افزایش بهره وری در تولید نیشکر از طریق بکارگیری هوش مصنوعی در هند

فناوری مبتنی بر هوش مصنوعی موجب شده است تا فرآیندهای نظارت بر محصول، کنترل آفات، آبیاری و برداشت بهینه شده و در نهایت منجر به کشاورزی هوشمند و پایدار گردد. این سیستم ها با کاهش دخالت انسان و استفاده موثر از منابع محدود، موجب افزایش کارایی، دقت و بهره‌وری می شوند. هند با استفاده از فناوری هوش مصنوعی (AI) در کشاورزی مبتنی بر داده، توانسته است در جهت افزایش تولید نیشکر گام مهمی بردارد.

فناوری مبتنی بر هوش مصنوعی موجب شده است تا فرآیندهای نظارت بر محصول، کنترل آفات، آبیاری و برداشت بهینه شده و در نهایت منجر به کشاورزی هوشمند و پایدار گردد. این سیستم ها با کاهش دخالت انسان و استفاده موثر از منابع محدود، موجب افزایش کارایی، دقت و بهره‌وری می‌شوند. هند با استفاده از فناوری هوش مصنوعی (AI) در کشاورزی مبتنی بر داده توانسته است در جهت افزایش تولید نیشکر گام مهمی‌بردارد.

یکی از مطالعات انجام شده در زمینه امکان سنجی، برآورد هزینه‌های ضروری و اجرای پروژه توسط انجمن انرژی زیستی شکر هند (SBF) صورت گرفته است. نتایج حاصل از این بررسی‌ها، مبنای تصمیم‌گیری‌های آتی برای تخصیص منابع و شروع فاز عملیاتی طرح های مرتبط خواهد بود که جزئیات آن به شرح ذیل ارائه می‌شود.

1- سرمایه‌گذاری‌های اولیه

معرفی سیستم‌ مبتنی بر هوش مصنوعی، با برآورد هزینه‌های اولیه در ایجاد زیرساخت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری آغاز می‌شود. برخی از این هزینه‌ها از نظر تعداد و نوع تجهیزات مورد نیاز در یک مزرعه با هر مقیاسی ثابت بوده و برخی نیز متغیر می‌باشد که عبارتند از:

پلتفرم‌های سخت‌افزاری

- حسگرهای رطوبت خاک: این حسگرها نظارت مداوم بر خاک، مدیریت دقیق آب و مواد مغذی را فراهم می‌کنند. هزینه هر حسگر 18 تا 36 دلار و طول عمر آن 3 تا 5 سال برآورد می­شود.

- ایستگاه‌ هواشناسی: داده‌های آب و هوایی فرا منطقه ای را ارائه و تحلیل می­کنن که برای پیش‌بینی و برنامه‌ریزی اقدامات آتی ضروری است. هزینه این ایستگاه‌ها 140 تا 350 دلار و طول عمر آن بیش از 5 سال برآورد می­شود.

- پهپادهای کشاورزی: پهپادهای مجهز به دوربین‌های چندطیفی و حرارتی، اطلاعات لازم در زمینه سلامت محصول و مناطق تحت کشت ارائه می‌دهد. هزینه هر پهپاد 2100 تا 4100 دلار و طول عمر آن 2 تا 3 سال برآورد می­شود

- اتصال اینترنت اشیا (IoT): برای یکپارچه سازی و انتقال داده‌ بین دستگاه‌ها مورد نیاز است و هزینه سالانه آن 95 تا 235 دلار برآورد می­شود.

پلتفرم‌های نرم‌افزاری

- پلتفرم‌ اولیه تجزیه و تحلیل هوش مصنوعی: هزینه 95 تا 175 دلار در سال

- بسته‌های ویژه با پشتیبانی از علوم زراعی: هزینه تا 590 دلار در سال از طریق ارائه اطلاعات علمی و توصیه‌های تخصصی.

2- مزایای سالانه بکارگیری (در مقیاس یک آکر)[1]

اتخاذ شیوه‌های کشاورزی مبتنی بر هوش مصنوعی شامل مدیریت زودهنگام در شناسایی سریع شیوع بیماری و آفات، کاهش مصرف مواد شیمیایی، کاهش مصرف آب، کاهش وابستگی به نیروی کار، افزایش کارایی و ... به طور قابل توجهی منجر به افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها می‌شود. مهمترین مزیت های بکارگیری این روش عبارتند از:

بهبود عملکرد: در روش سنتی، کشت نیشکر حدود 50 تا 60 تن در یک آکر بازدهی دارد، در حالی که در روش بکارگیری هوش مصنوعی 65 تا 75 تن در هر آکر (+25 تا 30%) بازدهی خواهد داشت. نرخ استحصال شکر نیز از 9.5 تا 10.5 درصد به 11 تا 12 درصد افزایش می‌یابد.

