰树花、绣球菌、蛹虫草等种类栽培规模日益增长。目前食用菌工厂化生产主要特点有4个。1.工厂总量持续减少，与2018年的480家相比，2019年同比减少18%。2.总产量持续增加，与2018年相比，同比增加3.4%。3.生产种类日益多元化，双孢蘑菇、斑玉蕈、鹿茸菇产量显著增加，其中，与2018年相比，双孢蘑菇同比增长26.2%，斑玉蕈同比增长17.1%，鹿茸菇同比增长14%。4.企业规模优势突显，日产低于15t的企业已由2018年的7.63%下降为2.88%，日产超过20t的企业已由2018年的23.9%上升到31.41%。二、食用菌工厂化存在的问题2-1工艺数据设备问题 食用菌工厂化在生产过程中会有大量的数据产生，在生产过程中对这些生产数据的收集及生产标准的判断有着严格的生产工艺标准；纸版文件仍是当下主流，每一个生产环节都会有不同的人员对数据的收集及使用，然而，纸版文件自身存在一些列弱点，因此，手动采集数据耗费时间且易于出错，如果要进行技术的改进或寻找问题的根源，使用任何有用的细节信息需要数据时，这些数据的误差值将直接影响到食用菌的质量和数量，增加了工厂的成本；人员收集的数据信息主要掌握在人的手里，工厂人员的流动将是不可控的，人员的变动也将会使大量的数据分散，数据的分散与流失也将直接影响到食用菌生产的品质，降低了工厂的经济效益。2-2专用型品种匮乏 目前，大多白色金针菇品种是购买国外的品种权，采用授权后自行生产，根据生产规模收取费用。据不完全统计， 每年国内菌种使用费超3000万元。工厂化生产的双孢蘑菇菌种，均是购买的栽培种实物，每年超5000万元。2-3缺乏核心竞争力 大多数食用菌企业不重视自身技术研发，每当别的企业品种或栽培技术突破，就想着“重金挖人”或者“借鉴一下”。 file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml15756\wps11.png《烂菇事件》 国内食用菌工厂出现的烂菇事件比比皆是，而工厂在应对措施上缺乏深究，常常是从配方配料、灭菌时间、母种接种、培养、搔菌到生育室所有生产环节都一一查了个遍，查找数月仍未追查到问题根源所在，严重的质量问题影响了整个销售市场，不仅降低了工厂效益，更是让工厂产品的口碑产生了严重的下滑。其原因是人员对生产数据的采集及分析产生的误差，对问题数据的跟踪耗时过大，人员的流动使新人对数据分析、设备的使用不熟悉及生产管理系统是否标准、规范化，还有就是对负有责任的情况和问题人为的瞒报或篡改数据。三、食用菌结合人工智能的目的中国是食用菌生产大国，但不是食用菌科技强国，尤其是食用菌工厂化生产file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml15756\wps12.png方面。由于科技投入少和企业自主创新能力不强，存在的科技短板尚未得到有效补足，存在的问题还未得到有效解决。食用菌产品的优良品质决定了食用菌产业的长久生命力。食用菌产业的未来在于工厂化， 洞悉食用菌工厂化生产的趋势，发现并解决食用菌工厂化生产前端和后端品质问题，解决人为因素导致不能稳定生产的问题，生产过程中产生大量数据统计的问题，是食用菌结合人工智能的主要目的。怎样才能把菇种好，就好像使用导航软件一样可以通过人工智能来选择行车路径一样做出预判和选择。四、食用菌结合人工智能的优势4-1数据自动化——食用菌工厂生产过程中产生的大量数据特别适合人工智能来进行处理，通过对生产产生的数据自动收集，不再是通过人员收集数据靠经验对数据分析统计，简化了人员的工作，提高了人员的工作效率；4-2计算能力值——生产时大量产生的数据，需要进行高速处理。