農業物聯網應用推廣存在的問題和改進建議

?向緒友，周 超，賀 藝?

（湖南省農業信息與工程研究所，湖南 長沙 410125）

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農業物聯網應用推廣存在的問題和改進建議

向緒友，周 超，賀 藝

（湖南省農業信息與工程研究所，湖南 長沙 410125）

摘 要：介紹了農業物聯網體系結構和應用模式，分析了當前農業物聯網應用推廣存在的主要問題：基礎條件方面主要是需求驅動乏力和應用關鍵技術儲備不足；項目建設方面主要是大系統小應用、追求不可實現的需求、忽視使用風險、農業知識融入度低、體系和方法“陳舊過時”和成本評估有失客觀等。并提出了加大農業物聯網科普力度、重構頂層架構、大力發展農業知識基礎建設、調整政府扶植模式以及開展“小需求”的應用研究和推廣等改進建議。

關鍵詞：物聯網；農業知識；問題；建議

物聯網不是全新的網絡和應用[1]，是多年來各行各業應用與信息通信技術融合發展的產物。這導致當前關于物聯網的概念很多，每個定義都與特定的組織或應用領域（行業）關聯，但可總結為：基于網絡進行識別和感知，基于感知提供服務。在ITU-T（國際電信聯盟遠程通信標準化組織）看來：物聯網是全球信息社會基礎設施，物與物（thing，是有形和無形物的總稱）之間通過現有的和演進的信息通信技術進行互聯從而提供先進的服務。由此可見，物聯網是社會全面信息化的基礎，其核心是提供“先進服務”。針對特定的行業，如農業，服務既智能化農業應用。

一項新技術運用于農業生產過程時，通常要經過三個階段，一是技術產品準備，二是示范，三是推廣普及。我國農業物聯網應用當前仍處于第二個階段。在多年的農業物聯網應用推廣實踐中遇到和發現了一些問題，以下主要從技術層面探討其可能原因，并提出改進意見。

1 農業物聯網體系結構和應用模式

1.1 農業物聯網體系結構

農業物聯網是農業信息化應用與通信技術融合發展的產物，從信息化應用的角度看，農業物聯網是物聯網面向農業領域的一種具體實現。在ITU-T框架下，農業物聯網體系結構如圖1所示。

圖1　農業物聯網體系結構

1.2 農業物聯網應用模式

綜合分析國內外面向農業生產過程的農業物聯網應用案例，其應用模式可歸納為2類，一是感知展現類，二是感知控制類。

1.2.1 感知展現模式 感知展現類主要用于信息采集、存儲、分析和顯示，其結構如圖2所示。

圖2　農業物聯網感知展現模式結構

此模式的特點是應用主體是采集和發布，應用平臺只是一個將數據傳輸到應用終端的通道，其價值是部分實現了作物本體生長環境和“生命體數字化特征”[2]感知，由于不具備反饋控制能力，感知后的處理在應用外完成，多用于生產過程輔助管理，對農業生產過程的智能化貢獻不大。

1.2.2 感知控制模式 感知控制類在感知展現類的基礎上增加了反饋控制功能，實現了物與物之間的互連互通互操作，比較完整地實現了物聯網應用概念，其應用結構如圖3所示。

圖3　農業物聯網感知控制模式結構

此模式應用主體是感知作物生長信息，利用感知信息調控影響生長的各因素，使作物始終處于預期的生長狀態，從而實現農業生產過程的智能化。圖3中，C0、C1、C2、C3是應用中可能存在的控制流。

在現有的感知能力下，決定應用智能化貢獻度大小的關鍵是“智能組件”的能力。當應用中不存在“智能組件”時，物聯網僅僅起到了替代人工管理作用。

2 農業物聯網應用推廣存在的主要問題

2.1 基礎條件方面的問題

2.1.1 需求驅動乏力 首先是農業物聯網技術普及不深入廣泛。近期就此問題做過簡單的調研，調研對象包括農業企業高次管理人員，生產性技術人員和種植大戶，結果表明只有及少數基本了解農業物聯網概念，聯想到應用的就更少，稍做引導后情況大為改觀。這個問題導致生產一線需求難以激活，使農業物聯網應用發展失去從底向上的驅動力。

