我国种业智能装备产业研究

2014-12-22 | 作者: 吴建伟 卢大文 明博 李志军 韩湘 杨宝祝 | 标签: 种业智能装备

吴建伟1,2,卢大文3,明博2,李志军4,韩湘4,杨宝祝1,2*

(1.国家农业信息化工程技术研究中心, 北京 100097|2.北京派得伟业科技发展有限公司, 北京 100097|3.北京市丰台区农村工作委员会, 北京 100074|4.北京市科委农村发展中心, 北京 100097)

摘要:针对我国种业智能装备产业发展现状,从育种研发、表型及环境数据采集、田间试验测试和商业化育种4方面对比分析国内外种业智能装备产业情况,并开展产业链研究范围与边界、SWOT、市场需求要素和技术壁垒4方面的产业关联度分析,归纳2大类、15个产业目标因素,凝练5个环节、28项产业目标方向要点,为北京种业智能装备产业发展提供理论基础,为实现我国种业生产管理的工业化、精准化和智能化提供智力支撑。

种业是国家战略性、基础性核心产业,是促进 现代农业长期稳定发展、保障国家粮食安全的根 本[1] 。 进入 21 世纪以来,我国种业发展取得了显 著成效,为提高农业综合生产能力,保障农产品有 效供给和促进农民增收做出了重要贡献,为粮食 生产“九连增”发挥了重要作用。 但是,我国种业市场化时间较短,尚处于发展的初级阶段,农作物 育种创新能力弱、种业产业集中度低、种子市场监 管机制不健全,品种“多、乱、杂”、企业“多、小、 散”、种子假冒伪劣等问题仍然突出。 同时,大型 跨国种业企业先后进入中国抢占市场,我国农作 物种业面临严峻挑战[2]。 要发展我国的种子产 业,就必须要进行产业整合,以纵向整合为核心, 以横向整合为主体[3] 。 2012 年,国务院印发了 《全国现代农作物种业发展规划(2012-2020 年)》,明确了企业在我国种业发展中的主体地 位,为提升我国农业科技创新水平,增强农作物种 业竞争力,满足建设现代农业的需要提供了强有 力的政策保障[4] 。 随着育种规模的不断扩大,育 种研发对生产的机械化、智能化要求愈来愈高。 我国农机装备行业保持了持续增长近 20%的态 势,是我国最具活力的产业之一,据统计我国农机 工业企业总数超过 8 000 家,总资产近 1 500 亿元[5] 。

智能装备指具有感知、分析、推理、决策和控 制功能的制造装备,它是先进的制造技术、信息技 术和智能技术的集成和深度融合[6] ,智能装备在 现代农业中推广和应用,将全面改造传统作业方 式,提升我国的农业生产水平奠定物质基础,围绕 农业产业链开展信息服务,将促进整条产业链延 伸、农业产业结构优化[7,8] ,是提升现代农业生产 力水平和可持续发展的当务之急[9]。 种业智能 装备的良好发展可缓解我国主要农作物种子生产 装备、田间育种作业和小区育种收获机械等方面 的关键技术问题,改造传统作业方式。 制定种业 智能装备产业路线将为育种信息化产业和种业发 展提供科学导向。

1 国内外产业现状分析

国外已将现代信息技术应用于育种过程,在 农作物重要性状检测的理论、方法和技术方面有 了较大突破,开发出了一系列田间作物性状检测 设备及育种试验设计和数据管理软件,种业公司 围绕种质创新-品种研发-技术服务-销售推广的 种业产业链,建立了完善的机械化、信息化种业技 术链条。 我国种业与国外育种产业相比较,在育 种辅助装备方面与国外发达国家有很大差距,各 环节均缺乏有效的检测手段和仪器设备,主要体 现在以下几个方面:

