基于六个维度的农业4.0理论体系构建

刘利永，张彦军，李道亮

（1.北京市科学技术情报研究所，北京 100045；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

农业4.0是以大数据、物联网、人工智能、云计算、空间信息技术等为支撑的一种高度精准、高度智能、高度集约、高度协同和高度生态的现代农业形态，是继传统农业、机械化农业和自动化农业之后的更高层次的农业发展阶段[1]。农业4.0的发展受到多种因素制约，所以在信息时代，农业4.0的依赖于六个维度的条件支撑，包括资源要素、信息技术、行业应用、产业链条、支撑体系、运行模式和机制，这六个维度之间相辅相成，形成耦合机制，共同形成农业4.0的架构体系。

1 农业资源要素

农业4.0的本质是利用新一代信息技术对农业资源要素（土地、水、劳动力、资金、信息等）进行重新配置并实现深度融合，产生一个更高产、高效、优质、生态、安全的更具有竞争能力的新业态。因此，从资源配置的维度分析，农业4.0依赖于利用信息技术优化配置各类资源要素。

1.1 土地要素

信息技术+土地资源=规模效益。土地是种植业的基础和命脉，在农业4.0时代，通过物联网、大数据、精准农业、无人驾驶等技术，一方面能够对土地进行虚拟流转，实现土地规模化、集约化管理，另一方面能够提高水肥利用效率，大幅提高土地的产出率，实现土地的规模效益。

1.2 劳动力要素

信息技术+劳动力=新兴力量。信息技术与劳动力相结合，将催生一批新兴劳动力量，即新农人。新农人具有较高的科学文化素养、掌握信息化生产技能、具备一定的经营管理能力，是未来农业4.0发展的核心力量[2]。自动化、智能化信息技术的应用，将大大提高新农人的劳动生产率，使一产劳动力大幅减少并向二、三产转移。农业4.0环境下，农业流程化管理将更加清晰，谁来生产、谁管技术、谁做管理、谁负责流通？这些分工将更加明晰，劳动力将实现在一二三产的合理分布。

1.3 资本要素

信息技术+资本=农户融资。当前，互联网金融已经逐渐延伸到农业产业链条的各环节，同时商业模式也在不断变化，从单一分散的借贷服务发展到基于整条产业链的闭环金融服务[3]。随着土改的推进，原来缺乏金融服务的农村正迎来前所未有的发展机遇，农业将成为继房地产、IT产业之后资本角逐的新蓝海，互联网时代农户融资将变得更加容易。

1.4 市场要素

信息技术+市场信息=新兴渠道。市场机制通过需求与供给的相互作用及灵敏的价格反应，自由、灵活、有效、合理地决定着资源的配置与再配置[4]。互联网技术的发展对传统商品市场形成了强有力的冲击，电子商务、大数据分析等技术应用，彻底改变了市场配置资源、调解供需的方式，建立了一条新兴的农产品流通渠道。

1.5 生产工具要素

信息技术+生产工具=设施装备智能化。农业4.0时代，是一个无人的生产系统，农业生产工具从传统的农具和机械，演变成为以物联网技术为纽带，集智能感知、智能识别、智能传输和智能控制于一体的智能网络系统。设施装备的智能化，将引领农业生产进入无人时代，无人机、机器人等将成为主要的农业生产工具，劳动生产率大幅提高。

1.6 信息资源要素

信息技术+信息资源=价值增值。农业信息资源包括与农业信息生产、采集、处理、传播和利用有关的各种资源，如农业技术信息、农业机构信息、农业市场信息、农业产品信息、农业政策信息与农业服务信息等。农业4.0时代，利用大数据技术对农业信息资源进行挖掘、分析，能够对零散的、无序的、杂乱的信息进行筛选、解构、组合、整序，使之标准化、有序化、可视化，在农业生产、经营、管理、服务过程中形成一系列新的信息产品，使农业信息价值得到增值。

2 信息技术

农业4.0的本质就是物联网、大数据、云计算、移动互联网、空间信息技术等新一代信息技术在农业领域的深度应用，从而创造出基于互联网平台的现代农业新产品、新模式与新业态，是以“信息支撑、管理协同，产出高效、产品安全，资源节约、环境友好”为核心的现代农业发展的升级版，离不开现代信息技术的强力支撑。

