基于六個維度的農業(yè)4.0理論體系構建

劉利永，張彥軍，李道亮

（1.北京市科學技術情報研究所，北京 100045；2.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

農業(yè)4.0是以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、人工智能、云計算、空間信息技術等為支撐的一種高度精準、高度智能、高度集約、高度協(xié)同和高度生態(tài)的現(xiàn)代農業(yè)形態(tài)，是繼傳統(tǒng)農業(yè)、機械化農業(yè)和自動化農業(yè)之后的更高層次的農業(yè)發(fā)展階段[1]。農業(yè)4.0的發(fā)展受到多種因素制約，所以在信息時代，農業(yè)4.0的依賴于六個維度的條件支撐，包括資源要素、信息技術、行業(yè)應用、產業(yè)鏈條、支撐體系、運行模式和機制，這六個維度之間相輔相成，形成耦合機制，共同形成農業(yè)4.0的架構體系。

1 農業(yè)資源要素

農業(yè)4.0的本質是利用新一代信息技術對農業(yè)資源要素（土地、水、勞動力、資金、信息等）進行重新配置并實現(xiàn)深度融合，產生一個更高產、高效、優(yōu)質、生態(tài)、安全的更具有競爭能力的新業(yè)態(tài)。因此，從資源配置的維度分析，農業(yè)4.0依賴于利用信息技術優(yōu)化配置各類資源要素。

1.1 土地要素

信息技術+土地資源=規(guī)模效益。土地是種植業(yè)的基礎和命脈，在農業(yè)4.0時代，通過物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、精準農業(yè)、無人駕駛等技術，一方面能夠對土地進行虛擬流轉，實現(xiàn)土地規(guī)模化、集約化管理，另一方面能夠提高水肥利用效率，大幅提高土地的產出率，實現(xiàn)土地的規(guī)模效益。

1.2 勞動力要素

信息技術+勞動力=新興力量。信息技術與勞動力相結合，將催生一批新興勞動力量，即新農人。新農人具有較高的科學文化素養(yǎng)、掌握信息化生產技能、具備一定的經營管理能力，是未來農業(yè)4.0發(fā)展的核心力量[2]。自動化、智能化信息技術的應用，將大大提高新農人的勞動生產率，使一產勞動力大幅減少并向二、三產轉移。農業(yè)4.0環(huán)境下，農業(yè)流程化管理將更加清晰，誰來生產、誰管技術、誰做管理、誰負責流通？這些分工將更加明晰，勞動力將實現(xiàn)在一二三產的合理分布。

1.3 資本要素

信息技術+資本=農戶融資。當前，互聯(lián)網金融已經逐漸延伸到農業(yè)產業(yè)鏈條的各環(huán)節(jié)，同時商業(yè)模式也在不斷變化，從單一分散的借貸服務發(fā)展到基于整條產業(yè)鏈的閉環(huán)金融服務[3]。隨著土改的推進，原來缺乏金融服務的農村正迎來前所未有的發(fā)展機遇，農業(yè)將成為繼房地產、IT產業(yè)之后資本角逐的新藍海，互聯(lián)網時代農戶融資將變得更加容易。

1.4 市場要素

信息技術+市場信息=新興渠道。市場機制通過需求與供給的相互作用及靈敏的價格反應，自由、靈活、有效、合理地決定著資源的配置與再配置[4]。互聯(lián)網技術的發(fā)展對傳統(tǒng)商品市場形成了強有力的沖擊，電子商務、大數(shù)據(jù)分析等技術應用，徹底改變了市場配置資源、調解供需的方式，建立了一條新興的農產品流通渠道。

1.5 生產工具要素

信息技術+生產工具=設施裝備智能化。農業(yè)4.0時代，是一個無人的生產系統(tǒng)，農業(yè)生產工具從傳統(tǒng)的農具和機械，演變成為以物聯(lián)網技術為紐帶，集智能感知、智能識別、智能傳輸和智能控制于一體的智能網絡系統(tǒng)。設施裝備的智能化，將引領農業(yè)生產進入無人時代，無人機、機器人等將成為主要的農業(yè)生產工具，勞動生產率大幅提高。

1.6 信息資源要素

信息技術+信息資源=價值增值。農業(yè)信息資源包括與農業(yè)信息生產、采集、處理、傳播和利用有關的各種資源，如農業(yè)技術信息、農業(yè)機構信息、農業(yè)市場信息、農業(yè)產品信息、農業(yè)政策信息與農業(yè)服務信息等。農業(yè)4.0時代，利用大數(shù)據(jù)技術對農業(yè)信息資源進行挖掘、分析，能夠對零散的、無序的、雜亂的信息進行篩選、解構、組合、整序，使之標準化、有序化、可視化，在農業(yè)生產、經營、管理、服務過程中形成一系列新的信息產品，使農業(yè)信息價值得到增值。

