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沙漠里的一个盒子

admin 重庆焦点 2020-11-28 06:37:47 8 0
原标题:沙漠里的一个盒子

从地图上看乌海市,它隐蔽在一大片黄色里面。

这个狭长城市的西北面是阿拉善盟地区,南边则是广袤的鄂尔多斯盆地。一条水源由北向南贯穿,于是乌海也被叫做黄河上的城市。

在这片土地上生活,与沙漠共处是永恒的主题。鄂尔多斯盆地的生态系统极为脆弱,库布齐沙漠和毛乌素沙地的面积日渐扩张,而距离城市最近的乌兰布和沙漠就在黄河对岸,每年要往河里倒进1亿吨沙子。

在傍晚时走到城市边上,“黄河落日圆”的奇景就在眼前。短暂停留的游客们将景色打包然后离开,但远处这一片大漠则是在此生活的人们不得不面对的难题。

沙漠里的一个盒子

阿拉善盟的27万平方公顷中有10万公顷的沙漠。沙漠向东侵蚀,对铁路等基建建设的影响非常大,也是东部地区雾霾的成因。

从整个中国版图看,我国沙漠化土地面积达173万平方公里,每年造成的经济损失上千亿元,近4亿人直接或者间接受到沙漠化的影响。这也造成我国国土贫瘠,人均耕地面积只是世界平均值的几分之一。

沙漠化的治理积年累月,几乎成为一道无解的题,但在乌海跨过黄河的几十公里外,有一片绿色正在乌兰布和沙漠里展开。

结缘

在这片被沙漠包围的地域中间,边界分明地出现了一片耕地。萝卜、番茄、玉米这些常见东西在这里生长,结出果实。这里的作物长势要比别的地方更高,果实也更加丰满,而如果看得细致一些,你会在农作物中间发现一些数据采集的设备,踩到地上的一些埋线。它们实时记录着农作物与环境的变化,数据则像水流一样穿回到视线之外的一个神秘“盒子”里。

这些设备与边缘计算有关,来自于腾讯IDC平台部。一切要从两年前钟远河无意中看到的一则新闻说起。

2018年底,腾讯云副总裁、腾讯IDC平台部总经理钟远河在网上偶然看到了重庆交通大学沙改土的技术。在现场图片里,沙漠长出了农作物,甚至引来了青蛙和兔子。

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“沙漠化是全球共同面临的难题,而且是我们从小的就知道的事情。这个沙漠改良田的技术不但可以发展农业,还可以改善沙漠生态,值得被关注和支持。”钟远河觉得腾讯可以为这个项目做点事情。

于是从2018年底开始,腾讯决定与重庆大学团队合作,为后者提供支持。钟远河将这个项目交给了腾讯云数据中心的刘灵丰。

“我一开始对此是有疑问的。”刘灵丰回忆项目发起时的情景说到。

在前期查资料时,刘灵丰发现关于这个课题的论文并不多,而这个科研项目从2008年就开始了。“快十年了,都没有论文成果出来,这是让我疑惑的点。”

带着这些疑问,2019年5月她先去重庆和沙变土的研发团队见了面。团队的领导者是重庆交通大学的教授易志坚,他同时也是这项技术专利的持有人。他向刘灵丰谈到,其实团队一直在积累数据,但是不想过早地把数据放出来,过度地消费数据。“坦诚而隐忍”,这是刘灵丰对这个沙变土团队的第一印象。

三个月后,易志坚团队带着刘灵丰以及腾讯的项目同事去了乌兰布和沙漠里的种植基地这也是刘灵丰第一次踩上沙漠。“刚看到沙漠的时候真有种‘大漠孤烟直’的感觉”。但往沙漠深处走去,她却不由得怀疑是不是走错地方了。

8月的种植基地,植被郁郁葱葱,农作物正迎来收成。看到这些鲜活的蔬果真的就在眼前,刘灵丰和同事们都感到很吃惊。“茄子、辣椒、土豆、萝卜,怎么这么多农作物!”他们还自己去地里拔了萝卜,没有平常土地里“老爷爷拔不动,老奶奶来拔”的艰难,在沙地里面种的萝卜轻轻松松就拔起来了。刘灵丰还第一次尝了刚摘下来的生茄子,“真的是很清甜”。

带着极大的震撼,刘灵丰回到了深圳,她一同带回来了两份沙子。一份是未改造前,一份是改造过的。

沙漠里的一个盒子

刘灵丰的两株大蒜

“我在办公室又做了次对比实验。我把这两种沙种了大蒜在里面,然后每天观察它的生长情况。结果是改造过的纸杯里面,大蒜的长势会比较好。”

连眼前的两颗大蒜都分出了高下,这一次刘灵丰对这个事就没有什么怀疑了。

虽然疑问打消了,但是面对这样一个不熟悉的农业项目,腾讯具体该如何入手,刘灵丰暂时还没有清晰的思路。

白色粉末

小到刘灵丰阳台上的大蒜,大到乌兰布和沙漠中那几千亩的种植基地,这些农作物与往常的“沙漠种植”不同之处在一,它们没有在生长环境上向沙漠做出妥协。相反的,踩上这片土地时,鞋底不会下沉,触感会告诉你这是一片真正的土壤。