1.1 育种研发

国外种子企业多依托成熟的数据管理系统完 成育种试验和数据管理,进行育种目标、策略分析 和辅助决策,分析基因、性状、表现型、环境和农艺 措施等多层次信息。 在设计田间试验与统计分析 中,手持式田间表型性状采集系统也被广泛应用 于育种研发过程。 此外,包括试验用种的分选和 包装设备、试验标识与识别设备、自动化气象站、 快速产量和品质测定设备等均与育种数据管理系 统实现数字化链接,如荷兰 MORE 软件以及以色 列的 PhenomApp 等不仅加强了育种研发的管理, 也便于对育种试验采集得到的数据及时、准确地 上报;Dubey 等[10] 利用 45 个形状、大小和颜色不 同小麦种子形态特征进行品种鉴别。 国内缺乏先 进的育种数字化认知和综合评判手段,育种数据 积累缺少有力管理手段,目前大多依靠通用办公 软件进行,在数据分析层面基本还停留在初级统 计应用的水平。

1.2 育种试验


国外发达国家在保证育种研发效率的同时, 育种单位需要提高劳动生产效率,扩大育种测试 规模,使其能够更充分地挖掘种质资源潜力,形成 区域化优势品种。 光谱分析和图像处理等为代表 的表现型数据测定获取技术极大地提高了育种数 据获取的准确性和效率,在大规模快速地植物表 型筛选、植物病理分析、植物抗性研究、植物冠层 结构研究、植物根系研究、植物种子筛选和鉴定等 领域均有应用。 育种信息采集自动化程度低、无 法准确及时地反馈决策,基于光谱、计算机视觉等 技术的表型检测技术研发滞后,农机装备的智能 控制水平较低,基础数据库建设标准不统一[11] 。 比利时研发的 MEPHISTO 植株三维扫描仪采用 格雷码和条纹图处理转换技术,在获取三维信息 的同时也保留了颜色信息。 在植物叶片形态检测 分析方面,美国的便携式 CI⁃210 植物成像仪可以 快速获取植物叶片图像并测量叶片面积、长度、宽 度、周长等指标,并通过颜色进行病理学分析,具 有体积小、重量轻、携带方便和非破坏性原位测量 等优点,奥地利 WINTERSTEIGER 公司的田间研 究设备和美国 ALMACO 公司 SRES 系列产品,形 成了成套的田间育种实验装备,从小区规划、选种 排种、精量播种、小区精量收获、快速测产和品种 监测、小区收获籽粒分包。 对试验测试环境进行 全面的数据采集和分析,通过统一的信息化管理 平台,围绕其核心育种技术来充实和使用来自世 界各地的种质资源此外,信息化智能化的农机装 备,包括耕整地、精量播种、施肥、灌溉、植保、机械 化去雄、精量收获等农机具,不仅可以更好地完成育种田间测试试验,还能自动收集农艺管理信息, 分析这些信息对品种表现的影响,为筛选适宜大 面积推广的品种以及为优质品种选择配套农艺技 术方面提供数据支持。 而我国现有农机具精量 化、信息化水平较低,专业化育种试验装备研发严 重滞后,缺乏便携式育种试验管理和田间信息采 集设备,缺乏选种、清洗、烘干、包衣、输送、包装等 系列成套信息化种子加工设备,缺乏自动化种苗 脱毒、移栽、嫁接设备。

1.3 商业化育种

欧、美等发达国家根据各自种业发展特点,建 立了不同的种业智能农机装备技术体系。 美国在 生物和信息科学领域拥有深厚的理论基础,在商 业育种科研中特别注意利用分子生物学和遗传工 程技术加速品种改良进程[12] ,先锋、孟山都等公 司根据自己育种的实际需要,设立专业软件工程 师团队研制开发各种先进、实用的育种资料分析 与试验数据统计分析软件系统,实现海量数据的 管理和利用。 在欧洲,由于高昂的劳动力成本,促 使其大力提高育种研发环节的机械化、自动化水 平,使荷兰、德国以及法国等国家拥有较高的种业 智能农机装备研发水平。 德国尤利西研究会的 GROWSCREEN 系统,LemnaTec 公司的 Scanalyzer 3D 等,可以实现对生育环境的人为控制,营造特 殊环境或加速生育进程,实现全自动高通量植株 分选。 我国 98%以上的育种研发仍然依靠常规 育种,且操作多为人工实施,与发达国家相比有较 大差距,而且这种差距呈继续扩大的趋势。 我国 在这些技术领域相对封闭,缺乏国际合作与交流; 育种的数量遗传学基础薄弱,统计学技术应用不 深入,与国外差距呈扩大趋势;缺少具有自主知识 产权的目标基因,尚未建立规模化转基因操作技 术平台,分子标记辅助育种研究进展缓慢;现有设 施和科技项目投入分散,低水平重复较多、未能形成引领产业发展的现代育种技术平台;产业布局 有待优化,装备水平也急需提升。

