物联网技术提升设施农业经济效益的策略探讨

梁建平，安丽清

（1.北京市农业局信息中心，北京 100029；2.北京市农业技术推广站，北京 100029）

0 引言

设施农业作为建设北京都市型现代农业的主要产业形态，是实施“人文北京、科技北京、绿色北京”发展战略的重要内容之一。农业部曾于2011年8月颁布《全国休闲农业发展“十二五”规划》，《规划》指出要大力发展集农业生产、农业观光、休闲度假、参与体验于一体的休闲农业，到2015年，休闲农业要成为横跨村、乡、镇、县、一、二、三产业的新兴产业，成为发展新型消费业态和扩大内需的支柱产业。由此可见，以休闲观光为主体的设施农业，对于促进农民增收，保障北京市设施农产品安全，推进城乡一体化进程发挥了重要作用。

目前，物联网在设施农业上的应用如火如荼，但是都遇到了一个共同的瓶颈，就是如何实现应用效益的提升，尤其是经济效益，这不仅仅是物联网技术应用本身的问题，还涉及与之相关的企业规模化发展、农产品质量安全保障、可持续的商业运营和维护模式等等多种因素的综合作用[1]。因此，本文从企业本身和政府的双重角度，结合北京市设施农业物联网应用示范六年多的实践摸索，以及相关经验和教训，以农产品质量安全为核心，研究探索一种符合设施农业生产企业在现实生产中可行、可用、可靠的物联网技术提升设施农业经济效益的策略，为国内现代的设施农业企业和管理部门提供借鉴。

1 制约国内设施农业经济效益的主要因素

1.1 我国农产品质量安全水平任重道远

农产品质量安全是与产品销量、产量、口碑最直接的经济效益影响因素，而农药和化肥是影响农产品质量安全的重要因素。农药盲目滥用给蔬菜产品安全造成极其严重后果。设施生产自身特点客观上会促进许多喜低温、高湿病害如灰霉病、白粉病等发生，我国农药使用量是发达国家的2～4倍[2]。化肥过量或不合理使用肥料会降低农产品安全性，一是氮肥施用过多，二是生产劣质磷肥使用的矿物质多为氟磷矿，且60%～70%残留土壤中。

1.2 我国设施农业单位生产效率有大幅提升空间

目前由于我国设施农业普遍存在管理粗放、技术措施落实不到位、智能化水平低，导致单位生产效率低、投入产出比不高，仍以传统经验生产为主，缺乏量化指标和配套集成技术，产品总体产量低。国外设施农业在信息技术的支持下平均年产量均能达到20 000kg/亩[2]，北京的产量为他们的1/2左右。此外，我国设施蔬菜生产仍以人力为主，劳动强度大，其温室年平均用时达3 600h/亩以上，人均管理面积仅相当于日本的1/3和美国的1/10[3]。

1.3 我国设施农业环境控制能力亟须改善

北京设施农业以日光温室为主，温室结构简易，环境控制能力低；发达国家采用智能化温室综合环境控制系统，可节能15%～50%，美国农业用水亩均不足71方，亩均施肥量为6.8kg，发达国家农药利用率50%～60%[3]；而北京市农业用水亩均约313方，亩均化肥使用量为23.84kg，农药利用率5%～30%，设施农业技术装备机械化水平约为60%左右。

1.4 我国设施农业高素质、高组织化程度有待继续提高

随着设施农业的快速发展，大量原本从事大田生产的农户转入设施蔬菜生产，专业技术和综合素质还有待提高；另一方面突发性、毁灭性病虫害（番茄黄化曲叶病毒病）的暴发，种植户往往缺乏科学的防控手段，专业的技术指导，亦成为严重制约农业设施产业发展的重要因素。在设施农业组织化程度方面，就北京而言，近几年逐步加快了发展的速度，基本能够达到60%，但是规模还偏小，规范化程度还偏低。而国外发达国家瑞典、法国农民组织化程度为90%，日本为100%[3]。