2.1.2 應用關鍵技術儲備不足 農業物聯網應用首先是信息化應用，進而是一種行業信息化應用。從信息應用的角度來看，農業物聯網應用發展受三大因素的影響，一是與生產過程緊密相關的硬性需求，二是可用于融合計算的行業知識——融合計算農業知識，三是通信、傳感等基礎設施和設備。三者之中，最重要的因素是融合計算農業知識，融合計算農業知識包括用于信息處理的表達方法、模型和算法等內容，是農業物聯網應用的關鍵技術，其數量、質量和涵蓋的領域決定了農業物聯網應用發展的深度、廣度和速度。

雖然我國農業信息化應用經過多年的發展取得了巨大的成就，但客觀上仍然沒有為全面開展農業物聯網應用在融合計算農業知識資源方面做好準備工作，比如面對圍繞“高產、優質、高效、生態、安全”的大量需求而無力提供有效解決方案。

另外，物聯網只是一個工具，不與農業知識相結合根本解決不了農業問題，了解這點有利于我們理解農業物聯網應用內涵。

2.2 項目建設方面的問題

2.2.1 大系統小應用 這類項目以物理建設為主，大部分投入用于設備采購，應用邏輯少，與農業行業知識緊密偶合的應用邏輯更是少之又少，是一種空洞的農業物聯網應用。從工程學的角度看是在用90%投入解決10%的問題，是一種不倡導的應用模式。在一份“農業物聯網應用匯編”的資料中紀錄了一個案例，一個注冊資本約3千萬元企業，投資1千萬元以上建立農業物聯網應用系統，主要應用邏輯僅僅實現了病蟲害預警預測，這是典型的大系統小應用類項目。基于每年高達60萬元的數據傳輸線路租用費，再考慮維護和折舊因素，每年的使用成本至少在200萬元以上，也是一種用戶不堪重負的應用，即是建得起，也用不起。

2.2.2 追求不可實現的需求 如果項目在設計時只有功能和用途說明，沒有進行充分的需求分析，也沒有考慮（或有意忽略）需求的可實現性，立項后會因解決不了需求實現的關鍵技術問題而導致項目失敗。這類設計與實現不相符的項目比比皆是，存在于多個應用領域。產生的原因比較復雜，有管理上的原因，有技術理解方面的原因，主要原因是沒有遵守信息化應用基礎規則。與農業知識融合比較深的應用領域最容易出現此類項目，如鮮活農產品安全溯源。鮮活農產品安全溯源是一個社會廣泛認同的需求，也被認為是一種農業物聯網應用。農產品安全溯源是一個傾向于保障買方權益的需求，關鍵是要提供一種解決方案，保證農產品身份標簽內容不被復制和篡改，保證農產品身份標簽與農產品一對一關系不被非法改變。因此，在沒有研發出適用的無損防篡改標記技術前，建立類似“從田間到餐桌”的全程安全溯源系統是沒有可用性的，當年大閘蟹防偽標簽論斤賣的現象部分說明了這點。

2.2.3 忽視使用風險 農業物聯網應用在信息化應用分類上屬于關鍵應用，關鍵應用對可靠性要求很高，運行在關鍵應用主機和高可靠網絡平臺之上，任何軟件、主機和網絡缺陷都會帶來災難性后果，通常承建關鍵應用的IT企業需要合理地承擔使用風險。

