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工业4.0对农业的启示:从机械化、数字化到自动化、智能化

 农业4.0相关概念 基于物联网等概念,将初级部门的工业4.0定义为农业4.0(或农耕4.0),其方法已在部分…

 农业4.0相关概念

基于物联网等概念,将初级部门的工业4.0定义为农业4.0(或农耕4.0),其方法已在部分农村地区进行了研究。相应地,农业革命也可以被假设,它与近年来工业部门的创新密切相关。农业技术革命始于“农业1.0”的“动物力量”;随后,内燃机定义了“农业2.0”;前些年,从军用GPS信号进入公众使用的开始,随着导航系统和精准农业的出现,“农业3.0”得以形成;如今,已经到了农场活动与云连接的“农业4.0”时代。不过,继2017年的欧洲农业机械之后,的下一步的“农业5.0”将包括数字集成企业,这些企业依赖于使用机器人和一些人工智能形式的生产流程。

基于未来制造业的理念,农业4.0的发展与工业4.0的发展是并行的。与工业4.0一样,农业4.0代表着农业操作的内部和外部交互的结合,提供了所有农业部门和流程的数字信息。即使在农业领域,就像在工业部门一样,4.0革命也代表了一个考虑农业食品生产链变化和不确定性的大好机会。由于生产技术和设备、信息和通信系统、数据和服务在网络基础设施中的结合和集成,工厂变得更智能、更高效、更安全、环境更可持续。为了在市场上保持竞争力,智能农场必须能够自动实时地适应这些变化。需要满足的主要需求之一是市场和生产之间以及业务本身内部的持续通信。而虚拟化是用于有效地连接这个连续的、数据丰富的通信的所有参与者的方法。

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在这些好处中,最近的农村革命允许(i)实现在对环境和操作者都更安全的条件下运作的更有效的系统,和(ii)降低这些过程的运作成本,例如,允许以同等的成本实现更复杂的过程。

农业食品供应链的虚拟化

虚项是与实项和物理项相对立的概念。虚拟化允许取消物理现实的一些重要限制:(i)位置,因为虚拟表示不需要现场的存在来观察、处理、控制和进行相应的操作;和(ii)时间,因为真正的虚拟世界中的对象不仅允许表示数据的“历史化”过程,更重要的是模拟未来可能的演进和想象极端外部刺激进行敏感性测试的结果(例如,验证突然的影响,即使是暂时的,机器停机时间,当地不良的气候事件造成的原材料缺乏等。(图4)。

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将相同的概念应用于不同的现实中,VR允许使用虚拟团队(作为生产流程的参与者协作的虚拟工作场所)和虚拟现实创建虚拟环境。它的目标是创造一个虚拟的环境,通过允许模拟视觉、听觉和触觉体验的界面,让人类感知到真实的虚拟环境。在这个意义上,虚拟组织作为动态的组织结构出现,它临时地将来自不同组织的资源聚集在一起,以更好地响应业务机会。而虚拟对象定义了物理实体,例如产品和资源,它们伴随着丰富的虚拟对等物,可以在全球范围内访问、连接所有当前和历史的相关信息,如对象本身的属性、起源、感官环境等。

农业物联网的组成元素是产品(杀虫剂、化肥、成熟的农产品,以及收成、装运和订单、包装等任何处理进程)和行业参与者(如农业生产者、产品处理器,交易员)之间的流动(图5)。在物联网(lot)上,各种各样的智能设备在局部或全局间相互连接、相互作用,而无线网络常常作为基础设施。因此,精准农业成为这一发展的最新学科,成为大数据的重要驱动力。由于可以获得以前不可能获得的明确信息和决策能力,可以预期农场管理将发生巨大变化。农场已经进化,每项农村活动都将通过无线传输技术传输数据。

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今天,农场的技术设备已达到与工业相当的水平。数据的发展和使用宣布了一场由几项创新驱动的数字农业革命。机器人技术的进步使得自动化程度更高,而传感器技术成本的降低使得农民能够在几乎实时的环境中监测各种因素,如土壤的性质和动物的运动。

在这种情况下,可获得且负担得起的计算能力为更好的管理实践创造了新的决策支持工具(如拖拉机仪表板和移动应用程序)。新兴的大数据分析平台,如云计算和机器学习算法,推动了人工智能的发展,并支持了农业生产数据的数量、速度、种类和准确性的相关增长。随后,农业数据不仅迅速成为产量和食物链变革的主要驱动力,也成为环境管理变革的主要驱动力。农业4.0技术是指部署机器人、传感器和大数据分析的生产系统,允许农民以详细的时空尺度管理他们的农场。尽管精准农业技术已经以在种植系统和用于乳品的机器人挤奶室中采用产量监测器的形式使用了大约10年,但自从传感器和机器人技术的成本下降以来,创新的步伐已经加快。

