智能技术与农药

姚建华，徐雯丽，蒋舒仰，黄 迎，胡 静，李 佳



智能技术与农药

姚建华*，徐雯丽，蒋舒仰，黄 迎，胡 静，李 佳

(中国科学院 上海有机化学研究所，上海 200032)

在农业生产中，农药是用于杀死或控制有害生物、控制害虫行为或生理状态的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。显然，它不但与农业生产关系密切，而且与人类健康、环境、化学、生物、生态和毒理学具有密不可分的关系。智能(或人工智能)技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的多种方法和手段。它已在制造业(如汽车、飞机、家电和纺织等)、数据分析、商务和建筑等领域得到实际应用，并显示出其特有的作用。介绍了智能技术在农药研究与创制、使用及管理中的应用及作用。

农药；智能技术；智慧农业；环境保护

2010年11月，粮农组织和世界卫生组织将农药定义为：在农业生产和农作物存储过程中，以任何形式的由一个或多个成分组成的混合物及其制剂，且具有杀死或控制有害生物、控制害虫的行为或生理状态的功能[1]。农药的分类方法有多种，如果根据农药的作用对象来分类，那么农药主要可分为以下类型：杀虫剂、杀菌剂、除草剂、除藻剂、防污剂、抗微生物剂、杀线虫剂、杀螨剂、昆虫信息素、驱虫剂和杀鼠剂等[2]。基于农药的定义，那么，农药与化学、环境、生态学、生物学、食品安全、人类健康、毒理学等领域的密切关系则显而易见。

历史记载显示，早在公元前2000年，人类就开始使用农药保护农作物。传统农业是在自然经济条件下，采用人力、畜力、手工工具、铁器等为主的手工劳动方式，靠世代积累下来的传统经验发展，以自给自足的自然经济居主导地位的农业。传统农业具有低能耗、低污染等特征。

随着人类社会的发展，传统农业生产模式已不能满足人类社会的需求，尽管它具有低能耗、低污染等优点。为了满足人类社会发展的需求，传统农业正在向智慧农业转型。

智慧农业是将物联网、计算机技术、生物、化学、机械电子、管理学、电子商务等技术应用于农业生产、服务、商业和环保等工作，以实现智能管理和控制，降低农业生产对人力和自然因素的依赖度。智慧农业的主要内容包括：精准管理、精准用药、环保、资源再利用和农业商务(贸易)。除农业商务外，其他四个方面均与农药有关。其中，精准管理主要指：根据采集到的信息分析结果与实践经验相结合，制定农业生产计划以及相关的生产方案；精准用药主要内容包括：实时检测农作物生产相关的土壤、环境和病害状况，分析检测结果，制定用药方案和合理施药；环保和资源再利用的工作主要涉及：环境实时监测和分析，及时停止不合理的用药方案；农用废弃物的合理处理和利用：研究废弃物对农业生产的潜在作用，建立使用和利用它们的策略、方法和技术，将它们对环境和生态的危害性降至最低。为此，人们可以认识到智慧农业涉及的生态保护、农作物的产量与安全性和降低对劳动力及自然条件的依赖度等内容，均与农药的研究与创制、使用和管理关系密切。

可见，与传统农业的生产模式相比，智慧农业的生产模式的实现和应用，将更有益于国家农业产业发展，对人类健康和环境产生更微弱的不良影响。

智慧农业的实现，除了需要吸取传统农业中精华部分，还需要智能技术。本文将介绍智能技术在智慧农业中农药研究和创制、合理使用、精准管理中的应用及作用。

1 智能技术

智能(或人工智能)技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的多种方法和手段[3]：如人工智能方法、计算机技术和信息技术等。曹承志教授在其《人工智能技术》[4]一书中，比较全面地列出了智能技术所包含的主要内容，如智能控制、知识表示、知识推理、模糊逻辑、神经网络和机器学习等方法和技术。

