梁建平，安麗清

（1.北京市農(nóng)業(yè)局信息中心，北京 100029；2.北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100029）

0 引言

設施農(nóng)業(yè)作為建設北京都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)形態(tài)，是實施“人文北京、科技北京、綠色北京”發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。農(nóng)業(yè)部曾于2011年8月頒布《全國休閑農(nóng)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，《規(guī)劃》指出要大力發(fā)展集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)觀光、休閑度假、參與體驗于一體的休閑農(nóng)業(yè)，到2015年，休閑農(nóng)業(yè)要成為橫跨村、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、縣、一、二、三產(chǎn)業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)，成為發(fā)展新型消費業(yè)態(tài)和擴大內(nèi)需的支柱產(chǎn)業(yè)。由此可見，以休閑觀光為主體的設施農(nóng)業(yè)，對于促進農(nóng)民增收，保障北京市設施農(nóng)產(chǎn)品安全，推進城鄉(xiāng)一體化進程發(fā)揮了重要作用。

目前，物聯(lián)網(wǎng)在設施農(nóng)業(yè)上的應用如火如荼，但是都遇到了一個共同的瓶頸，就是如何實現(xiàn)應用效益的提升，尤其是經(jīng)濟效益，這不僅僅是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用本身的問題，還涉及與之相關(guān)的企業(yè)規(guī)?；l(fā)展、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障、可持續(xù)的商業(yè)運營和維護模式等等多種因素的綜合作用[1]。因此，本文從企業(yè)本身和政府的雙重角度，結(jié)合北京市設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用示范六年多的實踐摸索，以及相關(guān)經(jīng)驗和教訓，以農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為核心，研究探索一種符合設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)實生產(chǎn)中可行、可用、可靠的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升設施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的策略，為國內(nèi)現(xiàn)代的設施農(nóng)業(yè)企業(yè)和管理部門提供借鑒。

1 制約國內(nèi)設施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的主要因素

1.1 我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平任重道遠

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是與產(chǎn)品銷量、產(chǎn)量、口碑最直接的經(jīng)濟效益影響因素，而農(nóng)藥和化肥是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素。農(nóng)藥盲目濫用給蔬菜產(chǎn)品安全造成極其嚴重后果。設施生產(chǎn)自身特點客觀上會促進許多喜低溫、高濕病害如灰霉病、白粉病等發(fā)生，我國農(nóng)藥使用量是發(fā)達國家的2～4倍[2]?；蔬^量或不合理使用肥料會降低農(nóng)產(chǎn)品安全性，一是氮肥施用過多，二是生產(chǎn)劣質(zhì)磷肥使用的礦物質(zhì)多為氟磷礦，且60%～70%殘留土壤中。

1.2 我國設施農(nóng)業(yè)單位生產(chǎn)效率有大幅提升空間

目前由于我國設施農(nóng)業(yè)普遍存在管理粗放、技術(shù)措施落實不到位、智能化水平低，導致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高，仍以傳統(tǒng)經(jīng)驗生產(chǎn)為主，缺乏量化指標和配套集成技術(shù)，產(chǎn)品總體產(chǎn)量低。國外設施農(nóng)業(yè)在信息技術(shù)的支持下平均年產(chǎn)量均能達到20 000kg/畝[2]，北京的產(chǎn)量為他們的1/2左右。此外，我國設施蔬菜生產(chǎn)仍以人力為主，勞動強度大，其溫室年平均用時達3 600h/畝以上，人均管理面積僅相當于日本的1/3和美國的1/10[3]。

1.3 我國設施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制能力亟須改善

北京設施農(nóng)業(yè)以日光溫室為主，溫室結(jié)構(gòu)簡易，環(huán)境控制能力低；發(fā)達國家采用智能化溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，可節(jié)能15%～50%，美國農(nóng)業(yè)用水畝均不足71方，畝均施肥量為6.8kg，發(fā)達國家農(nóng)藥利用率50%～60%[3]；而北京市農(nóng)業(yè)用水畝均約313方，畝均化肥使用量為23.84kg，農(nóng)藥利用率5%～30%，設施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備機械化水平約為60%左右。

1.4 我國設施農(nóng)業(yè)高素質(zhì)、高組織化程度有待繼續(xù)提高

隨著設施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量原本從事大田生產(chǎn)的農(nóng)戶轉(zhuǎn)入設施蔬菜生產(chǎn)，專業(yè)技術(shù)和綜合素質(zhì)還有待提高；另一方面突發(fā)性、毀滅性病蟲害（番茄黃化曲葉病毒?。┑谋┌l(fā)，種植戶往往缺乏科學的防控手段，專業(yè)的技術(shù)指導，亦成為嚴重制約農(nóng)業(yè)設施產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。在設施農(nóng)業(yè)組織化程度方面，就北京而言，近幾年逐步加快了發(fā)展的速度，基本能夠達到60%，但是規(guī)模還偏小，規(guī)范化程度還偏低。而國外發(fā)達國家瑞典、法國農(nóng)民組織化程度為90%，日本為100%[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用投入與獲得的經(jīng)濟效益產(chǎn)出分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用投入分析

