吳繼成,單東林,楊曉文,2,楊娟,張岫琪
(1.農(nóng)業(yè)部南京設計院,南京市,210014;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京市,210014)
經(jīng)過多年的發(fā)展,畜牧業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟中舉足輕重的產(chǎn)業(yè)。2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,除生豬產(chǎn)量受非洲豬瘟沖擊影響下降較多外,其他主要畜產(chǎn)品產(chǎn)量仍然保持相對平穩(wěn)[1-2]。盡管從主要畜產(chǎn)品產(chǎn)量上來看,我國是名副其實的畜牧業(yè)大國,但畜牧業(yè)的發(fā)展面臨諸如土地資源緊缺、標準化生產(chǎn)程度低、科技支撐能力弱、重大疫病防控難、糞污處理難度大、養(yǎng)殖綜合效益不高等突出問題[3],這些都是制約我國成為畜牧業(yè)強國的主要障礙,畜牧業(yè)已處于亟需突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關鍵時期。
隨著科技的不斷進步,以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等為特征的新一代信息技術深刻改變畜牧業(yè)發(fā)展方式,成為產(chǎn)業(yè)提檔升級的重要推動力量[4-5]?!稊?shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃(2019—2025年)》《國務院辦公廳關于促進畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》(國辦發(fā)〔2020〕31號)等文件要求加強數(shù)字農(nóng)業(yè)技術在畜牧業(yè)中的應用,不斷提升我國畜牧業(yè)信息化水平。當前,在縱深推進鄉(xiāng)村振興、構建“雙循環(huán)”新格局戰(zhàn)略背景下,通過數(shù)字農(nóng)業(yè)技術對畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)、加工、流通、營銷、監(jiān)管等各環(huán)節(jié)賦能增效,推動傳統(tǒng)養(yǎng)殖向數(shù)字化養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變成為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。
綜合評價是指在多個因素或多個指標相互作用下,按照一定的標準對評價對象的優(yōu)劣進行綜合判斷,從而為科學決策提供依據(jù)[6]。綜合評價方法在畜禽養(yǎng)殖行業(yè)中已得到廣泛的應用,目前國內(nèi)外相關文獻主要針對畜禽養(yǎng)殖圈舍內(nèi)環(huán)境適宜性、糞污處理技術效能、養(yǎng)殖環(huán)境承載力、畜禽產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管績效等方面進行綜合評價[7-10],尚無涉及規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價的研究。近年來國家不斷加大對規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)項目資金投入,盡管為項目申報單位提供了菜單式選項,但由于單個項目投資規(guī)模較大,其規(guī)劃方案本身又是一個全面、系統(tǒng)的工程,這就為項目投資決策、規(guī)劃建設帶來了難點。因此,本文基于組合賦權-TOPSIS法構建了綜合評價模型,依據(jù)技術、經(jīng)濟、社會、生態(tài)四大類指標對規(guī)劃備選方案進行綜合評判,從中選擇最優(yōu)方案,為規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃建設提供方法體系和理論支撐。
為加快推進數(shù)字農(nóng)業(yè)技術在農(nóng)業(yè)重要領域集成應用和推廣示范,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部從2017年開始連續(xù)多年組織開展數(shù)字農(nóng)業(yè)建設試點。2017年、2018年圍繞大田種植、設施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖四大領域探索數(shù)字農(nóng)業(yè)技術集成應用方案和經(jīng)驗模式,兩年累計立項批復57個數(shù)字農(nóng)業(yè)建設試點項目,其中畜禽養(yǎng)殖類21個[11]。