人工智能——推動植物研究發(fā)展的新動力.pdf

南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 收 稿 日 期 基 金 項 目 中 央 高 校 基 本 科 研 業(yè) 務(wù) 費 專 項 資 金 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 項 目 作 者 簡 介 周 濟 教 授 研 究 方 向 植 物 表 型 組 學(xué) 計 算 機 視 覺 人 工 智 能 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 智 能 性 狀 解 析 稻 麥 育 種 通 信 作 者 周 濟 陳 佳 瑋 沈 利 言 等 人 工 智 能 推 動 植 物 研 究 發(fā) 展 的 新 動 力 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 人 工 智 能 推 動 植 物 研 究 發(fā) 展 的 新 動 力 周 濟 陳 佳 瑋 沈 利 言 戴 杰 聞 楨 杰 孫 港 周 潔 丁 國 輝 丁 艷 鋒 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 前 沿 交 叉 研 究 院 作 物 表 型 組 學(xué) 交 叉 研 究 中 心 江 蘇 南 京 英 國 國 立 農(nóng) 業(yè) 植 物 研 究 所 劍 橋 作 物 研 究 中 心 英 國 劍 橋 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 農(nóng) 學(xué) 院 江 蘇 省 現(xiàn) 代 作 物 生 產(chǎn) 協(xié) 同 創(chuàng) 新 中 心 現(xiàn) 代 作 物 生 產(chǎn) 省 部 共 建 協(xié) 同 創(chuàng) 新 中 心 江 蘇 南 京 摘 要 從 世 紀(jì) 年 代 至 今 人 工 智 能 及 其 相 關(guān) 智 能 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 經(jīng) 歷 了 多 次 起 伏 在 過 去 年 對 的 應(yīng) 用 開 始 步 入 快 速 發(fā) 展 的 階 段 本 文 首 先 介 紹 了 發(fā) 展 簡 史 包 括 其 理 論 形 成 基 礎(chǔ) 算 法 分 類 定 義 和 發(fā) 展 趨 勢 然 后 針 對 流 行 的 開 發(fā) 框 架 和 技 術(shù) 算 法 及 其 在 植 物 研 究 各 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng) 用 進 行 了 概 述 例 如 基 因 挖 掘 和 分 子 育 種 病 蟲 害 檢 測 預(yù) 防 作 物 栽 培 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 等 為 發(fā) 揮 技 術(shù) 對 生 物 大 數(shù) 據(jù) 的 解 析 優(yōu) 勢 本 文 著 重 討 論 了 的 創(chuàng) 新 應(yīng) 用 并 展 示 了 筆 者 所 在 的 中 國 和 英 國 聯(lián) 合 實 驗 室 與 此 相 關(guān) 的 部 分 最 新 研 究 進 展 以 期 為 技 術(shù) 在 中 國 植 物 研 究 中 的 推 廣 拋 磚 引 玉 集 思 廣 益 關(guān) 鍵 詞 人 工 智 能 發(fā) 展 史 技 術(shù) 應(yīng) 用 植 物 研 究 表 型 組 學(xué) 智 能 性 狀 解 析 中 圖 分 類 號 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 文 章 編 號 人 工 智 能 發(fā) 展 簡 史 年 英 國 計 算 機 科 學(xué) 家 人 工 智 能 之 父 在 其 開 拓 性 論 文 計 算 機 及 智 能 第 期 周 濟 等 人 工 智 能 推 動 植 物 研 究 發(fā) 展 的 新 動 力 中 提 出 了 通 過 模 仿 游 戲 驗 證 機 器 是 否 具 有 智 能 的 方 案 隨 后 將 該 假 設(shè) 進 一 步 完 善 繼 而 演 變 成 此 后 廣 為 人 知 的 圖 靈 測 試 年 后 美 國 計 算 機 科 學(xué) 家 圖 靈 獎 獲 得 者 在 達(dá) 特 茅 斯 會 議 上 首 次 提 出 了 人 工 智 能 概 念 并 作 為 學(xué) 科 奠 基 者 為 該 領(lǐng) 域 中 的 常 識 性 推 理 問 題 做 出 了 杰 出 的 貢 獻(xiàn) 不 過 真 正 將 帶 入 大 眾 視 野 的 是 米 高 梅 公 司 于 年 出 品 的 劃 時 代 科 幻 電 影 太 空 漫 游 影 片 虛 構(gòu) 了 具 有 強 人 工 智 慧 的 超 級 電 腦 為 大 眾 展 現(xiàn) 了 和 機 器 人 技 術(shù) 在 自 然 語 言 處 理 語 音 交 流 面 部 識 別 行 為 識 別 及 自 我 意 志 等 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 前 景 對 此 后 各 類 智 能 系 統(tǒng) 的 研 發(fā) 產(chǎn) 生 了 深 刻 影 響 人 類 世 界 第 一 臺 具 有 弱 人 工 智 能 或 的 機 器 人 圖 于 年 由 斯 坦 福 研 究 所 人 工 智 能 中 心 正 式 發(fā) 布 這 臺 融 合 了 邏 輯 推 理 和 物 理 動 作 的 自 動 化 設(shè) 備 對 機 器 視 覺 機 器 人 平 臺 和 自 動 化 控 制 等 