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2018-12-01屏科大推跨域系統整合產業 實現農畜水產的另類商機
444 期
Author 作者
郭羽漫／本刊主編。
屏東科技大學（以下簡稱屏科大）在農、畜、漁等產業相關的疫苗開發上頗具實力，也在過去幾年創立許多疫苗技術平台。隨著跨域合作逐漸成勢，屏科大上（2018年11）月27日於科技部舉辦「跨域系統整合產業－屏科大商機日」活動，除食品科學、水產養殖外，亦邀請土木工程、環境工程與資訊管理等專業人士從不同的領域探討、改善臺灣農業的實務面，不僅為農耕、畜∕水產養殖的產業結構添上更多色彩，也利用雲端與智慧化等趨勢，提升產業的更多可能性。
結合土木與工程技術
打造智慧化的節水灌溉系統
由屏科大土木工程學系教授王裕民所率領的研究團隊，推動「智慧化水稻栽培生產」已逾3年，而在此之前的10年主要以水稻節水灌溉研究為主。團隊成員中除了工程背景的王裕民外，也廣納對水稻有所研究的農業菁英，然由於仍缺乏關鍵的水稻育種人才，故邀請高雄農業改良場研究員吳志文與助理研究員胡智傑協助研究。目前，團隊所生產的稻米，均為吳志文所育種的高雄147號米，配合臺東縣關山鎮農會與當地農民提供的6甲土地，經2年試驗後成果不俗，也讓近20位農民爭相與該單位合作。
團隊在研究過程所測試的試驗田共有4塊，灌溉鍋具旁設有益生菌的施放點，可於給水過程中不同的時間點上對試驗田進行施放。團隊希望透過這樣的方式提高作物品質、產量與安全性，為使植物能在生物∕非生物逆境（stress）中有好的成長，團隊將植物在正常發育下的水分與營養運輸、光合作用以及土壤內的營養貯存等作用納入考量，嘗試調整環境與作物間的平衡。然而王裕民強調，此舉並非是要打造一個能對抗環境的作物，重點還是要在友善栽培下使土壤條件得以回春。延續過去稻作強化系統（SRI）中的部分栽培方法，經改良後「稻作益生菌強化系統（System of Probiotic Rice Intensification, SPRI）」可均勻地將肥料、用藥、益生菌輸送到作物所需的位置，以降低秧苗、水、藥與化肥的使用量，進而達到減少管理成本、降低栽培風險的效果。此外，增加曬田也是栽培的一大重點，其能使土壤空隙不被堵塞，並提升土壤含氧量；而以25~30公分的距離種植秧苗的中耕（intertillage）設計，更可改善土壤通氣性，並促進植物對有機肥的利用。
改良SRI遭遇到的最大困難是，原以為理論上秧苗的最少使用量為1株，但實際搬到農田測試發現，若加上水壓、田螺與植物自然死亡等因素，至少要3株才夠，而為求保險起見起碼也要插個5~8株，然而農業機械執行插秧的基本單位就是十幾株，根本行不通；其次，農民光是在除草、拔草與補秧的程序上就會面臨很大的勞力問題。 而慶幸的是，至少在雜草這個難題上，團隊還能透過給水方法的調整來減少雜草量，且仍可增加20~30％的產量。
王裕民認為，作物的質地提升可歸功於均勻分布在農田四周的益生菌，即便有秧苗量的問題，但至少維持住土壤的生態與健康。此外，妥善運用田間管理，不僅可增加作物產量，還能幫助植物生長、管控土壤微生物（如固氮細菌等），甚至能使植物具備防禦病原菌的能力。而在菌種培養方面，團隊利用缺乏氮原與營養的培養基培養出生存能力高的細菌，並利用土壤微生物與植物根部間的「根噬循環（rhizophagy cycle）」協助植物吸收水分及營養，甚至還能促進作物的根毛再生與根系擴大，且由於水稻的根紮得較深，遇到天災時也較不容易倒下。此次SPRI的系統發布，從作物的生長特性、與環境的互動到系統的改良建置，其效益與價值都在研究團隊的努力下顯現出來，是為農業在跨專業合作上的一大勝利。
妥善運用資訊管理 植災控管更便利
有機農場即時病蟲害監測
有機農場的作物在自然條件下，蟲害問題在所難免。雲程科技公司總經理劉宴嘉表示，目前的蟲害預防系統主要是連結「大面積氣象站資訊」與「蟲害發生史」，並利用該資訊進行週期性的噴藥，如宜蘭和花蓮的作物防災預報系統皆是採用這種方式。然而，即便能透過該系統管理噴藥時間，卻也可能使農藥、化肥施放過於頻繁，最終導致噴藥過剩的問題。為避免這樣的問題產生，劉晏嘉針對農田地的氣候、土壤特性進行小面積的作物與蟲害即時監測，以期達到精準預防的目標。
