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农业的互联未来:数字技术如何带来新的增长
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农业的互联未来:数字技术如何带来新的增长

2021-09-15 17:34:42 来源:中国科协创新院

【哔哥哔特导读】在过去,硬件成本高昂,因此缺乏在农业中使用物联网设备的应用案例。如今,设备和硬件成本正在迅速下降,供应商可以为农业的数字化升级提供更加低廉的硬件和设备从而降低投资成本。

面对全球不断增长的粮食需求和日益恶化的农业生产环境。2020年10月,麦肯锡(McKinsey & Company)发布《农业的互联未来:数字技术如何带来新的增长》(Agriculture’s connected future: How technology can yield new growth)报告。报告指出,采用数字技术实现农业的互联互通可以提高农业产业的弹性、市场适应能力以及发展的可持续性。互联技术在农作物监测、牲畜监测、建筑和设备管理、无人驾驶农业以及自动耕作等领域的应用不仅可以降低农业生产成本并增加产业的附加值,也可以帮助农户进行高效的管理和决策。农业互联是提高农业生产效率、实现农业可持续发展的极佳途径。本文对其主要内容进行摘编。

物联网

在过去的50年中,农业产业发生了根本性的变化。工业技术的进步和机械在农业领域的大规模应用提高了农业生产的规模、效率和产量,人类可以更高效地耕种更多土地。此外,育种技术、灌溉条件和肥料生产能力也得到了极大提升,帮助农民提高了农田的单位面积产量。现在农业正处于另一场革命的初期,其核心在于数据和连接。人工智能、数据分析、传感器和其他新兴技术可以进一步提高产量和灌溉的效率,并推动整个农作物种植业和畜牧业的可持续发展,与此同时,新技术还可以提高农业产业的弹性市场适应能力和农业生态的自我恢复能力。

如果没有稳定和高效的网络通信基础设施,农业就不能实现互联互通和数字化升级。报告指出,如果在农业中成功实现数字化的互联互通,到2030年农业将为全球GDP贡献5000亿美元的附加值,相比预期的全球农业GDP总数增加7%至9%,并将缓解目前各国农业生产者所面临的大部分经济压力。未来,农业将被互联网技术推动而进行数字化升级改造的七大行业之一,并有可能在未来十年内为全球GDP贡献2万亿至3万亿美元的附加值。

在全球粮食需求增加的同时,粮食生产商却难以通过增加耕种面积、提高其他生产要素的投入来提高粮食产量。到2050年,世界人口预计达到97亿,生产满足全球人口生存所需食物的投入成本还将不断增加。为了养活新增人口,人类不得不增加70%的食物产量,到2030年,全球供水量将不足用水需求的40%,不断增长的能源、劳动力和营养成本将严重压缩农业的利润空间。目前全球大约四分之一的耕地已经退化,需要大量的时间进行休耕或者整治才能得到恢复,并再次用于大规模种植农作物。与此同时农业生产还面临环境方面的压力,不断恶化的气候和灾难性天气的频发给农业造成了更多的经济损失。来自社会方面的压力迫使农业生产采用更高的环保标准从而增加了农业的运营成本。越来越多的国家要求在农业生产过程中尽量减少化学药品和水的使用,并改善动物的生存条件。

为了应对这些可能进一步加剧农业动荡的冲击,农业必须通过互联互通的改造来实现数字化转型。然而与全球其他许多行业相比,农业的数字化程度依然较低。农业过去的进步主要得益于机械化的应用与普及,在生产中采用了功能强大、高效率的机械设备,而遗传学的发展则通过提高种子和肥料的性能从而提高产量。现在,农业领域需要采用更先进的数字技术来实现下一次生产力的飞跃。在帮助农民更有效和可持续地利用资源方面,数字化技术已经发挥了重大作用,一些更先进的方法和技术也正在开发中。新技术可以帮助农民通过更好地掌握行业信息来提高决策的科学性,进而更好地应对行业波动并降低经营风险,提高收益。同时数字化技术和物联网设备可以帮助农户更好地掌握牲畜和农作物的生长情况并快速进行反应,从而降低成本并提高效率。

农业的数字化升级面临两个方面的重大难题。一是缺乏数字化所必需的网络通信基础设施;二是老化的设备和技术严重制约了数据处理和传输的速度和效率,阻碍了的新技术和新设备的使用。