2 物联网技术应用投入与获得的经济效益产出分析

2.1 物联网技术应用投入分析

目前设施农业多数都是以日光温室为主。依据设施农业物联网应用的实施技术架构，将整体投入分为五部分[4，5，6]，一是传感器，主要有空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、CO2等，其投入为A万元；二是网络设备，主要是数据采集控制器，其投入为B万元；三是控制设备，主要包括电磁阀、CO2释放机等，其投入为C万元；四是应用系统，主要是进行数据分析、设备控制等，其投入为D万元；五是应用系统运行所需的软硬件设备（系统部署环境）投入为E万元。最后两项是整体性投入，理论上其成本不会随着实施面积的扩大而增加，而前面三项投入会随之增加。其因素构成如图1所示。

图1 设施农业物联网应用投入因素构成

那么，其平均1栋日光温室的物联网应用成本S（投入）计算公式如下：

2.2 设施农业获得的经济效益产出分析

以1亩日光温室产出计算。首先[7，8]，在产量增加方面，利用系统精准化肥水药管理，病虫害预警等，预计蔬菜产量平均提高15%，可增收a万元；其次，在提高劳动生产效率方面，利用系统远程监控，1个人至少可管理10个温室，即每个温室需0.1个劳动力，以前至少需要0.25个人力，平均可节约0.15个人力，按北京市劳动力市场价格，每年工作12个月计算，可节约投入b万元；第三，在售价方面，由于系统全程的精细化管理，农产品品质普遍较为良好，受到消费者好评，安全性大幅提高，共可增加收入约c万元；第四，在病虫害防治方面，利用系统早期预警，一个生长季预计可以减少农药使用量80%以上，可减少农药直接投入d万元；第五，在节约用肥方面，利用系统测土配方施肥，可节约肥料30%，可减少直接投入e万元；第六，在节约用水方面，利用系统精准化灌溉，一个生长季可以节水50%，可减少直接投入f万元。其因素构成如图2所示。

那么，其平均1亩日光温室每年的物联网应用产出S（产出）计算公式如下：

图2 设施农业物联网应用产出因素构成

2.3 设施农业物联网技术应用最低规模和最低运营年限理论模型构建

基于上述分别对投入和产出的分析，下文将开始构建两个重要的模型，分别是企业种植最低规模和最低运营年限模型。

由于物联网应用系统是整体性投入，投入不会随着实施面积的扩大而增加，理论上可无限制重复利用。而硬件设备，即传感器、控制设备、网络设备，在不考虑更新的前提下，每个日光温室都安装一套，那么通过计算可以得出：在1年之内，实施多少栋日光温室可实现投入和产出的平衡，也就是最低规模化要求，用M来表示，单位是栋；同时，温室的面积系数用K表示，即每栋温室的占地面积，单位是亩/栋。计算公式如下：

依据：S（投入）= S（产出），即，

但是，在物联网实际应用过程中，为了节约投入，其实施策略和方法主要是依据日光温室中种植的农产品类型确定，对于种植同一种农产品的连片统一类型日光温室，采用以点带面的方式，即每X栋温室部署一套传感器，但是控制设备、网络设备需要在每栋温室部署一套。那么，M计算公式如下：

但是，上述结果还是不具有实践性，因为没有考虑很重要的一个环节，即设备的更新问题，一般情况下，传感器设备更新维护的平均周期大约为3年，按照目前的实际情况，一般都是更换一个新的设备为主；控制设备、网络设备，以及系统部署所需软硬件相对更新时间较长，大约在5年左右，以维修和升级改造为主，平均每次每栋维护费为F万元。通过计算可以得出运行时间为定值的前提下，用Y表示，单位为年，进而得出传感器更新次数为Y/3，值取整数，用T1表示，其他设备更新次数为Y/5，值取整数，用T2表示。那么，重新计算M为多少可实现投入和产出的平衡，计算公式如下：