کاهش هزینه‌ها: با ترکیب داده‌های مکانی-زمانی بوسیله هوش مصنوعی، کشاورزان می‌توانند مصرف آب، کود و آفت‌کش‌ را مطابق با شرایط در حال تغییر در یک منطقه خاص تغییر دهند. تحلیل داده‌های حسگرهای لحظه‌ای و پیش‌بینی‌های آب و هوایی، به استفاده کارآمد از آب کمک می‌کنند. در کشت نیشکر، که تقاضای آب بالا است، چنین سیستم‌هایی استفاده کارآمد از آب را تضمین می‌کنند. میزان صرفه جویی و کاهش هزینه‌ها طی یک سال برای هر آکر شامل:

الف- مصرف آب: صرفه‌جویی 35 تا 45%، کاهش هزینه‌های آب به میزان 70 تا 95 دلار.

ب- کودها: صرفه‌جویی 20 تا 30%، کاهش هزینه‌های استفاده از انواع کودها به میزان 40 تا 60 دلار.

ج-  آفت‌کش‌ها: صرفه‌جویی 25 تا 35%، کاهش هزینه‌های استفاده از آفتکش ها به مبلغ 25 تا 40 دلار.

د- نیروی کار: صرفه‌جویی 15 تا 20%، کاهش هزینه نیروی کار به میزان 45 تا 70 دلار در سال.

3- محاسبه بازگشت سرمایه

به منظور فهم دقیق میزان بازگشت سرمایه، پس از تجزیه و تحلیل داده‌های آماری هوش مصنوعی، میزان بازگشت سرمایه در زمینی به مساحت 2.200 متر مربع (معادل 5 آکر) به شرح ذیل ارائه شده است.

• سرمایه‌گذاری اولیه
• سال اول: 3000 تا 4100 دلار برای پهپادها و حسگرها
• هزینه‌های جاری: 590 دلار در سال برای نرم‌افزار، اتصال اینترنت اشیا و سایر هزینه‌ها
• مزایای سالانه
• افزایش درآمد ناشی از بهبود عملکرد: 440 دلار در هر آکر
• صرفه‌جویی در هزینه‌های ناشی از استفاده بهینه از منابع: 175 تا 235 دلار در هر آکر
• کل مزایای محاسبه شده در 2200 متر مربع: 3050 تا 3500 دلار در سال

محاسبه مزایای سالانه نشان می دهد دوره بازگشت سرمایه در بازه 18 تا 24 ماه محقق خواهد شد و از سال سوم به بعد کشاورزان می‌توانند انتظار بازدهی سرمایه (ROI)[2] سالانه 40 تا 50 درصدی را داشته باشند، که استفاده از هوش مصنوعی را به یک سرمایه‌گذاری سودآور و بلندمدت تبدیل می‌کند.

4- یک مطالعه موردی دیگر

در یک پروژه آزمایشی در ایالت ماهاراشترا، «صندوق توسعه کشاورزی هند (ADT)[3] » با همکاری شرکت مایکروسافت و دانشگاه آکسفورد، کشت نیشکر با استفاده از هوش مصنوعی را در زمینی به مساحت یک آکر اجرا کرد. در این مزرعه ایستگاه‌های هواشناسی هوشمند میزان باد، باران، دما، رطوبت و نور خورشید را اندازه گیری و ارزیابی کرده و حسگرهای خاک نیز سطوح رطوبت،pH  و مواد مغذی ضروری مانند پتاسیم و نیتروژن را مورد پایش قرار داد. تمامی داده‌ها به صورت خودکار به پلتفرم (Microsoft Azure Data Manager for Agriculture") [4] ارسال و تصاویر ماهواره‌ای و پهپادی و همچنین داده‌های تاریخی مزرعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج از طریق اپلیکیشن تلفن همراه [5]"Agripilot.ai"  به کشاورزان ارائه گردید و توصیه‌های عملی روزانه در پاسخ به سوالات زیر در اختیار آن‌ها قرار گرفت.