目前設施農(nóng)業(yè)多數(shù)都是以日光溫室為主。依據(jù)設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的實施技術(shù)架構(gòu)，將整體投入分為五部分[4，5，6]，一是傳感器，主要有空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、CO2等，其投入為A萬元；二是網(wǎng)絡設備，主要是數(shù)據(jù)采集控制器，其投入為B萬元；三是控制設備，主要包括電磁閥、CO2釋放機等，其投入為C萬元；四是應用系統(tǒng)，主要是進行數(shù)據(jù)分析、設備控制等，其投入為D萬元；五是應用系統(tǒng)運行所需的軟硬件設備（系統(tǒng)部署環(huán)境）投入為E萬元。最后兩項是整體性投入，理論上其成本不會隨著實施面積的擴大而增加，而前面三項投入會隨之增加。其因素構(gòu)成如圖1所示。

圖1 設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用投入因素構(gòu)成

那么，其平均1棟日光溫室的物聯(lián)網(wǎng)應用成本S（投入）計算公式如下：

2.2 設施農(nóng)業(yè)獲得的經(jīng)濟效益產(chǎn)出分析

以1畝日光溫室產(chǎn)出計算。首先[7，8]，在產(chǎn)量增加方面，利用系統(tǒng)精準化肥水藥管理，病蟲害預警等，預計蔬菜產(chǎn)量平均提高15%，可增收a萬元；其次，在提高勞動生產(chǎn)效率方面，利用系統(tǒng)遠程監(jiān)控，1個人至少可管理10個溫室，即每個溫室需0.1個勞動力，以前至少需要0.25個人力，平均可節(jié)約0.15個人力，按北京市勞動力市場價格，每年工作12個月計算，可節(jié)約投入b萬元；第三，在售價方面，由于系統(tǒng)全程的精細化管理，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)普遍較為良好，受到消費者好評，安全性大幅提高，共可增加收入約c萬元；第四，在病蟲害防治方面，利用系統(tǒng)早期預警，一個生長季預計可以減少農(nóng)藥使用量80%以上，可減少農(nóng)藥直接投入d萬元；第五，在節(jié)約用肥方面，利用系統(tǒng)測土配方施肥，可節(jié)約肥料30%，可減少直接投入e萬元；第六，在節(jié)約用水方面，利用系統(tǒng)精準化灌溉，一個生長季可以節(jié)水50%，可減少直接投入f萬元。其因素構(gòu)成如圖2所示。

那么，其平均1畝日光溫室每年的物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)出S（產(chǎn)出）計算公式如下：

圖2 設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)出因素構(gòu)成

2.3 設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用最低規(guī)模和最低運營年限理論模型構(gòu)建

基于上述分別對投入和產(chǎn)出的分析，下文將開始構(gòu)建兩個重要的模型，分別是企業(yè)種植最低規(guī)模和最低運營年限模型。

由于物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)是整體性投入，投入不會隨著實施面積的擴大而增加，理論上可無限制重復利用。而硬件設備，即傳感器、控制設備、網(wǎng)絡設備，在不考慮更新的前提下，每個日光溫室都安裝一套，那么通過計算可以得出：在1年之內(nèi)，實施多少棟日光溫室可實現(xiàn)投入和產(chǎn)出的平衡，也就是最低規(guī)?；?，用M來表示，單位是棟；同時，溫室的面積系數(shù)用K表示，即每棟溫室的占地面積，單位是畝/棟。計算公式如下：

依據(jù)：S（投入）= S（產(chǎn)出），即，

但是，在物聯(lián)網(wǎng)實際應用過程中，為了節(jié)約投入，其實施策略和方法主要是依據(jù)日光溫室中種植的農(nóng)產(chǎn)品類型確定，對于種植同一種農(nóng)產(chǎn)品的連片統(tǒng)一類型日光溫室，采用以點帶面的方式，即每X棟溫室部署一套傳感器，但是控制設備、網(wǎng)絡設備需要在每棟溫室部署一套。那么，M計算公式如下：

