基于專利分析的智慧農業技術發展現狀及趨勢研究

黃紅星 劉曉珂 林偉君 高飛

摘要?在智慧農業內涵分析的基礎上，構建了智慧農業產業的基本框架，明確了智慧農業的邊界和發展階段。基于國內外智慧農業發展現狀，采用專利地圖方法，對比了我國與主要發達國家在智慧農業技術創新上存在的差距，在此基礎上提出了推動我國智慧農業創新發展的若干建議，包括抓住新一代信息技術發展機遇、提高自主創新能力;加大政策引導力度，優化技術創新生態環境;重視專業技術人才和新農人培育培訓。

關鍵詞?智慧農業;框架;專利地圖;技術創新;對策

中圖分類號?S-1;TP29?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）03-0238-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.064

Abstract?Based?on?the?connotation?of?wisdom?agriculture，?we?constructed?the?integration?framework?of?wisdom?agricultural?industry，?and?defined?the?boundary?and?development?stage?of?wisdom?agriculture.?It?elaborated?the?research?and?development?status?of?wisdom?agriculture.?Meanwhile?the?development?gap?at?home?and?abroad?in?agricultural?technological?innovation?was?also?revealed?using?the?patent?map?method.?According?to?the?result?of?systematic?analysis，?some?suggestions?on?the?future?development?of?wisdom?agriculture?which?may?be?available?for?reference?were?put?forward，?such?as?seizing?the?development?opportunities?of?the?new?generation?information?technology?to?enhance?innovative?ability，?enlarging?policy?support?to?optimize?the?external?environment?of?technological?innovation，?attaching?great?importance?to?professional?and?technical?personnel?and?the?training?of?new?farmers.

Key?words?Wisdom?agriculture;Framework;Patent?map;Technological?innovation;Countermeasure

農業現代化是我國農業發展的必由之路。近年來，我國現代農業發展取得了顯著的成效。從大田農業、設施農業到如今的智慧農業、精準農業、智能農業，信息技術與現代農業的融合從未停止，呈螺旋上升、不斷深化的發展規律。人工智能、移動通信、物聯網、區塊鏈等現代信息技術的興起，引領著包括農業在內的國民經濟邁入數字經濟時代。智慧農業是一種現代農業形態，它和電腦農業、精準農業和數字農業一樣，屬于農業信息化和農業現代化發展到一定階段的產物。作為技術信息的有效載體，專利承載著比文獻期刊更超前的技術創新信息，涵蓋了各行業領域80%～90%的最新技術信息。鑒于此，筆者在智慧農業內涵和基本框架界定的基礎上，基于專利分析技術開展我國智慧農業發展現狀和趨勢判斷，并提出針對性的建議，以期為我國智慧農業發展提供參考和借鑒。

1?智慧農業內涵及基本框架

由于智慧農業這一概念提出的時間不長，所以目前還沒有一個統一的定義。然而，很多國內學者結合知識積累和實踐經驗給出了智慧農業的定義，如趙春江[1]認為，現代信息技術在與傳統產業場景融合，特別是伴隨物聯網技術、大數據、人工智能新一代信息技術發展之后，正在形成一種新的業態，即智慧農業。李道亮[2]認為，智慧農業是物聯網、移動互聯網、云計算、大數據等現代信息技術發展到一定階段的產物，是現代信息技術與農業生產、經營、管理和服務全產業鏈的“生態融合”和“基因重組”，具體包括農業生產智能化、農業經營網絡化、農業管理數字化、農業服務精準化。周國民[3]認為，智慧農業是充分利用現代信息技術，包括更透徹的感知技術、更廣泛的互聯互通技術和更深入的智能化技術，使得農業系統的運轉更加高效、智慧、聰明，從而使農業系統達到農產品競爭力強、農業可持續發展、和諧農村、有效利用農村能源和環境保護的目標。綜合有關學者的觀點，筆者認為智慧農業是以互聯網、物聯網、云計算、人工智能、自動化等數字技術為支撐，改造和升級傳統農業生產、經營、管理、服務全鏈條，實現數字技術與農業全產業鏈的“生態融合”，最終形成網絡化、數字化、精準化、智能化的一種現代農業發展模式。從廣義上來講，智慧農業不僅包括農業生產環節，還包括農產品電子商務、農產品質量溯源、農業休閑旅游等領域的內容。與其他現代農業發展模式相比，智慧農業的特征在于充分發揮互聯網等信息技術在農業生產要素配置中的優化和集成作用，通過農業全過程的在線化和數字化，促進要素融合，提高全要素生產率，提升農業生產經營效率和促進農業組織變革，提升農業的創新力和競爭力。基于對智慧農業內涵的分析，建立了智慧農業產業的基本框架（圖1）。

