智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代可行性研究

0 引言

當(dāng)前，全球正面臨著水資源缺乏與生態(tài)環(huán)境惡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，解決這種生態(tài)危機(jī)是每個(gè)國家都應(yīng)面對的難題。農(nóng)業(yè)是水資源消耗的主要領(lǐng)域之一，傳統(tǒng)人工灌溉效率低下，其效率與可持續(xù)性已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)?！丁笆奈濉比珖r(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）指出，到2025年，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)品初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化率達(dá)到 27% ?！兑?guī)劃》還明確推進(jìn)了推進(jìn)智能化育苗、生長環(huán)境和作物本體自動監(jiān)測、環(huán)境遠(yuǎn)程調(diào)控、水肥藥精準(zhǔn)管理、智能植保、自動收獲等技術(shù)應(yīng)用的具體措施。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算與人工智能技術(shù)的融合為農(nóng)業(yè)智能化提供了新機(jī)遇。近年來，智能灌溉系統(tǒng)已成為提升農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的關(guān)鍵，智能灌溉系統(tǒng)通過科學(xué)的灌溉管理與差異化策略進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水增效，在全球范圍內(nèi)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。然而，我國在高端傳感器、智能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，仍然受制于人，智慧農(nóng)業(yè)無線通信方式也基本采用Zigbee、LoRa等國外技術(shù)。采用國外技術(shù)不但成本高，也可能帶來信息安全風(fēng)險(xiǎn)，國產(chǎn)化替代成為亟待解決的問題。因此，開展智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的可行性研究，探索具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化替代方案，對于提升我國農(nóng)業(yè)信息安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的自主可控、推動農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級都具有重大意義。

1智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的定義、關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)差異

1.1 定義

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是指利用新一代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)等技術(shù)手段，對農(nóng)業(yè)灌溉過程進(jìn)行智能化控制與科學(xué)管理的技術(shù)系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的核心是精準(zhǔn)感知、智能決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。該系統(tǒng)通過在田間布設(shè)不同類型的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤熵情和作物生長狀態(tài)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，通過邊緣智能控制系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，利用人工智能算法得到智能化執(zhí)行方案。邊緣智能控制是指將計(jì)算、存儲和應(yīng)用服務(wù)等功能下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析。在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中，邊緣智能控制的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和帶寬需求。自前，我國已經(jīng)在邊緣智能控制方面取得了一些研究進(jìn)展，為智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的國產(chǎn)替代提供了有力支持。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息通信技術(shù)、智能控制算法3大類。物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它通過大量傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的全面監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括王壤摘情、養(yǎng)分含量等作物生長參數(shù)，灌溉系統(tǒng)則根據(jù)實(shí)時(shí)作物生長數(shù)據(jù)和歷史趨勢，實(shí)現(xiàn)灌溉方案的持續(xù)優(yōu)化，從而不斷提高灌溉效率。信息通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，灌溉系統(tǒng)的科學(xué)決策依賴數(shù)據(jù)的收集和分析，而數(shù)據(jù)的收集、傳感器節(jié)點(diǎn)與灌溉系統(tǒng)的交互都離不開先進(jìn)的通信技術(shù)?；谕ㄐ偶夹g(shù)，用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，大大提高了便捷性和靈活性。智能控制算法是該系統(tǒng)的核心技術(shù)，是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。通過高精度的傳感器，智能控制算法在分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作物生長模型，自動調(diào)整灌溉策略，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉]

1.3技術(shù)差異

國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)存在較大差距。國外智慧農(nóng)業(yè)起步較早，尤其是美國和以色列等國家的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)較為先進(jìn)，其智慧農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品在全球的市場份額處于領(lǐng)先地位。美國通過研發(fā)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了灌溉水量的精準(zhǔn)控制，大大提高了灌溉效率；以色列則是通過節(jié)水技術(shù)和智能灌溉系統(tǒng)，在干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)起步較晚，但近年來在國家的大力支持下取得了長足的發(fā)展。目前，我國智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研發(fā)側(cè)重在精準(zhǔn)灌溉、高效節(jié)水和智能化控制等方面。我國還積極推進(jìn)智能化控制系統(tǒng)的研發(fā)與探索，以提高灌溉效率和降低人工成本。