人工智能让生产数据生成算法形成工艺路径，使生产数据定量化，收集的数据计算结果和实际结果对比能精确得出偏差，有效降低了数据的误差值；4-3自我学习力——在生产时大量数据的使用过程中，不断开发人工智能的关键技术，用算法去分析数据、学习数据，利用生产时的大量数据和算法去“自我训练”，在分析的基础上不断学习，从而提升人工智能自我学习的能力；4-4轨迹数据化——人工智能通过挖掘的一些非结构数据，能够快速、精准的掌握轨迹数据，顺着轨迹数据快速跟踪和追溯到问题的根源，降低了生产时产品的报废数量，使生产产品质量得以保障。五、人工智能使工厂化的变革自动化、机械化不等同于人工智能，而人工智能不能取代自动化、机械化；人工智能是建立在自动化、机械化的基础之上；食用菌工厂化生产已基本实现了机械化、自动化生产。人工智能的运用将使食用菌工厂化生产操纵越来越简单，使食用菌的品质和效率越来越高。5-1工厂人员变动性 目前所有行业基本都缺乏劳动力，人工智能的运用就是将人与自动化设备的完美结合，让原本复杂的数据工作从人员统计计算转变到智能系统统计计算，不但降低了企业人员的工作量同时还使工作量变得简单化；员工与员工之间不再因为复杂的数据工序出错产生矛盾而推脱责任，从而使人与人之间的关系得到优化；人工智能的运用大量的数据信息将会保存在系统里，工厂无论是考虑人员岗位变动或是新进人员，都可随时进入任何工作岗位的工作状态，不再因人员的流动与变化使技术数据流失，人员的流动与变化将不再影响到食用菌工厂化生产的效率及产品的质量问题；人工智能在食用菌工厂的运用将使食用菌工厂化生产标准化得到提升。5-2工厂之间技术性 不同的品种具有各自的生物学特种性，需要不同的生产环境。出于生产工艺与生产设备的匹配性，不同品种的工厂之间存在着技术壁垒，人工智能化的运用将随着品种的生长环境而全自动调节不同品种生长过程中所需要的温度、湿度、水分、通风和光照等环境条件，使工厂可根据市场需求培植不同品种的食用菌；可使同一种品种的菇在不同的食用菌工厂之间能够高效生产、保持一致化。5-3打破信息孤岛化 目前食用菌工厂虽然已基本实现了机械化、自动化生产，但工厂的设备与人之间还是存在信息孤岛、数据壁垒的信息整合问题，人工智能将更新完善工厂生产信息资源共享及交换体系，明确各部门信息共享的种类、标准、范围、流程，不断完善生产各环节工艺标准、工厂标准化管理等基础数据库，有力的推进了数据信息互联互通。利用人工智能的轨迹数据，我们不仅可以追溯到原材料的使用批次、数量，甚至可以追溯到食用菌生产的每道工序的操作人员、操作时间，生长环境等所有过程，确保食用菌的质量出现问题时可以有效、快速的分析并处理。5-4扩大工厂规模化 食用菌工厂化生产发展突飞猛进，虽然可以通过控制原料安全以及精准控制环境条件，可实现安全优质生产。但工厂存在的大量数据及人员的问题还是影响着工厂的高品质生产，人工智能的有效运用，从简单的原料称重到复杂的生物育种都将设备数据与人员操作跟踪控制，生产过程中对细节的跟踪控制在每一道生产工序，不仅能使工厂稳定生产，大幅提高生产效率，还使高品质食用菌得到有效的保障；是工厂扩大规模化高效生产的有力条件。六、人工智能在食用菌工厂的运用无论是考虑到气候危机，还是经济效率在未来的可持续化，技术管理和高素质员工短缺都说明柔性自动化发展趋势。创新是我们走出危机的唯一出路，只有创新才能在未来领域构筑前进的基础。6-1解决生产大数据食用菌工厂化生产的所有生产资料显著特征就是大数据，大数据不是抽样数据，而是生产的全部数据，要想处理好这些数据信息，进行筛选、分析、数据挖掘等任务，单靠人是不行的；食用菌工厂的数据来源是设备数据，物联网负责对大量设备数据的采集、控制、服务等资料收集，收集到的信息上传到云端，人工智能对收集到的数据进行分析加工，自动生成生产所需的技术数据，有效避免了人员采集数据分析数据而导致的误差，为工厂减轻了生产劳动力、节约时间，提高工厂的生产效益。6-2解决生产工艺参数在生产过程中使用芯片定位技术，对生产时菇的识别、跟踪追溯到每一瓶，时时监控每一瓶菇的生长动态，一旦菇在生长过程中任何一个环节出现参数不一，通过传感器连接无线设备和载体，自动报警到云端服务台，人工智能的智能化识别、定位、跟踪、监控有效降低了生产品质问题的产生。