农业物联网应用推广存在的问题和改进建议

 向绪友，周 超，贺 艺 

（湖南省农业信息与工程研究所，湖南 长沙 410125）



农业物联网应用推广存在的问题和改进建议

向绪友，周 超，贺 艺

（湖南省农业信息与工程研究所，湖南 长沙 410125）

摘 要：介绍了农业物联网体系结构和应用模式，分析了当前农业物联网应用推广存在的主要问题：基础条件方面主要是需求驱动乏力和应用关键技术储备不足；项目建设方面主要是大系统小应用、追求不可实现的需求、忽视使用风险、农业知识融入度低、体系和方法“陈旧过时”和成本评估有失客观等。并提出了加大农业物联网科普力度、重构顶层架构、大力发展农业知识基础建设、调整政府扶植模式以及开展“小需求”的应用研究和推广等改进建议。

关键词：物联网；农业知识；问题；建议

物联网不是全新的网络和应用[1]，是多年来各行各业应用与信息通信技术融合发展的产物。这导致当前关于物联网的概念很多，每个定义都与特定的组织或应用领域（行业）关联，但可总结为：基于网络进行识别和感知，基于感知提供服务。在ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组织）看来：物联网是全球信息社会基础设施，物与物（thing，是有形和无形物的总称）之间通过现有的和演进的信息通信技术进行互联从而提供先进的服务。由此可见，物联网是社会全面信息化的基础，其核心是提供“先进服务”。针对特定的行业，如农业，服务既智能化农业应用。

一项新技术运用于农业生产过程时，通常要经过三个阶段，一是技术产品准备，二是示范，三是推广普及。我国农业物联网应用当前仍处于第二个阶段。在多年的农业物联网应用推广实践中遇到和发现了一些问题，以下主要从技术层面探讨其可能原因，并提出改进意见。

1 农业物联网体系结构和应用模式

1.1 农业物联网体系结构

农业物联网是农业信息化应用与通信技术融合发展的产物，从信息化应用的角度看，农业物联网是物联网面向农业领域的一种具体实现。在ITU-T框架下，农业物联网体系结构如图1所示。

图1　农业物联网体系结构

1.2 农业物联网应用模式

综合分析国内外面向农业生产过程的农业物联网应用案例，其应用模式可归纳为2类，一是感知展现类，二是感知控制类。

1.2.1 感知展现模式 感知展现类主要用于信息采集、存储、分析和显示，其结构如图2所示。

图2　农业物联网感知展现模式结构

此模式的特点是应用主体是采集和发布，应用平台只是一个将数据传输到应用终端的通道，其价值是部分实现了作物本体生长环境和“生命体数字化特征”[2]感知，由于不具备反馈控制能力，感知后的处理在应用外完成，多用于生产过程辅助管理，对农业生产过程的智能化贡献不大。

1.2.2 感知控制模式 感知控制类在感知展现类的基础上增加了反馈控制功能，实现了物与物之间的互连互通互操作，比较完整地实现了物联网应用概念，其应用结构如图3所示。

图3　农业物联网感知控制模式结构

此模式应用主体是感知作物生长信息，利用感知信息调控影响生长的各因素，使作物始终处于预期的生长状态，从而实现农业生产过程的智能化。图3中，C0、C1、C2、C3是应用中可能存在的控制流。

在现有的感知能力下，决定应用智能化贡献度大小的关键是“智能组件”的能力。当应用中不存在“智能组件”时，物联网仅仅起到了替代人工管理作用。

2 农业物联网应用推广存在的主要问题

2.1 基础条件方面的问题

2.1.1 需求驱动乏力 首先是农业物联网技术普及不深入广泛。近期就此问题做过简单的调研，调研对象包括农业企业高次管理人员，生产性技术人员和种植大户，结果表明只有及少数基本了解农业物联网概念，联想到应用的就更少，稍做引导后情况大为改观。这个问题导致生产一线需求难以激活，使农业物联网应用发展失去从底向上的驱动力。

2.1.2 应用关键技术储备不足 农业物联网应用首先是信息化应用，进而是一种行业信息化应用。从信息应用的角度来看，农业物联网应用发展受三大因素的影响，一是与生产过程紧密相关的硬性需求，二是可用于融合计算的行业知识——融合计算农业知识，三是通信、传感等基础设施和设备。三者之中，最重要的因素是融合计算农业知识，融合计算农业知识包括用于信息处理的表达方法、模型和算法等内容，是农业物联网应用的关键技术，其数量、质量和涵盖的领域决定了农业物联网应用发展的深度、广度和速度。