2019年、2020年開展數(shù)字農(nóng)業(yè)試點縣、單品種全產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)、數(shù)字農(nóng)業(yè)創(chuàng)新中心三大類項目建設,其中針對畜禽養(yǎng)殖數(shù)字化關鍵技術研發(fā)、技術標準體系建設、產(chǎn)品推廣應用等任務,由北京市農(nóng)林科學院建立國家畜禽智慧養(yǎng)殖數(shù)字農(nóng)業(yè)創(chuàng)新中心[12]。2021年結合最新上位規(guī)劃和優(yōu)勢主導產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求,以前期已建立的國家數(shù)字農(nóng)業(yè)創(chuàng)新中心為支撐,將“智慧+”理念貫穿推進相關產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的全過程,通過數(shù)字化種植、養(yǎng)殖應用推廣基地建設,為全國提供數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型樣板。從近幾年的試點工作來看,畜禽養(yǎng)殖數(shù)字農(nóng)業(yè)建設是數(shù)字農(nóng)業(yè)項目支持的重要類型,其主要建設內(nèi)容包括構建環(huán)境智能控制、精準飼喂管理、產(chǎn)品自動收集、畜禽糞污處理、動態(tài)監(jiān)測預警、育種繁育管理、產(chǎn)品質(zhì)量溯源等系統(tǒng),同時對與之關聯(lián)的設施設備進行必要的改造。
現(xiàn)代化畜禽養(yǎng)殖場工程規(guī)劃主要涉及場址比選、功能布局、生產(chǎn)工藝、工程工藝、設備選型、投資估算、效益分析、風險評估等多方面內(nèi)容[13],而規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃則綜合考慮現(xiàn)代信息技術在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中對改善圈舍環(huán)境質(zhì)量,提升畜禽生產(chǎn)性能,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,增強養(yǎng)殖綜合效益等方面的作用,更側(cè)重基于智能養(yǎng)殖設備的數(shù)字農(nóng)業(yè)技術集成應用,因此,其集合了養(yǎng)殖工藝、疫病防治、環(huán)境控制、建筑工程、智能設備等技術內(nèi)容,是一個復雜的系統(tǒng)工程。規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺通常采用三級架構(應用層—現(xiàn)場控制層—前端采集):前端采集即通過采集器、傳感器、控制器、攝像機等采集、傳輸環(huán)境及生產(chǎn)相關數(shù)據(jù);現(xiàn)場控制層主要利用基礎層的數(shù)據(jù)資源開發(fā)環(huán)境調(diào)控、飼喂管理、糞污處理、監(jiān)測預警、質(zhì)量溯源等各類控制子系統(tǒng);應用層主要是通過向行業(yè)各個領域滲透應用從而實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)技術與產(chǎn)業(yè)的深度融合。
評價指標體系的構建應符合簡約性、可比性、獨立性、可行性等基本原則。規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案的優(yōu)劣主要受技術條件和項目效益的影響,數(shù)字農(nóng)業(yè)基本特征是“信息知識+智能裝備”,以現(xiàn)代信息技術為核心的智能養(yǎng)殖設備在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮巨大作用[14],因此在構建評價指標體系時,需要將設備技術作為重要指標加以考慮;對于農(nóng)業(yè)項目效益的評價考核通??蓮慕?jīng)濟、社會及生態(tài)三個維度來建立評價指標。在評價指標進一步分解篩選過程中,最大限度收集農(nóng)業(yè)項目可行性、養(yǎng)殖設備選型、循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展、畜牧業(yè)信息化、數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村等相關研究的評價指標[15-19],并結合規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃內(nèi)涵,初步建立指標庫。同時廣泛征求相關行業(yè)領域?qū)<乙庖?,合理刪增或替換指標。最終,得到包含4個一級指標、18個二級指標的規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價指標體系,體系框架如圖1所示。
