农业物联网技术采纳过程演化分析及仿真模拟

吴 芳，付 娜，赵新海

（1.天津师范大学 管理学院，天津 300387；2.天津农学院 人文学院，天津 300384；3.天津农学院计算机与信息工程学院，天津 300384）

0 引言

物联网(Internet of Things,IoT)在推动农业由粗放增长向技术驱动增长转变过程中扮演着重要角色,政府推广和技术采纳者之间的关系对物联网技术的有效扩散至关重要［1］。 各国纷纷制定了相关战略,如日本的“战略创新促进计划(SIP)”,欧洲农业机械协会的“农业4.0”,英国的“未来农场计划”和美国的“精确农业计划”。 国际咨询机构“Research and Market”预测,2025 年智慧农业的全球市场价值将达到182.1 亿美元。 然而,中国农业物联网的人均管理面积相当于日本的1/5,欧盟的1/50 和美国的1/300。 受限于教育程度和生产规模,农业物联网技术扩散存在如下问题:(1)农民不愿支付巨额技术成本,拒绝采用农业物联网技术。 (2)如何建立以农民和市场为主导的可持续发展机制？ (3)物联网技术的快速发展对农民的技术采纳有什么影响？ 上述问题阻碍了农业物联网技术的扩散,亟待解决。

1 研究概述

当前,与本研究相关的内容主要有技术采纳分析与策略进化博弈。

1.1 技术采纳分析

关于技术采纳分析,Jessica 等［2］分析了奶业、畜牧业和种植业中采用宽带技术的情况。 研究发现,采纳者的性别、收入、规模和受教育程度与宽带技术的选择密切相关,采纳技术的最大障碍是数据隐私和安全。Aklin 等［3］对印度农民的太阳能用电进行调查,认为家庭支出、储蓄和创新态度与采用太阳能技术水平密切相关,燃料支出、风险接受程度和社区信任与技术采纳相关。 刘艳婷等［4］以江西农户为研究对象,分析了社会网络、信息成本对农户生态耕种采纳意愿的影响,发现社会网络能够促进采纳,信息成本能够抑制采纳。Bukchin 等［5］使用多元回归分析调查了尼泊尔采纳防止土壤退化技术的过程,发现教育和沟通提高了农民采用新技术的比例。 Berhe 等［6］认为埃塞俄比亚农业家庭采用沼气能源与木柴、木炭的使用正相关；性别、信贷服务影响了家庭的能源选择。 可知,已有文献缺乏关于农业物联网技术采纳的相关研究。

1.2 策略进化博弈

竞争市场中,策略选择的动态变化引起了学者们的关注。 Kopel 等［7］构建了利润与社会效用最大化并存的市场博弈模型,基于异步更新规则,研究了战略转型的稳定状态和复杂动力行为。 Baiardi 等［8］构建了演化竞争模型,参与者可以选择局部垄断策略或梯度动态策略,分析了模型的全局稳定性,并解释了演化稳定异质状态的原因。 Ahmad 等［9］建立了双寡头经济演化模型,其中两个效用最大化的参与者具有不同的偏好结构。

上述文献为技术推广和竞争市场中的可持续采纳提供了理论参考,但针对农业物联网技术的相关研究几乎为空白。 本文将考虑物联网技术的发展特征,构建农业物联网技术采纳决策模型,研究采纳水平动态演化,为农业物联网的可持续发展提供策略参考。

2 模型假设

假设市场上有N个生产同类产品的农业企业,市场存在两种生产技术:农业物联网技术和传统农业生产技术。 详细假设如下。

2.1 农业物联网技术成本

农业物联网技术大大减少了农业生产的边际成本。 固定成本来源于物联网电子设备,由于技术进步,设备性能增长迅速并遵循摩尔定律。 根据Voller 等［10］的研究,成本的变化规律如公式(1)所示:

