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農業的未來 技術如何帶來新的增長
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

為了克服不斷增長的需求和多種破壞力,最古老的行業必須接受數位化,連接性推動的轉型。

在過去的50年中,農業產業發生了根本性的轉變。機械的進步擴大了農用設備的規模,速度和生產力,從而導致了更多土地的更有效耕種。種子,灌溉和肥料也得到了極大改善,幫助農民提高了產量。現在農業正處於另一場革命的初期,其核心在於數據和連接性。人工智慧,分析,連接的感測器和其他新興技術可以進一步提高產量,改善水和其他投入資材的效率,並在農作物種植和畜牧業中建立可持續性和適應力。

但是,如果沒有可靠的連接基礎架構,這是不可能的。根據我們的研究,如果在農業中成功的實現互聯互通,到2030年,該行業將為全球生產總值增加5,000億美元的附加值。這將比其預期的總數提高7%至9%,並將緩解當前對農民的大部分壓力。Mckinsey centerMGI)的研究顯示,在先進連接的推動下,它是七個行業之一,將為全球GDP貢獻2萬億至3萬億美元的附加值。 (請參見側欄連接的未來

連接的未來

隨著世界在數字連接的速度和範圍方面,實現飛躍性發展,各行業正在獲得新的增強功能,以提高生產力和促進創新。在接下來的十年中,光纖,低功耗廣域網(LPWAN),Wi-Fi,中低頻段5G和短距離連接(如射頻識別,RFID)等現有技術,將隨著網絡的建立和採用增長,而將擴大他們的範圍。

同時,這些標準將出現升級的新一代技術。此外,新型的更具革命性和資本密集性的前沿連接,例如高頻段5G和低地球軌道(LEO)衛星,將開始上線。

在一起,這些技術發展將釋放各行各業強大的新功能。近乎全球的覆蓋範圍將使用例甚至可以擴展到偏遠地區,並且可將實現普遍的持續連接。隨著新技術允許很高的設備密度,將能夠大規模使用物聯網(IoT)應用程序和用例。關鍵任務服務將利用超低延遲,高可靠性和高安全性方式連接。

在糧食需求增加的同時,供應方,面臨土地和農業投入的限制。到2050年,世界人口有望達到97億,即使產生這些卡路里所需的投入成本不斷上升,也需要將相應的卡路里消耗量相應的增加70%。到2030年,水供應將低於40%,全球對水的需求不斷上升的能源,勞動力和肥料成本已經迫使農業利潤空間。大約四分之一的耕地已退化,需要大量恢復,才能再次大規模維持作物生長。然後,環境壓力不斷增加,例如氣候變化和災難性天氣事件的經濟影響,以及社會壓力,包括推動採取更具道德和可持續性的農場作業,更高的農場動物福利標準以及減少化學藥品和水的使用。

為了應對這些可能進一步加劇該行業動蕩的力量,農業必須接受通過連結通性,以實現的數位化轉型。然而與全球其他許多行業相比,農業的數位化程度仍然較低。過去的進步主要是機械化,使用功能更強大,效率更高的機械,遺傳學方面的進步,是生產性更高的種子和肥料。現在需要更先進的數字工具來實現下一個產品的飛躍效率。已經有一些方法可以幫助農民更有效,可持續地利用資源,而更先進的方法正在開發中。這些新技術可以升級決策,從而可以更好地進行風險和可變性管理,以最佳化收益並提高經濟效益。它們已被部署在畜牧業中,可以提高牲畜的福祉,解決人類對動物福祉長久關注。

但是該行業面臨兩個重大障礙。一些地區缺乏必要的連結性基礎設施,因此其基礎發展至關重要。在已經具有連接基礎結構的區域中,伺服器場部署數字工具的速度很慢,因此其影響尚未得到充分的證明。 

COVID-19危機為未來在農業面五個方面加大挑戰:效率、應變能力、數位化、靈活性和可持續性。較低的銷售量給利潤帶來了壓力,加劇了農民進一步控制成本的需求。陷入僵局的全球供應鏈凸顯了擁有更多本地供應商的重要性,這可能會提高小型農場的適應力。在這種全球性大流行中,嚴重依賴體力勞動的農民進一步受到農場的勞動力流動受限影響。此外,危機期間旅行和消費減少所帶來的重大環境利益可能會促使人們渴望更多本地化,可持續的採購,從而要求生產者調整長期做法。簡而言之,這場危機凸顯了更廣泛的數位化和自動化的必要性,而突然變化的需求和銷售渠道則突顯了敏捷適應性的價值。

 當前的農業連通性

近年來,許多農民開始諮詢有關土壤,農作物,牲畜和天氣等基本變量的數據。但是幾乎沒有人能夠使用先進的數字工具來幫助將這些數據轉化為有價值的,可操作的概念。在未發達地區,幾乎所有農場工作都是手工的,很少或根本沒有高級連接器或設備。