但是，上述結(jié)果還是不具有實踐性，因為沒有考慮很重要的一個環(huán)節(jié)，即設備的更新問題，一般情況下，傳感器設備更新維護的平均周期大約為3年，按照目前的實際情況，一般都是更換一個新的設備為主；控制設備、網(wǎng)絡設備，以及系統(tǒng)部署所需軟硬件相對更新時間較長，大約在5年左右，以維修和升級改造為主，平均每次每棟維護費為F萬元。通過計算可以得出運行時間為定值的前提下，用Y表示，單位為年，進而得出傳感器更新次數(shù)為Y/3，值取整數(shù)，用T1表示，其他設備更新次數(shù)為Y/5，值取整數(shù)，用T2表示。那么，重新計算M為多少可實現(xiàn)投入和產(chǎn)出的平衡，計算公式如下：

設：T1=[Y/3]，T2=[Y/5]，并且T取值范圍為0，1，2，3……N；Y的取值范圍為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，以此類推；

同時，可得出在M一定的情況下，Y為多少年可以實現(xiàn)投入和產(chǎn)出的平衡，即最低運行年限要求，計算公式如下：

通過上述分析，在Y一定的前提下，可得出日光溫室物聯(lián)網(wǎng)應用的投入與產(chǎn)出平衡規(guī)?；畹鸵?，同時，得出了在M一定的情況下，日光溫室物聯(lián)網(wǎng)應用的投入與產(chǎn)出平衡的最低運營年限要求。但由于上述參數(shù)多是平均值，得出的結(jié)果可能與實際稍有偏差，但是，上述結(jié)果已經(jīng)盡可能地考慮到了設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的投入和產(chǎn)出的主要因素，因此，對于現(xiàn)實生產(chǎn)的日光溫室物聯(lián)網(wǎng)應用的最低規(guī)?；妥畹瓦\營年限具有重要的參考價值。

綜上分析，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用在提升設施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益中起到了重要作用，但是不能盲用、濫用，否則適得其反，而是應遵循一定的要求和策略，只有這樣才能使設施農(nóng)業(yè)應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大化。

3 設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用經(jīng)濟效益提升策略

3.1 緊緊圍繞農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用，突出物聯(lián)網(wǎng)應用核心經(jīng)濟價值

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的核心價值在于保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，只有安全的、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品才能贏得市場，獲得好口碑，產(chǎn)生超額經(jīng)濟收益。其內(nèi)在原因就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)既需要微觀監(jiān)測，又需要宏觀管理，在生產(chǎn)規(guī)模擴大到一定程度后，傳統(tǒng)意義的勞動密集型管理模式已經(jīng)遠遠不能滿足日益嚴格的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全要求，那么物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借強大和準確地感知能力以及智能控制能力，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個植株都盡在掌控，讓作物生長在健康的環(huán)境，病蟲害得到及時的防控[7]，使農(nóng)藥施用大幅減少，質(zhì)量安全得到保障。其中最為常用的措施是構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯平臺，并由政府出臺嚴格的農(nóng)產(chǎn)品市場準入和獎懲制度，以及成立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測基金，作為與追溯系統(tǒng)的重要補充，相輔相成。

3.2 大力促進設施農(nóng)業(yè)向規(guī)?；图s化發(fā)展，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)應用的經(jīng)濟效益集群效應

通過上述設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用投入與產(chǎn)出平衡規(guī)?；治?，可計算出利潤，用P（利潤）表示，單位是萬元，其計算公式如下：

從公式中可以得出，在最低規(guī)?；?，即M值在平衡時，P（利潤）為0，如果繼續(xù)擴大規(guī)模，假定X為1，而其他參數(shù)都不會隨著規(guī)模的擴大而變化，因此，M越大，P（利潤）的增加幅度會越明顯；如果再考慮傳感器的部署以點帶面原則，其數(shù)量X值是小于等于M值的，P（利潤）會更加顯著；如果再考慮運行年限，即隨著Y的不斷增加，P（利潤）將越來越大，這就是我們要說的物聯(lián)網(wǎng)應用經(jīng)濟效益集群效應。

基于上述分析，為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的經(jīng)濟效益最大化，需鼓勵企業(yè)組建發(fā)展壯大農(nóng)業(yè)合作社、聯(lián)合社等設施農(nóng)業(yè)組織團體，把分散的農(nóng)戶、大戶聯(lián)合整合起來，統(tǒng)一應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，共享生產(chǎn)數(shù)據(jù)和市場數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理，以點帶面，放大物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟集群效應；反過來，也會帶動規(guī)模較小的團體和散戶自愿加入到大型團體中，使規(guī)模越來越大。因此，只要有足夠的管理能力和市場，企業(yè)可以不斷擴大規(guī)模，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大化。

3.3 加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用統(tǒng)籌與差異的并行能力，切實滿足設施農(nóng)業(yè)企業(yè)獲得最大化經(jīng)濟效益