2 产业关联度分析

产业关联度是指产业与产业之间通过产品供 需而形成的互相关联、互为存在的内在联系[13] , 傅国华[14] 首先给农业产业链进行定义并提出相 关理论。目前,与种业智能装备产业关联密切的 产业涉及种业、农业机械制造业、农业信息产业、 科技服务业、科研教育产业、电子产业等。 通过研究、梳理育种智能装备产业链环节,可以明确种业 智能装备关键技术和服务,有助于推动育种信息化产业的发展。

2.1 产业链研究范围与边界

针对我国种业发展的实际情况———种业全产 业链的“两端在京,中间在外”,结合国内外种业 智能装备先进技术的发展趋势,通过分析已有的 研究进展及与专家研讨相结合的方式,制定了种业智能装备产业链研究的范围(图 1),主要涉及 种质资源管理装备、智能温室设备、天津测试智能农机装备、种子繁育智能农机装备和种子生产智能农机装备。

图 1 
Fig.1 Research on the scope and boundary of seed intelligent equipment industry chain.

2.2 SWOT 分析


SWOT (strengths weakness opportunity threats) 分析是将与研究对象密切相关的各种主要内部优 势因素、劣势因素与外部的机会因素和威胁因素 相结合,通过调查再运用系统分析方法得出的一 系列相应的战略对策。 种业智能装备产业 SWOT 分析,从政策、资源、人才、技术、资金、市场等方面 对我国育种信息化目前所面临的优势、劣势和机 会、威胁等进行客观、全面的分析,在此基础上,通 过汇总、凝练,提出今后的发展战略:

1优势机会。 利用丰富的研发与产业资源优 势,积极开展高端技术研发和应用的创新,占领产 业主导权依托杂种优势利用技术优势,形成具有我国特色的育种信息化技术,增强核心竞争力抓 住政策发展机遇,积极争取国家产业化示范项目, 不断完善应用服务引导企业需求,依托良好的信 息产业基础,整合全国产业创新要素和资源,开展 协同创新。

2优势威胁。 发挥体制优势,集中力量建立 育种信息化平台,关键领域形成技术突破,推进我 国育种信息化技术进步;引进国外先进技术产品, 快速提升国内育种信息化水平,消化吸收促进民 族产业发展;初期依靠政府和服务机构进行推动, 为转向市场化驱动做引导参考全球产业发展趋 势,促进产业国际化发展。

3劣势机会。 抓住种业升级发展机遇,提升 育种信息化水平;依据国家政策支持方向,增强育 种信息化产业竞争力;发挥市场需求与发展空间 巨大的优势,构建完整的育种信息化产业链,加强 上下游企业的协同创新,形成良好的产业发展环 境;促进人员的技能提升。

4劣势威胁。 针对薄弱环节进行技术突破和 产业培育,增强产业竞争力;政府给予政策和资金 支持,促进产业集聚发展。

2.3 市场需求要素分析

信息技术为商业育种体系中细化分工后的各 育种环节提供便捷有效的协作,共享信息并把新 的理念与技术不断贯彻到整个育种过程当中,对 商业育种模式的标准化、程序化、规模化、数据化 运行起到支撑作用。 国家对种业的重视以及种企 正在经历的产业升级造就了巨大的政策性和市场 性需求,主要体现在以下方面:

1政策性需求。 “科技兴农,良种先行”,良 种对中国农业增产增效的贡献率已达 43% 以 上[15] ,良种培育一直都是我国农业科技的重中之 重。 农业部明确提出,充分利用我国集中力量办 大事的制度优势,整合各方资源,采取政府支持、 企业化运作的模式,重点建设高通量分子测试平 台、规模化表型性状鉴定平台、优异中间材料创制 平台以及生物育种信息集成平台四个关键子平 台,从而加快推进构建分子育种大平台,为全国提 供及时、有效、便捷的商业化育种服务,有助于提 高种业的核心竞争力、提高种业装备的信息化水 平、提高种业劳动生产效率和促进农业农村经济 发展等政策性需求。

2市场性需求。 我国种业正在经历产业升级 过程,将催生更加旺盛和多元化的信息技术需求。 伴随着当代育种技术的快速发展,特别是生物技 术的广泛应用,造成了作物育种过程的信息爆炸。 目前国内育种的主体是科研单位,依靠经验育种, 导致育种效率较低,育种产业遭受着国外先进育 种企业的巨大冲击,开展市场化商业育种势在必 行,发展种业智能装备将有助于提高育种研发效 率、提升宏量育种数据的存储能力、提高性状考察 的准确性,扩大育种研发规模,使育种材料的评价 和选择更为全面准确,提高育种管理水平和提高 育种服务水平等市场性需求。

2.4 技术壁垒分析

发展育种信息化产业在育种信息化标准体系建设、软硬件产品开发、育种信息化系统集成与应 用方面仍存在一些技术壁垒和关键技术难点:

1在育种信息化标准体系建设方面,难度较 低体现在种质资源评价标准体系不健全,可用的 基础育种数据少、利用率低、现有种质资源的数据 化工作量大,商业化育种研发体系尚未建立、标准 化步骤不明确;难度适中体现在育种信息标准化 程度低,操作性差,共享程度低。

2在软硬件产品开发方面,难度较低体现在 大规模分子标记开发、工程化分子标记辅助育种 以及基于智能终端设备的育种试验管理系统和田 间作物表型信息化采集设备;难度适中体现在育 种信息综合分析经验与能力不足,育种信息采集 自动化程度低,难以迅速反馈决策,基于计算机视 觉和光谱分析的高通量表型检测技术,育种专用 智能农机装备落后;难度较高体现在非结构化育 种大数据高效存储、管理的数据库设计,数量遗传 学、生物统计分析研究基础薄弱,可用于分析的数 学模型较少。

3在系统集成与应用方面,难度较低体现在 信息化种质资源管理与利用系统,信息化种质资 源管理与利用系统,智能温室的环境模拟、生育进 程调控以及高通量表型筛选系统,种子质量溯源、 安全检测、品种知识产权保护检测标准体系,以及 品种栽培表现的综合评价与分析;难度适中体现 在精量化、信息化的育种研发专用农机具,提高育 种田间管理和试验的信息化水平;难度较高体现 在育种信息分析处理相关云端软件、平台的 构建。

3 产业目标

3.1 产业发展目标要素

《全国现代农作物种业发展规划(2012-2020年)》明确要求建立新型农作物种业科技创新体 系,构建以企业为主体的商业化育种体系,做大做 强种子企业。 到 2015 年,前 50 强企业的市场占 有率达到 40%以上;到 2020 年,我国将全面提升 农作物种业发展水平,建设一批标准化、规模化、 集约化、机械化的优势种子生产基地,打造一批育 种能力强、生产加工技术先进、市场营销网络健 全、技术服务到位的现代农作物种业集团,年产值 预计将达到 810 ~ 920 亿元。 建设以企业为主体 的商业化育种体系,首要任务是实现种业企业育 种过程的信息化,未来将有大量资金用于信息化 设备的采购、维护和升级,以建设形成信息化的商 业育种体系。 现阶段,智能装备作为信息化最主 要的载体,本研究在种业智能农机装备产业需求 的基础上,凝练总结了 2 大类、15 个产业目标因素:
1生产管理。 强化生产管理是促进制种业健 康发展的基础,也是发展种业智能装备最重要的 环节。 主要包括制定育种信息采集标准与规范, 实现育种数据接口标准化、提高共享程度,实现育 种信息数据采集自动化、智能化,实现育种数据采 集过程无缝集成、克服信息孤岛,提高育种研发的 机械化和自动化水平,实现种子繁育的专业化、智 能化,实现种苗繁育的机械化、自动化,提高种子 生产过程的信息化水平以及提高种苗生产过程的 信息化水平 9 个产业目标因素,是缓解种业智能 装备存在的技术壁垒和关键技术难点的核心 目标。