事实上，智能技术在化学研究领域已得到应用，并已形成了对应的学科：化学信息学，它是利用信息学方法和技术，解决化学问题的学科[5]。其中，化学问题主要涉及3个方面：分子设计、合成设计和结构确定。化学信息学的方法主要有3种：基于数据(Data-based，D)、基于逻辑(Logic-based，L)和基于原理(Principle-based，P)。基于数据：即建立多种数据库管理系统和数据库，在化学研究工作中利用已收录的数据；这种方法适用于获取已报道的信息。基于逻辑：即采用归纳、推理和分类等数据分析方法，将数据库中的数据转化成知识，并对知识实施有效的管理，以便于知识合理地应用于化学研究工作；这种方法适用于处理大批量的对象。基于原理：即采用量子化学的理论计算方法，计算化合物的相关性质；这种方法通常用于机理研究[6]。

Viktor Mayer-Schonberger博士等预言[7]：大数据将改变人类探索世界的方法。在小数据时代，人们会假想世界是怎么运作的，然后通过收集数据来验证这种假想。在不久的将来，人们会在大数据的指导下探索世界，不再受限于各种假想。人们的研究对象是数据，也因为数据，发现了以前不曾发现的关系。这将是知识发现的有效途径。

2 智能技术在智慧农业中的应用

智慧农业的内容主要包括：精准管理、精准用药、环保、资源再利用和农业商务(贸易)等内容。其中，生态保护、农作物的产量与安全性和降低对劳动力及自然条件的依赖度等核心内容，均与农药关系密切。在此，将介绍智能技术在农药的研究与开发、合理使用和管理中的应用及其作用。

2.1 农药的研究与创制

众所周知农药与农业生产、化学、生物学、生态学、毒理学、环境以及人类健康关系密切。随着人们对环境、生态保护意识的增强，对人类健康的关注提高，对农药的评价，已从单纯的评价农药的效力，扩展为既评价农药的效力，又评价它的环境友好性，对人类和其他生物的可能危害性和毒性。

通常，一个农药包括活性化合物和助剂两部分，两者的本质都是化合物。活性化合物的作用是杀虫、杀菌、驱虫、除草、杀螨、杀鼠等，助剂的功能是辅助活性化合物在被作用的生物上产生效力。因此，农药的研究与创制从本质上讲是分子设计工作，即研究农药对农业生产特定作用，以及对环境产生影响的原因，设计对农作物生长有益，且对人类健康和环境无负面影响的农药。传统的分子设计模式，主要依靠灵感和经验，设计工作的流程如图1所示。现代的分子设计模式，既充分利用灵感和经验，又将化学信息学方法和技术用于分子设计工作，其工作流程如图2所示。

图1与图2显示的2种工作流程的主要区别：后者在合成化合物之前，增加了应用智能技术预测化合物性质的内容，这些性质(如活性，a值，疏水常数和毒性等)与化合物能否成为农药关系密切。同时，它们也体现了化合物对人类健康和环境的影响因素。从理论上讲，这种工作模式的农药创制效率将比图1的工作模式高。

图1 传统分子设计模式的流程

图2 现代分子设计模式的流程

在国家科技部基础研究项目的资助下，建立了若干具有自主知识产权的计算机辅助化合物设计方法和软件系统[8]，并在此基础上建立的“农药的虚拟设计平台”(如图3所示)主要由三大部分组成：数据库、知识库和软件(主要功能为：预测和机理研究)。数据库系统包括：农用化学品数据库、化合物毒性数据库、农药代谢数据库和农药靶标数据库等；知识库系统包括：代谢知识库、毒性知识库和生物活性知识库；软件主要包括化合物农药活性、毒性、代谢途径预测系统，配体与受体相互作用计算软件等。这个平台将信息检索、性质预测和机理研究3个功能集成在一起。

2.2 农药的合理使用

不合理的使用农药将导致对农业生产、环境和人类健康产生不良影响，如病/虫对农药产生抗药性，农药本身或其代谢物积聚到一定程度，对环境和人类健康产生不良影响。因此，在农业生产中，根据农作物生长及其储运过程的实际情况，制定合理的使用方案尤为重要。目前，人们主要依靠经验制定农药使用方案，但其局限性已逐步显示。智慧农业关注的内容：生态保护和农作物安全性，均与农药的合理使用密切有关。因此，在制定农药使用方案时，应该将土壤使用、施药、土壤成分、环境和病害等诸多信息集成一体，采用“经验+智能技术”的策略和方法，对信息进行综合分析，制定合理的用药方案，并采集用药后的药效信息、环境、土壤成分等变化信息，动态优化用药方案。