新型冠状病毒(COVID-19)进一步加剧了农业在效率、弹性、数字化程度、市场灵活性和可持续性五个方面所面临的挑战。较低的销售量给利润增长带来了压力,增加了农民进一步控制成本的压力。不断萎缩的全球市场和陷入僵局的国际供应链系统使得农业销售过程更加漫长和艰难。与此同时,在全球新冠病毒蔓延过程中,本地供应商的竞争优势得到了体现,小型农场的快速适应能力使他们变得更有竞争优势;劳动力流动的受限使得那些严重依赖劳动力的农场生产受到了严重影响。新冠疫情期间,旅行和消费减少所带来的冲击将会促使消费者更重视和倾向于选择本土化和能够保证持续供给的供应商,这也要求农业生产商缩短生产周期以满足本土化的需求。

一、目前的农业网络通信水平和数字化程度

近年来,许多农民开始咨询有关土壤、农作物、牲畜和天气变化等与农业生产息息相关的信息,但是没有人能够使用先进的数字工具将这些数据进行处理后转化为有价值的、可操作的策略。在欠发达地区,几乎所有的农业生产都是手工完成的,几乎没有也不需要先进的数字化或者物联网设备与外界进行信息的交换与连接。

美国目前只有大约四分之一的农场实现了生产设备、传感器与互联网进行连接。过去的传统通信网络设施只支持与有限数量的设备进行连接,并且缺乏实时数据传输的功能。目前,电信公司已经计划拆除这些运行成本高昂且建造复杂的超低频物联网络。高效率和高性能的数据传输网络对于推广和普及更先进的数字化技术是十分重要的,高速的信息传输不仅可以满足许多通用设备的运行,还可以大大提高信息传递的效率。例如:依赖高速信息传输网络的远程监控设备可以实现对农作物和牲畜的实时监控。

在过去,硬件成本高昂,因此缺乏在农业中使用物联网设备的应用案例。如今,设备和硬件成本正在迅速下降,供应商可以为农业的数字化升级提供更加低廉的硬件和设备从而降低投资成本。即便如此,这些物联网即时监控和传输设备还不能完全开发互联互通在农业生产中的全部潜在价值。通过数字化升级与改造,互联互通的数字化设备能够快速收集和反馈农业生产中的各类实时数据,汇总这些实时数据可以让决策者能够充分地分析和挖掘数据的价值并及时作出反馈,从而提高整个农业的生产效率并降低成本。为了实现农业互联互通的目标,公共部门需要建立低延迟、高带宽、高弹性,并支持低功率广域网络(LPWAN)、5G和近地球卫星(LEO)等先进设备运行的基础通信设施,为农业的数字化升级提供必要的网络通信条件。

在接下来的十年,现有的网络通信技术将会进一步发展,全新的网络连接技术将会出现。农业的互联互通必须先实现以下两点:一是必须建设网络通信基础设施以满足应用到农业生产中的各类物联网设备信号传输的要求;二是已经有了通信基础设施的地区进行必要的设备升级改造以满足先进通信设备信息传输的要求。令人高兴的是,实现网络覆盖的区域范围不断增加,到2030年,我们预计能够满足网络连接需求的通信基础设施将覆盖全球约80%的农村地区(非洲除外,非洲仅能覆盖四分之一的农村地区)。

在互联网通信领域,越来越多的高效数字化工具被开发出来并受到人们的普遍欢迎,这进一步推动了互联网和数字化的普及。随着越来越多的人开始使用智能化即时通讯设备,农业领域的数字化设备也得到了进一步的普及并为农业带来新的变革:

1. 大规模的物联网

大范围使用物联网设备是今后农业发展的大趋势。低功耗的网络硬件和便宜的传感器为物联网的大范围应用创造了条件,使诸如农作物精确灌溉、大批量牲畜实时监测、车队运输跟踪和偏远建筑的远程监控成为可能。

2. 关键性的服务

超低延迟和更高连接稳定性的网络能够增强人们推广和适应数字化技术与设备的信心,越来越多的自动化设备和无人机将应用到农业生产中。

3. 覆盖全球的网络通信范围

如果各国的近地球卫星(LEO)能够发挥潜力,那么即便是世界上最偏远的农村地区也能够通过基站与近地球轨道卫星进行实时通信来支持数字化设备的使用与数据的传输,这将提高全球农业生产力。