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 應(yīng) 用 產(chǎn) 生 了 極 其 深 遠(yuǎn) 的 影 響 其 中 圖 遍 歷 圖 像 特 征 提 取 及 障 礙 物 間 最 優(yōu) 路 徑 搜 索 等 算 法 至 今 仍 被 應(yīng) 用 于 圖 像 處 理 和 輔 助 駕 駛 等 領(lǐng) 域 由 于 計 算 機 硬 件 算 力 軟 件 算 法 和 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 集 的 限 制 對 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 在 世 紀(jì) 至 年 代 進 入 發(fā) 展 的 冬 天 但 該 時 期 卻 是 各 類 基 礎(chǔ) 算 法 研 發(fā) 的 黃 金 期 許 多 影 響 了 現(xiàn) 代 系 統(tǒng) 的 著 名 算 法 均 發(fā) 表 于 本 階 段 包 括 多 層 感 知 器 及 其 在 特 征 選 擇 模 糊 集 和 分 類 中 的 使 用 現(xiàn) 代 深 度 學(xué) 習(xí) 模 型 的 基 礎(chǔ) 即 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 和 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 用 于 記 憶 和 關(guān) 聯(lián) 機 制 的 簡 化 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 可 構(gòu) 建 自 適 應(yīng) 學(xué) 習(xí) 系 統(tǒng) 的 自 組 織 式 神 經(jīng) 模 式 識 別 器 模 仿 人 類 注 意 力 的 類 注 意 力 機 制 如 超 網(wǎng) 絡(luò) 并 以 此 動 態(tài) 調(diào) 整 模 型 對 不 同 輸 入 數(shù) 據(jù) 的 關(guān) 注 權(quán) 重 以 及 為 因 果 推 斷 和 模 型 評 估 奠 基 的 貝 葉 斯 網(wǎng) 絡(luò) 等 年 由 開 發(fā) 的 深 藍(lán) 系 統(tǒng) 通 過 窮 舉 法 擊 敗 國 際 象 棋 冠 軍 后 再 次 受 到 廣 泛 的 關(guān) 注 在 過 去 年 里 算 法 的 研 發(fā) 和 應(yīng) 用 隨 著 計 算 機 硬 件 算 力 的 進 步 呈 指 數(shù) 級 增 長 極 大 地 帶 動 了 生 物 醫(yī) 藥 數(shù) 碼 娛 樂 教 育 科 研 和 金 融 服 務(wù) 等 行 業(yè) 的 快 速 發(fā) 展 例 如 年 推 出 的 認(rèn) 知 系 統(tǒng) 通 過 自 然 語 言 處 理 技 術(shù) 解 析 語 意 相 關(guān) 算 法 被 廣 泛 使 用 在 自 動 化 描 述 預(yù) 測 統(tǒng) 計 和 自 然 語 言 處 理 中 雖 然 受 到 較 多 質(zhì) 疑 年 名 俄 羅 斯 和 烏 克 蘭 程 序 員 共 同 開 發(fā) 的 聊 天 軟 件 被 稱 為 人 類 歷 史 上 首 個 可 以 通 過 圖 靈 測 試 的 算 法 在 一 定 程 度 上 證 明 了 機 器 可 對 人 類 智 能 進 行 模 仿 年 當(dāng) 時 供 職 于 微 軟 的 何 愷 明 等 推 出 了 一 個 數(shù) 百 層 的 殘 差 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 并 開 創(chuàng) 性 地 通 過 跨 層 跳 躍 連 接 避 免 了 因 為 深 度 網(wǎng) 絡(luò) 構(gòu) 架 導(dǎo) 致 的 梯 度 消 失 及 精 度 飽 和 等 問 題 此 后 及 其 變 體 如 和 等 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 圖 像 分 類 和 目 標(biāo) 檢 測 任 務(wù) 在 幾 乎 所 有 基 于 圖 像 的 智 能 系 統(tǒng) 中 均 可 見 其 身 影 年 谷 歌 子 公 司 開 發(fā) 的 阿 爾 法 狗 結(jié) 合 啟 發(fā) 式 蒙 特 卡 洛 樹 搜 索 算 法 和 通 過 人 機 對 弈 建 立 訓(xùn) 練 集 再 針 對 圍 棋 對 弈 中 不 同 著 法 的 獲 勝 率 通 過 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 強 化 樹 搜 索 訓(xùn) 練 模 型 進 而 基 于 多 次 迭 代 產(chǎn) 生 更 優(yōu) 著 法 策 略 至 年 及 其 后 續(xù) 版 本 相 繼 擊 敗 了 世 界 頂 級 職 業(yè) 圍 棋 選 手 李 世 石 和 柯 潔 在 引 爆 世 界 輿 論 之 余 也 讓 人 類 看 到 了 系 統(tǒng) 在 大 數(shù) 據(jù) 加 持 下 的 算 力 優(yōu) 勢 和 瞬 時 決 策 力 不 過 多 年 以 后 再 看 及 通 過 自 我 對 弈 和 強 化 學(xué) 習(xí) 算 法 擊 敗 及 后 續(xù) 版 本 的 這 些 模 型 仍 是 對 人 類 決 策 過 程 的 簡 單 模 仿 雖 然 展 示 了 人 類 在 算 力 上 的 局 限 性 但 這 些 系 統(tǒng) 仍 只 是 基 于 計 算 并 不 具 備 人 類 的 大 局 觀 和 通 用 智 能 年 以 來 隨 著 深 度 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 