當前，數字經濟正成為全球經濟增長的新動能，成為撬動全球經濟的新杠桿。數字化技術打通數據鏈、重構供應鏈、提升價值鏈，促進農村一二三產業融合發展，以數據驅動農業高質量發展，現代農業將跨越一個新的臺階[4]。數字經濟以及“互聯網+”創新發展為智慧農業發展從技術、產品、市場、人才等各方面創造了更多的可能性。信息技術與農業產業深度融合，從而催生新業態、新模式、新產業，是智慧農業產業化的基本路徑，但這是一個長期的過程，大致要經過以下3個階段：

第1階段，隨著農業領域中物聯網、大數據、人工智能的發展及數據應用的推進，將會誕生新的產業萌芽，應用物聯網的農業設施設備逐步普及，農業產業經營網絡化，農業資源逐步數據化，農業服務普及共享;

第2階段，農業領域大數據、人工智能的廣泛持續推進，超越產業界限，創新服務業等新興產業逐步擴大;

第3階段，各產業領域逐漸融合，形成生態系統，產生多用途性服務。

2?國內外智慧農業發展比較

2.1?發達國家智慧農業已經進入規模化、產業化應用階段

20世紀80年代初，美國就提出了精細農業（Precision?Agriculture）的概念，“3S”技術、配方施肥技術、作物生長模型等應用系統是當時美國智慧農業的技術基礎。進入21世紀以來，隨著物聯網和大數據技術的快速興起，“物聯網+大數據+智慧農場”成為歐美等發達國家智慧農業發展的普遍模式。目前美國農業，如西部地區的大豆、玉米等產業在生產和經營環節借助物聯網和大數據分析，已實現了農產品全生命周期的數據共享和智能決策。在美國，農業信息資源共享不存在行業壁壘，公眾可以根據需要獲取相關數據。大數據公司分析預測模型技術成熟，為農場主和市場提供了很好的分析決策指引，如Climate?Corporation、FarmLogs、Indigo等公司。其中，Climate?Corporation是一家農業氣象意外保險公司，該公司在全美布置2?500萬個環境物聯網傳感器，通過對各地氣象數據、天氣模擬分析、植物生長特性、土壤土質等數據綜合分析，形成美國土地氣候數據“一張圖”，為農民提供農業氣象預警信息，并推出農業氣象保險業務，降低氣象災害對農民收入影響。創建于克羅地亞的Farmeron初創公司，將農場主納入云服務中，向農場提供類似于Google?Analytics的數據跟蹤和分析服務，農場主可使用Farmeron軟件，收集并分析畜禽飼養信息，包括進食、繁育、健康狀況、牛奶產量、藥物等投入品，并將數據上傳至云服務中，通過大數據分析來提升農場運營效率和收益。