二、农业的互联互通创造价值的潜力

根据麦肯锡的分析,到2030年底,农业的互联互通和数字化升级能够为全球经济贡献超过5000亿美元的价值,并且提高全球农业的生产效率,提高7%至9%的产出。但是,这5000亿美元新增价值中的大部分将用于网络通信基础设施的投资。

得益于数字化技术的进步,很多行业已经广泛使用诸如低功率广域网络(LPWAN)、云计算这样的数字化技术,并且随着硬件单价的降低和质量、性能的提高,数字化所需的投资越来越小。我们将从5个领域去分析互联互通和数字化升级在农业领域的应用前景,分别是农作物监测、牲畜监测、建筑和设备管理、无人驾驶农业以及自动耕作机械。

互联互通所发挥的价值在大规模的农场中更为明显,因为与小型农场相比,大农场的大型设备和生产规模更容易抵消开发物联网系统所必须投入的固定成本。由于物联网网络特别适用于静态监控大范围内的变量,互联互通和数字化技术可以用于勘测和监控大规模农场广阔的耕地。与畜牧业和肉类、奶制品业相比,大型农场的规模较大,更适宜采用物联网设备对大范围内的农业作业进行实时监测。

应用领域1:农作物生产监测

互联互通为农业生产中所必要的环境与农作物监测和控制提供必要的技术条件。通过长期对天气、土壤等外部环境数据与农作物生物数据进行采集、统计和对比分析之后,农民可以更全面地掌握这些数据从而更好地识别和预测环境的变化,加强对农作物生长的管理,并以此为依据制定更加科学合理的灌溉、施肥和其他种植策略,从而提高质量和产量。例如:部署用于监测土壤状况的传感器可以通过低功率广域网络(LPWAN)进行通信,从而指导喷头调整水和养分的施用量;传感器还可以从田野的偏远角落提供图像,帮助农民及时地对环境和作物的实时情况进行跟踪从而做出更明智、更及时的决策,并能对疾病或虫害等问题进行早期预警。智能监控系统长期收集的数据还可以与农业科研机构的数据库相连接,从而进行大数据分析,帮助农民监测农作物的品质特性(例如糖含量和果色),从而把握最好的种植、施肥和收获时间。

当今大多数物联网网络无法支持设备之间的图像传输,更无法实现对图像的自主分析,也无法处理和传输高密度和高容量的数据,这限制了一些高性能设备和技术的使用。提高物联网设备的准确程度和监测范围是未来农业信息化发展的方向。窄带物联网(NB-IoT)和5G网络有望解决这些网络的连接带宽和密度问题。到2030年,拥有更大功率和带宽网络的普及将促进更先进的物联网监控和传感设备在农业生产和农场管理领域的广泛使用,从而新增1300亿到1750亿美元的价值。

应用领域2:畜牧监测

预防大规模流行疾病的爆发对于大规模的畜牧养殖业来说至关重要。现代畜牧业中,大多数动物都采用严格的养育方案,以确保它们可以轻松地通过高度自动化的处理系统被饲养。数字化的传感器可以实时监测牲畜的温度、脉搏和血压以及其他生命指标,这不仅可以更早发现疾病从而预防大规模的牲畜群体感染,并且还能对整个饲养过程进行监控,从而提高牲畜的品质。目前农户已经使用诸如Smart bow这样的耳部传感技术来监测奶牛的热量、健康和位置,或者使用Allflex等公司提供的技术在疾病暴发时对牲畜进行全面的电子追踪。

同样,环境传感器通过连接到牲畜养殖场的中央通风和供热控制系统可以实现对养殖场环境的自动调节,从而改善牲畜的生存环境来提高牲畜的肉质并达到人们所预期的动物伦理标准。到2030年,监测动物健康和生长状况的数字化技术的应用将产生700亿至900亿美元的价值。

应用领域3:建筑和设备管理

用于监视和测量筒仓和仓库仓储水平的芯片和传感器可以让农户掌握实时的仓储情况从而保证最经济的仓储数量,降低农民的库存成本。目前,很多美国大型农场已经在使用Blue Level Technologies等公司研发的传感技术用于控制谷物和饲料的仓储。类似的技术和设备还可以监视饲料和粮食的仓储情况并自动优化存储条件来加强对谷物仓储的管理。对农业建筑物和设备运行状况的实时监控还可以减少能耗:连接生产设备和维护系统的视觉传感器可以对设备运行情况进行实时监控从而降低维修成本并延长机械和设备的使用寿命。到2030年,此类技术可以为农业生产节省400亿至600亿美元的成本。