我國農業物聯網示范工程大多依賴政府的科技推動和項目資金支持建設[3-4]，立項時沒有考慮應用使用風險，再加上項目參與單位不是簡單的甲方乙方關系，建設過程中更不會界定風險責任主體，使用風險由用戶承擔。無論應用風險是否被告知，只要不顯式說明使用風險責任主體，應用就不會被用戶完全信任，就得不到充分使用，而且不被使用的功能往往是最“物聯網”的功能——具有一定智能特征的自動控制功能。這種承建方完全免責的現象在其它行業是不存在的，比如當年某省建設銀行因IT企業提供的應用系統缺陷使該行部分ATM非正常吐鈔，IT企業按協議賠償了全部損失。

2.2.4 農業知識融入度低 農業物聯網應用涉及農業技術、計算技術和通信技術，農業技術與信息技術融合產生農業信息應用，農業信息應用與通信技術融合產生農業物聯網應用。所謂融合不夠是指當前農業物聯網應用中農業技術（育種技術、栽培技術、植保技術和加工技術）信息化應用部分所占比重太小，沒有突出體現行業（農業）特點，沒有充分表現物聯網對農業生產過程中的促進作用，示范影響力有限，起不到預期的用示范拉動普遍應用的作用。

其實，我國農業信息化應用通過多年努力，有些領域，如病蟲害防治領域，已積累了大量可用于物聯網應用的融合計算資源（信息應用系統），已基本具備深層次開展農業物聯網應用條件。

2.2.5 體系和方法“陳舊過時” 大多數農業物聯網應用示范工程都以完全獨立項目形式建設，這是一種傳統的信息化應用構造方法（稱為“建設模式”），有違互聯網時代信息化應用基于“服務”的構造方法。項目模式有建設周期短見效快特點，但也容易產生一些不可忽視的問題，如：（1）一次性投入大；（2）需求變化適應力差；（3）不支持“小需求”應用；（4）應用使用成本高；（5）難以持續和深入，阻礙“長效機制”形成；（6）數據所有權被轉移或流失等。

2.2.6 成本評估有失客觀 判斷項目是否是農業物聯網應用項目，或部分農業物聯網應用項目，目前國內沒有可供參考的評判標準，這導致了在談農業物聯網應用成本時有失公平。由于農業物聯網是農業信息化應用與通信技術高度融合發展的產物，嚴格區分是或不是比較困難。具有專用屬性的子系統，如MIS、ERP和CRM，盡管在同期建設，不應計入物聯網應用建設成本。被共用的子系統，如互聯網接入，應以分攤方式計算建設成本和使用成本。顯然，從項目中剔除一些顯著的非因素，有利于合理評估投入產出效益。

3 農業物聯網應用推廣的改進建議

3.1 加大農業物聯網科普力度

農業物聯網科學技術普及是農業物聯網建設的重要內容。農業物聯網應用本質上是一種面向農業領域的信息化應用，推動行業信息化應用蓬勃發展的原動力是應用需求，需求可簡單的認為是要解決的業務問題。

農業物聯網可應用于農業生產過程、科研過程、管理過程和商業過程，應用廣度和深度取決于需求發現能力和需求實現能力。需求發現能力指產生的有效需求數量和質量，其大小依賴于社會對農業物聯網的認識和理解。提高需求發現能力需要廣泛的社會基礎，只有通過深入的技術普及才能得以實現。也就是“科學技術的影響力一方面取決于科技自身的發展水平，一方面取決于被公眾理解的程度。對社會產生重大影響的科學成就，都是通過科學普及發揮作用的”[5]。

3.2 重構頂層架構

根據農業物聯網應用特點，結合互聯網應用方法，基于三層結構設計頂層架構，基于服務建立應用示范推廣體系。

三層指能力層、服務層和應用層，其層次結構如圖4所示。

圖4　基于服務模式的農業物聯網應用推廣架構

在此結構中，能力層負責開發農業物聯網應用業務功能并輸出給服務層，服務層將業務功能打包成服務產品以服務（一種特殊的商品，其組成部分可能只包含一種軟件，也可能包含設備、網絡，甚至一個復雜的系統）的形式銷售給應用，應用層租賃服務開展農業物聯網應用。通常能力層主體由科研院所構成，服務層主體由服務提供商構成，應用層主體由末端用戶構成。三層結構是一種以服務為主導的農業物聯網應用模式，層與層之間都是服務與被服務關系，稱之為“服務模式”。