高精度、低功耗、高穩定性的環境和生命體傳感器是農業物聯網的重要基礎。德國推出了一種莠草識別噴霧器，在田間作業時能借助專門的電子傳感器來區分農作物和雜草，只有當發現莠草時才噴出除莠劑，減少了對環境的污染[5]。來自美國硅谷的Cropx公司開發了一套土壤水分探測設備，通過探測地形、含水量、土壤結構等信息，幫助農戶節約大量灌溉用水。在智能農機方面，美國約翰迪爾公司、日本的久保田株式會社等在作業處方系統、自動導航、無人駕駛、智能決策控制等方面處于領先水平。在集成化智能生產設施方面，荷蘭、以色列、日本的植物工廠在環境智能監測調控體系、農業作業機器人應用等方面都具有較高水平。總體而言，發達國家已將智慧農業作為21世紀解決農業發展瓶頸問題、提升農業生產力的主要推動力，以期更好地適應全球化的農業市場需求。歐美發達國家的智慧農業產業化程度較高，能提供專業化、全鏈條服務，農場主比較樂意接受智慧農業帶來的福利。

2.2?我國智慧農業總體還處于試點示范和產業化起步階段

2014年我國提出了“智慧農業”的概念，其實它的發展從20世紀90年代“精細農業”時期就已開展。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出“推進農業信息化建設，加強農業與信息技術融合，發展智慧農業”;《國家信息化發展戰略綱要》提出“培育互聯網農業，建立健全智能化、網絡化農業生產經營體系，提高農業生產全過程信息管理服務能力”。2010年以來，國家有關部門先后組織實施了國家農業物聯網應用示范工程和農業物聯網區域試驗工程，在天津、北京、上海、安徽、河南、江蘇、黑龍江等地組織實施了大田種植、設施園藝、畜禽水產養殖等行業試驗示范，為我國智慧農業起步發揮了良好的示范帶動作用。

在“互聯網+”的推動下，一批有實力的電子商務平臺大舉進軍農業服務業。阿里巴巴（阿里研究院）發布的《中國淘寶村研究報告（2009—2019）》顯示，至2019年全國有4?310個淘寶村、1?118個淘寶鎮，2018年7月—2019年6月全國淘寶村和淘寶鎮網店年銷售超過7?000億元，帶動就業機會超過683萬個。京東2015年初提出了農村電商“3F”戰略，截至2016年6月，京東鄉村推廣專員已接近30萬人，家電配送服務范圍達42萬個行政村，1?500個縣建立了電商服務中心，提供物流、電商、物流等服務[6]。農業大數據服務領域涌現出了北京佳格天地科技有限公司、華農天時科技有限公司等專業化服務商，主要通過衛星遙感和氣象大數據的收集、處理、分析來服務于農業、環境、金融保險等行業。同時，溫氏、大北農、芭田股份等一批傳統農業龍頭企業也積極利用互聯網、大數據技術推動企業轉型，提升競爭力。在提供智慧農業解決方案方面，北京派得偉業科技發展有限公司研制、生產、銷售農業物聯網、精準農業、設施農業、節水灌溉、智能農機等智能裝備;并利用物聯網、大數據、云平臺等計算機技術，構建了集監管、生產、服務于一體的智慧農業綜合管理服務平臺。在智能農機領域，主要有中國一拖集團有限公司、中聯重科農機、福田雷沃國際重工股份有限公司等企業的農機產品及服務為我國智慧農業發展提供了重要基礎。但國產農機在工藝的精細程度、作業的穩定性、智能化程度等方面與約翰迪爾、久保田等國外知名農機企業產品還有一定的差距。值得一提的是，近年來興起的無人機技術已在農業遙感測繪、病蟲害防控、農情監測等方面開展廣泛應用。早在2016年，我國植保無人機市場保有量就已超過日本，位居世界第1位;2017年，我國年作業面積也超過日本，位居世界第1位[7];極飛科技的植保無人機已經出口至澳大利亞、日本等發達國家。總體來看，我國在農田管理、設施農業、規模化養殖等方面開展了豐富的智慧農業技術示范，農村電商發展迅猛，農業大數據方興未艾，植保無人機領跑全球，但由于我國小農經濟的限制和大量“空心村”的存在，使得農業信息化、智能化、機械化技術的普及推廣受到限制。隨著鄉村振興、“互聯網+”等重大戰略的深入實施，科技、資金、人才在城鄉之間實現雙向流動，一大批新農人在鄉村創新創業，智慧農業產業化進程將明顯加快，將成為農業農村現代化的關鍵“引擎”。