6-3解决人员的不稳定 食用菌工厂化生产的核心竞争力还是以人为主，人工智能将大量的数据采集、统计、分析等工作由人员转变为设备智能化，减轻了人员的工作量，使复杂的工作变为简单化，技术数据由人员掌握转变为系统智能化，使工厂的人员流动性变小，工厂也不再担心因为人员的变动使专业的生产工艺达不到标准化。6-4解决纸版生产管理MES系统是一套面向食用菌工厂生产各环节执行层的生产信息化管理系统。对生产数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、采购管理、成本管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，能够帮助食用菌工厂建立一个规范准确即时的生产数据库，同时实现轻松、规范、细致的生产业务、库存业务一体化管理工作。提高管理效率、掌握及时、准确、全面的生产动态，有效控制生产过程。 第四章 人工智能在食用菌工厂的实施步骤 一、硬件准备如果要在食用菌工厂实现人工智能，需要首先在硬件上做准备。首先要将各个工艺阶段必要的数据采集方式自动化，通过网络将数据传送到云端或者本地服务器存储。对于缺失自动数据收集能力的设备需要增加相关的硬件（例如传感器、网络端口等），对于需要人工收集的数据则要配置数据录入设备并要有相应的数据录入标准。如果要准确的对工艺过程数据进行跟踪分析，栽培框是最合适的单位。通过在栽培框上加装识别芯片的方式可以方便在生产流转过程中将记录的数据对应到每一框。栽培框在每个生产循环周期开始时首先确认芯片读取有效，在装瓶（或装袋）环节将对应的搅拌锅来料情况对应记录（包括原料批次、检验分析数据、配料数据、搅拌数据等等）。无法读取芯片信息的栽培框要退出使用再更换芯片后再使用。之后在灭菌环节记录对应的灭菌行程数据，在接种环节记录菌种相关数据，在培养环节记录培养周期相关数据，在催蕾出菇环节记录出菇调控相关数据，在采收包装环节记录品质单产数据。需要在流水线或者进出库房入口增加芯片读取装置及数据网络，按照读取距离不同采用不同的数据芯片。例如对于进出库的栈板要使用远距离可以识别读取的芯片。无法按框实现跟踪的则跟踪栈板、床架等等再将数据对应到框。有必要在流水线上增加自动称重或者自动检测设备（检测水分、检查装瓶或装袋高度）来减少人工检测的劳动强度并提高数据准确度。设备能耗数据也需要增加相关硬件实时收集，设备的故障停机同样要能够记录收集，所以配置相应的人工录入设备也是必要的。二、数据的传输及存储比较好的数据网络形式是无线局域网+光纤传输，这样网络系统的布置会比较灵活方便，也是的数据的传输可靠性好，不会收到用电设备的电磁辐射导致的数据错误。存储方面需要考虑到使用成本和当地的通讯网络带宽和可靠性问题。一般食用菌工厂远离大城市甚至在偏远山区较多，数据上云端在传输可靠性上可能问题较多，所以自建服务器用于数据存储或许更合适。当然专业的IT技术人员也是必须具备的。在大数据成为宝藏之前需要长期的数据积累，所以服务器的存储容量需要大并且能够保证安全性。大型的食用菌企业在条件允许的情况下也可以考虑数据的集中管理，也就是在总部建立数据中心，当然这对于网络传输的可靠性要求较高。三、初级的应用在具备了数据库的实时数据更新和存储之后，实现自动化网络办公将是首先实现的初步应用。大量的生产数据通过各类应用程序或者移动APP方便工厂的管理工作，例如生产管理系统MES、财务软件、移动办公OA等等。实时数据方便了对生产过程的追踪和管理，也为及时发现问题纠偏提供了帮助。而自动化的数据统计和报表也减轻了相关人员的工作量，自动生成的分析结果给管理者的决策提供了可靠的依据，防止人工数据录入过程中的失误和造假带来的管理失当问题。但这只是大数据最基本的应用环节，也是最快最容易实现的。