循 環(huán) 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 和 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 等 模 型 的 成 熟 技 術(shù) 被 大 規(guī) 模 應(yīng) 用 到 各 種 傳 統(tǒng) 和 新 興 行 業(yè) 中 如 人 臉 和 文 字 識 別 系 統(tǒng) 基 于 大 數(shù) 據(jù) 的 醫(yī) 療 診 斷 和 醫(yī) 藥 研 究 金 融 證 券 的 交 易 和 風(fēng) 控 模 型 仿 真 類 電 子 游 戲 以 及 特 斯 拉 和 谷 歌 等 自 動 駕 駛 技 術(shù) 感 興 趣 的 讀 者 還 可 通 過 清 華 大 學(xué) 唐 杰 團 隊 開 發(fā) 的 搜 索 模 型 對 人 工 智 能 發(fā) 展 各 階 段 的 代 表 性 人 物 和 主 要 成 果 在 學(xué) 術(shù) 網(wǎng) 中 進 行 高 效 挖 掘 對 歷 史 進 程 做 進 一 步 的 梳 理 和 研 究 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 第 卷 人 工 智 能 的 定 義 和 分 類 作 為 一 門 新 興 學(xué) 科 人 工 智 能 自 成 立 以 來 嘗 試 過 多 個 發(fā) 展 方 向 如 模 擬 人 類 大 腦 模 仿 形 式 邏 輯 及 通 過 量 化 領(lǐng) 域 知 識 構(gòu) 建 超 大 型 數(shù) 據(jù) 庫 等 由 于 基 于 數(shù) 理 統(tǒng) 計 的 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 為 工 業(yè) 界 和 學(xué) 術(shù) 界 解 決 了 很 多 實 際 問 題 因 此 該 方 向 在 現(xiàn) 階 段 研 究 中 占 據(jù) 了 主 導(dǎo) 地 位 由 此 可 見 專 家 和 從 業(yè) 者 對 的 定 義 與 普 遍 認(rèn) 知 不 盡 相 同 現(xiàn) 階 段 的 一 般 指 區(qū) 別 于 人 類 自 然 智 能 的 可 通 過 理 性 行 為 和 數(shù) 學(xué) 優(yōu) 化 等 方 法 對 輸 入 數(shù) 據(jù) 進 行 模 式 化 學(xué) 習(xí) 如 擬 合 特 征 匹 配 等 并 在 特 定 條 件 下 解 決 目 標(biāo) 問 題 如 對 象 檢 測 關(guān) 聯(lián) 分 析 數(shù) 據(jù) 分 類 和 趨 勢 預(yù) 測 等 的 決 策 系 統(tǒng) 因 此 現(xiàn) 階 段 絕 大 多 數(shù) 算 法 或 智 能 系 統(tǒng) 并 不 能 真 正 模 擬 或 展 示 人 類 在 學(xué) 習(xí) 或 解 決 問 題 過 程 中 所 依 賴 的 領(lǐng) 域 知 識 和 通 用 智 能 雖 然 作 為 大 多 數(shù) 深 度 學(xué) 習(xí) 模 型 基 礎(chǔ) 的 其 靈 感 來 源 于 生 命 系 統(tǒng) 中 的 分 布 式 通 信 節(jié) 點 和 信 息 處 理 方 式 但 與 生 物 大 腦 運 作 機 制 差 異 巨 大 簡 而 言 之 不 具 備 動 態(tài) 模 擬 能 力 而 且 是 靜 態(tài) 且 不 可 塑 的 谷 歌 最 新 的 對 話 模 型 已 可 通 過 參 考 外 部 數(shù) 據(jù) 源 在 量 化 事 實 性 的 基 礎(chǔ) 上 對 已 知 來 源 進 行 合 理 響 應(yīng) 而 非 此 前 其 他 算 法 的 刻 意 模 仿 但 其 運 行 模 式 與 人 類 認(rèn) 知 如 歸 納 演 繹 等 仍 有 很 大 差 距 實 際 上 對 生 物 大 腦 工 作 機 制 的 模 擬 難 度 極 大 以 美 國 大 腦 研 究 計 劃 資 助 的 研 究 為 例 即 使 只 對 毫 米 級 小 鼠 初 級 視 覺 皮 層 深 直 徑 約 個 神 經(jīng) 元 進 行 視 覺 刺 激 模 擬 這 個 數(shù) 千 萬 美 元 投 資 所 構(gòu) 建 的 計 算 平 臺 也 只 能 對 部 分 皮 層 回 路 結(jié) 構(gòu) 進 行 還 原 很 難 勝 任 對 皮 質(zhì) 細(xì) 胞 類 別 腦 神 經(jīng) 組 織 電 信 號 傳 輸 突 觸 強 度 和 關(guān) 聯(lián) 網(wǎng) 絡(luò) 等 神 經(jīng) 細(xì) 胞 活 動 的 模 擬 盡 管 基 于 現(xiàn) 階 段 的 研 究 理 論 和 技 術(shù) 方 法 超 越 甚 至 接 近 人 類 智 能 的 可 能 性 很 小 但 是 很 多 技 術(shù) 在 某 些 特 定 場 景 中 解 決 目 標(biāo) 問 題 的 能 力 卻 令 人 驚 嘆 利 用 模 型 在 大 數(shù) 據(jù) 解 析 上 的 優(yōu) 勢 通 過 擴 大 數(shù) 據(jù) 集 穩(wěn) 步 提 高 預(yù) 測 的 準(zhǔn) 確 性 和 模 型 的 泛 化 性 其 改 進 專 業(yè) 領(lǐng) 域 和 提 高 人 類 生 活 質(zhì) 量 的 前 景 令 人 期 待 結(jié) 合 人 類 需 求 驅(qū) 動 科 技 進 步 理 論 和 馬 斯 洛 需 求 層 次 模 型 發(fā) 展 可 粗 略 分 為 種 類 別 圖 單 一 反 應(yīng) 型 即 基 礎(chǔ) 不 具 備 記 憶 即 不 能 利 用 歷 史 信 息 指 導(dǎo) 決 策 只 能 對 有 限 輸 