2智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的可行性分析

研究聚焦于智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代問題，從技術(shù)基礎(chǔ)、市場需求、成本效益、風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)等多個(gè)維度進(jìn)行深入分析，結(jié)合國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、市場應(yīng)用情況等方面，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)與存在問題，對智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代進(jìn)行全面可行性分析。

2.1技術(shù)基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力

通過加大研發(fā)投入、促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合等措施，我國在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力不斷提升。隨著眾多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)引進(jìn)與吸收國外智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新，不斷開展智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的研發(fā)工作，我國在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列重要成果。在傳感器技術(shù)方面，我國已經(jīng)研發(fā)出了多種精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的土壤熵情傳感器、溫度傳感器等設(shè)備；在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，我國已經(jīng)建立了較為完善的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系，為智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用提供了有力支持。

2.2市場需求與政策支持

在市場需求方面，國產(chǎn)替代市場廣闊。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)因灌溉精準(zhǔn)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎，特別是在干旱地區(qū)，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用效果更加顯著。隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，水資源缺乏問題也日益嚴(yán)峻，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對提升灌溉效率和水資源利用率的需求日益迫切。因此，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代市場前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

我國政府為了推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，出臺了大量利好政策?！稊?shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展行動計(jì)劃（2022—2025年）》（以下簡稱《計(jì)劃》）明確提出實(shí)施“智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動”，要求加快推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展?！队?jì)劃》從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、技術(shù)推廣應(yīng)用、人才培養(yǎng)等方面提出了具體措施，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了全面的政策支持?！掇r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范區(qū)數(shù)字化建設(shè)指南》為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范區(qū)的數(shù)字化建設(shè)提供了詳盡的指導(dǎo)，包括智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)的建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)要求、實(shí)施步驟等方面?！蛾P(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》也強(qiáng)調(diào)，要推進(jìn)智能農(nóng)機(jī)與智慧農(nóng)業(yè)、云農(nóng)場建設(shè)等融合發(fā)展。

市場需求與政策導(dǎo)向的協(xié)同作用，推動了智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的發(fā)展。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化的跨越式發(fā)展，為智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代提供了廣闊的市場空間。同時(shí)，政府出臺的利好政策也為智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代提供了大力支持。這將推動智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的快速發(fā)展。

2.3 成本效益分析

與國外進(jìn)口系統(tǒng)相比，我國智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)存在建設(shè)成本與運(yùn)維成本低的優(yōu)勢。一方面，我國是制造業(yè)大國，在生產(chǎn)制造成本方面具有天然優(yōu)勢，能夠提供更高性價(jià)比的智慧農(nóng)業(yè)灌溉產(chǎn)品；另一方面，國內(nèi)具有人力資源優(yōu)勢，因此智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)運(yùn)維成本也相對較低。此外，國內(nèi)企業(yè)具有本土化優(yōu)勢，更了解我國的市場需求和用戶使用習(xí)慣，能夠提供更加個(gè)性化的服務(wù)。因此，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代具有更高的性價(jià)比和競爭力，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

2.4.1 技術(shù)成熟度與穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)

盡管我國在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了一定的技術(shù)積累和創(chuàng)新成果，但與國外相比仍存在一定差距，具體體現(xiàn)在技術(shù)成熟度和穩(wěn)定性方面。

2.4.2 品牌認(rèn)知度相對較弱

我國智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)市場基本被國外大品牌占據(jù)，國內(nèi)品牌的競爭力相對較弱，市場占有率也處于弱勢。

2.4.3人才培養(yǎng)方面存在不足

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)存在多學(xué)科交叉融合，需要具備跨學(xué)科知識的專業(yè)人才進(jìn)行研發(fā)與維護(hù)。然而，我國在相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)仍存在短板。因此，加強(qiáng)人才培養(yǎng)建設(shè)，是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的必由之路