沙子和土壤的不同不只是水。就像干旱的土壤首先会开裂,而不会还原为沙子。而这“改造沙子”的秘密在一小撮白色粉末里。

易志坚教授团队在沙漠现场演示了沙变土的过程:沙子与少量白色粉末混合,加入水后,会变成稀泥巴质感的物质。到此为止,改造过程就完成了。这时如果挖出一个洞,盛一些水在上面,水下渗的速度比单纯只是加了水的沙子要慢很多,而与土壤无异。

沙漠里的一个盒子

沙漠中的对比实验

这种白色粉末被称为“约束材料”,实际上是一种从植物中提取出的纤维粘合剂。“最初的灵感来自路面研究”,易志坚教授说。

易志坚教授的专攻是力学,来到重庆交通大学后开始接触钢筋混凝土、道路、材料等领域。也就是在研究路面的过程中,他发现了从颗粒物质到混凝土实际上是一个状态改变,而改变的机理是约束决定了颗粒物质状态的改变。

“就让我瞬间想到了沙子可以变为土壤”。

这种“约束材料”本质上改变了沙子的离散状态,使其具有约束力,成为有聚合特性的土壤。并且与土壤一样,改造后的沙子拥有自调节属性和自修复性,可随意改变自己的体积和形状便于植物扎根和固定,便于存储水分和氧气,滋生微生物,成为植物的载体。并且干旱和湿润时的状态可逆。

但从一个念头到变成土地里扎实的农作物并不是一蹴而就的事情。

易志坚教授在2008年有了这个想法之后就开始着手研究约束材料,在2011年以前都是在院坝、阳台和屋顶上试种。“2012年约束材料基本研发出来后,隔年我们就开始模拟沙漠在重庆进行试验。”

沙漠里的一个盒子

易志坚教授

在之后的4年里,易志坚的团队都在小块试验沙漠土壤化的原理和实际效果,同时优化约束材料在稳定性和安全性等方面的问题。

期间,团队也开始在乌兰布和沙漠布置了25亩小规模的沙漠实地试验,但一直到2017年才开始进行规模化的试验。

“随着植物的生长,土壤会变得越来越好,根系腐烂后还会形成腐殖质,进一步改善土质”。只需要加一次的约束材料仅仅是一个让沙漠变为土壤的药引,后续土壤生态的形成则可以交给土地自己来完成。而在这种改造方法下所形成的耕地,平均灌溉量在每亩400方以下,远低于沙漠当地每亩550方的节水灌溉定额。

相比之下,优质的农作物可算是意外之喜。

在这片种植基地里长出的农作物长势更好,果实的个头也要比平常大一些大。而且亩产量要远高于一般土地里的同类产品。以今年高粱测产为例,试验田的最高亩产716公斤,平均亩产614公斤,而全国平均亩产则不到400公斤。

原因在于沙变土所形成的“上土下沙”的特殊结构。这与一般土壤越到下面越坚实的特点正好倒置,这对植物根系的生长很有好处。根系的发达程度很大程度上决定了作物的长势。

易志坚教授展示了此前一张把高粱连根拔起的照片,图片中的人将高粱植株举上头顶,发达的根系还能触到地面,几乎有一人多高。

以乌兰布和沙漠重的这块耕地为例,其土壤层已经积累到20厘米厚,在其下则还是沙质。农作物在土壤表层稳固生长的同时,根部向四周的生长阻力比起一般阻力更小,这意味着可以拿到更多养分。而像之前提到的,庞大的根系在腐烂后会留在下层沙里形成腐殖质,倒逼下层未改造的沙质也在逐渐构成稳定生态并固定下来。“这也是为什么同样的作物,在这里的长势和收成会更好。”

数据困境

沙变土的理论有了实际的成果支撑,但随着试验田面积和地域的扩充,生态数据采集方面的难题也随之而来。

团队成员蒋学皎主要负责数据的采集和处理。她表示,在种植的过程中,团队会采集非常多类型的数据。“具体到一个植株上,我们会测量株高,计算出苗率,以及进行病虫害的相关监测;而到整个大田,我们比较关心的是它的产量高低,植被覆盖度。除此之外,我们会对作物的重要品种进行全基因组测序,包括对土壤微生物组的分析,这些都会影响到后续耕作的管理。”

但是她也坦言团队在数据采集和处理方面经验不多。

比如我们会利用无人机设备做田间植物的大范围宏观监测,这涉及到植物表型采集和高光谱采集。并且在种植基地内还装有全时视频监控系统。“环境感知系统数据规模保守估计每天至少在1T以上。”

而在数据传输上,由于需要将实地的数据带回重庆交通大学里进行进一步分析,团队仍然在用硬盘拷贝的办法传递数据。但是也存在硬盘容量有限,耗时长的问题,总体来说非常不方便。“同样一段的数据需要分多次多块硬盘才能拷完”,蒋学皎表示。

数据困境未来会成为团队在成果推进上的巨大阻力——“而这不就是我们腾讯云所擅长的吗?”