入 做 出 功 能 性 反 應(yīng) 的 形 式 有 限 記 憶 型 即 通 過 大 量 的 訓(xùn) 練 集 構(gòu) 建 歷 史 經(jīng) 驗 和 記 憶 模 式 以 此 為 基 準(zhǔn) 不 斷 改 進 算 法 決 策 力 和 預(yù) 測 精 度 心 智 理 論 型 這 個 層 次 的 至 今 仍 停 留 在 理 論 階 段 主 要 是 用 于 理 解 人 類 在 多 種 外 部 因 素 影 響 下 的 思 想 形 成 和 情 緒 產(chǎn) 生 過 程 通 過 模 擬 人 類 心 智 的 運 行 方 式 構(gòu) 建 可 媲 美 人 類 的 學(xué) 習(xí) 決 策 和 想 象 力 的 智 能 系 統(tǒng) 自 我 意 識 型 這 類 具 有 自 主 意 識 的 僅 存 于 想 象 如 機 器 可 完 全 模 擬 人 腦 運 作 那 其 超 強 算 力 學(xué) 習(xí) 和 決 策 力 可 能 是 智 慧 發(fā) 展 的 最 后 階 段 機 器 會 擁 有 自 己 的 思 想 并 可 輕 易 達(dá) 到 人 類 智 慧 的 極 限 圖 第 一 臺 弱 人 工 智 能 搖 擺 機 器 人 及 基 于 人 類 需 求 層 次 理 論 對 的 分 類 根 據(jù) 以 上 分 類 技 術(shù) 發(fā) 展 遵 循 從 弱 人 工 智 能 執(zhí) 行 場 景 特 定 和 解 決 能 力 單 一 強 人 工 智 能 具 有 第 期 周 濟 等 人 工 智 能 推 動 植 物 研 究 發(fā) 展 的 新 動 力 人 類 認(rèn) 知 水 平 和 通 用 智 能 系 統(tǒng) 可 適 用 于 多 個 領(lǐng) 域 到 超 人 工 智 能 經(jīng) 過 邏 輯 演 化 和 自 我 學(xué) 習(xí) 產(chǎn) 生 智 慧 并 在 各 方 面 超 越 人 類 智 慧 的 過 程 圖 現(xiàn) 階 段 算 法 距 強 人 工 智 能 還 有 很 大 的 差 距 對 強 人 工 智 能 的 主 流 研 發(fā) 思 路 有 提 高 現(xiàn) 有 深 度 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 可 解 釋 性 如 通 過 和 通 過 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 生 成 模 型 自 主 學(xué) 習(xí) 輸 入 數(shù) 據(jù) 再 結(jié) 合 對 抗 訓(xùn) 練 多 任 務(wù) 知 識 蒸 餾 或 增 強 學(xué) 習(xí) 等 各 種 方 法 協(xié) 同 提 高 模 型 的 學(xué) 習(xí) 效 率 自 適 應(yīng) 性 和 魯 棒 性 以 期 逐 漸 構(gòu) 建 具 有 強 人 工 智 能 的 復(fù) 雜 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 集 合 多 個 弱 系 統(tǒng) 通 過 構(gòu) 建 多 系 統(tǒng) 間 的 交 互 模 擬 人 類 推 理 和 決 策 能 力 再 基 于 下 一 代 計 算 裝 置 如 量 子 計 算 機 大 規(guī) 模 模 擬 神 經(jīng) 元 活 動 重 建 復(fù) 雜 的 人 類 思 維 當(dāng) 然 這 些 嘗 試 都 需 要 基 于 多 學(xué) 科 交 叉 融 合 如 腦 科 學(xué) 認(rèn) 知 心 理 學(xué) 思 維 模 式 數(shù) 理 研 究 生 命 逆 向 工 程 和 計 算 機 軟 硬 件 系 統(tǒng) 等 值 得 指 出 的 是 隨 著 各 類 智 能 算 法 應(yīng) 用 的 普 及 如 字 符 識 別 和 對 象 檢 測 等 許 多 研 究 者 和 從 業(yè) 人 員 一 直 尋 求 對 人 工 智 能 概 念 的 重 新 定 義 即 一 詞 應(yīng) 指 代 可 真 正 實 現(xiàn) 智 能 行 為 的 算 法 而 并 非 一 些 常 規(guī) 的 計 算 行 為 這 也 被 稱 為 人 工 智 能 效 應(yīng) 特 別 是 當(dāng) 下 某 些 行 業(yè) 對 概 念 的 過 度 宣 傳 對 智 能 工 具 的 錯 誤 使 用 如 通 過 深 度 變 臉 和 語 音 模 擬 技 術(shù) 進 行 詐 騙 或 傳 播 與 實 際 不 符 的 恐 慌 信 息 如 會 短 時 間 超 越 人 類 智 能 等 情 況 均 可 能 對 的 發(fā) 展 產(chǎn) 生 不 利 影 響 導(dǎo) 致 下 一 輪 寒 冬 的 來 臨 在 植 物 研 究 中 的 應(yīng) 用 在 植 物 研 究 中 所 使 用 的 技 術(shù) 基 本 上 等 同 于 對 各 類 傳 統(tǒng) 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 算 法 的 應(yīng) 用 為 方 便 行 文 下 文 中 使 用 的 一 詞 泛 指 所 有 與 機 器 學(xué) 習(xí) 和 智 能 系 統(tǒng) 相 關(guān) 的 基 礎(chǔ) 算 法 模 型 構(gòu) 架 和 技 術(shù) 應(yīng) 用 如 圖 所 示 對 的 應(yīng) 用 可 見 于 各 個 植 物 研 究 領(lǐng) 域 所 用 的 技 術(shù) 一 般 屬 于 單 一 反 應(yīng) 型 和 有 限 記 憶 型 的 弱 人 工 智 能 范 疇 包 括 數(shù) 據(jù) 采 集 多 組 學(xué) 整 合 對 象 檢 測 性 狀 分 析 關(guān) 聯(lián) 分 析 和 趨 勢 預(yù) 測 等 為 遺 傳 連 鎖 基 因 