Как искусственный интеллект меняет агропромышленный комплекс
Сельское хозяйство давно простилось с образом архаичного производства — ему на смену пришли модернизация и инновации. Беспилотные комбайны убирают с полей пшеницу, спутники передают фермерам данные о готовности урожая, а дроны выискивают сорняков и вредителей. Цифровые технологии выполняют самые разные задачи, а объединяет их искусственный интеллект, без которого модернизация была бы невозможна. Рассказываем, чем ИИ занимается на пастбищах и фермах и какое будущее ждет российский агропромышленный комплекс.
Мы регулярно прибегаем к помощи алгоритмов — например, когда смотрим прогноз погоды, ищем билеты или просто хотим отдохнуть. Это такая же часть нашей жизни, как одежда и обувь, автомобили и смартфоны. Тем не менее искусственный интеллект, так глубоко проникший во все сферы нашей жизни, до сих пор может вызывать недоверие и страх. В проекте «ИИ спешит на помощь» мы рассказываем, на что способны современные технологии с использованием ИИ, где они приносят наибольшую пользу и почему не стоит бояться восстания машин. Материал подготовлен совместно с федеральным проектом «Искусственный интеллект» нацпроекта «Цифровая экономика».
С давних пор войны, эпидемии, стихийные бедствия, а также резкий рост населения и неразумное правление лишали людей продовольствия. Так, в 1315 году проливные дожди и продолжительные наводнения повлекли за собой Великий голод. По всей Европе погибли миллионы людей — один только город Иперн во Фландрии (ныне Бельгия) потерял 10 процентов своих жителей. Понемногу ситуация начала меняться в XVII веке. В странах Европы, преимущественно Англии и Голландии, были введены дополнительные налоги, которые сподвигли крестьян повышать урожайность и отправлять его на продажу. На вырученные деньги они покупали товары для ухода за полями, что повышало производительность труда.
Изменения на этом не закончились: во второй половине XX века в сельском хозяйстве произошла зеленая революция. Высокоурожайные сорта культур, минеральные удобрения и пестициды повысили эффективность возделывания земли. Производство зерновых увеличилось втрое, а площадь обрабатываемых угодий — на 30 процентов. Однако проблем с продовольственной безопасностью и недоеданием зеленая революция не решила.
В 2020 году до 811 миллионов человек столкнулись с голодом, а 2,37 миллиарда — почти каждый третий в мире — недоедали или не имели доступа к качественной еде. По прогнозам экспертов к 2050 году население Земли увеличится еще на 2 миллиарда. Чтобы прокормить человечество, сельскохозяйственное производство должно вырасти на 70 процентов.
Обратной стороной развития сельского хозяйства стали проблемы с экологией. «Нынешний рацион питания и методы производства еды, необходимой, чтобы прокормить 7,6 миллиарда человек, приводят к деградации наземных и водных экосистем, истощению водных ресурсов и изменению климата», — писали в 2019 году исследователи Джозеф Пур и Томас Немечек. На сельское хозяйство приходится 23 процента от антропогенных выбросов парниковых газов и 92 процента пресной воды, потребляемой каждый год.
Поскольку большая часть пригодных для земледелия угодий уже обработана, необходимо пересмотреть подходы и методы ведения хозяйства и найти решения, которые позволят снизить нагрузку на экологию. Очевидно, что сельское хозяйство нуждается в модернизации. Хорошим подспорьем для изменений могут стать цифровые технологии, в частности искусственный интеллект.
Глава и основатель Всемирного экономического форума Клаус Шваб утверждает, что мы стоим на пороге новой промышленной революции и всем нам пора готовиться к грядущим изменениям. В книге «Четвертая промышленная революция» он пишет, что развитие и внедрение цифровых технологий открывает новые возможности в хранении и обработке информации. По мнению Шваба, интернет вещей, искусственный интеллект, роботизация и биотехнологии повлекут фундаментальные изменения в системах производства, логистики и потребления. Экономика не будет прежней, и сельское хозяйство не исключение.
Идею о четвертой промышленной революции (еще один вариант — индустрия 4.0) предложил не Клаус Шваб. Однако именно он популяризовал ее, и теперь эта концепция ассоциируется с ним.
В 2018 году Всемирный правительственный саммит в сотрудничестве с консалтинговой компанией Oliver Wyman опубликовал отчет «Сельское хозяйство 4.0 — будущее сельскохозяйственных технологий». Он посвящен влиянию глобальных трендов на продовольственную безопасность и устойчивость сельского хозяйства. Авторы считают, что использование точечного земледелия, интернета вещей и больших данных поможет АПК повысить эффективность в условиях роста населения и климатических изменений.
Особое место отводится искусственному интеллекту — технологии, в основе которой лежат машинное обучение и анализ данных. ИИ способен выполнять простые когнитивные задачи, предсказывать возможное развитие событий и принимать решение на основе огромного массива данных. Однако этим его возможности не исчерпываются.
Фермеры все больше делегируют искусственному интеллекту дополнительные полномочия: алгоритмы следят за состоянием почвы, регулируют работу сетей капельного орошения, находят сорняки и даже управляют комбайнами. Например, компания Cognitive Pilot с 2020 года внедрила более 1000 умных автопилотов на комбайны для уборки урожая в 35 регионах России.