2种业监管。 我国种业己经进入快速发展时 期,种子质量总体是安全的,但监管手段弱、检测 和追溯体系不健全,如何在种业监管方式上适应 当前种业发展的需要是摆在我们面前非常急迫的 问题[16] ,发展智能装备将是提供必要种业监管的 客观条件和手段。 主要包括种子质量监管标准和 体系建设,制定种子繁育质量安全信息标准,制定 种子繁育与流通环节信息标准与规范,实现种子 繁育全程可追溯系统设备,实现转基因种子和品 种亲缘的准确快速检测以及实现种子质量的准确快速检测 6 个产业目标因素,从而促进种业企业 和院所管理规范化和科学化,加强种业监管部门 执法保障能力和检测能力。

3.2 产业研究方向要点


针对在育种研发、育种试验和商业化育种发展中智能装备领域存在的共性和个性化问题,结 合产业目标生产管理和种业监管发展组成要素, 近期归纳凝练在育种研发设施、大田测试装备、制 种生产设备、转基因作物鉴定及品种纯度鉴定和 农作物种子健康和活力检测 5 个产业环节的 28 项产业研究方向需求要点:

1育种研发设施。 产业研究需求重点在种质 资源管理、存贮与利用系统,种质系谱树和亲缘关 系分析软件,育种数据管理系统,实验室仪器获取 数据与数据库接口标准,生物信息采集设备,标 准化智能温室,智能温室环境采集与控制,自动 化输送装备,以及高通量表型鉴定设备 9 个
方向。

2大田测试装备。 产业研究需求重点在精 确数种排种仪,小区精量播种机,便携式田间管 理与数据记录,植株形态数字化仪,环境信息采 集设备,小区收获机,便携式测产设备 7 个 方向。

3制种生产设备。 产业研究需求重点在原种 保藏设备,制种田智能化农机装备,专业化收获和 脱粒设备,高通量在线种子质量鉴定技术设备以 及信息化种子生产加工设备和溯源系统 5 个方向。

4转基因作物鉴定及品种纯度鉴定。 产业研 究需求重点在种子 DNA 指纹库设备,转基因作物 种子及相关产品的定性、定量检测技术设备,产品 质量监测设备,品种鉴定设备以及知识产权保护体系 5 个方向。

5农作物种子健康和活力检测。 产业研究需 求重点在净度、发芽、活力、真实性与品种纯度、水 分、种子重量、种子健康等指标检测设备以及便携 式种子质量监管设备 2 个方向。

种业智能装备产业研究方向需求要点工作, 重点体现电子技术、信息技术、制造技术和现代种 业技术的融合与发展,技术需求迫切,实现“优 质、高产、高效、生态、安全” 关键技术装备快速发 展,能够推动农业产业化升级。

4 结语

“ 国以农为本,农以种为先” 。 以科学发展为 指导,以市场需求为导向的种业智能装备产业将 促使农机服务体系升级,实现种业生产管理的工 业化、精准化和智能化[17] ,精准播种、精准灌溉、 精准施肥喷药、精准收获都要依靠农业智能装备, 合理使用农业资源、有效降低生产成本、改善生态 环境,有助于农业科技创新成果落地,促进现代种 业发展步伐。 参考文献略。

来源:中国农业科技导报

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