挖 掘 功 能 解 析 分 子 育 種 基 因 工 程 栽 培 管 理 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 等 提 供 解 決 方 案 最 近 年 來 使 用 了 技 術(shù) 和 算 法 的 植 物 研 究 文 獻(xiàn) 數(shù) 以 萬 計 在 文 獻(xiàn) 綜 述 中 很 難 做 到 面 面 俱 到 因 此 下 文 將 從 開 發(fā) 框 架 和 常 用 算 法 基 因 挖 掘 和 分 子 育 種 病 蟲 害 檢 測 預(yù) 防 作 物 栽 培 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 等 幾 個 方 面 對 植 物 研 究 中 的 應(yīng) 用 案 例 進 行 概 述 圖 人 工 智 能 技 術(shù) 在 各 個 植 物 研 究 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng) 用 國 內(nèi) 外 開 發(fā) 框 架 平 臺 和 模 型 在 過 去 年 中 針 對 傳 統(tǒng) 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 模 型 的 研 發(fā) 獲 得 了 飛 速 發(fā) 展 各 類 開 發(fā) 框 架 和 平 臺 為 不 同 算 法 的 軟 件 實 現(xiàn) 和 開 發(fā) 調(diào) 試 提 供 了 統(tǒng) 一 且 便 利 的 研 發(fā) 環(huán) 境 一 些 代 表 性 的 開 發(fā) 框 架 和 平 臺 有 用 于 數(shù) 字 科 學(xué) 的 開 源 機 器 學(xué) 習(xí) 庫 如 深 度 學(xué) 習(xí) 庫 和 基 于 的 等 這 些 框 架 相 對 簡 潔 獲 得 了 開 源 社 區(qū) 的 廣 泛 支 持 但 由 于 它 們 在 工 程 設(shè) 計 和 擴 展 性 上 的 局 限 性 很 難 保 證 它 們 的 工 業(yè) 級 部 署 和 對 各 種 加 速 硬 件 的 支 持 如 神 經(jīng) 處 理 單 元 年 谷 歌 推 出 了 第 一 款 由 工 業(yè) 界 主 導(dǎo) 的 學(xué) 習(xí) 框 架 憑 借 其 良 好 的 性 能 完 備 的 功 能 和 基 于 數(shù) 據(jù) 流 圖 的 框 架 吸 引 了 廣 泛 關(guān) 注 但 由 于 其 版 本 的 開 發(fā) 體 驗 并 不 友 好 因 此 谷 歌 重 建 了 生 態(tài) 系 統(tǒng) 并 于 年 推 出 包 括 用 于 移 動 和 嵌 入 式 設(shè) 備 的 和 支 持 大 規(guī) 模 產(chǎn) 業(yè) 級 部 署 的 版 本 還 特 別 集 成 了 開 源 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 庫 大 大 降 低 了 開 發(fā) 深 度 學(xué) 習(xí) 模 型 的 難 度 年 臉 書 現(xiàn) 更 名 為 和 微 軟 共 同 推 出 了 因 其 簡 潔 的 系 統(tǒng) 設(shè) 計 和 可 即 時 執(zhí) 行 的 動 態(tài) 圖 模 式 受 到 了 科 研 界 的 追 捧 年 后 并 入 使 其 在 多 系 統(tǒng) 部 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 第 卷 署 上 得 到 了 進 一 步 的 提 升 現(xiàn) 在 流 行 的 框 架 還 包 括 亞 馬 遜 支 持 的 微 軟 推 出 的 基 于 的 以 及 通 過 編 寫 的 等 隨 著 深 度 學(xué) 習(xí) 重 要 性 的 不 斷 增 加 中 國 的 領(lǐng) 軍 企 業(yè) 也 相 繼 推 出 了 各 類 國 產(chǎn) 開 發(fā) 框 架 和 平 臺 例 如 年 曠 視 科 技 相 繼 推 出 了 和 等 云 平 臺 專 注 于 圖 像 識 別 和 深 度 學(xué) 習(xí) 算 法 優(yōu) 化 提 升 了 模 型 訓(xùn) 練 和 預(yù) 測 的 一 體 性 百 度 于 年 推 出 了 飛 槳 開 源 框 架 通 過 重 新 設(shè) 計 前 端 編 程 界 面 和 核 心 架 構(gòu) 以 期 兼 顧 高 效 和 易 用 性 年 華 為 正 式 發(fā) 布 了 開 源 計 算 框 架 借 助 處 理 器 算 力 進 行 全 場 景 深 度 學(xué) 習(xí) 為 分 布 式 訓(xùn) 練 和 多 端 部 署 提 供 了 高 效 的 智 能 解 決 方 案 在 國 際 上 目 前 使 用 最 廣 泛 的 開 發(fā) 框 架 為 和 兩 者 均 有 開 發(fā) 成 本 低 應(yīng) 用 范 圍 廣 和 硬 件 支 持 完 善 等 優(yōu) 點 由 于 前 者 在 使 用 上 的 簡 潔 性 該 框 架 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 科 學(xué) 研 究 中 如 模 型 搭 建 及 智 能 系 統(tǒng) 測 試 等 工 作 后 者 在 生 態(tài) 體 系 和 系 統(tǒng) 集 成 上 具 有 較 大 優(yōu) 勢 因 此 被 大 量 應(yīng) 用 于 各 類 產(chǎn) 業(yè) 級 部 署 中 當(dāng) 然 國 產(chǎn) 開 發(fā) 框 架 也 在 日 益 完 善 隨 著 其 可 調(diào) 用 模 塊 的 日 趨 豐 富 和 中 國 廣 大 用 戶 群 的 支 持 國 產(chǎn) 平 臺 必 將 在 今 后 研 究 和 生 