2.1 物联网

物联网作为农业4.0技术应用的关键要素，是对新一代信息技术的高度集成和综合运用[5]。物联网技术的核心是赋予农业设施和装备以能够识别的有效身份，并通过信息技术实现物与物的连接和通信。物联网技术是支持无人系统、无人作业的关键技术，是农业4.0时代技术应用的重要标志。

2.2 大数据

农业农村是大数据技术重要的应用领域，是中国大数据发展的重要组成部分。农业4.0时代，随着信息化深度融入农业现代化进程，农业农村大数据将与农业产业全面融合，成为农业生产的定位仪、农业市场的导航灯和农业管理的指挥棒，依托农业农村大数据，农业4.0将构筑自身的神经系统[6]。

2.3 云计算

农业4.0时代，用户可以利用云计算技术，按需定制、部署所需的农业信息化服务，实现个性化、低成本、全覆盖的农业知识普惠服务和农业精准管理，通过云计算技术促进软硬件资源的聚合和动态分配、实现资源最优化和效益最大化，降低运营成本，提升中国农业信息化的服务能力[7]。

2.4 移动互联网

移动互联网是农业4.0技术体系的重要组成部分，具有终端的移动性、业务使用的私密性、网络的泛在性等特点。在农业4.0的未来发展方向中，随时随地实现人与人的连接、人与农业装备的连接、人与农业本体的连接是必然需求，移动互联网注重移动作业的基本需求，将会在农业4.0时代获得更为宽广的发展前景。

2.5 空间信息技术

空间信息技术是一门新兴技术，兴起于20世纪60年代，70年代中期以后在中国得到迅速发展。在农业4.0时代，空间信息技术将在土地资源调查、土地利用动态监测、农业自然灾害监测评估、农作物长势监测与估产、农业病虫害监测、农业精细作业等方面得到广泛应用。加快对空间信息技术研究，并在农业中推广应用，将有利于推动农业资源利用的精准化，促进农业可持续发展。

2.6 人工智能技术

农业4.0时代，人工智能的应用主要体现在农业智能装备及机器人、虚拟现实技术等方面。人工智能技术将广泛应用于农业生产的产前、产中和产后各个阶段，以其数字化、精准化、高效化的技术优势提升农业生产技术水平，实现智能化的动态管理，以机器全部或部分代替人的劳动，减轻农业生产者的劳动强度，应用前景十分广阔。

3 产业链

农业4.0全产业链主要涉及四个环节，分别为生产、经营、管理以及服务。农业4.0全产业链利用“互联网+”新经济形态，发挥现代信息技术在农业生产要素配置中的优化和集成作用，利用信息化解放和发展农村生产力，提升农业竞争力，努力走出一条生产技术先进、经营模式适宜、管理方式高效、服务内容实用的新型农业现代发展道路。

3.1 农业生产智能化

农业4.0在生产上主要体现在智能化，按照“全系统、全要素、全过程”要求，推动物联网应用从生长环境感知向动植物生长控制深入，建立“感知-传输-处理-控制”的闭环应用，提高大田种植、畜禽养殖、水产养殖、设施园艺的智能化、自动化水平，不断扩大物联网应用的规模化程度，通过按需控制和精细管理实现农业生产的节本增效。

3.2 农业经营网络化

发展农业电子商务，能够畅通流通渠道，激发消费需求，实现农产品、农业生产资料、农村特色旅游的网络化经营，提升农产品批发市场和农业产业化龙头企业的网络经营能力。在农业4.0时代，必须构建以农业电子商务为核心、覆盖农村、惠及农民的现代经济形态，促进农业农村经济发展方式转变。在推进农业经营网络化方面，一批农产品电子商务企业积极探索，目前已形成了一系列具有推广意义的商业模式。

3.3 农业管理高效化

采用大数据、云计算等信息技术，改造升级现有农业管理信息系统，革新管理方式，建立起全面涵盖电子政务、应急指挥、监测预警、质量追溯、数据调查等领域的在线化、数据化政务管理体系，通过数据共享和业务协同，提高管理效能，实现农业管理的高效透明。

3.4 农业服务便捷化

农业4.0时代，必须立足信息化与农业现代化深度融合的新态势，顺应现代信息技术发展新趋势，根据农民和新型农业经营主体的信息服务新需求，不断创新服务方式，优化服务手段，有针对性地为农民提供及时、精准、高效的信息服务。农业农村部通过实施“信息进村入户”工程，加快了农业信息服务便捷化的进程，在部分领域农业服务4.0进行了有益探索[8]。