• آیا به آبیاری نیاز است؟ کود در کجا و به چه میزان باید اعمال شود؟
• کدام مناطق در معرض خطر شیوع آفات هستند؟ آیا نیاز به بازدید فوری دارند؟

 نتایج بدست آمده نشان داد که ساقه‌های نیشکر ضخیم تر و بلندتر شده و وزن هر ساقه ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش یافت. همچنین محتوای ساکارز آن ۲۰ درصد بالا رفته و عملکرد شکر برای فرآوری بهبود یافت. کاهش مصرف آب و کود به دلیل توصیه‌های دقیق هوش مصنوعی، منجر به کوتاه شدن چرخه رشد از ۱۸ ماه به ۱۲ ماه با امکان برداشت مکرر و درآمد بیشتر شد. این پیشرفت برای اولین بار در «جشنواره کشاورزان Krushik  ۲۰۲۴»[6]، با حضور بیش از ۲۰۰ هزار کشاورز معرفی گردید و منجر به ثبت نام بیش از ۲۰ هزار کشاورز برای پذیرش هوش مصنوعی در کشت نیشکر شد.

5- عوامل کلیدی برای پیاده‌سازی و پروژه‌های مبتنی بر هوش مصنوعی

اگرچه استفاده از هوش مصنوعی چالش هایی از جمله سرمایه‌گذاری اولیه بالا، نیاز به مهارت فنی و مراقبت از حریم خصوصی و امنیت داده‌ها را دارد، ولی پتانسیل تغییر صنایع را در مدت زمان کوتاه دارد. در ادامه به برخی عوامل اولیه و مهم پیاده سازی این فرآیند در کشت نیشکر اشاره شده است که عبارتند از:

• زیرساخت‌های قوی جمع‌آوری و پردازش داده
• توسعه مدل‌های هوش مصنوعی اختصاصی و بومی‌سازی شده متناسب با شرایط اقلیمی، نوع خاک، ارقام نیشکر و آفات و بیماری‌های بومی منطقه
• اتصال اینترنت پایدار 4G برای اطمینان از انتقال داده‌ها در زمان مناسب و بدون اختلال و قابلیت تبادل مستمر اطلاعات بین سیستم ها
• برنامه‌های آموزشی عملی برای کشاورزان به مدت 5 تا 7 روز، جهت آشنایی با ابزارها و سیستم‌های هوش مصنوعی
• جمع‌آوری داده‌های دقیق و منسجم در طول چرخه کشت به منظور بهینه‌سازی پیش‌بینی‌ها و اصلاح مدل‌ها

جمع بندی

کشاورزی مبتنی بر هوش مصنوعی در حال تبدیل شدن به یک تغییر دهنده بازی و حرکت به سمت تحول عظیم است. پیشرفت‌ در یادگیری ماشین، هوشمندی کامپیوتر و رباتیک توسعه یافته و کشاورزی را در برابر تغییرات آب و هوایی انعطاف‌پذیرتر و مقاوم‌تر خواهد کرد. با این حال، چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالای پیاده‌سازی، نگرانی‌های مربوط به حریم خصوصی داده‌ها و نیاز به نیروی کار ماهر همچنان وجود دارد که نیازمند تحقیقات، حمایت‌های سیاستی و آموزش کشاورزان است.

[1]. واحد اندازه گیری زمین معادل 4047 مترمربع

[2]. Return on Investment

[3]. The Agricultural Development Trust

[4]. این سرویس به شرکت‌ها اجازه می‌دهد تا داده‌های کشاورزی را از منابع مختلف (مانند تجهیزات مزرعه، آب و هوا، ماهواره) جمع‌آوری، یکپارچه و پردازش کنند، بدون اینکه به سرمایه‌گذاری چندانی در منابع مهندسی داده نیاز داشته باشند.

[5]. این نرم افزار از چندین زبان از جمله انگلیسی، هندی و گویش‌های محلی پشتیبانی و دسترسی به آن برای کشاورزان خرد آسان است.

[6] . نمایشگاه کشاورزی با هدف نمایش و ترویج بروز ترین فناوری‌ها و نوآوری‌ها در شهر پونای هند است که دوره اخیر آن از ۱۸ تا ۲۲ ژانویه ۲۰۲۴ برگزار گردید. این رویداد فرصتی برای کشاورزان، تولیدکنندگان، سیاست‌گذاران و موسسات تحقیقاتی فراهم می‌آورد تا آینده کشاورزی هند را از طریق تمرکز بر انواع تکنولوژی‌ها اعم از هوش مصنوعی، دستگاه‌های مدرن، رباتیک و مکانیزاسیون، استفاده از فناوری نانو و .. به نمایش بگذارد.