虽然我国农业信息化应用经过多年的发展取得了巨大的成就，但客观上仍然没有为全面开展农业物联网应用在融合计算农业知识资源方面做好准备工作，比如面对围绕“高产、优质、高效、生态、安全”的大量需求而无力提供有效解决方案。

另外，物联网只是一个工具，不与农业知识相结合根本解决不了农业问题，了解这点有利于我们理解农业物联网应用内涵。

2.2 项目建设方面的问题

2.2.1 大系统小应用 这类项目以物理建设为主，大部分投入用于设备采购，应用逻辑少，与农业行业知识紧密偶合的应用逻辑更是少之又少，是一种空洞的农业物联网应用。从工程学的角度看是在用90%投入解决10%的问题，是一种不倡导的应用模式。在一份“农业物联网应用汇编”的资料中纪录了一个案例，一个注册资本约3千万元企业，投资1千万元以上建立农业物联网应用系统，主要应用逻辑仅仅实现了病虫害预警预测，这是典型的大系统小应用类项目。基于每年高达60万元的数据传输线路租用费，再考虑维护和折旧因素，每年的使用成本至少在200万元以上，也是一种用户不堪重负的应用，即是建得起，也用不起。

2.2.2 追求不可实现的需求 如果项目在设计时只有功能和用途说明，没有进行充分的需求分析，也没有考虑（或有意忽略）需求的可实现性，立项后会因解决不了需求实现的关键技术问题而导致项目失败。这类设计与实现不相符的项目比比皆是，存在于多个应用领域。产生的原因比较复杂，有管理上的原因，有技术理解方面的原因，主要原因是没有遵守信息化应用基础规则。与农业知识融合比较深的应用领域最容易出现此类项目，如鲜活农产品安全溯源。鲜活农产品安全溯源是一个社会广泛认同的需求，也被认为是一种农业物联网应用。农产品安全溯源是一个倾向于保障买方权益的需求，关键是要提供一种解决方案，保证农产品身份标签内容不被复制和篡改，保证农产品身份标签与农产品一对一关系不被非法改变。因此，在没有研发出适用的无损防篡改标记技术前，建立类似“从田间到餐桌”的全程安全溯源系统是没有可用性的，当年大闸蟹防伪标签论斤卖的现象部分说明了这点。

2.2.3 忽视使用风险 农业物联网应用在信息化应用分类上属于关键应用，关键应用对可靠性要求很高，运行在关键应用主机和高可靠网络平台之上，任何软件、主机和网络缺陷都会带来灾难性后果，通常承建关键应用的IT企业需要合理地承担使用风险。

我国农业物联网示范工程大多依赖政府的科技推动和项目资金支持建设[3-4]，立项时没有考虑应用使用风险，再加上项目参与单位不是简单的甲方乙方关系，建设过程中更不会界定风险责任主体，使用风险由用户承担。无论应用风险是否被告知，只要不显式说明使用风险责任主体，应用就不会被用户完全信任，就得不到充分使用，而且不被使用的功能往往是最“物联网”的功能——具有一定智能特征的自动控制功能。这种承建方完全免责的现象在其它行业是不存在的，比如当年某省建设银行因IT企业提供的应用系统缺陷使该行部分ATM非正常吐钞，IT企业按协议赔偿了全部损失。

2.2.4 农业知识融入度低 农业物联网应用涉及农业技术、计算技术和通信技术，农业技术与信息技术融合产生农业信息应用，农业信息应用与通信技术融合产生农业物联网应用。所谓融合不够是指当前农业物联网应用中农业技术（育种技术、栽培技术、植保技术和加工技术）信息化应用部分所占比重太小，没有突出体现行业（农业）特点，没有充分表现物联网对农业生产过程中的促进作用，示范影响力有限，起不到预期的用示范拉动普遍应用的作用。

其实，我国农业信息化应用通过多年努力，有些领域，如病虫害防治领域，已积累了大量可用于物联网应用的融合计算资源（信息应用系统），已基本具备深层次开展农业物联网应用条件。

2.2.5 体系和方法“陈旧过时” 大多数农业物联网应用示范工程都以完全独立项目形式建设，这是一种传统的信息化应用构造方法（称为“建设模式”），有违互联网时代信息化应用基于“服务”的构造方法。项目模式有建设周期短见效快特点，但也容易产生一些不可忽视的问题，如：（1）一次性投入大；（2）需求变化适应力差；（3）不支持“小需求”应用；（4）应用使用成本高；（5）难以持续和深入，阻碍“长效机制”形成；（6）数据所有权被转移或流失等。