產(chǎn) 中 獲 得 更 廣 泛 的 使 用 表 匯 總 了 部 分 具 有 代 表 性 的 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 開 發(fā) 框 架 平 臺 團 隊 及 相 關(guān) 簡 介 表 各 類 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 開 發(fā) 框 架 平 臺 團 隊 和 相 關(guān) 簡 介 開 發(fā) 框 架 開 發(fā) 團 隊 推 出 年 份 簡 介 源 代 碼 或 介 紹 網(wǎng) 址 等 上 最 流 行 的 傳 統(tǒng) 機 器 學(xué) 習(xí) 庫 之 一 伯 克 利 小 組 視 覺 和 學(xué) 習(xí) 中 心 和 編 寫 加 入 了 遞 歸 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 等 功 能 后 并 入 按 運 行 定 義 的 深 度 學(xué) 習(xí) 框 架 包 括 定 義 網(wǎng) 絡(luò) 中 數(shù) 據(jù) 流 的 固 定 連 接 舊 金 山 機 器 學(xué) 習(xí) 小 組 使 用 語 言 和 開 源 數(shù) 值 計 算 庫 提 供 訓(xùn) 練 支 持 和 協(xié) 同 曠 視 科 技 端 到 端 的 算 法 平 臺 從 數(shù) 據(jù) 到 算 法 產(chǎn) 業(yè) 化 布 置 和 基 于 數(shù) 據(jù) 流 各 類 算 法 的 實 現(xiàn) 版 本 對 做 了 改 進 轉(zhuǎn) 變 為 動 態(tài) 圖 微 軟 研 究 院 通 過 有 向 圖 將 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 變 化 為 邏 輯 計 算 百 度 中 國 首 個 產(chǎn) 業(yè) 級 開 源 平 臺 集 訓(xùn) 練 推 理 框 架 基 礎(chǔ) 模 型 開 發(fā) 于 一 體 微 軟 除 算 法 軟 件 實 現(xiàn) 外 還 提 供 了 加 速 張 量 計 算 和 自 動 求 導(dǎo) 深 度 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 亞 馬 遜 在 線 基 金 會 具 可 擴 展 性 快 速 模 型 訓(xùn) 練 和 支 持 靈 活 編 程 的 特 點 蒙 特 利 爾 算 法 研 究 所 使 用 來 表 達(dá) 在 或 架 構(gòu) 上 運 行 華 為 著 重 提 升 易 用 性 并 降 低 了 模 型 開 發(fā) 門 檻 以 適 應(yīng) 端 邊 緣 和 云 協(xié) 同 布 置 在 植 物 研 究 中 廣 泛 使 用 的 各 類 算 法 基 本 上 來 自 表 中 介 紹 的 框 架 和 平 臺 以 植 物 表 型 組 學(xué) 研 究 中 經(jīng) 常 使 用 的 數(shù) 字 化 性 狀 提 取 為 例 從 細(xì) 胞 到 大 田 層 面 可 獲 取 多 尺 度 植 物 表 型 組 數(shù) 據(jù) 集 圖 研 究 人 員 可 根 據(jù) 生 物 學(xué) 問 題 和 對 應(yīng) 的 對 象 特 征 選 取 不 同 的 算 法 進 行 數(shù) 字 化 性 狀 提 取 如 通 過 語 義 如 等 實 例 如 和 等 或 全 景 如 和 等 分 割 方 法 算 法 可 關(guān) 聯(lián) 可 見 光 或 多 光 譜 圖 像 中 特 定 區(qū) 域 和 相 應(yīng) 的 像 素 簇 以 此 提 取 感 興 趣 區(qū) 域 并 基 于 中 的 形 態(tài) 或 顏 色 空 間 等 特 征 分 析 植 物 性 狀 參 數(shù) 基 于 各 類 圖 像 對 植 物 防 御 機 制 進 行 量 化 分 析 如 病 蟲 害 類 別 和 發(fā) 病 程 度 等 常 用 的 檢 測 模 型 有 等 可 端 到 端 完 成 對 輸 入 圖 像 和 病 蟲 害 分 類 發(fā) 病 程 度 的 預(yù) 測 對 植 物 重 要 器 官 的 動 態(tài) 分 析 可 基 于 其 生 長 發(fā) 育 如 基 于 時 序 對 穗 部 和 花 藥 等 器 官 第 期 周 濟 等 人 工 智 能 推 動 植 物 研 究 發(fā) 展 的 新 動 力 的 檢 測 可 使 用 的 算 法 包 括 等 通 過 對 圖 像 序 列 中 的 連 續(xù) 檢 測 完 成 器 官 區(qū) 域 提 取 和 其 動 態(tài) 表 型 的 智 能 解 析 圖 從 細(xì) 胞 到 群 體 的 多 尺 度 植 物 表 型 組 數(shù) 據(jù) 采 集 以 及 各 類 有 代 表 性 的 人 工 智 能 開 發(fā) 框 架 和 平 臺 圖 片 來 源 周 濟 實 驗 室 在 植 物 基 因 挖 掘 和 分 子 育 種 中 的 應(yīng) 用 在 植 物 基 因 挖 掘 和 分 子 育 種 中 各 類 算 法 被 應(yīng) 用 于 基 因 表 達(dá) 分 析 定 位 分 子 標(biāo) 記 品 種 間 表 型 差 異 分 類 等 研 究 問 題 在 整 合 遺 傳 多 樣 性 跨 物 種 轉(zhuǎn) 錄 組 分 析 基 因 挖 掘 和 基 因 型 表 型 預(yù) 測 等 方 面 對 的 應(yīng) 用 取 得 了 良 好 的 效 果 例 如 等 使 用 對 從 數(shù) 百 個 高 粱 品 種 采 集 的 葉 片 氣 孔 密 度 和 氣 孔 復(fù) 合 面 積 表 型 進 行 統(tǒng) 計 通 過 全 基 因 組 關(guān) 聯(lián) 分 析 鑒 定 了 個 單 核 苷 酸 多 態(tài) 