2 信息技術

農業(yè)4.0的本質就是物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網、空間信息技術等新一代信息技術在農業(yè)領域的深度應用，從而創(chuàng)造出基于互聯(lián)網平臺的現(xiàn)代農業(yè)新產品、新模式與新業(yè)態(tài)，是以“信息支撐、管理協(xié)同，產出高效、產品安全，資源節(jié)約、環(huán)境友好”為核心的現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的升級版，離不開現(xiàn)代信息技術的強力支撐。

2.1 物聯(lián)網

物聯(lián)網作為農業(yè)4.0技術應用的關鍵要素，是對新一代信息技術的高度集成和綜合運用[5]。物聯(lián)網技術的核心是賦予農業(yè)設施和裝備以能夠識別的有效身份，并通過信息技術實現(xiàn)物與物的連接和通信。物聯(lián)網技術是支持無人系統(tǒng)、無人作業(yè)的關鍵技術，是農業(yè)4.0時代技術應用的重要標志。

2.2 大數(shù)據(jù)

農業(yè)農村是大數(shù)據(jù)技術重要的應用領域，是中國大數(shù)據(jù)發(fā)展的重要組成部分。農業(yè)4.0時代，隨著信息化深度融入農業(yè)現(xiàn)代化進程，農業(yè)農村大數(shù)據(jù)將與農業(yè)產業(yè)全面融合，成為農業(yè)生產的定位儀、農業(yè)市場的導航燈和農業(yè)管理的指揮棒，依托農業(yè)農村大數(shù)據(jù)，農業(yè)4.0將構筑自身的神經系統(tǒng)[6]。

2.3 云計算

農業(yè)4.0時代，用戶可以利用云計算技術，按需定制、部署所需的農業(yè)信息化服務，實現(xiàn)個性化、低成本、全覆蓋的農業(yè)知識普惠服務和農業(yè)精準管理，通過云計算技術促進軟硬件資源的聚合和動態(tài)分配、實現(xiàn)資源最優(yōu)化和效益最大化，降低運營成本，提升中國農業(yè)信息化的服務能力[7]。

2.4 移動互聯(lián)網

移動互聯(lián)網是農業(yè)4.0技術體系的重要組成部分，具有終端的移動性、業(yè)務使用的私密性、網絡的泛在性等特點。在農業(yè)4.0的未來發(fā)展方向中，隨時隨地實現(xiàn)人與人的連接、人與農業(yè)裝備的連接、人與農業(yè)本體的連接是必然需求，移動互聯(lián)網注重移動作業(yè)的基本需求，將會在農業(yè)4.0時代獲得更為寬廣的發(fā)展前景。

2.5 空間信息技術

空間信息技術是一門新興技術，興起于20世紀60年代，70年代中期以后在中國得到迅速發(fā)展。在農業(yè)4.0時代，空間信息技術將在土地資源調查、土地利用動態(tài)監(jiān)測、農業(yè)自然災害監(jiān)測評估、農作物長勢監(jiān)測與估產、農業(yè)病蟲害監(jiān)測、農業(yè)精細作業(yè)等方面得到廣泛應用。加快對空間信息技術研究，并在農業(yè)中推廣應用，將有利于推動農業(yè)資源利用的精準化，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2.6 人工智能技術

農業(yè)4.0時代，人工智能的應用主要體現(xiàn)在農業(yè)智能裝備及機器人、虛擬現(xiàn)實技術等方面。人工智能技術將廣泛應用于農業(yè)生產的產前、產中和產后各個階段，以其數(shù)字化、精準化、高效化的技術優(yōu)勢提升農業(yè)生產技術水平，實現(xiàn)智能化的動態(tài)管理，以機器全部或部分代替人的勞動，減輕農業(yè)生產者的勞動強度，應用前景十分廣闊。

3 產業(yè)鏈

農業(yè)4.0全產業(yè)鏈主要涉及四個環(huán)節(jié)，分別為生產、經營、管理以及服務。農業(yè)4.0全產業(yè)鏈利用“互聯(lián)網+”新經濟形態(tài)，發(fā)揮現(xiàn)代信息技術在農業(yè)生產要素配置中的優(yōu)化和集成作用，利用信息化解放和發(fā)展農村生產力，提升農業(yè)競爭力，努力走出一條生產技術先進、經營模式適宜、管理方式高效、服務內容實用的新型農業(yè)現(xiàn)代發(fā)展道路。