然而,生产设施的高机动性使得规划和控制更加困难,因为周围的条件并不总是明朗的,而且由于无线连接的可用性和带宽较低,通信常常是不一致的。在农业中,无线技术在功耗和通信范围方面是最方便的解决方案。特别是窄带物联网(narrowband-IoT,NB-IoT),它是基于现有长期演变(Long-Term Evolution,,LTE)功能构建的一种新型物联网系统。无线技术使得窄带物联网能够通过许多领域的许多应用实现普通对象之间的互连互通,例如以行业为重点的应用(如供应链管理、运输和物流)和以环境为重点的应用(如农业活动)。NB-IoT的设计目标包括高覆盖区域、延长电池寿命(约10年)、高网络规模(5.2万台/频道/单元)、低成本设备。未来,由于低功耗,NB-IoT技术将应用于农业应用,并将用于农业信息的长距离通信。

农业和工业供应链之间的另一个关键区别是工作分工的数量(工业生产中的合理化效应VS.农业家庭环境中的小分工/劳动力)。此外,工业部门的雇员在技术水平上高度专业化,而农民则承担着各种各样的责任。

农业4.0的进程

意大利的第一个4.0项目(“Fabbrica 4.0”)于2014年由最大的工业协会Confindustria发起。目的是在数字化可以提供给当前行业的可能性条件下促进更好的信息。此外,意大利经济发展部部长在最近一篇关于意大利工业数字化现状的论文中指出,“工业4.0”是一个战略投资领域。

而5.0革命隐喻着工业部门不久的将来。农业食品工业离工业4.0(和5.0)还有多远?以意大利为例,农业领域的数字投资仍然有限。在这种情况下,智能农业食品观测站有望成为意大利的参考点,其目标是理解正在改变农业和农业食品链的数字创新(如流程、基础设施、应用),统一所需的主要技能(如经济管理)。

其目的是将研究结果传达给决策者,为利益相关者提供(i)会面和讨论的机会,以促进价值的对话和创新,以及(ii)文化,传播关于供应链中数字创新的信息和知识。根据米兰理工学院的智能农业食品观测站和布雷西亚大学的Rise实验室的调查结果,随着几家中小型意大利公司采用4.0技术,市场略有增长。自2011年起,大约500家国际初创公司得到了Smart AgriFood的创新驱动的支持,其中60家是意大利公司。

精准农业和农业互联网的融合催生了“农业4.0”(或称“数字农业”),它将各种旨在提高作物产量和可持续性、改善工作条件、提高生产和加工质量的技术相互连接。此外,农业4.0的发展不仅有利于农场,也有利于可持续发展。事实上,通过对环境、气候和文化因素的交叉分析,可以确定作物的灌溉和营养需求,防止病害,并在杂草扩散之前识别它们。因此,可以有针对性地进行干预,节省物质和时间资源,实施更有效的干预手段,从而对成品质量产生积极的影响。

因此,好处是既是务虚的又是务实的。一方面,这些农场节省了30%的生产投入,增加了20%的产量,另一方面,他们获得了没有任何化学品残留的高质量产品。由于这些技术,实际上有可能建立最合适的收获时间,并在必要时分几个阶段进行管理,根据供应链上的使用情况在最合适的时间收获产品。正是通过挖掘这些在供应链上的数据,抓住了农业4.0最大的价值。不仅在生产过程中,而且在商品的交换和信息价值链的不同的角色之间,跟踪和验证产品加工工业领域,建立短供应链,获得最高质量的产品并提高效率成为一件可以想象的事情。

农业5.0预测了农村环境中自治系统的参与率。技术的进一步发展,以及汽车自动驾驶技术的进步,包括通过多摄像头系统的目标检测能力,以及雷达和激光雷达技术发展,已经降低了开发自主农业机械的成本。对于一些农民来说,自动驾驶设备已经成为现实,而并不局限于大型农业机械。

机器人挤奶机被广泛使用,许多田间作业可以自动化,但在一些地理区域,甚至在发达国家,园艺作物和果实的收获在很大程度上依赖于体力劳动。还有人对小型拖拉机和成群结队的机器人感兴趣,开发具有自主学习能力的集成系统,以实现高度的自主功能,例如自动作业识别和操作边界的跟踪、自主驾驶的安全性和群机器人技术。地面操作者和小型无人驾驶飞机与其他农用车辆之间的协作,在不断的交流中“交谈”中得以实现。