基于服務模式的農業物聯網推廣應用具有許多優勢：（1）層次結構牢固，各層參與對象和分工明確，有利于全局性組織和管理；（2）商業模式清晰，支持持續發展，容易形成長效機制；（3）有效緩和當前普通存在的重復建設、重建不重用等現象；（4）支持雙免（免建、免維護）式使用，降低了使用門坎的同時提高了“小需求”響應能力，有利于拓展廣度；（5）激活沉淀在各科研院所的農業信息化應用資源，有利于拓展深度；（6）有利于標準化和標準化進程推進；（7）引導社會資源參與，增加資金投入來源；（8）充分保障用戶權宜，降低用戶風險；（9）促進創新發展；（10）促進產業化形成。

總之，運用服務模式一方面可解決當前面臨的許多問題，同時也能促進農業物聯網有序持久深入發展。

3.3 大力發展農業知識基礎建設

農業物聯網應用是農業信息化應用的擴展和延伸，實現農業生產過程的高度智能化是其主要目標之一。面向（動植物）生命系統的農業物聯網應用，其應用邏輯可概述為：通過感知了解作物當前生長狀態，通過響應作用于生長因素，使作物總是處于最佳生長狀態。應用模型如圖5所示。

圖5　農業物聯網應用模型

作物生長因素眾多且相互作用復雜，在現有的感知和響應能力下，計算能力的大小基本上決定了應用使用價值的高低。參與計算的感知信息越多，因素和因素間相互作用關系理解越準確，計算過程就越復雜，計算結果也越接近應用目標。

農業物聯網應用初期階段，應用建立在現有農業知識（行業知識）之上，這些知識獲取和利用都是基于傳統方法。從信息應用角度看，知識缺乏一致性和完整性，難以在物聯網應用中充分使用。這也是初級階段大部分應用應用邏輯相對簡單的主要原因。圍繞（動植物）生命系統，采用物聯網應用思想和方法系統地獲取適用于農業物聯網應用的農業知識體系是聯深層開展農業物聯網應用的基礎性工作。在這個獲取過程中，感知環境、感知生命系統、理解生命系統、表達生命系統和仿真生命系統等知識又是重點和關鍵，是構建農業物聯網應用支撐層的核心內容，是構建高可用、綜合性應用系統的基礎。

3.4 調整政府扶植模式

目前農業物聯網示范工程大多依賴政府項目資金支持建設[5]。在現有推廣和管理體制下，政府投入的大量資金，通常都會被最大限度地轉換成項目建設費用結算到承建單位（見圖6），留給應用單位項目后的運維資金較少。從資金使用上看，扶植政策傾向于“管建不管用”，這是導致“重建不重用”和“只建不用”現象的主要原因之一。

圖6　農業物聯網項目“管建不管用”的扶持模式

將扶植政策從“管建不管用”調整成“管用不管建”，調整后的資金流和使用屬性如圖7所示。

圖7　農業物聯網項目“管用不管建”的扶持模式

在此策略下，扶持資金以專項經費形式落實到農業生產單位，農業生產單位使用專項資金租賃信息技術企業的服務。調整后，將形成以服務和服務租賃為基礎的農業物聯網技術應用推廣體系，這也是國內外其它行業在信息化應用全面發展階段普遍采用的方法。在這種體系下，人、財、物得到高度的復用，從根本上消除“只建不用”現象，緩和人才壓力，降低總體成本，圍繞服務展開的競爭將不斷地推動農業物聯網技術創新和應用深入發展。

3.5 開展“小需求”的應用研究和推廣

需求大小是一個相對概念，這里所指的“小需求”是那些應用目的單一，或使用時間上具有季節性，或使用地點具有隨機性的應用需求。典型的應用場景有微小農業企業或個體的季節生產性環境監測，鮮花（如高端蝴蝶蘭）售后監護，家庭園藝和家庭農場輔助管理等。