设：T1=[Y/3]，T2=[Y/5]，并且T取值范围为0，1，2，3……N；Y的取值范围为1，2，3……N；

如果T大于等于0，小于1，其值取0；如果大于等于1，小于2，其值取1；如果大于等于2，小于3，其值取2，以此类推；

同时，可得出在M一定的情况下，Y为多少年可以实现投入和产出的平衡，即最低运行年限要求，计算公式如下：

通过上述分析，在Y一定的前提下，可得出日光温室物联网应用的投入与产出平衡规模化最低要求，同时，得出了在M一定的情况下，日光温室物联网应用的投入与产出平衡的最低运营年限要求。但由于上述参数多是平均值，得出的结果可能与实际稍有偏差，但是，上述结果已经尽可能地考虑到了设施农业物联网应用的投入和产出的主要因素，因此，对于现实生产的日光温室物联网应用的最低规模化和最低运营年限具有重要的参考价值。

综上分析，物联网技术的应用在提升设施农业经济效益中起到了重要作用，但是不能盲用、滥用，否则适得其反，而是应遵循一定的要求和策略，只有这样才能使设施农业应用物联网技术后产生的经济效益最大化。

3 设施农业物联网技术应用经济效益提升策略

3.1 紧紧围绕农产品质量安全开展物联网技术应用，突出物联网应用核心经济价值

物联网技术应用的核心价值在于保障农产品质量安全，只有安全的、优质的农产品才能赢得市场，获得好口碑，产生超额经济收益。其内在原因就是农业生产既需要微观监测，又需要宏观管理，在生产规模扩大到一定程度后，传统意义的劳动密集型管理模式已经远远不能满足日益严格的农产品质量安全要求，那么物联网技术凭借强大和准确地感知能力以及智能控制能力，对农业生产的每个植株都尽在掌控，让作物生长在健康的环境，病虫害得到及时的防控[7]，使农药施用大幅减少，质量安全得到保障。其中最为常用的措施是构建农产品质量安全追溯平台，并由政府出台严格的农产品市场准入和奖惩制度，以及成立农产品质量安全检测基金，作为与追溯系统的重要补充，相辅相成。

3.2 大力促进设施农业向规模化和集约化发展，发挥物联网应用的经济效益集群效应

通过上述设施农业物联网应用投入与产出平衡规模化分析，可计算出利润，用P（利润）表示，单位是万元，其计算公式如下：

从公式中可以得出，在最低规模化，即M值在平衡时，P（利润）为0，如果继续扩大规模，假定X为1，而其他参数都不会随着规模的扩大而变化，因此，M越大，P（利润）的增加幅度会越明显；如果再考虑传感器的部署以点带面原则，其数量X值是小于等于M值的，P（利润）会更加显著；如果再考虑运行年限，即随着Y的不断增加，P（利润）将越来越大，这就是我们要说的物联网应用经济效益集群效应。

基于上述分析，为了实现物联网应用的经济效益最大化，需鼓励企业组建发展壮大农业合作社、联合社等设施农业组织团体，把分散的农户、大户联合整合起来，统一应用物联网技术，共享生产数据和市场数据，统一管理，以点带面，放大物联网的经济集群效应；反过来，也会带动规模较小的团体和散户自愿加入到大型团体中，使规模越来越大。因此，只要有足够的管理能力和市场，企业可以不断扩大规模，使物联网技术应用产生的经济效益最大化。