圖1 規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價指標體系框架
上述評價指標體系中,按指標趨勢方向可分為正向指標和逆向指標,正向指標如技術成熟度(B1)、工藝符合性(B2)等是其指標值越大評價越好,逆向指標如項目總投資(B7)、靜態(tài)投資回收期(B8)等則與之相反;另外按指標是否能夠直接精確衡量,又可分為定量指標和定性指標,各評價指標含義及屬性見表1。顯然定性指標具有模糊性不易量化,本文所涉及的定性指標全部為正向指標,可采用分級賦值進行量化處理,將該類指標的考評統(tǒng)一劃分為9個等級,最小值為1、最大值為9,即指標賦值越大則評價越好。
表1 規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價指標體系
規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃備選方案P為待評價對象,若待評價的方案有m個,相應的每個方案有n個評價指標,根據(jù)指標定義獲取各指標原始值,第i個方案第j個評價指標值記為xij(i∈m=1,2,…,m;j∈n=1,2,…,n,),則建立初始評價矩陣X=(xij)m×n如式(1)所示。
(1)
評價指標權重的確定是綜合評價的基礎,根據(jù)主客觀因素影響的大小,其計算方法大體分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法三種。主觀賦權法是將專家的經(jīng)驗判斷量化后來確定權重,因此存在主觀隨意性的缺陷;客觀賦權法是根據(jù)指標之間內(nèi)在關系,應用一定的數(shù)理方法計算確定權重;而本文根據(jù)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價指標體系,綜合考慮主觀賦權和客觀賦權兩者優(yōu)缺點,采用組合賦權法來計算確定評價指標權重。
2.3.1 層次分析法
層次分析法(簡稱AHP)是一種簡潔而實用、定量定性結合的系統(tǒng)分析方法,在多準則、多指標復雜問題的決策和評價中應用較為普遍。通過問題逐級分解建立層次結構模型,由專家根據(jù)自身經(jīng)驗對每層指標兩兩相對重要性賦值,引入1~9標度法將比較判定量化為矩陣形式,計算判斷矩陣最大特征值的特征向量并歸一化得到層次單排序權重,根據(jù)層次結構模型由上而下依次計算。本文構建了兩級指標體系,若一級指標體系中層次單排序權重分別為a1,a2,…,ak,二級指標體系中與ai對應的層次單排序權重分別為bi1,bi2,…,bin,則二級指標對目標層的層次總排序權重[20]計算如式(2)所示。
(2)
式中:ωj'——層次分析法確定的指標權重;
ai——一級指標層第i個指標的層次單排序權重;
bij——二級指標層第j個指標對上一層第i個指標的層次單排序權重,兩者無關聯(lián)時,bij=0。
2.3.2 熵權法
熱物理學中熵的概念引申至信息論中又被稱為信息熵。熵權法是根據(jù)各指標離散程度,利用信息熵來計算評價指標的權重。若某一指標的離散程度越大,說明其對評價結果的影響越大,相應的其權重越大;反之則其權重越小,當某一指標無差異時則說明其對評價結果完全沒有影響,可考慮剔除該指標。利用熵權法計算評價指標權重時,首先需將蘊含指標客觀信息的初始評價矩陣歸一化,再根據(jù)信息熵定義計算各指標的信息熵,最后利用信息熵計算確定各指標權重。
(3)
(4)
(5)
式中:pij——第j個指標下第i個方案指標值的比重;
ej——第j個指標的信息熵;
ωj″——熵權法確定的指標權重。
2.3.3 綜合權重計算
為使評價指標權重更加合理可靠,將層次分析法和熵權法確定的兩組指標權重通過乘積法有機結合,再對結果進行歸一化處理,由此可得到評價指標的綜合權重[21]。
(6)
(7)
(8)
式中:maxxj——第j個指標最大值;
minxj——第j個指標最小值。
理想解法(簡稱TOPSIS)是解決有限方案優(yōu)選、多指標決策問題常用的系統(tǒng)分析方法。該方法利用備選方案中各指標最大值集合和最小值集合,構造兩個虛擬的參照對象分別稱為“理想解”和“負理想解”,通過計算備選方案與理想解、負理想解的相對接近度來進行方案的綜合評價[23]。基于組合賦權-TOPSIS法評價模型具體操作過程如下。
(9)
Step 2:利用組合賦權法確定的綜合權重ωj和規(guī)范化評價矩陣Y=(yij)m×n,構建加權的規(guī)范化評價矩陣記為Z=(zij)m×n。
zij=ωjyij,i∈m,j∈n
(10)
Step 3:通過加權的規(guī)范評價矩陣確定備選方案理想解和負理想解,各指標最大值的集合為理想解Z+,各指標最小值的集合為負理想解Z-。
(11)
(12)
(13)
(14)
Step 5:計算備選方案對理想解的相對接近度cj,其體現(xiàn)的是接近理想解并遠離負理想解的程度。根據(jù)cj值的大小進行備選方案優(yōu)劣評價,0≤cj≤1,cj值越大表示該規(guī)劃方案越優(yōu)。
