ZHAO Ruixue1,2(), YANG Xiao1,2(
), ZHANG Dandan1,2, LI Jiao1,2, HUANG Yongwen1,2, XIAN Guojian1,4(
), KOU Yuantao1,2, SUN Tan3,4(
)
Received:
2025-02-21
Online:
2025-05-22
Foundation items:
National Science and Technology Major Project(2021ZD0113705); Fundamental Research Funds for the Central Public Welfare Research Institutes(Y2025ZZ28)
About author:
ZHAO Ruixue, E-mail: zhaoruixue@caas.cn
corresponding author:
CLC Number:
ZHAO Ruixue, YANG Xiao, ZHANG Dandan, LI Jiao, HUANG Yongwen, XIAN Guojian, KOU Yuantao, SUN Tan. Artificial Intelligence for Agricultural Intelligent Research: Key Elements, Challenges and Pathways[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202502019.
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URL: https://www.smartag.net.cn/EN/10.12133/j.smartag.SA202502019
Table 1
Large-scale scientific infrastructure
设施类型 | 现存问题 | 技术突破 | 案例 |
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网络基础设施 | 传统TCP/IP网络延迟大、多次数据拷贝、协议处理复杂 | 突破高速率、低延迟数据传输技术 | 以微软无限带宽技术(Microsoft Infinite Bandwidth, MSFT Infiniband),亚马逊弹性结构适配器(Amazon Elastic Fabric Adapter,AWS EFA),英伟达高速互连技术(Nvidia NVLink)等为代表的技术(网络速度可达100~900 Gbps以上)[ |
存储基础设施 | 数据孤岛现象严重,存储架构单一,难以应对多模态数据 | 研发EB级多态存储系统,支持分布式文件系统(如Ceph)和语义化数据管理 | 阿里云基于对象存储服务(Object Storage Service, OSS)的EB级数据湖;Dropbox Magic Pocket 存储架构等 |
算力基础设施 | 异构算力调度效率低,算子库规模不足 | 突破动态负载均衡算法,支持神经算子加速传统模型 | 基于遗传算法的Kubernetes资源调度器[ |
Table 2
Big data resources
资源类型 | 挑战 | 重点任务 | 案例 |
---|---|---|---|
多维度农业科学数据 | 多模态、分布分散、关联复杂,存在数据孤岛 | 攻克多模态数据融合、时空对齐算法、语义关联模型等关键技术 | 中国科学院计算技术研究所搭建的“智慧农业数据底座” |
高质量语料库 | 资源分散、知识化不足、共享受限 | 做好重点领域语料库和通用语料库构建 | 华中农业大学农科英语语料库网络平台(Huazhong Agricultural University Corpus Query Processor Web, HZAU CQPweb) |
先验知识体系 | 缺乏结构化知识约束,影响模型可解释性 | 加强构建多层级、细粒度的标准规范体系 | 通过结合田块内部特征一致性规则先验知识和卷积神经网络,实现冬小麦田块精细提取[ |
Table 3
Large model algorithms
模型类型 | 重点任务 | 作用 | 案例 |
---|---|---|---|
农业垂直领域大语言模型 | 构建计算育种、精准种植与病虫害监测预警等垂直领域知识大模型 | 对农业领域文本信息进行自动深度语义理解和特征提取,为农业科研与生产决策提供知识支持 | 中国农科院信息所农业知识大模型;中国农大神农大模型 |
农业视觉模型 | 构建大规模农业视觉样本库,突破卷积神经网络技术 | 实现图像分类、目标检测与分割,应用于病虫害精准识别与作物生长周期特征提取 | 武汉大学“水稻智脑”系统构建了水稻全生命周期视觉模型;基于行-列注意力的轻量化 Transformer实例分割模型可适用于农业视觉任务[ |
序列模型 | 突破RNN与LSTM技术,提取时间依赖关系特征,分析长期趋势与短期波动规律 | 处理时间序列、基因及蛋白质分子序列,为农业生产长期规划提供数据支撑与决策参考 | 结合图神经网络(Graph Neural Network, GNN)和RNN模型整合时空信息,显著提升了作物产量预测的准确性和泛化能力[ |
多模态分析模型 | 融合语言、视觉、序列等多模态数据,打破数据模态壁垒 | 从多维度全面理解研究对象本质规律,为农业科研创新提供更丰富、多元的分析视角 | 天工开悟-农业多模态大模型(KwooVa);稷丰中文农业多模态大模型 |
神经算子 | 探索农业领域应用场景,简化传统计算流程 | 提升模型运算效率与准确性,加速农业科研成果转化应用,应对农业数据量大、计算复杂挑战 | 基于重要性有序加权平均(Importance-Ordered Weighted Averaging, IOWA)算子组合灰色神经网络提高小麦产量预测精度[ |
Table 4
Large-scale collaborative platform
核心内容 | 技术手段 | 目标 | 案例 |
---|---|---|---|
虚拟科研空间 | 针对蛋白质结构预测、益生微生物挖掘等需求,利用VR、AR等关键技术 | 打造沉浸式科研环境,打破时空与学科壁垒,促进跨学科协同与科学研究边界拓展 | 田纳西大学Agriscience Metaverse Academy通过VR课程提升农业教育普及率[ |
农业科研智能体 | AI技术驱动算法模型自动适配与算力智能调用,结合实时数据反馈 | 支持科研假说自主提出、实验方案改进与验证 | 中国工程院院士朱有勇研究团队与百度共同打造的“农民院士智能体”[ |
人机协同科研模式 | 整合领域专家先验知识,突破时序知识图谱构建、知识融合与智能推理技术 | 实现领域知识与模型预测结果的深度融合与互补优化 | 现代农业中人机协作(Human-Robot Collaboration, HRC)关键案例主要在拖拉机自动化、采摘协作、农药喷洒、教育应用等[ |
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