現有的農業物聯網應用推廣示范體系難以有效覆蓋這類小需求，根據調查，這類“小需求”大量存在，大部分受訪者表示只要使用方便、代價不高都愿意接受。“小需求”是一種硬需求，對發展農業物聯網應用具有牽引作用。搞好“小需求”應用工作一方面能讓更多的農民和農業企業直接感受到農業物聯網的應用效果和商業價值，同時又能起到加速技術普及和市場培育作用。

展開“小需求”的應用研究和推廣，一種可選的實施方案為：建立安全可靠的農業物聯網應用平臺，研發或改進應用設備（大多為傳感設備）使之具有免維護和即插即用的使用特點，以科研院所為依托建立區域性農業物聯網應用援助中心，援助中心聯合基層單位（區、縣、鄉、鎮）落實。

4 結 語

我國的農業物聯網應用處于從示范走向推廣普及的瓶頸階段，最大的問題是人們沒有把物聯網技術在農業上的應用量化在經濟指標上，不計成本的示范對于農業物聯網的推廣并沒有實際價值[6]。我國農業物聯網應用遇到的所有問題，在許多國家也同樣存在[6-8]，可以歸納總結為三高一低：建設上成本高，使用技術要求高，運行維護難度高，使用效果低。

農業物聯網應用的基礎是信息化應用，核心驅動力是來自生產過程的需求，融合計算農業知識是解決需求問題的基礎。進一步加強農業信息應用水平，深入開展融合計算農業知識產品研發，充分挖掘應用需求，充分理解內涵，用互聯網思想重構應用體系，是今后農業物聯網應用建設和示范推廣工作的重點。

參考文獻：

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[4] 袁學國，朱 軍. 我國農業物聯網發展現狀、問題和對策[J]. 中國農村科技，2014，（6）：60-63.

[5] 朱麗蘭. 大力加強科普工作，提高全民族科學文化素質，為建設社會主義強國而奮斗[J]. 科協論壇，1996，（3）：12-17.

[6] 王 娟. 農業物聯網試點不計成本規模化應用尚需時日[EB/OL]. http://www.ccidnet.com/2013/0520/4941659.shtml，2013-05-20.

[7] 尹 楊. 日本：一半以上農戶選擇使用農業物聯網[EB/OL]. http:// world.xinhua08.com/a/20140704/1351543.shtml?f=arelated，2014-07-04.

[8] 王 婧. 農業物聯網在美推廣受阻前景或樂觀[EB/OL]. http:// world.xinhua08.com/a/20140626/1347617.shtml?f=arelated，2014-06-26.

（責任編輯：肖彥資）

Problems in Extension of Agricultural Internet of Things and Countermeasures

XIANG Xu-you，ZHOU Chao，HE Yi（Hunan Agricultural Information and Engineering Research Institute, Changsha 410125, PRC）

Abstract：The paper introduces the systematic structure and application mode of agricultural internet of things, and analyzes main problems existing in current extension of agricultural internet of things as follows: in the aspect of fundamental condition, the driving force of main demands is lacking and the storage of key application technologies is inadequate; in terms of project construction, problems mainly include large system but small application, pursuing unrealistic demands, ignoring application risks, low level of integrating agricultural knowledge, outdated system and methods, as well as cost assessment being not objective. Several improvement suggestions are put forward, e.g. strengthening the efforts on popularizing the knowledge of agricultural internet of things, reconstructing top frame, developing the fundamental construction of agricultural knowledge, adjusting government supporting mode and conducting researches and extension on “small demand”.

Key?words：internet of things; domain knowledge; problem; suggestion

作者簡介：向緒友（1962-），男，湖南澧縣人，副研究員，主要從事農業物聯網技術及應用推廣研究。

基金項目：湖南省農業科學院創新團隊項目（2014）

收稿日期：2015-11-20

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.023

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）01-0081-05