3.1 農業(yè)生產智能化

農業(yè)4.0在生產上主要體現(xiàn)在智能化，按照“全系統(tǒng)、全要素、全過程”要求，推動物聯(lián)網應用從生長環(huán)境感知向動植物生長控制深入，建立“感知-傳輸-處理-控制”的閉環(huán)應用，提高大田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產養(yǎng)殖、設施園藝的智能化、自動化水平，不斷擴大物聯(lián)網應用的規(guī)模化程度，通過按需控制和精細管理實現(xiàn)農業(yè)生產的節(jié)本增效。

3.2 農業(yè)經營網絡化

發(fā)展農業(yè)電子商務，能夠暢通流通渠道，激發(fā)消費需求，實現(xiàn)農產品、農業(yè)生產資料、農村特色旅游的網絡化經營，提升農產品批發(fā)市場和農業(yè)產業(yè)化龍頭企業(yè)的網絡經營能力。在農業(yè)4.0時代，必須構建以農業(yè)電子商務為核心、覆蓋農村、惠及農民的現(xiàn)代經濟形態(tài)，促進農業(yè)農村經濟發(fā)展方式轉變。在推進農業(yè)經營網絡化方面，一批農產品電子商務企業(yè)積極探索，目前已形成了一系列具有推廣意義的商業(yè)模式。

3.3 農業(yè)管理高效化

采用大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術，改造升級現(xiàn)有農業(yè)管理信息系統(tǒng)，革新管理方式，建立起全面涵蓋電子政務、應急指揮、監(jiān)測預警、質量追溯、數(shù)據(jù)調查等領域的在線化、數(shù)據(jù)化政務管理體系，通過數(shù)據(jù)共享和業(yè)務協(xié)同，提高管理效能，實現(xiàn)農業(yè)管理的高效透明。

3.4 農業(yè)服務便捷化

農業(yè)4.0時代，必須立足信息化與農業(yè)現(xiàn)代化深度融合的新態(tài)勢，順應現(xiàn)代信息技術發(fā)展新趨勢，根據(jù)農民和新型農業(yè)經營主體的信息服務新需求，不斷創(chuàng)新服務方式，優(yōu)化服務手段，有針對性地為農民提供及時、精準、高效的信息服務。農業(yè)農村部通過實施“信息進村入戶”工程，加快了農業(yè)信息服務便捷化的進程，在部分領域農業(yè)服務4.0進行了有益探索[8]。

4 行業(yè)領域

農業(yè)4.0在產業(yè)鏈環(huán)節(jié)的突破，將為種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等各行業(yè)領域的發(fā)展帶來重要影響。

4.1 種植業(yè)

種植業(yè)4.0，以利用無人機、機器人、農業(yè)智能裝備等實現(xiàn)無人作業(yè)為主要特征，應用基于空間信息技術的墑情監(jiān)控系統(tǒng)、測土配方施肥系統(tǒng)、病蟲害監(jiān)測預報防控系統(tǒng)、農田管理系統(tǒng)、農田氣象監(jiān)測系統(tǒng)、作物長勢監(jiān)控系統(tǒng)以及精準作業(yè)系統(tǒng)，確保大田種植的高產、高效、高質、安全，促進大田種植的規(guī)?；?、集約化、智能化[9]。

4.2 畜牧業(yè)

畜牧業(yè)4.0，既是生態(tài)畜牧業(yè)，也是智能畜牧業(yè)，以無人值守畜牧場為基本特征，畜牧業(yè)進入超高產、高效、優(yōu)質、生態(tài)、安全的嶄新時代。主要是應用畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、疫病診斷與防控系統(tǒng)、育種繁育系統(tǒng)、飼料自動給喂系統(tǒng)、養(yǎng)殖場管理系統(tǒng)、質量追溯系統(tǒng)，不僅能夠提升畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量和質量，降低生產成本，同時也將大大節(jié)省勞動力需求[10]。

4.3 漁業(yè)

漁業(yè)4.0將人工智能技術、大數(shù)據(jù)技術、智能裝備技術應用到漁業(yè)的生產、經營、管理、服務等的全過程，提升苗種繁育、技術服務、病害防治、生產管理、產品銷售等養(yǎng)殖各環(huán)節(jié)的信息化水平，達到合理利用漁業(yè)資源、提質增效、節(jié)能降耗、降低成本和風險、改善生態(tài)環(huán)境等目的，實現(xiàn)高密度、高產值、高效益的標準化養(yǎng)殖模式[11]。