3 國內(nèi)外典型案例

廣州技象科技基于TPUNB的水肥一體化系統(tǒng)是國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的典型案例。TPUNB作為我國自主研發(fā)的超窄帶通信技術(shù)，具備超低功耗、覆蓋范圍廣與高安全性的優(yōu)勢，能夠滿足智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)對通信技術(shù)的全部要求，為智能灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代提供了新路徑?；赥PUNB的水肥一體化系統(tǒng)具有安裝方便、后期維護(hù)成本低等特點(diǎn)。技象科技通過自主創(chuàng)新，成功研發(fā)出了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，在市場上獲得了良好反響。同時(shí)，技象科技還積極參與國際競爭與合作，在多個(gè)國家建立了產(chǎn)品應(yīng)用示范點(diǎn)。

以色列耐特菲姆公司的節(jié)水滴灌技術(shù)是國外智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動的典型案例。滴灌技術(shù)通過滴頭將水直接輸送到植物根部實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，大幅提高了水資源的利用率[2]。節(jié)水滴灌技術(shù)的核心優(yōu)勢是對灌溉量的精準(zhǔn)控制，并實(shí)現(xiàn)水肥一體化的智能化管理。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，耐特菲姆公司的灌溉系統(tǒng)可以節(jié)約 的用水量，效果顯著。與此同時(shí)，灌溉量的精準(zhǔn)控制也大幅提高了肥料的利用率，從而降低了對環(huán)境的污染[3]

技象科技的成功案例，說明我國相關(guān)企業(yè)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)方面具有良好基礎(chǔ)，與耐特菲姆等先進(jìn)企業(yè)相比的差距主要是市場占有率和技術(shù)積累。

4結(jié)論與建議

研究通過對智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的可行性進(jìn)行深入分析，得出了以下主要結(jié)論：一是國產(chǎn)化替代在技術(shù)基礎(chǔ)、市場需求、成本效益等方面具有可行性；二是國產(chǎn)化替代有助于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；三是國產(chǎn)化替代需要所有參與者的共同努力和支持。研究結(jié)合我國當(dāng)前情況，提出以下建議。

4.1加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)

政府有關(guān)部門應(yīng)加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展；企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)投入力度。政府應(yīng)加大支持力度，完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)方式，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。例如，鼓勵(lì)開展智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合。

4.2完善政策支持體系

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，需要政策先行。在自主可控的大趨勢下，政府更應(yīng)積極支持國產(chǎn)化替代，出臺智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的激勵(lì)政策。這關(guān)系到我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展大計(jì)，甚至關(guān)系到我國的糧食安全。

4.3 應(yīng)用示范項(xiàng)目與市場推廣

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代示范項(xiàng)目是展示智慧農(nóng)業(yè)突出優(yōu)勢的窗口。實(shí)施小批量的國產(chǎn)化替代示范項(xiàng)目的建設(shè)和推廣，可以凸顯國產(chǎn)化替代方案的差異化優(yōu)勢，同時(shí)可以提高國產(chǎn)化替代方案的知名度，進(jìn)而推動灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代方案的大規(guī)模應(yīng)用和快速發(fā)展。

4.4加強(qiáng)人才培養(yǎng)與技術(shù)支持

針對智慧農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域?qū)I(yè)人才缺乏問題，政府部門及相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大專業(yè)人才培養(yǎng)力度，培養(yǎng)一批具備智慧農(nóng)業(yè)知識背景的專業(yè)人才，以滿足智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求；同時(shí)，鼓勵(lì)高校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)開展合作與交流，加速人才培養(yǎng)進(jìn)程。相關(guān)部門應(yīng)建立完善的人才培養(yǎng)體系，保障智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的穩(wěn)定發(fā)展。

5智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的展望

隨著新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速迭代，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與裝備發(fā)展迅速。一是邊緣智能計(jì)算技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)速度大幅提高4，數(shù)據(jù)處理能力快速增長。二是人工智能算法不斷優(yōu)化，硬件性能不斷提升，提高了智能灌溉系統(tǒng)的決策能力和執(zhí)行效率。三是傳感器技術(shù)和智能控制算法持續(xù)優(yōu)化，提高了智能灌溉系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性5。這些技術(shù)的發(fā)展為智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代提供了有力支持。

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代具有廣闊的市場前景，國內(nèi)對智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的需求也在不斷增加。隨著市場需求的激發(fā)與激勵(lì)政策的逐步出臺，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)國產(chǎn)化替代將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

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