劉晏嘉提到，該系統主要針對蟲病害的突發狀況與特性進行分析：假設葉面未出現任何病徵，則可認定其為一乾淨的葉子；然若出現一些可觀察到的特徵時，一開始並不能確認該葉片的狀況，需隨特徵面積擴大，才能比對出其變異性與特性。團隊根據雜湊函數（hash function）原理設計系統，使葉面的異常位置可被標註，將所得圖像轉為一維矩陣圖後去除干擾，便可得到與蟲體、病徵或形體有關的分布資訊。同時，該資訊進一步經解析和正規化等步驟後，可得到該特徵的光學性質，如此一來便能針對病徵的相似度進行比對。
透過人工智能模型以大量的圖像對系統進行訓練，再套入專家認證過的圖片進行修飾，最終以另一個相同的蟲體進行校正，訓練完成後的系統便可自行分析出蟲體的物理特徵。此外，為將系統打造成非監督式的學習網路（unsupervised learning network），團隊並未將特定物種與蟲害特徵納入考量，而是直接透過圖鑑分析。劉宴嘉解釋，當植物體出現異常狀態時，系統會針對該項異常進行解析，得到訊號的同時也標記現象發生的位置，以利辨識出作物是否真發生異常、避免不必要的施藥，如系統能分辨葉子在生長時出現的葉綠素增生，隨時間生成的擴散性區域與蟲體構造、形狀相異，且經比對的數據結果中組距越小者，與圖鑑的相似度就越低，這也表示該作物並未發生病蟲害。透過資料分析技術與人工智能的結合，病蟲害的即時監測得以精準化，也讓農民在無形中降低許多噴藥成本，相當具有發展潛力。
智慧水產養殖管理資訊系統
除了關注蟲害問題，屏科資管系也聯合恆春海洋養殖股份有限公司（以下簡稱恆春海洋），針對水產養殖進行產學合作。以近海箱網養殖為主的恆春海洋在屏東縣東港鎮設有養殖場，主要養殖的品種為海鱺與海金鯧，然近年因氣候變遷，使得產業嚴重受創。1980年後，臺灣的漁業開始出現轉捩點，養殖的量逐漸大於捕撈，且臺灣的土地之小，竟能在這項產業中躋身世界排名第16名！據此，恆春海洋與屏科大合作，將養殖場的水溫、pH值與含氧量等人工監測之紙本記錄搭配物聯網，建立了一套資訊管理系統，並蒐集餵食、收穫量等統計資料進行資料探勘（data mining）。
雖說恆春海洋採箱網養殖的方式養育魚群，然而其幼苗仍養在海邊的養殖池中，直到幼苗長成小魚後，才會移植到箱網裡。在養殖池的階段，有近20~30％的魚苗會受到鳥害消耗，為減少這部分的損失，資管系團隊利用鳥類的棲息時間與位置來設計無人機，以驅趕捕食的鳥類，而管理系統也會依據日常記錄，如投餌率、耗損率、換肉率等資料回饋，對養殖場管例進行改善。由於養殖場靠近海邊，所埋設的感測器必須具備耐鹽、耐候性（weather resistance），而團隊也將pH值、溶氧量與酸鹼度分析儀整合到水質監測浮標中，透過具太陽能、自帶可傳輸SIM卡的監測器，便可回傳所蒐集到的資訊。此外，程式邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）的設計可對儀器做遠端控制，如含氧量不足時，便能透過PLC控制打水；而遞歸神經網路（recurrent neural network, RNN）訓練系統的使用，也可針對水中溶氧量下降進行預測。
智慧客製化寵物飼料管理與電子商務系統
資訊管理不僅能運用在農、畜、水產等食品的管理，另一個與動物有關的產業──寵物也獲益匪淺。2017年，全球寵物食品市場規模逾97億元，而近年的家貓飼養量從22萬攀升至57萬隻，家犬也從114萬增加到175萬，在少子化的衝擊下，光在臺灣平均每3人就有1位豢養貓狗，可見毛小孩的市場潛力相當驚人。毛小孩常見的生理狀況包括腎臟病、關節炎、心臟疾病、體味不佳、體重與毛髮問題等，經特定的照顧與處置後才得以被改善；寵物醫療雖能個別化的處理這些問題，但也由於價格較為昂貴，使得許多飼主皆望之卻步。