4 行业领域

农业4.0在产业链环节的突破，将为种植业、畜牧业、渔业等各行业领域的发展带来重要影响。

4.1 种植业

种植业4.0，以利用无人机、机器人、农业智能装备等实现无人作业为主要特征，应用基于空间信息技术的墒情监控系统、测土配方施肥系统、病虫害监测预报防控系统、农田管理系统、农田气象监测系统、作物长势监控系统以及精准作业系统，确保大田种植的高产、高效、高质、安全，促进大田种植的规模化、集约化、智能化[9]。

4.2 畜牧业

畜牧业4.0，既是生态畜牧业，也是智能畜牧业，以无人值守畜牧场为基本特征，畜牧业进入超高产、高效、优质、生态、安全的崭新时代。主要是应用畜禽养殖环境监控系统、疫病诊断与防控系统、育种繁育系统、饲料自动给喂系统、养殖场管理系统、质量追溯系统，不仅能够提升畜禽养殖的数量和质量，降低生产成本，同时也将大大节省劳动力需求[10]。

4.3 渔业

渔业4.0将人工智能技术、大数据技术、智能装备技术应用到渔业的生产、经营、管理、服务等的全过程，提升苗种繁育、技术服务、病害防治、生产管理、产品销售等养殖各环节的信息化水平，达到合理利用渔业资源、提质增效、节能降耗、降低成本和风险、改善生态环境等目的，实现高密度、高产值、高效益的标准化养殖模式[11]。

4.4 农机

农机4.0，就是要着力提高农机装备信息化水平，“无人、可靠、高效、通用”是未来农机装备发展的方向。在农业4.0发展模式下，政府部门可以实现农机作业实时全局监管，提高监管效率；合作社和农户可准确掌握农机作业进度，实时查询农机数量投入和所处位置分布情况，节省时间成本和人力开支；农机企业可以建立庞大的用户信息库，通过大数据进行智能商业分析、科学指导生产服务[12]。

4.5 农产品加工

农产品加工4.0，以实现生产的高精度和高效率、节约资源、降低生产成本、提高农产品品质等为目的，满足人们在农产品生产消费中的需求。在未来，分拣机器人、包装机器人等将在各生产线上广泛应用，通过应用各种先进技术，实现农产品加工生产的优质高效，发展适合农产品加工生产现实条件的自动化模式，带动一二三产业联动发展[13]。

4.6 休闲农业

休闲农业4.0就是要在互联网平台下，实现消费者与消费者之间、经营者与消费者之间的信息互动，通过消费者诉求，不断重构、优化休闲农业产品，提升产品的附加值。通过将旅游与农业结合，大幅提升本地区农副产品的附加价值，不仅使自身农产品就地销售，更能够促进区域产业结构的优化，解决更多农民就业和致富问题[14]。

5 支撑体系

农业4.0建设是具有前瞻性和复杂性的系统工程，需要一系列条件进行支撑，只有在基础设施完备、产业发展健全、科技手段丰富、人才保障有力、市场体系完善、发展环境优化的条件下，农业4.0建设才可能顺利、快速推进。

5.1 基础设施支撑体系

农业4.0时代，互联网基础设施将以光通信为骨干，以IP作为连接，以物联网、大数据和云计算作为网络功能，同时支持固定接入和移动接入综合信息体系，能够为用户提供一个高速率、高安全性、高灵活性的高质量网络环境。

5.2 产业支撑体系

企业是农业信息化产业支撑体系的主要实施主体，信息产业为农业发展拓宽了道路，直接影响着农业的可持续发展[15]。农业4.0时期，将涌现一批具有强大国际竞争力的、服务于农业产业的大型跨国网信企业，运用信息技术打破第一产业、第二产业和第三产业之间的边界，实现一二三产融合发展。

5.3 科技支撑体系

农业信息化科技创新与应用基地建设是推进农业4.0创新发展的重要支撑，高校和科研院所是推进科技支撑体系建设的主体。农业4.0时期，就是要通过大幅度提高农业科技水平来突破资源环境约束，提高劳动生产率，提升农产品品质，降低农业生产成本，提升农业综合生产能力和效率，从而加快农业发展转型升级[16]。