性 其 中 約 一 半 與 先 前 報 道 的 位 點 重 合 等 結(jié) 合 光 學(xué) 斷 層 掃 描 和 分 析 了 不 同 高 粱 品 種 的 葉 片 氣 孔 密 度 和 葉 面 積 質(zhì) 量 比 的 差 異 再 通 過 和 分 析 鑒 定 了 個 候 選 基 因 其 中 個 是 擬 南 芥 葉 片 發(fā) 育 或 水 分 利 用 的 同 源 基 因 等 開 發(fā) 了 表 型 采 集 和 分 析 平 臺 對 小 麥 大 麥 玉 米 番 茄 和 油 菜 等 作 物 的 種 子 萌 發(fā) 過 程 進 行 自 動 化 采 集 并 基 于 監(jiān) 督 式 機 器 學(xué) 習(xí) 如 隨 機 梯 度 下 降 算 法 提 取 萌 發(fā) 表 型 組 繼 而 通 過 油 菜 群 體 的 分 析 定 位 到 了 多 個 可 靠 候 選 位 點 等 基 于 進 化 理 論 的 機 器 學(xué) 習(xí) 方 法 對 基 因 型 表 型 關(guān) 系 進 行 預(yù) 測 通 過 分 析 擬 南 芥 和 玉 米 轉(zhuǎn) 錄 組 數(shù) 據(jù) 鑒 定 了 進 化 上 較 保 守 的 氮 素 響 應(yīng) 基 因 再 使 用 和 分 別 根 據(jù) 性 狀 特 征 和 轉(zhuǎn) 錄 調(diào) 控 網(wǎng) 絡(luò) 中 轉(zhuǎn) 錄 因 子 的 關(guān) 聯(lián) 性 對 鑒 定 的 基 因 進 行 排 序 最 后 通 過 突 變 體 構(gòu) 建 鑒 定 了 個 與 氮 素 利 用 率 相 關(guān) 的 轉(zhuǎn) 錄 因 子 等 整 合 了 基 因 組 轉(zhuǎn) 錄 組 及 代 謝 組 數(shù) 據(jù) 通 過 分 析 了 種 組 學(xué) 數(shù) 據(jù) 及 其 對 應(yīng) 的 遺 傳 特 征 并 通 過 預(yù) 測 模 型 提 升 了 水 稻 測 產(chǎn) 的 準(zhǔn) 確 性 等 結(jié) 合 轉(zhuǎn) 錄 組 及 代 謝 組 標(biāo) 志 物 預(yù) 測 馬 鈴 薯 耐 旱 性 使 用 隨 機 森 林 模 型 提 取 轉(zhuǎn) 錄 組 及 代 謝 組 標(biāo) 志 先 實 現(xiàn) 耐 旱 性 的 正 確 預(yù) 測 再 通 過 簡 化 得 到 的 個 代 謝 物 和 轉(zhuǎn) 錄 本 構(gòu) 成 的 最 小 標(biāo) 志 物 組 合 為 育 種 中 耗 時 耗 力 的 干 旱 脅 迫 試 驗 提 供 了 新 的 解 決 方 案 華 中 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 的 熊 立 仲 和 張 建 團 隊 結(jié) 合 無 人 機 可 見 光 相 機 對 水 稻 抗 旱 動 態(tài) 響 應(yīng) 的 關(guān) 鍵 階 段 進 行 采 集 基 于 改 進 后 的 網(wǎng) 絡(luò) 提 取 水 稻 群 體 抗 旱 表 型 組 如 卷 葉 含 水 量 及 抗 旱 指 數(shù) 等 最 后 通 過 鑒 定 了 個 候 選 位 點 除 已 報 道 的 抗 旱 位 點 外 還 包 含 了 個 潛 在 的 抗 旱 位 點 中 國 科 學(xué) 院 分 子 植 物 科 學(xué) 卓 越 創(chuàng) 新 中 心 的 韓 斌 院 士 團 隊 和 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 的 周 濟 團 隊 合 作 先 通 過 經(jīng) 濟 型 無 人 機 對 多 點 多 季 的 水 稻 群 體 低 空 采 集 大 量 基 于 時 序 圖 像 序 列 再 通 過 開 源 平 臺 融 合 二 維 三 維 圖 像 處 理 和 機 器 學(xué) 習(xí) 算 法 提 取 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 第 卷 不 同 生 育 時 期 的 水 稻 靜 態(tài) 如 植 株 高 度 冠 層 覆 蓋 度 和 各 類 植 被 指 數(shù) 等 和 動 態(tài) 表 型 組 即 不 同 農(nóng) 藝 性 狀 在 關(guān) 鍵 生 育 期 中 的 變 化 速 率 并 以 此 構(gòu) 建 預(yù) 測 模 型 對 關(guān) 鍵 生 育 期 如 抽 穗 期 進 行 動 態(tài) 預(yù) 測 最 后 還 對 提 取 的 各 類 生 長 表 型 進 行 定 位 和 分 析 鑒 定 了 多 個 可 靠 的 基 因 位 點 及 全 新 的 候 選 位 點 在 病 蟲 害 檢 測 及 預(yù) 防 中 的 應(yīng) 用 在 全 球 氣 候 變 化 導(dǎo) 致 極 端 氣 候 頻 發(fā) 的 大 背 景 下 農(nóng) 作 物 病 蟲 害 發(fā) 生 呈 種 類 多 程 度 重 頻 次 高 區(qū) 域 廣 的 趨 勢 嚴(yán) 重 影 響 全 球 的 糧 食 安 全 據(jù) 估 病 蟲 害 每 年 造 成 的 全 球 農(nóng) 作 物 損 失 高 達(dá) 億 美 元 近 年 來 在 植 物 病 蟲 害 自 動 識 別 程 度 分 類 和 預(yù) 測 預(yù) 報 等 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 得 到 了 長 足 發(fā) 展 其 研 發(fā) 策 略 可 分 為 傳 統(tǒng) 機 器 學(xué) 習(xí) 和 深 度 學(xué) 習(xí) 個 方 向 使 用 傳 統(tǒng) 機 器 學(xué) 習(xí) 首 先 需 要 基 于 領(lǐng) 域 知 識 選 取 與 農(nóng) 