与环境更大的互动不仅通过视觉,还通过触觉,真正的关键是确保机器对环境变化的高适应性。例如,力传感器的使用使最新一代的机器人能够操纵易碎的物体或各种形状的物体。手工操作人员从工厂的简单指挥转变为经验和知识的传递者。在设计和编程、设置以及使用阶段,虚拟现实的使用对于能够完全“沉浸”在模拟机器中具有重要意义。

通过结合协作、人工视觉、触觉、敏感性和哪怕是最低限度的决策技能,可以获得令人惊讶的结果,从而顺应越来越大的自主性的趋势。例如,最新一代的视觉系统不仅具有实时的对象跟踪能力,而且已经具备了分类和概念化的能力,它们能够自学图形和对象,通过将目标放在不同的类别中,并根据细节来做出区分。

讨论及未来影响

第四次工业革命使企业能够结合生产力和速度来应对市场,使他们的系统更具生产力和竞争力。然而,那些不走这条路的人可能会被排除在世界范围的竞争之外。

得益于农业4.0,许多技术使得智能农场成为可能。然而,单个农民对它们的接受程度取决于几个额外的因素,如可用性和最佳实践的确定。农业和以农民为中心的方法都是需要的。只有这样,智能农业的概念才能在未来被证明是可持续的。改变农民思维方式的重要性对于激活一个长期有效和可持续的生产系统至关重要。更确切地说,这些概念是一个竞争行业的基础。

目前,业界和学界已在农业部门的模型发展方面作出了相当大的研究努力。然而,尽管智能农业可以带来许多优势,创新模式在个体农场的应用仍然是有限的,在生产力、盈利能力和可持续性方面如何实现既定目标也仍不清楚。通过新技术、培训和资质,为农业4.0和可能的农业5.0提供一个充分的结构和立法运作环境是关键性性的。

政策制定者需要发起倡议,进一步推动基于这些技术的初创企业,甚至支持中小企业投资于这些技术(i)以跟上即将到来的技术革命,(ii)保持竞争力并始终走在经济前沿。此外,必须规划培训过程,以便根据农民的需要和操作环境的相互作用,为农场找到有效的解决办法。在农业供应链上应用数据的能力可以使现有的农业生产流程向创新农业方向发展。

通过对工业4.0或农业4.0战略的强调,中小企业管理者必须了解如何进行创新,以及可以从中获得哪些优势。用户和/或供应商的定位对中小企业的商业模式影响很大。一些限制涉及方法和结果,特别是考虑农业4.0。革命性4.0为研究经济边界的扩散提供了一个新的背景,使未来的研究人员能够就企业如何将其商业模式从制造业转移或扩展到ICT(信息和通信技术),反之亦然,提供可归纳的推论。

工业所追求的过程也影响着农业的粮食生产过程。农业生产过程的工业化导致了最近主要的环境问题,如土壤退化、侵蚀、压实和污染。这就意味着土壤质量和生态系统服务的丧失,而这些正是土壤长期以来为我们提供的保障。这种戏剧性的土壤状况的一些证据可以在世界各地找到,也提供了一些潜在的解决办法。了解工业技术如何在管理农业时导致了土壤退化的能力应该更新。从这个意义上说,4.0革命不仅应该包括技术创新,还应该包括环境问题。在这个方面,联合国的目标包括经济部门应当作为负责任和有益的可持续发展行动者。我们必须按照可持续的标准来处理第一部门的自然资源,例如土壤等,以便向日益尖端的技术发展迈进。

尾声

最近关于创新的辩论表明,不同的经济部门存在差异。本文比较了农业和工业的4.0革命,探索和反思了当前的技术状态。工业4.0在今天已经非常先进,无论是从科学研究的角度还是从实践的态度来看,都有由于很多企业都在应用它;而农业4.0在理论上仍然受到限制和推延。此外,工业的未来正在向5.0产业发展,而农业的时机远未成熟。农业4.0革命仍局限于少数先锋企业。因此,研究者们建议政策制定者和决策者投资于技术进步,并向不同经济部门(如工业和农业)提供不同的方法,按照联合国的可持续目标促进创新甚至可持续发展。因为在目前的背景下,工业或农业4.0可以为大企业提供众多的优势,而中小企业往往面临困境。为此,决策者应提出政策或征求建议,支持中小企业的技术创新和业务扩大,使它们在市场上更有竞争力。

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