(15)
廣東省某集團公司創(chuàng)立于2002年,現(xiàn)已成為一家集科研、生產(chǎn)、貿(mào)易于一體的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)集團,其下屬某規(guī)模化豬場為本次畜禽養(yǎng)殖數(shù)字農(nóng)業(yè)項目實施主體,養(yǎng)殖場現(xiàn)有5條生產(chǎn)線,能繁母豬3 900頭,年出欄生豬6.5萬頭,已配建辦公生活區(qū)3 500 m2、年產(chǎn)10 kt 有機肥廠、日處理400 m3污水處理廠、日處理1 t無害化處理設施。
項目規(guī)劃目標是通過數(shù)字化改造升級,提高生產(chǎn)綜合水平,養(yǎng)豬成活率提高2%,生產(chǎn)成本降低30元/頭,年出欄優(yōu)質(zhì)生豬10萬頭(新增3.5萬頭),廢水產(chǎn)生量及排放量要求比現(xiàn)狀削減35%以上,COD、NH3-N排放量大幅縮減,糞污無害化和資源化率得到提升,將養(yǎng)殖場打造成生豬養(yǎng)殖信息化、智能化發(fā)展示范樣板。
綜合考慮場區(qū)功能布局、基礎設施條件,分析該場現(xiàn)狀生產(chǎn)能力、技術條件、主要障礙因素,按照畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)建設要求,重點加強環(huán)境控制、飼喂管理、糞污處理、育種管理、質(zhì)量追溯等系統(tǒng)建設及設施改造,在項目前期規(guī)劃階段初步擬定了3套備選方案。
方案1(P1):規(guī)劃采用定位飼養(yǎng)生產(chǎn)工藝,其妊娠母豬采用單體欄飼養(yǎng)。環(huán)境控制采用水簾降溫,機械、自然相結合通風,豬舍內(nèi)溫度、濕度、光照等參數(shù)采用單因素控制;飼喂管理采用自動加料車配合自動食槽、自動飲水器;糞污處理采用全漏縫地板、水泡糞清糞工藝;配套國產(chǎn)豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng);綜合管理主要借助普通的企業(yè)管理軟件;結合數(shù)字化系統(tǒng)設備安裝要求對豬舍土建設施進行改造。
方案2(P2):規(guī)劃采用圈欄飼養(yǎng)生產(chǎn)工藝,其妊娠母豬以及斷奶期仔豬、育肥育成期豬均在圈欄中飼養(yǎng)。環(huán)境控制通過傳感器采集溫濕度、光照度、CO2(NH3)濃度等參數(shù),利用濕簾、風機、天窗等精準聯(lián)動控制豬舍內(nèi)環(huán)境;飼喂管理采用液態(tài)自動喂料系統(tǒng),并配置哺乳母豬智能飼喂設備及妊娠母豬智能飼喂設備;采用高床漏縫地板,底層墊料發(fā)酵車間,糞污通過翻堆設備、刮糞設備自動化處理;配套國產(chǎn)豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng);綜合管理由專業(yè)信息公司開發(fā),對生產(chǎn)環(huán)節(jié)各子系統(tǒng)進行集成,預留第三方子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口;結合數(shù)字化系統(tǒng)設備安裝要求對豬舍采用高床發(fā)酵型生態(tài)養(yǎng)豬模式改造。
方案3(P3):規(guī)劃采用定位飼養(yǎng)生產(chǎn)工藝,其妊娠母豬采用單體欄飼養(yǎng)。環(huán)境控制采用滴水噴霧、排風扇組合降溫,豬舍內(nèi)溫度、濕度、光照等參數(shù)采用閉環(huán)控制系統(tǒng);飼喂管理采用定量裝置的給料系統(tǒng)、自動飲水器;糞污處理采用全漏縫地板、往復式刮糞板清糞方式;配套國產(chǎn)豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng);綜合管理采用國產(chǎn)成熟的豬場生產(chǎn)管理信息系統(tǒng);結合數(shù)字化系統(tǒng)設備安裝要求對豬舍土建設施進行改造。
備選方案擬定后進行初步評審,由養(yǎng)殖場負責人、生產(chǎn)管理員、養(yǎng)殖行業(yè)專家、智能化養(yǎng)殖設備專家等組成評審小組,重點對技術成熟度、工藝符合性等定性指標進行統(tǒng)一標準的量化評價。定量指標則按指標計算規(guī)則精確考核,最終根據(jù)18個指標的原始值建立備選方案初設評價矩陣如表2。
表2 備選方案初始評價矩陣
根據(jù)式(2)~式(6)綜合運用層次分析法和熵權法計算得到評價指標綜合權重如表3。
表3 組合賦權評價指標綜合權重
根據(jù)式(7)~式(9)將初始評價矩陣標準化、規(guī)范化,根據(jù)式(10)建立加權的規(guī)范化評價矩陣如表4。
表4 加權的規(guī)范化評價矩陣