2.2.6 成本评估有失客观 判断项目是否是农业物联网应用项目，或部分农业物联网应用项目，目前国内没有可供参考的评判标准，这导致了在谈农业物联网应用成本时有失公平。由于农业物联网是农业信息化应用与通信技术高度融合发展的产物，严格区分是或不是比较困难。具有专用属性的子系统，如MIS、ERP和CRM，尽管在同期建设，不应计入物联网应用建设成本。被共用的子系统，如互联网接入，应以分摊方式计算建设成本和使用成本。显然，从项目中剔除一些显著的非因素，有利于合理评估投入产出效益。

3 农业物联网应用推广的改进建议

3.1 加大农业物联网科普力度

农业物联网科学技术普及是农业物联网建设的重要内容。农业物联网应用本质上是一种面向农业领域的信息化应用，推动行业信息化应用蓬勃发展的原动力是应用需求，需求可简单的认为是要解决的业务问题。

农业物联网可应用于农业生产过程、科研过程、管理过程和商业过程，应用广度和深度取决于需求发现能力和需求实现能力。需求发现能力指产生的有效需求数量和质量，其大小依赖于社会对农业物联网的认识和理解。提高需求发现能力需要广泛的社会基础，只有通过深入的技术普及才能得以实现。也就是“科学技术的影响力一方面取决于科技自身的发展水平，一方面取决于被公众理解的程度。对社会产生重大影响的科学成就，都是通过科学普及发挥作用的”[5]。

3.2 重构顶层架构

根据农业物联网应用特点，结合互联网应用方法，基于三层结构设计顶层架构，基于服务建立应用示范推广体系。

三层指能力层、服务层和应用层，其层次结构如图4所示。

图4　基于服务模式的农业物联网应用推广架构

在此结构中，能力层负责开发农业物联网应用业务功能并输出给服务层，服务层将业务功能打包成服务产品以服务（一种特殊的商品，其组成部分可能只包含一种软件，也可能包含设备、网络，甚至一个复杂的系统）的形式销售给应用，应用层租赁服务开展农业物联网应用。通常能力层主体由科研院所构成，服务层主体由服务提供商构成，应用层主体由末端用户构成。三层结构是一种以服务为主导的农业物联网应用模式，层与层之间都是服务与被服务关系，称之为“服务模式”。

基于服务模式的农业物联网推广应用具有许多优势：（1）层次结构牢固，各层参与对象和分工明确，有利于全局性组织和管理；（2）商业模式清晰，支持持续发展，容易形成长效机制；（3）有效缓和当前普通存在的重复建设、重建不重用等现象；（4）支持双免（免建、免维护）式使用，降低了使用门坎的同时提高了“小需求”响应能力，有利于拓展广度；（5）激活沉淀在各科研院所的农业信息化应用资源，有利于拓展深度；（6）有利于标准化和标准化进程推进；（7）引导社会资源参与，增加资金投入来源；（8）充分保障用户权宜，降低用户风险；（9）促进创新发展；（10）促进产业化形成。

总之，运用服务模式一方面可解决当前面临的许多问题，同时也能促进农业物联网有序持久深入发展。

3.3 大力发展农业知识基础建设

农业物联网应用是农业信息化应用的扩展和延伸，实现农业生产过程的高度智能化是其主要目标之一。面向（动植物）生命系统的农业物联网应用，其应用逻辑可概述为：通过感知了解作物当前生长状态，通过响应作用于生长因素，使作物总是处于最佳生长状态。应用模型如图5所示。

图5　农业物联网应用模型

作物生长因素众多且相互作用复杂，在现有的感知和响应能力下，计算能力的大小基本上决定了应用使用价值的高低。参与计算的感知信息越多，因素和因素间相互作用关系理解越准确，计算过程就越复杂，计算结果也越接近应用目标。

农业物联网应用初期阶段，应用建立在现有农业知识（行业知识）之上，这些知识获取和利用都是基于传统方法。从信息应用角度看，知识缺乏一致性和完整性，难以在物联网应用中充分使用。这也是初级阶段大部分应用应用逻辑相对简单的主要原因。围绕（动植物）生命系统，采用物联网应用思想和方法系统地获取适用于农业物联网应用的农业知识体系是联深层开展农业物联网应用的基础性工作。在这个获取过程中，感知环境、感知生命系统、理解生命系统、表达生命系统和仿真生命系统等知识又是重点和关键，是构建农业物联网应用支撑层的核心内容，是构建高可用、综合性应用系统的基础。