設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的最大化效益須以實際生產(chǎn)和市場需求為基石，避免空中樓閣、華而不實。因此，在整個設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用體系中，首先在深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定整體的發(fā)展規(guī)劃，從頂層設計開始，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源充分共享、統(tǒng)一，避免無序重復建設；同時，根據(jù)實際情況差異化設計，對于科技展示、農(nóng)業(yè)觀光等高端設施農(nóng)業(yè)，以高投入為代價，充分應用各種高新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全方位展現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點和帶來的強大社會影響力；對于滿足實際生產(chǎn)和市場需要的設施農(nóng)業(yè)，則應采用成熟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嚴控成本投入，適用即可，在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)盈利，并大幅降低運行過程中的技術(shù)障礙和后期運維風險。在種植作物的選取上，優(yōu)先面向大眾需求多、高端、高附加值的農(nóng)產(chǎn)品由易到難逐步應用。在應用實施規(guī)模方面，在滿足上述設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用最低規(guī)模（見公式（5））的基礎(chǔ)上，具有規(guī)模化生產(chǎn)能力、資金實力、品牌優(yōu)勢的農(nóng)業(yè)企業(yè)或團體先行應用，以點帶面，逐步吸納小規(guī)模企業(yè)散戶、加入整個物聯(lián)網(wǎng)體系，進一步降低物聯(lián)網(wǎng)整體的投入成本，并有序漸進帶動本地區(qū)設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的集約化和精細化發(fā)展。

3.4 全面構(gòu)建可持續(xù)的設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行和維護模式，保障物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系產(chǎn)生持久的經(jīng)濟效益

在整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用鏈條末端——運營和維護是整個鏈條能否正常運行和產(chǎn)生源源不斷經(jīng)濟效益的保障。目前主要存在三種模式[9，10，11]：一是政府主導模式，目前主要以這種模式為主，政府發(fā)揮主導作用，通過政府的政策輸出和一次性資金輸出方式推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用，這種政府買單的方式，能確保農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展更加具有戰(zhàn)略性、全局性和示范性，有助于產(chǎn)業(yè)化過程中各個相關(guān)部門的協(xié)調(diào)和互動，起到一個市場的示范和引領(lǐng)效應，而示范企業(yè)利用自有資金進行后期的運維，保障政府前期投入有效持續(xù)運行；二是企業(yè)主導模式，這是今后重點發(fā)展的模式，主要是物聯(lián)網(wǎng)設備生產(chǎn)企業(yè)、電信運營商、軟件服務運營商收取少量費用或者免費向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用，而其投入的資金主要是通過農(nóng)業(yè)企業(yè)運營收益中逐年支付給提供物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)企業(yè)；三是政企眾籌模式，這種模式由政府、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)設備生產(chǎn)企業(yè)、電信運營商、軟件服務運營商等多方共同出資推進，這也是近期興起的PPP模式，是綜合了前兩種模式的基礎(chǔ)上衍化來的，各方分工協(xié)作，經(jīng)濟效益按比例分享，政府資金投入極大減輕，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供企業(yè)也具有很高的積極性，有效保障了整個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益的持久性，這種模式更具合理性。

4 討論

綜上所述，本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用投入與獲得的經(jīng)濟效益產(chǎn)出分析中，所提出的兩個理論模型已盡可能地將各種因素和客觀條件考慮在內(nèi)，但是還有一些很難或根本就無法納入的因素，主要有三種，其中最關(guān)鍵的就是企業(yè)的管理因素，包括種植過程管理、人員管理等；二是市場因素，包括傳感器、軟件系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品市場價格行情、市場偏好、人力工資等等，都是在不斷變化的；三是政策因素，包括相關(guān)政策導向、扶持力度等。這些因素都會或多或少直接或間接影響到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用投入與獲得的經(jīng)濟效益產(chǎn)出，尤其是物聯(lián)網(wǎng)設備的價格和農(nóng)產(chǎn)品的價格，因此，在實踐中，建議投入和產(chǎn)出中的各因素盡可能取用近三年的平均值，這樣有助于稀釋這些因素不斷變化的影響程度。另外，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用投入分析中，所涉及傳感器種類是最基本要求，沒有納入諸如葉片溫度、果實膨大等作物生理生態(tài)等高端傳感器，因此，在兩種模型的實際應用中，做適當調(diào)整即可。還有，本文提出的兩種模型，除了進行農(nóng)業(yè)企業(yè)種植最低規(guī)模和最低運營年限的計算外，還可以此為基礎(chǔ)，進行模型的任意轉(zhuǎn)換，可計算出其他指標的結(jié)果，如溫室棟數(shù)為定值，可算出在投入和產(chǎn)出平衡時的溫室面積系數(shù)等。

雖然本文所提出的兩種模型和與之對應的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升設施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益策略是多年實踐積累和理論技術(shù)的集合，但目前仍然只是一種探討，下一步將重點進行實踐驗證，然后再不斷總結(jié)完善，盡可能接近真實情況。

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