4.4 農機

農機4.0，就是要著力提高農機裝備信息化水平，“無人、可靠、高效、通用”是未來農機裝備發(fā)展的方向。在農業(yè)4.0發(fā)展模式下，政府部門可以實現(xiàn)農機作業(yè)實時全局監(jiān)管，提高監(jiān)管效率；合作社和農戶可準確掌握農機作業(yè)進度，實時查詢農機數(shù)量投入和所處位置分布情況，節(jié)省時間成本和人力開支；農機企業(yè)可以建立龐大的用戶信息庫，通過大數(shù)據(jù)進行智能商業(yè)分析、科學指導生產服務[12]。

4.5 農產品加工

農產品加工4.0，以實現(xiàn)生產的高精度和高效率、節(jié)約資源、降低生產成本、提高農產品品質等為目的，滿足人們在農產品生產消費中的需求。在未來，分揀機器人、包裝機器人等將在各生產線上廣泛應用，通過應用各種先進技術，實現(xiàn)農產品加工生產的優(yōu)質高效，發(fā)展適合農產品加工生產現(xiàn)實條件的自動化模式，帶動一二三產業(yè)聯(lián)動發(fā)展[13]。

4.6 休閑農業(yè)

休閑農業(yè)4.0就是要在互聯(lián)網平臺下，實現(xiàn)消費者與消費者之間、經營者與消費者之間的信息互動，通過消費者訴求，不斷重構、優(yōu)化休閑農業(yè)產品，提升產品的附加值。通過將旅游與農業(yè)結合，大幅提升本地區(qū)農副產品的附加價值，不僅使自身農產品就地銷售，更能夠促進區(qū)域產業(yè)結構的優(yōu)化，解決更多農民就業(yè)和致富問題[14]。

5 支撐體系

農業(yè)4.0建設是具有前瞻性和復雜性的系統(tǒng)工程，需要一系列條件進行支撐，只有在基礎設施完備、產業(yè)發(fā)展健全、科技手段豐富、人才保障有力、市場體系完善、發(fā)展環(huán)境優(yōu)化的條件下，農業(yè)4.0建設才可能順利、快速推進。

5.1 基礎設施支撐體系

農業(yè)4.0時代，互聯(lián)網基礎設施將以光通信為骨干，以IP作為連接，以物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)和云計算作為網絡功能，同時支持固定接入和移動接入綜合信息體系，能夠為用戶提供一個高速率、高安全性、高靈活性的高質量網絡環(huán)境。

5.2 產業(yè)支撐體系

企業(yè)是農業(yè)信息化產業(yè)支撐體系的主要實施主體，信息產業(yè)為農業(yè)發(fā)展拓寬了道路，直接影響著農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[15]。農業(yè)4.0時期，將涌現(xiàn)一批具有強大國際競爭力的、服務于農業(yè)產業(yè)的大型跨國網信企業(yè)，運用信息技術打破第一產業(yè)、第二產業(yè)和第三產業(yè)之間的邊界，實現(xiàn)一二三產融合發(fā)展。

5.3 科技支撐體系

農業(yè)信息化科技創(chuàng)新與應用基地建設是推進農業(yè)4.0創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，高校和科研院所是推進科技支撐體系建設的主體。農業(yè)4.0時期，就是要通過大幅度提高農業(yè)科技水平來突破資源環(huán)境約束，提高勞動生產率，提升農產品品質，降低農業(yè)生產成本，提升農業(yè)綜合生產能力和效率，從而加快農業(yè)發(fā)展轉型升級[16]。

5.4 人才支撐體系

農業(yè)4.0時代，迫切需要一批集現(xiàn)代信息技術、現(xiàn)代農業(yè)技術和市場營銷技能于一體的農業(yè)網絡信息服務人才。高校是培養(yǎng)農業(yè)4.0人才的重要主體，要吸引網絡信息人才致力于農業(yè)發(fā)展信息化建設，使高校畢業(yè)生、青年教師、專家學者、網絡信息人才等積極投身農業(yè)4.0建設[17]。

5.5 市場支撐體系

農業(yè)4.0的市場支撐體系，是互聯(lián)網背景下農產品經營、交易、管理、服務等組織系統(tǒng)與結構形式的總和，是溝通農產品生產與消費的橋梁與紐帶，是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要支撐體系之一[18]。農業(yè)4.0時期，將形成高度成熟、規(guī)范、完整的市場支撐體系，包括智能化、標準化的農產品批發(fā)市場、農產品超市以及農產品物流系統(tǒng)等，同時，將會形成一批具有高度智能化管理能力的農產品中間商，成為銜接農場主與批發(fā)市場、超市的重要紐帶。