应用领域4:无人机耕种

农业使用无人机已经有大约二十年,过去全世界的农民都使用雅马哈的RMAX遥控直升机来替代人力对作物进行喷洒。现在,新一代无人机在技术和性能上已经有了质的飞跃,不仅具备了高效调查广阔地区农作物和牧群的能力,也可以作为中继系统将实时数据传输给与之相连的设备和装置。新一代无人机还可以使用计算机视觉分析技术对农田作业情况进行分析,并在作物最需要它们的地方提供诸如播撒肥料和杀虫剂这样精确的干预措施。无人机还可以代替劳力和其他设备在偏远地区进行播种和作业,从而降低设备和劳动力成本。通过无人机的应用可以降低成本并提高产量,预计将产生850亿美元至1150亿美元的价值。

应用领域5:智能自动化农业机械

更加精确的GPS控件与计算机视觉和传感器的配合,可以实现智能自动化机械在农业领域的大范围应用。农民可以在田地上同时操作各种自动化设备,而无需人工干预,从而节省了时间和其他资源。智能自动化机器在现场的工作效率也比人工操作的机器更高并且更精确,这可以提高农药和化肥的播撒精准度从而降低成本并提高产量。到2030年,自动化的智能机械的大范围应用可以创造500亿至600亿美元的额外价值。

应用领域6:其他价值挖掘

数字化技术为农民增收提供了其他的渠道和空间。全球农业产业高度分散,大部分劳动力由个体农场主进行管理和支配,特别是在亚洲和非洲,很少有农场雇用外部工人。在此类劳动力密集的农场中,进行数字化管理可以更加高效地安排工人的作息时间,将节省出来的时间用于耕种额外的土地或从事其他工作从而为农场主创造更多的收入。

麦肯锡通过研究发现,在这些劳动力密集的农场部署先进的数字化管理系统可以提高劳动效率,由此创造的价值接近1200亿美元。到2030年,数字化的应用可以帮助农业劳动力产出效率提高,其所创造的总价值将超过6200亿美元。但是这很大程度取决于信息化网络的覆盖范围,在非洲以及亚洲和拉丁美洲的贫困地区,数字化覆盖范围非常低,约为25%。在那些农业产业分散的地区,要对农业进行互联互通和数字化改造将会非常困难。

三、数字化互联互通对农业生态系统的影响

随着农业的数字化升级,农业将释放更加广阔的发展前景和空间。目前种子、肥料、杀虫剂和自动化设备的供应商在农业生态系统中起着关键作用,并与农户的联系最紧密。例如:世界上最大的肥料分销商正在向农户提供分析施肥、种类、数量和农田分布之间量化关系的软件,帮助农民确定在何处施肥以及施肥量。同时,我们了解到一些大型设备制造商正在开发精确控制系统,计划利用卫星图像、定位系统和车辆之间的精确连接来提高设备在现场的生产效率。

农业技术公司作为新的生态参与者是进入农业领域的另一个例子。他们专门为农民提供创新产品和技术服务,这些公司利用技术和数据来帮助农户更好地进行决策,从而提高产量和利润。这样的农业技术企业可以为农户提供经营解决方案和定价模型,从而改善农户在市场交易中所处的不利地位。例如:农业技术公司为农户量身定制了一种可以降低初始投资并允许农民随时退出行业的订购模型。意大利的一家农业技术公司通过提供按季节、按英亩计算的费用控制模型来监控酿酒厂种植园的灌溉,从而控制经营成本,提高农户收益。

麦肯锡提出,公共部门应该不断改善农村地区网络通信条件来推动农业互联互通的发展。例如:德国和韩国政府通过大力补贴通信行业或向电信公司提供税收减免来推动公共网络的发展,间接地促进了数字化设备在农村的普及和使用。通过网络和信息的普及,农户可以更好地利用数据来为农业生产进行服务从而提高农业生产效率。

四、结论

农业是世界上最古老的产业之一,目前处于技术变革的十字路口。为了成功应对不断增长的人口对食品的需求和一些颠覆性的技术所带来的巨大变革,对农业的数字化改造势在必行。加大对通信网络基础设施的投资力度,加强对原有网络设施的升级改造是实现传统农业向现代农业转型、实现农业互联互通的重要环节。农业的互联互通和数字化升级对于进一步提高农业生产效率、推动农业的可持续发展具有重大战略意义。

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