При этом создавать новые машины не пришлось — достаточно было модернизировать существующий парк, подключив к ним систему автономного управления. Она устроена довольно просто. Стереорейка — блок из двух камер, модулей навигации и связи GSM — видит поле и окружающие объекты. Эти данные передаются в компьютер, где их обрабатывает нейронная сеть. После компьютер принимает решение, что нужно сделать дальше: подрулить для точного следования вдоль кромки или остановиться, если рядом препятствие. Команда передается на исполнительный механизм — гидравлику, и комбайн ее выполняет.
За счет применения беспилотных комбайнов Cognitive Agro Pilot, например, АПХ «Залесье» сэкономил более 500 миллионов рублей за уборочную, а благодаря сравнительно невысокой цене оборудования — 5 процентов от стоимости комбайна, что составляет около 950 тысяч рублей. Затраты окупились за первый сезон использования системы.
«Чем продуктивнее используется техника, тем более эффективно устроен бизнес-процесс, — говорит руководитель департамента разработки беспилотных средств Cognitive Pilot Юрий Минкин. — Основной показатель эффективности — процент использования режущей кромки [лезвия комбайна. — Прим. N + 1]. Когда работает человек, который устает уже через пару часов монотонной работы, погрешность составляет метр-полтора, а если за дело взялась беспилотная система — 1–2 см (менее 1 процента). Это значит, что машине требуется меньше проходов, меньше расходуется топлива, а время на уборку сокращается».
Один из основных трендов развития сельского хозяйства — точечное земледелие, которое может увеличить производство продуктов питания на 50 процентов в течение следующих 30 лет. Чтобы снизить издержки и повысить эффективность, аграрии используют цифровые технологии — они помогают отслеживать урожайность и создавать карты местности с помощью GPS и датчиков на месте. Некоторые данные фермеры получают от спутников. Летая на высоте около 35 тысяч километров, они передают информацию в режиме реального времени, которую обычно собрать непросто, — от влажности почвы до грядущих погодных аномалий.
Данными со спутников пользуются как крупные агрохолдинги, так и мелкие фермеры, а обрабатывает искусственный интеллект. Он подсказывает, как наиболее эффективно возделывать землю и какие ресурсы на это потребуются. Обращаясь к данным со спутников, британские фермеры заметили снижение затрат и повышение качества и объема продукции. Не стоят в стороне и российские аграрии. Например, компания «Совзонд» внедрила технологии космического мониторинга земли в Волгоградской, Воронежской и Тамбовской областях. Сейчас эта система находится на последнем этапе тестирования.
Место для искусственного интеллекта нашлось и в животноводстве. Растущий спрос на продукты питания и развитие цифровых технологий могут сделать животноводство более централизованным и эффективным.
Яркий пример — управление молочными фермами с помощью искусственного интеллекта. В 2019 году компания «Мустанг» предоставила систему, которая помогает с менеджментом хозяйства: прогнозирует производство молока, следит за здоровьем коров и эффективностью всего производства. «...благодаря системе искусственного интеллекта мы смогли найти оптимум по рентабельности производства, — говорит заместитель генерального директора АО СХП „Вощажниково“ Олег Долинной. — ИИ позволяет увидеть, сколько денег мы тратим на корма для производства 1 кг молока, и делает это ежедневно в режиме онлайн».
Агропромышленный комплекс может стать драйвером роста российской экономики. Протяженная агроклиматическая карта, ускоренная модернизация ключевых агрохолдингов, большой потенциал для повышения эффективности работы малых форм хозяйствования и наличие инфраструктурной поддержки создают хороший фундамент. Но для полной картины не хватает общего научно обоснованного, системного видения будущего на базе форсайта и представления о том, какое место в нем отводится АПК.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация ФАО ООН предупреждает, что надвигается мировой продовольственный кризис. АПК может стать национальной точкой роста и плацдармом для занятия значимых позиций на мировых рынках, обеспечения нашего суверенитета в широком смысле — от продовольственного до технологического.
Экономист и директор Центра научно-технологического прогнозирования ИСИЭЗ НИУ ВШЭ Александр Чулок
Конкуренция усилилась, потребители предъявляют больше требований к продукции, а производители всеми способами хотят максимизировать прибыль. Это причины, из-за которых началась цифровизация российского АПК. В авангарде этого процесса находились крупные холдинги — те, кто был готов инвестировать в цифровые технологии. Следом подтянулись и малые хозяйства. Однако цифровизация столкнулась с системными трудностями, преодолеть которые можно только совместными усилиями бизнеса, научных центров и государства:
Однако эти трудности цифровизацию не останавливают. В 2021 году использование анализа больших данных, промышленных роботов и искусственного интеллекта в сельском хозяйстве выросло на треть. Сегодня большая часть операций автоматизирована, что позволило сократить объем ручного труда. А в недалеком будущем технологии с применением искусственного интеллекта смогут управлять системами орошения, ухаживать за животными и контролировать технику в режиме реального времени.
Ученые AIRI рассказывают о своих статьях, прошедших отбор на NeurIPS 2023 года
Ежегодно в научных журналах появляются сотни тысяч статей, посвященных технологиям искусственного интеллекта. Однако только небольшая их часть — действительно важные исследования. Как правило, такие работы попадают на престижные научные конференции — например, NeurIPS (Conference and Workshop on Neural Information Processing Systems), которая ежегодно проходит в декабре. Мы поговорили с сотрудниками научно-исследовательского Института искусственного интеллекта AIRI об их работах, принятых на NeurIPS 2023 года, и о том, что интересного происходит в сфере ИИ.