3.4 调整政府扶植模式

目前农业物联网示范工程大多依赖政府项目资金支持建设[5]。在现有推广和管理体制下，政府投入的大量资金，通常都会被最大限度地转换成项目建设费用结算到承建单位（见图6），留给应用单位项目后的运维资金较少。从资金使用上看，扶植政策倾向于“管建不管用”，这是导致“重建不重用”和“只建不用”现象的主要原因之一。

图6　农业物联网项目“管建不管用”的扶持模式

将扶植政策从“管建不管用”调整成“管用不管建”，调整后的资金流和使用属性如图7所示。

图7　农业物联网项目“管用不管建”的扶持模式

在此策略下，扶持资金以专项经费形式落实到农业生产单位，农业生产单位使用专项资金租赁信息技术企业的服务。调整后，将形成以服务和服务租赁为基础的农业物联网技术应用推广体系，这也是国内外其它行业在信息化应用全面发展阶段普遍采用的方法。在这种体系下，人、财、物得到高度的复用，从根本上消除“只建不用”现象，缓和人才压力，降低总体成本，围绕服务展开的竞争将不断地推动农业物联网技术创新和应用深入发展。

3.5 开展“小需求”的应用研究和推广

需求大小是一个相对概念，这里所指的“小需求”是那些应用目的单一，或使用时间上具有季节性，或使用地点具有随机性的应用需求。典型的应用场景有微小农业企业或个体的季节生产性环境监测，鲜花（如高端蝴蝶兰）售后监护，家庭园艺和家庭农场辅助管理等。

现有的农业物联网应用推广示范体系难以有效覆盖这类小需求，根据调查，这类“小需求”大量存在，大部分受访者表示只要使用方便、代价不高都愿意接受。“小需求”是一种硬需求，对发展农业物联网应用具有牵引作用。搞好“小需求”应用工作一方面能让更多的农民和农业企业直接感受到农业物联网的应用效果和商业价值，同时又能起到加速技术普及和市场培育作用。

展开“小需求”的应用研究和推广，一种可选的实施方案为：建立安全可靠的农业物联网应用平台，研发或改进应用设备（大多为传感设备）使之具有免维护和即插即用的使用特点，以科研院所为依托建立区域性农业物联网应用援助中心，援助中心联合基层单位（区、县、乡、镇）落实。

4 结 语

我国的农业物联网应用处于从示范走向推广普及的瓶颈阶段，最大的问题是人们没有把物联网技术在农业上的应用量化在经济指标上，不计成本的示范对于农业物联网的推广并没有实际价值[6]。我国农业物联网应用遇到的所有问题，在许多国家也同样存在[6-8]，可以归纳总结为三高一低：建设上成本高，使用技术要求高，运行维护难度高，使用效果低。

农业物联网应用的基础是信息化应用，核心驱动力是来自生产过程的需求，融合计算农业知识是解决需求问题的基础。进一步加强农业信息应用水平，深入开展融合计算农业知识产品研发，充分挖掘应用需求，充分理解内涵，用互联网思想重构应用体系，是今后农业物联网应用建设和示范推广工作的重点。

参考文献：

[1] 刘 多. 物联网标准化进展[J]. 中兴通信技术，2012，18（2）：7-9.

[2] 余欣荣. 关于发展农业物联网的几点认识[J]. 中国科学院院刊，2013，（6）：679-685.

[3] 葛文杰，赵春江. 农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014，45（7）：222-230.

[4] 袁学国，朱 军. 我国农业物联网发展现状、问题和对策[J]. 中国农村科技，2014，（6）：60-63.

[5] 朱丽兰. 大力加强科普工作，提高全民族科学文化素质，为建设社会主义强国而奋斗[J]. 科协论坛，1996，（3）：12-17.

[6] 王 娟. 农业物联网试点不计成本规模化应用尚需时日[EB/OL]. http://www.ccidnet.com/2013/0520/4941659.shtml，2013-05-20.

[7] 尹 杨. 日本：一半以上农户选择使用农业物联网[EB/OL]. http:// world.xinhua08.com/a/20140704/1351543.shtml?f=arelated，2014-07-04.

[8] 王 婧. 农业物联网在美推广受阻前景或乐观[EB/OL]. http:// world.xinhua08.com/a/20140626/1347617.shtml?f=arelated，2014-06-26.

（责任编辑：肖彦资）

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

作者简介：向绪友（1962-），男，湖南澧县人，副研究员，主要从事农业物联网技术及应用推广研究。

基金项目：湖南省农业科学院创新团队项目（2014）

收稿日期：2015-11-20

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.023

中图分类号：S126

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0081-05