5.6 環(huán)境支撐體系

農業(yè)4.0發(fā)展環(huán)境是指農業(yè)信息化建設所需要的經濟、社會、政治和人文環(huán)境。只有當農村經濟發(fā)展到一定階段，農民人均純收入達到一定水平，能夠承擔享受農業(yè)4.0信息服務的基礎成本；農村社會具備了信息化意識，接受了信息化的理念；政府開始重視信息化建設，制定政策規(guī)劃，大力推進信息化基礎投入；農民文化素質得到普遍提高，具備了應用信息技術的知識和能力，農業(yè)4.0建設才能夠正常推進[19]。

6 運行機制

根據(jù)“機制”的本來含義，使用“機制”這一概念的領域必須是一個有機體系，即這一領域內部是一個有機聯(lián)系的整體；這個有機體系內部各組成部分之間處于動態(tài)，一部分的變化會引起另一部分的相應變化，是一個相互作用著的系統(tǒng)；這個有機體系在相互作用中所發(fā)生的作用機理，是該領域內在運動規(guī)律的外在形式。要保證農業(yè)4.0建設目標和任務真正實現(xiàn)，必須在各個維度之間、各類要素之間、各種參與主體之間，建立一套協(xié)調、靈活、高效的運行機制[20]。

7 結論

綜上所述，農業(yè)4.0的運行過程包括了資源要素、產業(yè)鏈、農業(yè)行業(yè)、現(xiàn)代信息技術、支撐體系以及運行機制等六個維度，利用信息技術優(yōu)化配置農業(yè)資源要素是農業(yè)4.0體系運行的核心。其中農業(yè)資源要素是整個運行框架的根本，也是農業(yè)4.0整個產業(yè)鏈的前期準備、中期歸集、后期整合的主要對象。在前期，農業(yè)資源主要指土地及農資，是農業(yè)生產的原料；在中期，農業(yè)資源主要指勞動力、農資以及信息資源，是生產過程中的必備要素；在后期，資源要素主要指農產品市場的供求信息，主要來自于農產品交易平臺、農產品供需信息系統(tǒng)等。整個運行體系中包括政府、企業(yè)、高校科研院所以及農戶四類主體，其中政府主要負責監(jiān)督管理整個產業(yè)鏈的其他主體運營，確保運營過程中沒有擾亂市場、內部交易等違規(guī)行為，并且制定政策推動整個產業(yè)發(fā)展以及制定規(guī)范約束參與主體行為；農業(yè)企業(yè)以及互聯(lián)網企業(yè)也是農業(yè)4.0的主要參與主體，一般會與農村農戶進行深度合作，形成新的商業(yè)模式，為農業(yè)發(fā)展創(chuàng)造新的機遇；農戶不僅指農村的分散的個體農戶，也包括由多個農戶集聚形成的農業(yè)合作社；高?？蒲性核鶆t主要為整個農業(yè)4.0產業(yè)鏈提供技術支持、專家指導以及人才的培養(yǎng)。四類主體在農業(yè)4.0體系建設中發(fā)揮不同作用，共同構建基礎設施支撐、科技支撐、環(huán)境支撐、產業(yè)支撐、人才支撐和市場支撐的六大支撐體系。如圖1所示。

圖1 農業(yè)4.0 運行的理論體系框架

農業(yè)4.0的整個產業(yè)鏈包括了四個環(huán)節(jié)，即生產、經營、管理和服務。在這四個環(huán)節(jié)中，需要農業(yè)資源要素、支撐體系以及信息技術等其他維度的支持來完成整個產業(yè)鏈的運行。農業(yè)行業(yè)主要包括種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、農機、農產品加工以及休閑農業(yè)等六大行業(yè)，并且根據(jù)這六個行業(yè)制定農業(yè)4.0相應的任務，例如物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等技術在各個行業(yè)的應用等?，F(xiàn)代信息技術包括物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網等，應用貫穿于農業(yè)4.0的各個環(huán)節(jié)以及產前、產中、產后三個階段。發(fā)展模式和運行機制將農業(yè)4.0的各個要素聯(lián)系到了一起，促成他們之間的相互影響、相互約束，在整個外界大環(huán)境下，共享利益、共擔風險，并且相互激勵、相互約束，形成緊密的組織體系。