这个阶段大概需要一年。四、大数据分析的应用在拥有了一段时间的数据积累之后，我们就可以定制一些大数据的分析软件来分析我们的生产过程中的一些问题和关键点。这需要有数据库应用编程能力和生产工艺管理能力相结合，要有发起应用的能力也有实现应用的能力。也是为人工智能的实现打好基础。怎样把菇种好将从完全的人的经验向数据分析得出结论开始转变，但是在人工智能实现之前，经验还是很重要。这个阶段是一边积累数据一边改进数据分析能力，将原先的经验不断的通过数据分析积累更多的经验从而为将来的人工智能种菇找到全部的关键点。这个阶段大概需要2年。五、人工智能的实现条条大路通罗马，食用菌生产的各个环节都会对最终结果产生影响，但最终我们需要根据产品的定位选取最优的结果实施。这就好比导航软件一样，通过算法来选择最符合要求的路径抵达终点。不同的原料配比、不同的菌种特性、不同的设施设备配置、不同的培养和出菇调控工艺会使我们有成百上千种工艺路线可供选择，有的是完全按照经验设定的，有的是我们在执行原定生产标准时出现偏差导致的，有的则是我们各种实验产生的。我们从一开始的一种工艺路线开始，在动态的生产中会裂变出很多种新的工艺路线，通过大数据记录在案。而人工智能就是要在这个大数据库中找出我们需要的那个路径作为我们当前需要执行的那个路径。在人工智能中描述这些路径节点的叫模型，而构建模型的方法叫做策略。怎么才能找到我们需要的那条路径？那就要用到人工智能中的算法。算法的也是需要不断地演变来更好更快的去完成对于路径的寻找，这就需要人工智能的机器学习。对于食用菌工厂来说，人工智能的实现是通过大数据的长期积累再通过人工智能专业提供商去完成的，这对于利用当前已有的技术去实现并不是难事。六、实现人工智能食用菌工厂应用的难点问题首先是企业管理层的问题。从目前的行业大多数企业来讲，投资的重点在于能否立竿见影，像菌种技术这种需要长期坚持和投入的领域都还不能做好，那么对于需要3~4年才能出效果的人工智能则很难进入各个企业管理层的发展规划中，即便是有也浅尝即止坚持不到实现的那一天。只有有耐心和定力的大型食用菌企业才能实现人工智能生产，而这样的企业既需要有相当的规模，也需要将人工自能作为长期规划。 其次是企业执行层的问题。人工智能应用目前也只有在新建的大型食用菌工厂才有实现的可能，即便是管理层有强烈的意愿去做，但是企业的执行层可能对于这种无法短期出成绩的工作消极应对。而人工智能的实现也会对于食用菌工厂中的某些技术岗位有直接取代的可能，这会使得这项工作的推行遭致消极应对。典型的例子就是以前证券公司的分析师和交易员岗位大量被人工智能取代。而食用菌企业人员流动性大的问题也会阻碍人工智能项目的推进。再次就是人工智能行业对于食用菌行业的关注度。虽然食用菌行业已经发展到了似乎在经济领域有一席之地了，但是真正可以作为潜在客户的又有几家？在没有示范效应的情况下，不可能在这个行业找到大量客户，那么人工智能供应商也很难对我们食用菌行业太感兴趣。 结束语人工智能在食用菌工厂的应用和发展，有利于促进生产和管理向智能化、精细化、网络化方向转变，极大提高食用菌工厂高品质生产效率和智能化标准管理；催生大量新技术、新产品、新应用、新模式，推动传统产业升级和经济发展方式转变，并将成为未来食用菌经济发展的增长点。人工智能为食用菌工业引擎新科技时代的到来不可阻挡。 参考文献【1】晨阳/陈强/赵梦然.中国食用菌工厂化生产现状与问题分析.农业工程技术，2021【2】quarkqiao，为什么人工智能(AI)如此难以预测.腾讯科技，2014【3】孙月/全秋浩/李田.大数据与物联网的关系及应用.吉林农业，2019【4】王桂玲.物联网大数据处理技术与实践.电子工业，2017【5】艾媒网.2019中国人工智能产业发展现状及前景趋势.信息技术，2019
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