用边缘计算和云存储把智慧农业做起来,刘灵丰确定了腾讯在这个项目中的角色。

2019年10月份,腾讯IDC平台部和重庆交通大学一起成立了沙漠生态研究联合实验室, 10月15日项目组正式成立。实验室常驻的办公地点在重庆交通大学内,由易教授出任管委会的主任。

确定了技术支持的方向后,两方的磨合到了更具体的层面。

“盒子”

“农业我们不懂,但是对于智慧农业整体的模型和传感器部署、数据清洗这部分内容,老师们也不太熟悉,所以我们就跟他们一起去探索,智慧农业到底该怎么出方案。”而这其中最关键的是,在整个沙漠种植环境中,团队最终想要衡量的目标是什么,又有哪些量会影响到输出的目标。

“就这样结合沙漠现场一步一步摸索,跟老师们一点点沟通。比如沙漠现场布线也非常不方便,他们又拉来了腾讯的物联网团队,利用腾讯云物联网开发者平台IoT Explorer ,通过低功耗物联网LPWA技术,无需布线,通过电池供电,LoRaWAN无线传输技术就可以对沙漠现场进行环境数据收集,通过微信小程序腾讯连连就让现场的工作人员实时收集到数据,慢慢地整个方案就成形了。

传统农业与科技结合后,农田上的所有元素都转化成了密布的数据点。

沙漠里的一个盒子

农田上的数据采集

埋在地下的土壤传感器用于采集土壤里面的温湿度和电导率,以表征土壤的酸碱程度;立在作物中间的气象站可以采集风速,以及大气温湿度及气压、二氧化碳的浓度。另一个观测维度是水质检测,包括水的浊度、PH值、液位高度,还有流量计。

这些被视为输入量,而输出量则以植物数量以及植物表征两个维度来观测。

于是一块广袤的农田变成了一张几千亩的数据网。

“按照现在的部署量,如果6000多亩的内蒙实验基地进一步扩大,我们需要部署6万个传感器,一年大概会产生150万个数据以及50P以上的数据存储量。”刘灵丰说。而这些数据会交给那个视线之外的“盒子”来处理。

易志坚团队在种植基地附近有一个厂房院子可以办公或者歇息,“盒子”就摆在那里。这是一个边缘数据中心,叫做Nano T-Block,也是腾讯在整个沙漠边缘数据系统中的核心设备。

沙漠里的一个盒子

Nano T-Block承担了所有数据的接收、计算和存储工作。与普通双核电脑的算力相比,Nano最大可支持5120个虚拟核同时计算,这意味着原来要耗时三天的数据计算,现在2分钟就能出结果。

除此之外,所有实时采集的数据在经过Nano T-Block清洗和筛选后,其中核心有效的数据会上传到腾讯云。再经由后者将数据上传到项目科研创新平台上,便于去对数据进行深度的挖掘和二次开发。移动端也可以提取一些简单的数据,供科研人员实时观测。

这样一来,蒋学皎和同事们背着好多移动硬盘两地奔波的日子也可以结束了。

但应用侧的“智慧”背后,是腾讯投入20多人团队进行的架构和整个技术研发。

Nano T-Block从开始架构到最终落地经历了两次迭代,第一次迭代是技术架构方面的,第二次迭代是性能提升方面的,目的就是为了应对沙漠极端气候条件和配套条件下,尽可能将产品的性能提升,安全稳定行提升,使得老师们可以便利的使用边缘计算助力科研。每一次迭代都是对腾讯研发和供应商研发团队的考验。

刘灵丰透露了其中一个细节。“因为考虑到要做一个边缘数据中心,那就需要能够随时了解Nano T-Block设备的运行情况。所以虽然机柜里的空间已经极为有限,我们觉得还是要装一个采集器进去。这会给老师们节省很多麻烦。”

这使得腾讯团队一边要调整Nano T-Block的系统结构,一边需要请厂商去市面上找体积更小而功能一致的替代产品。

“最后也是厂商费了好大的劲,在德国找到了更小的一款采集器,功能能够满足要求,但是因为我们之前没有用过,也不敢贸然使用,所以进行了三个月的系统测试,把采集细节测试完了,才开始真正部署到nano上面。”

从感知层的数据采集器,到iaas层基础设置资源,直到最终呈现给对方的SaaS层应用,腾讯提供了一整套应用于智慧农业领域的边缘数据中心解决方案。“原来的传统农业是个看天吃饭的事,但现在随着科技助力,以往十年乃至数十年才能总结出来的农业经验现在可以缩短至2、3年。”

刘灵丰觉得这是个很有意义的事,也符合腾讯“科技向善”的追求。

而在未来,这个沙漠中的盒子可能会在更多的场景里出现。刘灵丰表示,Nano T-Block在设计之初的构想就是一个平台性产品。随着配套部署的采集器不同,它可以在简单优化下在更多的领域发挥作用

“交通、工业等传统行业都可能会成为Nano T-Block的使用场景,而这一切都要看在5G时代来临时,对于边缘数据中心有着怎样新的要求。”

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