屏科大資訊管理系與屏東農業生物科技園區神農科技合作的「智慧客製化寵物飼料管理與電子商務系統」，可根據飼主對寵物健康、體型改善的要求客製化飼料，經程式運算出最適配方，還能上傳與寵物的照片並印製到飼料包裝上。一般來說，寵物店所販售的飼料是統一的包裝與配方，而非針對個別寵物做設計，為此該計畫架構便設計包含保健食品、飼料配方與寵物管理（提醒飼主何時該購入飼料）等功能的客戶關係管理（customer relationship management, CRM）系統，並導入電子商務，讓飼主可透過網路訂購、以歐付寶付款，最終由黑貓宅急便配送到府，消費者甚至還可透過應用程式了解配方的營養比例。
團隊花費1年的時間了解消費者需求，設計流程架構與配方。屏科大資訊管理系教授龔旭陽表示，為能將獸醫師長年的寵物飼料經驗化為系統、產出客製化的飼料配方，團隊根據寵物的基本資料，例如：年齡、體態、品種、性別與病史等加上寵物的過敏原與特殊需求作分析，利用簡單的線性迴歸（linear regression）找出最適合消費者需求的配方比例。在內部管理上，考慮生產端的成本問題，系統設計上也加入限定規劃的方程式，若某項配方成本上漲，則可自動找尋適當的替代品。
都市農園新模式
城鄉景觀間的相互碰撞
由於臺灣務農人口快速老化，加上年輕一輩對農業的了解不足、投身產業的意願不高，使得臺灣的農業在人力與產銷上都面臨嚴重的問題。為培養年輕族群與一般民眾對農業的興趣，屏科大國際學院近年推出「都市農園新模式」，盼能透過教育帶動農業發展的另一層思考。屏科大國際學院車輛工程學系教授梁茲程表示，都市農園的概念在國外行之有年，而前院長陳和賢在任期間，認為應讓學生及早接觸這個想法，故於校園建築頂端打造有「綠色屋頂」之稱的空中農園；這座都市農園座落於屏科大某2棟大樓間，農園前半規劃種植、後方則為養蜂區域，梁茲程接手院長後，也持續打造這個示範區，以推廣都市農園的更多實務內容。
梁茲程認為，網路上許多都市農園都被打造成栽植蔬菜的溫室，且相當著重生產效能；然而，在平台規模不大的前提下，不僅產量會受到限制，由於無法提供人力全天候照顧農園，故需付出的管理成本也相對較大。有鑑於此，國際學院連結該校景觀專業，將空中農園從既有的生產導向轉換為休閒導向，結合高齡化「白金社會」的趨勢，除能提供老年人照顧農園的空間，也能放大空間使用的效益，其中的養蜂區即為一例。有些人可能會擔心養蜂所帶來的安全問題，梁茲程解釋，園區所養殖的蜜蜂為歐洲品種，與臺灣原生蜂相比攻擊力較低；而此處蜜蜂也能在限定、不干擾群眾的範圍內自由飛行。目前，團隊計畫將感測器（sensor）放入蜂箱，並監控內部與產蜜息息相關的微環境（microenvironment），以打造適合蜜蜂產蜜的溫、濕度與二氧化碳濃度，提升蜂蜜產量。
不過，都市農園最令人擔心的就是人手不足的問題，這可能會導致園區成為樓頂的廢墟；為此，團隊打造監控系統與設施，協助簡化園區實務。由於園區範圍相比真正的農地，面積並不大，在園區內安裝感測器、訊號線、攝影機等裝置並透過網路觀察園區狀況，相對容易許多。除了遠端監控外，要解決人力問題，遠端的儀器操作是少不了的，透過具遠端開關功能的繼電器（relay）搭配成本相對於應用程式較低的網頁平台，便能在感測園區氣象與土壤狀況之餘控制灑水及照明系統。研究團隊在該模式試做2年後，發現密度較小的落葉、肥料若遇颱風，會伴隨雨水沖刷，淤積在排水口處，因此研究團隊根據流體力學的概念，透過電腦進行分析，再以3D列印製作出一種形似甜甜圈的特殊裝置，安裝後可將排水過程中的落葉與肥料攔截下來。
此外，配合節能減碳、資源回收再利用等趨勢，國際學院也規劃將寶特瓶、廢金屬、保麗龍與塑膠管製作容器，或結合環境做成其它造景；廚餘、農園內的有機物（如凋落的葉子）經蒐集、發酵後，可產生固態或液態的肥料，且透過這個方式產生的肥料不會發出腐臭味，非常適合居家栽種使用。未來，都市農園的模式可望透過在地化調整與智能系統的改善，成為扶植臺灣農業的助力，而延伸的概念相信也將更貼近時代的需求。
結語
臺灣許多產業已逐漸從人力的1.0、機械的2.0演變到配合資訊、甚至智慧化的3.0與4.0。產業升級能帶來許多便利與效率，然而臺灣一級產業中仍有許多待整合的資訊及可被改善、優化的操作模式，此次活動也成功展示了專業跨域合作的重要性。