3?智慧農業專利地圖分析

3.1?研究方法

專利地圖（Patent?Map）作為常用的專利可視化分析方法，能夠高效地搜集、整理專利信息，在企業制定競爭策略、政府決策中占有越來越重要的位置，不但大大提高了研究效率、降低經費投入，而且提高了專利技術研發的質量[8]。該研究以智慧農業產業技術專利信息為基礎，通過繪制專利管理圖和專利技術圖來明確智慧農業產業技術發展現狀，采用的專利文獻數據主要來自國家知識產權局專利檢索與服務系統，數據庫采用DWPI（德溫特世界專利索引數據庫）、CPRSABS（中國專利檢索系統文摘數據庫）。

3.2?全球智慧農業相關專利申請分析

從全球范圍來看，智慧農業相關專利的首次申請國（地區）以中國、美國、日本、歐洲和韓國為主，這5個國家（地區）作為首次申請國的專利申請量之和超過全球首次申請總量的90%。2006年以前，智慧農業專利申請以美歐日為主，這與美歐日3個國家（地區）早期技術發展積累有一定密切關系。2000年以后，美歐日3個國家（地區）的智慧農業相關專利申請量基本保持平穩。中國智慧農業專利申請在1997年以前都低于100件，但在2009年之后，中國的申請量呈明顯的井噴態勢，并一躍超過美國，成為全球首次申請量最多的國家（圖3）。

中國和美國既是最主要的專利首次申請國，同時也是最主要的目標市場國。截至2016年，中國、美國作為目標市場國的智慧農業相關專利申請量分別為39?656和24?627件。中國作為目標市場的專利申請量全球排名第1，說明全球其他國家（地區）對中國智慧農業市場的高度重視。

從全球專利申請人來看，截至2016年智慧農業相關專利申請量在200件以上的申請人有12個（圖4），其中日本的申請人5個，并且排名前3位的申請人全部為日本的企業，分別是久保田株式會社、井關農機株式會社、洋馬株式會社，其申請量都在1?000件以上，遠遠高于其他申請人，可見日本企業在智慧農業核心技術方面具有全球領先優勢。申請量排名前12位的申請人中有4個來自中國，其中浙江大學351件、中國農業大學340件、江蘇大學289件、西北農林科技大學249件，這與美日等發達國家主要專利申請人皆為企業形成明顯反差，中國在智慧農業領域進入排名前12位的4個申請人均為高校，這也反映了中國在智慧農業領域的科技成果產業化程度低、企業科技創新能力弱，因此科技成果轉化的道路仍很漫長。

對智慧農業專利地圖的分析可以看出，我國智慧農業技術研發整體還處于跟跑階段，離轉化成產業實施還有很長的路要走。根據科技部《“十三五”數字農業領域國內外技術競爭研究報告》，我國絕大多數的智能農業關鍵技術處于跟蹤階段，總體發展水平與國際領先水平平均相差12年[9]。

3.3?中國智慧農業相關專利申請分析

從1986—2016年國內智慧農業相關專利申請量變化可以看出，1986—2000年，我國智慧農業相關專利申請量還比較少，年申請量不超過200件，說明此時智慧農業還只是產業萌芽階段（圖5）;2001—2011年，智慧農業相關專利的申請開始較快增長，從2001年的年申請量259件，到2011年的年申請量超過500件，這10年間的增長速度非常快，是智慧農業發展的成長期;2012—2016年，專利申請呈現更加迅猛的增長，說明智慧農業開始在中國迅速鋪開，迎來了產業快速發展期，這與我國近年來在“互聯網+”以及鄉村振興戰略實施背景下加快以機械化、數字化、集約化為特征的農業現代化進程有很大關系。