作 物 病 蟲 害 高 度 相 關(guān) 的 特 征 如 顏 色 形 態(tài) 紋 理 等 以 此 構(gòu) 建 特 征 向 量 然 后 利 用 不 同 的 監(jiān) 督 式 機 器 學(xué) 習(xí) 算 法 如 支 持 向 量 機 貝 葉 斯 決 策 隨 機 森 林 等 完 成 對 象 識 別 和 特 征 分 類 這 類 方 法 需 要 對 病 害 類 型 發(fā) 病 進 程 和 嚴(yán) 重 性 等 有 深 入 的 了 解 基 于 特 征 工 程 構(gòu) 建 分 類 器 該 方 向 的 缺 點 是 開 發(fā) 過 程 較 為 繁 瑣 人 工 選 取 的 特 征 較 敏 感 因 此 構(gòu) 建 的 模 型 可 能 會 缺 乏 泛 化 性 難 以 在 田 間 復(fù) 雜 環(huán) 境 中 區(qū) 分 相 似 或 并 發(fā) 型 病 害 此 外 如 果 獲 取 的 病 蟲 害 數(shù) 據(jù) 包 含 不 完 整 或 錯 誤 的 特 征 精 心 構(gòu) 建 的 分 類 器 也 將 無 法 正 常 運 行 深 度 學(xué) 習(xí) 算 法 的 應(yīng) 用 為 病 蟲 害 特 征 提 取 提 供 了 魯 棒 性 較 高 的 解 決 方 案 特 別 是 大 量 開 源 標(biāo) 記 數(shù) 據(jù) 集 的 出 現(xiàn) 如 等 使 模 型 的 開 發(fā) 效 率 訓(xùn) 練 和 測 試 集 構(gòu) 建 算 法 調(diào) 試 及 應(yīng) 用 場 景 都 得 到 了 大 幅 提 升 但 開 源 數(shù) 據(jù) 集 大 多 在 可 控 條 件 下 采 集 并 不 能 代 表 田 間 復(fù) 雜 多 變 的 病 蟲 害 情 況 尤 其 是 這 類 病 害 集 缺 少 不 同 基 因 型 生 長 時 期 地 區(qū) 和 發(fā) 病 程 度 的 元 數(shù) 據(jù) 因 此 基 于 這 些 數(shù) 據(jù) 集 訓(xùn) 練 的 模 型 在 不 同 生 育 期 中 識 別 田 間 病 害 時 準(zhǔn) 確 率 較 低 很 難 在 農(nóng) 作 環(huán) 境 下 大 規(guī) 模 應(yīng) 用 現(xiàn) 階 段 的 病 蟲 害 檢 測 一 般 還 會 結(jié) 合 不 同 成 像 技 術(shù) 如 熱 成 像 多 光 譜 或 高 光 譜 成 像 熒 光 成 像 和 核 磁 共 振 成 像 等 獲 取 植 物 散 發(fā) 的 各 類 輻 射 和 病 蟲 害 引 起 的 植 物 顏 色 形 態(tài) 蒸 騰 速 率 植 被 冠 層 和 密 度 等 特 征 信 息 開 發(fā) 算 法 其 中 一 些 較 成 功 案 例 有 等 利 用 對 柑 橘 的 熒 光 光 譜 進 行 分 析 通 過 熒 光 光 譜 峰 值 變 化 監(jiān) 測 柑 橘 的 成 熟 度 和 染 病 程 度 等 通 過 高 光 譜 成 像 設(shè) 備 拍 攝 大 豆 健 康 或 感 染 炭 疽 病 的 葉 片 樣 本 再 基 于 學(xué) 習(xí) 高 光 譜 圖 像 中 的 關(guān) 鍵 波 段 中 的 光 譜 變 化 以 此 完 成 對 健 康 和 感 染 大 豆 樣 本 的 分 類 等 通 過 無 人 機 搭 載 的 高 清 可 見 光 相 機 獲 取 數(shù) 百 個 玉 米 品 種 的 田 間 圖 像 張 健 康 張 病 害 再 通 過 實 現(xiàn) 對 玉 米 葉 枯 病 的 精 細(xì) 化 分 類 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 和 嶺 南 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 實 驗 室 通 過 手 機 拍 攝 的 方 式 獲 取 數(shù) 萬 張 稻 瘟 病 假 黑 穗 病 稻 頸 瘟 紋 枯 病 水 稻 白 斑 病 和 水 稻 褐 斑 病 的 圖 像 集 再 從 種 與 相 關(guān) 的 模 型 中 選 取 個 最 佳 子 模 型 通 過 集 成 學(xué) 習(xí) 完 成 最 終 預(yù) 測 模 型 的 訓(xùn) 練 和 終 端 部 署 在 栽 培 和 生 產(chǎn) 上 的 應(yīng) 用 在 栽 培 管 理 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 中 也 有 著 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 以 預(yù) 測 不 同 生 長 條 件 下 農(nóng) 作 物 產(chǎn) 量 和 品 質(zhì) 為 例 在 溫 室 環(huán) 境 下 通 過 整 合 時 間 卷 積 網(wǎng) 絡(luò) 和 循 環(huán) 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 等 基 于 溫 室 參 數(shù) 溫 度 濕 度 二 氧 化 碳 光 輻 射 等 及 不 同 番 茄 品 種 的 產(chǎn) 量 來 預(yù) 測 溫 室 內(nèi) 其 他 經(jīng) 濟 作 物 的 理 論 產(chǎn) 量 等 結(jié) 合 和 檢 測 甜 椒 坐 果 膨 大 和 成 熟 期 的 不 同 發(fā) 育 階 段 并 使 用 模 型 預(yù) 測 甜 椒 在 田 間 生 長 環(huán) 境 下 的 各 種 可 能 生 長 形 態(tài) 和 品 質(zhì) 分 級 等 以 為 主 干 的 模 型 測 算 大 豆 豆 莢 數(shù) 并 根 據(jù) 田 間 獲 取 的 大 豆 圖 像 估 計 產(chǎn) 量 完 成 了 對