5.4 人才支撑体系

农业4.0时代，迫切需要一批集现代信息技术、现代农业技术和市场营销技能于一体的农业网络信息服务人才。高校是培养农业4.0人才的重要主体，要吸引网络信息人才致力于农业发展信息化建设，使高校毕业生、青年教师、专家学者、网络信息人才等积极投身农业4.0建设[17]。

5.5 市场支撑体系

农业4.0的市场支撑体系，是互联网背景下农产品经营、交易、管理、服务等组织系统与结构形式的总和，是沟通农产品生产与消费的桥梁与纽带，是现代农业发展的重要支撑体系之一[18]。农业4.0时期，将形成高度成熟、规范、完整的市场支撑体系，包括智能化、标准化的农产品批发市场、农产品超市以及农产品物流系统等，同时，将会形成一批具有高度智能化管理能力的农产品中间商，成为衔接农场主与批发市场、超市的重要纽带。

5.6 环境支撑体系

农业4.0发展环境是指农业信息化建设所需要的经济、社会、政治和人文环境。只有当农村经济发展到一定阶段，农民人均纯收入达到一定水平，能够承担享受农业4.0信息服务的基础成本；农村社会具备了信息化意识，接受了信息化的理念；政府开始重视信息化建设，制定政策规划，大力推进信息化基础投入；农民文化素质得到普遍提高，具备了应用信息技术的知识和能力，农业4.0建设才能够正常推进[19]。

6 运行机制

根据“机制”的本来含义，使用“机制”这一概念的领域必须是一个有机体系，即这一领域内部是一个有机联系的整体；这个有机体系内部各组成部分之间处于动态，一部分的变化会引起另一部分的相应变化，是一个相互作用着的系统；这个有机体系在相互作用中所发生的作用机理，是该领域内在运动规律的外在形式。要保证农业4.0建设目标和任务真正实现，必须在各个维度之间、各类要素之间、各种参与主体之间，建立一套协调、灵活、高效的运行机制[20]。

7 结论

综上所述，农业4.0的运行过程包括了资源要素、产业链、农业行业、现代信息技术、支撑体系以及运行机制等六个维度，利用信息技术优化配置农业资源要素是农业4.0体系运行的核心。其中农业资源要素是整个运行框架的根本，也是农业4.0整个产业链的前期准备、中期归集、后期整合的主要对象。在前期，农业资源主要指土地及农资，是农业生产的原料；在中期，农业资源主要指劳动力、农资以及信息资源，是生产过程中的必备要素；在后期，资源要素主要指农产品市场的供求信息，主要来自于农产品交易平台、农产品供需信息系统等。整个运行体系中包括政府、企业、高校科研院所以及农户四类主体，其中政府主要负责监督管理整个产业链的其他主体运营，确保运营过程中没有扰乱市场、内部交易等违规行为，并且制定政策推动整个产业发展以及制定规范约束参与主体行为；农业企业以及互联网企业也是农业4.0的主要参与主体，一般会与农村农户进行深度合作，形成新的商业模式，为农业发展创造新的机遇；农户不仅指农村的分散的个体农户，也包括由多个农户集聚形成的农业合作社；高校科研院所则主要为整个农业4.0产业链提供技术支持、专家指导以及人才的培养。四类主体在农业4.0体系建设中发挥不同作用，共同构建基础设施支撑、科技支撑、环境支撑、产业支撑、人才支撑和市场支撑的六大支撑体系。如图1所示。

图1 农业4.0 运行的理论体系框架

农业4.0的整个产业链包括了四个环节，即生产、经营、管理和服务。在这四个环节中，需要农业资源要素、支撑体系以及信息技术等其他维度的支持来完成整个产业链的运行。农业行业主要包括种植业、畜牧业、渔业、农机、农产品加工以及休闲农业等六大行业，并且根据这六个行业制定农业4.0相应的任务，例如物联网、大数据等技术在各个行业的应用等。现代信息技术包括物联网、大数据、云计算、移动互联网等，应用贯穿于农业4.0的各个环节以及产前、产中、产后三个阶段。发展模式和运行机制将农业4.0的各个要素联系到了一起，促成他们之间的相互影响、相互约束，在整个外界大环境下，共享利益、共担风险，并且相互激励、相互约束，形成紧密的组织体系。