對1986—2016年我國各省（市、區）智慧農業相關專利申請總量進行對比，結果顯示江蘇省提交的相關專利申請最多，為4?436件;北京市次之，專利申請量為3?125件（圖6）。從全國來看，江蘇省、山東省、四川省和河南省是我國的農業大省，智慧農業相關技術應用較多，因此相關專利申請較多。北京市、浙江省、廣東省和安徽省的專利申請量較大，一方面這些省市都屬于中國經濟發展較快的省市，容易采用較為先進的農業生產方式，在智慧農業的研究和運用方面走在各省市前面;另一方面，這些省市的知識產權政策和知識產權保護意識普遍較強，因此在智慧農業方面，這些省市的相關專利申請量較大。

4?推動我國智慧農業創新發展的對策建議

4.1?抓住新一代信息技術發展機遇，提高智慧農業關鍵核心技術自主創新能力

2019年的中央一號文件強調加快突破農業關鍵技術，其中把智慧農業與生物種業、重型農機、綠色投入品一起列為農業自主創新的重點領域，凸顯了智慧農業的戰略意義。一是要大力培育智慧農業技術創新主體，加大對智慧農業科技創新型龍頭企業的培育和扶持力度，促進人工智能、移動通信、物聯網、區塊鏈等數字技術在農業生產、經營、管理、服務領域的深度融合，打造應用產品、創新技術和個性化服務，打造新產業、新業態、新模式，促進智慧農業產業化發展。二是要凝聚目標，加大投入，依托國家以及省級實驗室、創新聯盟等，重點攻克農業生產環境和動植物生理特征智能感知與識別、生物生長數字模型、農業大數據治理與應用、天地空一體化數據融合與協同控制、農業機器人等一批“卡脖子”關鍵技術，強化我國在智慧農業領域關鍵技術的自主安全可控[10]。

4.2?加大政策引導力度，優化智慧農業技術創新生態環境

習近平總書記在中國科學院、工程院院士大會上的講話指出，要發揮市場對各類創新要素的配置作用，讓市場真正在創新資源配置中起到決定性作用。加快科技成果轉化應用，打通技術研發、產品制造、市場推廣、產業發展等鏈條。建議要從稅收、科技金融、人才引進、重大項目、用地等多方面形成“組合拳”，加強從中央到地方各級政府政策的協調性、一致性和可操作性，加大對智慧農業相關企業進行新技術、新產品研發的支持力度，切實推動企業成為技術創新的主體。同時要從單位考核、技術人才職稱晉升等“指揮棒”入手，引導高校和科研院所面向智慧農業產業的實際需求和關鍵技術瓶頸進行有針對性地研發，使研發效率最大化。對研發產生的技術成果要注重利用知識產權制度進行保護，加大

技術成果轉化和產業化力度，促進智慧農業產業有序健康發展。

4.3?重視智慧農業專業技術人才和新型職業農民培育

借鑒發達國家現代農業發展經驗，現代農業是從田頭到餐桌、從初級產品到終端消費的產業化體系，是以合作制為基礎的高度組織化產業。中國正大力培育和發展各類新型農業生產經營主體，下一階段以合作社、種養大戶、家庭農場為代表的職業農民以及“新農人”，將逐步崛起成為農業生產經營的主體力量。只有把大量的新型職業農民以及“新農人”進一步武裝成為“數字農民”，才能真正承載智慧農業這艘“產業航母”。一是要加快高等院校及職業技術學校在學科專業設置上的改革調整步伐，及時跟上智慧農業產業發展需求，提高學科知識體系、專業技能培養等方面的針對性，探索定向培養、訂制培養、企業聯合培養等創新模式，提高智慧農業專業技術人才數量和質量。二是政府通過補貼等方式鼓勵各類培訓機構，積極利用互聯網、虛擬現實與增強現實、人機互動等數字化培訓手段，推廣農民網校、微課程、在線直播等新型培訓平臺，方便農民隨時隨地進行學習。三是加強農技推廣人員的智慧農業專業技能培訓，使深入田間地頭的農技員成為智慧農業應用的能手和“帶路人”。

參考文獻

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[2]?李道亮.智慧農業：中國的機遇和挑戰[J].高科技與產業化，2015（5）：42-45.

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