根據(jù)式(11)、式(12)計算各指標理想解Z+和負理想解Z-。
Z+=(0.178,0.041,0.030,0.006,0.006,0.080,0.017,0.034,0.042,0.020,0.020,0.061,0.091,0.016,0.051,0.006,0.023,0.004)
Z-=(0.089,0.020,0.015,0.003,0.003,0.040,0.009,0.017,0.021,0.010,0.010,0.031,0.046,0.008,0.025,0.003,0.011,0.002)
根據(jù)式(15)計算備選方案對理想解的相對接近度cj。
cj=(0.161,0.840,0.691)
按照cj值由大到小進行排序為c2、c3、c1,則對應的備選方案優(yōu)劣順序為P2、P3、P1,因此選取方案2(P2)為本次規(guī)模化豬場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃最優(yōu)方案。
方案1除主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用自動控制設備外,大部分還是通過采用傳統(tǒng)的人為控制方式,自動化、信息化建設水平相對較低。對比方案2、方案3,雖然初期建設投資和后期設備運行維護成本低,但是存在豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量控制差、養(yǎng)殖工人勞動強度大、糞污后續(xù)處理費用高和養(yǎng)殖綜合效益低等弊端。
方案2采用更符合當前規(guī)?;i場生產(chǎn)工藝技術發(fā)展趨勢的設施與設備,基本實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖全過程數(shù)字化、信息化建設。雖然先期一次性投資較大,但可大幅度減少企業(yè)用工成本,節(jié)水節(jié)能效益顯著,糞污資源化效率提升,可大幅提高生豬養(yǎng)殖的綜合效益。通過生豬養(yǎng)殖和新一代信息技術的緊密融合示范,能有效帶動生豬養(yǎng)豬模式轉(zhuǎn)型升級。
方案3是參照目前國內(nèi)大部分集約化豬場養(yǎng)殖模式而擬定的數(shù)字化建設規(guī)劃方案,區(qū)別于方案2妊娠母豬采用智能化群養(yǎng)系統(tǒng),其妊娠母豬采用單體欄飼養(yǎng),表面上來看可節(jié)約項目建設投資,實際上未考慮母豬健康福利養(yǎng)殖,沒有按照母豬生物學特性和不同生理階段需求進行飼養(yǎng)管理,這也是造成母豬疾病感染率高、生產(chǎn)性能低下的重要原因。
1)針對規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案評價結果總目標,本文構建了兩級評價指標體系。根據(jù)項目自身特點建立設備技術、經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益共4個一級指標,并將一級指標進一步細分為技術成熟度、工藝符合性、項目總投資、靜態(tài)投資回收期、技術示范推廣、環(huán)保投資占比等共18個二級指標。從整體來看,評價指標數(shù)量適中,可操作性強。
2)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃方案綜合評價前提條件是指標權重的確定,而指標權重準確、客觀與否直接影響評價結果的可信程度。本文在指標權重計算時,兼顧主觀經(jīng)驗和客觀實際采用組合賦權法,即綜合運用偏主觀的層次分析法和偏客觀的熵權法,得到了更加科學合理的指標權重值。計算結果顯示,指標權重排序靠前的依次為技術成熟度(0.248)、智能化(0.120)、直接帶動就業(yè)(0.119)、節(jié)水節(jié)能效益(0.082)、技術示范推廣(0.071)、工藝符合性(0.055),另外設備技術層指標綜合權重最大(0.484),說明在規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字化改造升級中,合理配置智能養(yǎng)殖設備是各項工作的重中之重。
3)建立了基于組合賦權-TOPSIS法的綜合評價模型,利用該模型對某規(guī)模化豬場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃3套備選方案進行了實證研究。結果表明,方案2接近度0.840,明顯高于方案1(0.161)和方案3(0.691),因此確定方案2為最優(yōu)方案。評價結果也與當前規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場朝信息化、自動化、智能化發(fā)展趨勢一致,該評價方法為規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場數(shù)字農(nóng)業(yè)規(guī)劃建設提供有益參考。