图3 农药的虚拟设计平台

2.3 农药的精准管理

众所周知，任何事物都有两面性。农药在农业生产中发挥重要作用的同时，也存在着不可忽视的危害和危险性：如因误用而危及人的生命，存放或排放而污染环境或危害生态。这就要求管理者实时了解农药使用、存放和排放的信息，掌握相关事故的处理方案，即判断对环境影响。因此，智慧农业的实现需要农药管理的精准化。

农药的精准管理是一个以量化管理为基础，不断改进为循环，以农药管理(使用、存放、排放、生态、环境等方面)为单元的管理模式。“精”主要指简化、易操作，降低农药管理成本，提高管理效率和结果的质量；“准”主要是指农药管理产生问题的真正原因、解决措施、实施方案、责任归属等，影响管理结果的各种因素、解决措施、实施方案、责任归属等；即“准”就是要量化、细化、可操作化。

为此，人们可以认识到传统的人工管理方法难以满足农药精准管理的要求。由于智能技术可以实现实时采集农药的存放、排放、使用及使用效果的信息，分析和发布相关信息，及时优化管理方案，即可以满足农药的精准管理要求，实现农药的精准管理。

3 结 论

本文简要阐述了智慧农业实现中，智能技术在农药研究与创制、使用及管理中的应用及作用。化学信息学方法和技术是化学领域的一种智能技术。其中，基于数据的方法，可提高已有试验数据的使用效率；基于逻辑的方法既有效利用了已有的试验数据，又从数据中获得知识，利用知识推理，实现化合物的性质预测。预测技术是对数据库信息的一种有效扩充。

随着计算机科学与技术、信息科学的发展，智能技术将有效促进目前的农业生产模式转向智慧农业的生产模式，实现农业领域的智能管理、智能设计和智能制造。

[1] FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS, WORLD HEALTH ORGANIZATION. Manual on development and use of FAO and WHO specifications for pesticides[M]. Rome: 2010.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pesticide.

[3] 中国科学院计算技术研究所智能信息处理重点实验室智能科学课题组. 智能技术[EB/OL]. [2017-10-2]http://www.intsci.ac.cn/tech/.

[4] 曹承志. 人工智能技术[M]. 北京: 清华大学出版社，2010.

[5] J. GASTEIGER, T. ENGEL. Chemoinformatics, a textbook[M]. Germany: WILEY-VCH, 2003.

[6] 中国科学院上海有机化学研究所计算机化学课题组. 学科介绍[EB/OL]. [2017-10-2] http://202.127.145.116/xkjs.htm.

[7] EDS. VIKTOR MAYER-SCHONBERGER, KENNETH CUKIER, JOHN MURRAY. Big Data: a revolution, that will transform how we live, work and think[M]. UK, 2013.

[8] 中国科学院上海有机化学研究所计算机化学研究小组. [2017-10-2] http://202.127.145.116.

Intelligent Technology and Pesticide

YAO Jianhua, XU Wenli, JIANG Shuyang, HUANG Ying, LING Min, HU Jing, LI Jia

(Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200032, China)

Pesticide could be used to kill or control pests (insecticides, fungicides, herbicides, etc.) but, for the present purposes, it also embraced certain materials to control the behaviour or physiology of pests (e.g. insect repellents and insect growth regulators) or of crops during production or storage. Obviously, pesticide has close relationships not only with agriculture but also with chemistry, environment, ecology, biology, food safety, public health, toxicology and etc. Intelligent technology involved various methods and means which were used to achieve some desired purpose effectively. It had been applied in several manufacturing domains (i.e automobile, aircraft, household electrical appliance and textile, etc.), data analysis, business and architecture and played a key role. Herein, the role and application of intelligent technology in study, development, application and management of pesticide would be presented.

pesticide; intelligent technology; intelligent agriculture; protection of environment

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.01

TQ450

A

1009-6485(2017)05-0001-03

姚建华(1963—)，女，研究员，博士，研究方向：化学信息学方法与应用研究。E-mail: yaojh@mail.sioc.ac.cn。

2017-09-30。