3.3 加强物联网技术应用统筹与差异的并行能力，切实满足设施农业企业获得最大化经济效益

设施农业物联网技术应用的最大化效益须以实际生产和市场需求为基石，避免空中楼阁、华而不实。因此，在整个设施农业物联网应用体系中，首先在深入调研的基础上，制定整体的发展规划，从顶层设计开始，实现数据资源充分共享、统一，避免无序重复建设；同时，根据实际情况差异化设计，对于科技展示、农业观光等高端设施农业，以高投入为代价，充分应用各种高新物联网技术，全方位展现设施农业物联网的技术特点和带来的强大社会影响力；对于满足实际生产和市场需要的设施农业，则应采用成熟物联网技术，严控成本投入，适用即可，在最短的时间内实现盈利，并大幅降低运行过程中的技术障碍和后期运维风险。在种植作物的选取上，优先面向大众需求多、高端、高附加值的农产品由易到难逐步应用。在应用实施规模方面，在满足上述设施农业物联网技术应用最低规模（见公式（5））的基础上，具有规模化生产能力、资金实力、品牌优势的农业企业或团体先行应用，以点带面，逐步吸纳小规模企业散户、加入整个物联网体系，进一步降低物联网整体的投入成本，并有序渐进带动本地区设施农业物联网的集约化和精细化发展。

3.4 全面构建可持续的设施农业物联网运行和维护模式，保障物联网技术体系产生持久的经济效益

在整个农业物联网应用链条末端——运营和维护是整个链条能否正常运行和产生源源不断经济效益的保障。目前主要存在三种模式[9，10，11]：一是政府主导模式，目前主要以这种模式为主，政府发挥主导作用，通过政府的政策输出和一次性资金输出方式推广农业物联网的应用，这种政府买单的方式，能确保农业物联网发展更加具有战略性、全局性和示范性，有助于产业化过程中各个相关部门的协调和互动，起到一个市场的示范和引领效应，而示范企业利用自有资金进行后期的运维，保障政府前期投入有效持续运行；二是企业主导模式，这是今后重点发展的模式，主要是物联网设备生产企业、电信运营商、软件服务运营商收取少量费用或者免费向农业生产企业提供物联网技术应用，而其投入的资金主要是通过农业企业运营收益中逐年支付给提供物联网技术企业；三是政企众筹模式，这种模式由政府、农产品生产企业、物联网设备生产企业、电信运营商、软件服务运营商等多方共同出资推进，这也是近期兴起的PPP模式，是综合了前两种模式的基础上衍化来的，各方分工协作，经济效益按比例分享，政府资金投入极大减轻，农业生产企业、物联网技术提供企业也具有很高的积极性，有效保障了整个物联网技术应用产生的经济效益的持久性，这种模式更具合理性。

4 讨论

综上所述，本文在物联网技术应用投入与获得的经济效益产出分析中，所提出的两个理论模型已尽可能地将各种因素和客观条件考虑在内，但是还有一些很难或根本就无法纳入的因素，主要有三种，其中最关键的就是企业的管理因素，包括种植过程管理、人员管理等；二是市场因素，包括传感器、软件系统等物联网技术和农产品市场价格行情、市场偏好、人力工资等等，都是在不断变化的；三是政策因素，包括相关政策导向、扶持力度等。这些因素都会或多或少直接或间接影响到物联网技术应用投入与获得的经济效益产出，尤其是物联网设备的价格和农产品的价格，因此，在实践中，建议投入和产出中的各因素尽可能取用近三年的平均值，这样有助于稀释这些因素不断变化的影响程度。另外，在物联网技术应用投入分析中，所涉及传感器种类是最基本要求，没有纳入诸如叶片温度、果实膨大等作物生理生态等高端传感器，因此，在两种模型的实际应用中，做适当调整即可。还有，本文提出的两种模型，除了进行农业企业种植最低规模和最低运营年限的计算外，还可以此为基础，进行模型的任意转换，可计算出其他指标的结果，如温室栋数为定值，可算出在投入和产出平衡时的温室面积系数等。

虽然本文所提出的两种模型和与之对应的物联网技术提升设施农业经济效益策略是多年实践积累和理论技术的集合，但目前仍然只是一种探讨，下一步将重点进行实践验证，然后再不断总结完善，尽可能接近真实情况。

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