2.2 传统技术的生产成本

c2≠0,c2≫c1,k2为固定成本参数。

2.3 农产品价格

3 模型

3.1 采纳比例分析

假设有一个无限数量的农业企业群,并且它们在每个时间段都成对匹配以进行双企业博弈［9］。 两家农业企业的战略选择矩阵如表1 所示。

表1 选择矩阵

使用传统农业技术的预期收益如公式(8)所示:

3.2 技术采纳水平的更新机制

根据文献［7,9］,采纳比率遵循异步更新机制:

λ(λ∈［0,1］) 被称为策略可能性参数。 当λ＝0,农业主体决策遵循异步更新机制,当λ＝1,系统为非动态演化状态。σ为选择强度系数,表示农业主体对农业物联网技术的敏感程度。 如果σ＝0,φ(t+1)＝φ(t) ；如果σ→∞,表示农业主体将毫不犹豫地采纳农业物联网技术。 采纳技术和拒绝技术两种策略下主体的利润如公式(7)和(8)所示。

4 数值模拟

下面将使用数值模拟法分析农业物联网技术采纳的动态过程,令a＝2；k2＝0.01；ε＝0.182 555。 采纳比例随σ的变化如图1—2 所示。

图1 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3

4.1 技术采纳失败

图1 中,φ＝0。 此时,农业主体选择使用传统农业技术,拒绝采纳农业物联网技术。

4.2 理想的技术采纳

图2 中,当c1＝0.08,c2＝0.5,t＝3.181 9 时φ＝1,表示所有企业均采纳农业物联网技术。

图2 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3.181 9

4.3 内部均衡向理想采纳的过渡

t≥3.181 9:在图3 中,当σ≤5.16,φ＝φ*＝0.052；当σ∈(5.16,16.2］,φ进入均衡迁移状态,此时φ∈［0.052,1］ ；当σ ＞16.2,φ＝1 时,所有企业均采纳农业物联网技术。

图3 采纳比例的均衡迁移过程

t ＜3.181 9:在图4 中,内部均衡点φ*＝0.052 向φ＝0 演化。

图4 采纳比例φ 随σ 的变化

图5 中,采纳比例φ随着t的变化可以向0 和1 两个方向演化。t为摩尔定律中的时间参数,其本质代表技术创新。 当t≥3.181 9,∏aa＞∏ba,∏ab＞∏bb,农业物联网技术主导市场,采纳比例由0.052 演化到全部采纳1。 即市场上农业物联网技术的采纳水平大大提升。随着t的增长,创新不断加快,向全部采纳转变的过渡阶段越来越小,意味着向理想状态的进化越来越容易。当t＜3.181 9,∏ba＞∏aa,∏bb＞∏ab,传统农业生产技术统治市场,采纳比例参数由0.052 向0 演化。

图5 采纳比例φ 随σ 和t 的演化

通过上述分析,应该从下面两点着手推广农业物联网技术:第一,降低物联网技术成本,提供补助,使得采纳农业物联网技术在市场上能够赢得相对较高的利润。 第二,持续加强技术研发,即增加参数t,减小过渡阶段,促进内部均衡φ＝0.052 向理想采纳φ＝1 演化。

5 结语

诺贝尔农业经济学奖得主西奥多·W·舒尔茨［11］认为,农民在权衡收入和风险后,对先进技术的期望是最佳选择。 内部平衡点的存在再次验证了这一观点。物联网技术支持下的农业企业有望获得高产,但对农业信息基础和设备可靠性的要求很高。 另外,在中国的偏远地区,由于运输和物流能力低下,大量产品无法及时运出,因此“谷贱伤农”。 传统的生产模式,尽管有其弊端,但可以确保稳定的产量。 因此,农民权衡利弊之后,内部平衡是最佳选择。 但是,农业是国民经济的重要组成部分,为了国民经济均衡发展,传统农业的提升和改造势在必行。 应从以下几点着手:(1)提供农业物联网技术服务,帮助农民制定投资计划,为农民提供必要的技能和知识。 (2)解决国内农业物联网设备价格昂贵,故障率高的问题。 (3)农业物联网技术的推广和传统农业的提升转型是一项公益性工作,需要大量金钱和人力,需要政府统筹安排。