即使在美國這個連通性領先的國家,目前也只有大約四分之一的農場使用任何已連接的設備來收集數據,而且該技術並不是完全先進的。尚未可以在2G3G上運行電信公司計劃拆除的網絡或建立在非常複雜且昂貴的超低頻帶IoT網絡上。無論哪種情況,這些網絡只能支持有限數量,並且缺乏即時數據傳輸的性能,這對於釋放更高級和複雜用例的價值至關重要。

儘管如此,在3G4G手機網絡上運行的當前IoT技術,在許多情況下足以實現更簡單的用例,例如對農作物和牲畜進行高級監控。但是在過去,硬體成本很高,因此在農業中實施物聯網的商業案例並沒有成立。如今設備和硬件成本正在迅速下降,一些供應商現在以我們認為可以在投資的第一年帶來回報的成本提供解決方案。

但是,這些簡單的工具還不足以釋放這種連結性對農業的所有潛在價值。為此,行業必須充分利用數字應用程序和分析功能,這將需要低延遲,寬高帶,高彈性以及對由LPWAN5GLEO衛星等先進的前沿連接技術提供的設備密度的支持。(圖1)。

因此,該行業面臨的挑戰是雙重的。必須開發基礎設施以允許在農業中使用連通性,並且在已經存在連通性的地方,必須提出強有力的商業案例,以採用解決方案。好消息是,幾乎所有地方的連接範圍都在增加。到2030年,我們預計某種類型的先進連接基礎設施將覆蓋全球約80%的農村地區。值得注意的例外是非洲,非洲僅有覆蓋四分之一的面積。因此關鍵是為該行業開發更多,更有效的數位工具,並促進它們的廣泛採用。

隨著連接性的日益普及,這些工具將為農業帶來新的功能:

1.大規模的物聯網。低功耗網絡和價格便宜的感測器將為物聯網的擴大奠定基礎,從而實現諸如田間作物的精確灌溉,大批牲畜的監測以及跟踪偏遠建築物和大型車隊的使用和性能等。

2.關鍵任務服務。超低的等待時間和改進的連接穩定性,將增強要求絕對可靠性和反應性的應用程序的信心。例如運行自動機械和無人機。

3.接近全球的覆蓋範圍。如果LEO衛星發揮其潛力,它們將使世界上最偏遠的農村地區也能夠使用廣泛的數位化技術,這將提高全球農業生產力。

連接性創造價值的潛力

到本世紀末,增強的農業互聯互通將為全球國內生產總值增加超過5,000億美元,使該行業的生產率大幅提高7%至9%。但是,其中的大部分價值都需要對互聯互通技術進行投資。基本上沒有涵蓋農業。其他行業已經使用了LPWAN,雲計算等技術,以及需要最少硬件的廉價,更好的感測器,這可以大大減少必要的投資。我們分析了五個用例-作物監測,牲畜監測,建築和設備管理,無人機駕駛農業以及自動化農業機械。這些案例對使用增強的連通性已經處於使用的早期階段,並且最有可能帶來更高的產量,更低的產量成本,以及為行業在21世紀蓬勃發展提供所需的更大的彈性和可持續性(圖表2)。

重要的是要注意,用例在區域之間的適用範圍並不相同。例如在產量已經相當最佳化的北美地區,監控解決方案沒有像亞洲或非洲那樣具有創造價值的潛力。,在亞洲或非洲,還有更大的提升空間。無人機和自動機械將對先進市場產生更大的影響,因為那裡的技術可能會更容易獲得(圖表3)。

最初,大型農場具有更大投資能力和更優惠的數位化動機,將得到最大潛在價值。連接性保證了對大片土地的勘測更加容易,並且與小型家庭農場相比,大型生產設施更容易抵消開發物聯網解決方案的固定成本。出於類似原因,穀物、雜糧、水果和蔬菜等農作物將產生我們確定的更大部分價值。由於農場的平均規模較大,因此與肉類和奶製品行業相比,連通性在這些行業中啟用了更多的用例。物聯網網絡特別適用於對許多變量進行靜態監控,因此,互聯技術的適用性更好。有趣的是,亞洲將獲得總價值的60%,這僅僅是因為它生產的農作物數量最多。

用例 1:作物監視

連接性提供了多種方法來改善對農作物的觀察和照料。整合天氣數據,灌溉,養分和其他系統可以通過更準確地識別和缺點預測來改善資源利用並提高產量。例如,部署用於監測土壤狀況的感測器可以通過LPWAN進行通信,指導調整噴頭水分和養份的施用量。感測器還可以從田野的偏遠角落提供圖像,以幫助農民做出更明智,更及時的決策,並早日預警疾病或蟲害。

智能監控還可以幫助農民進行最佳化收穫。監測作物的品質特性(例如糖份含量和果實顏色,可以幫助農民從他們的作物中獲得最大的收益。

用例 2:畜牧監測

預防疾病爆發,並防止動物陷入疫情困境,對於大規模牲畜管理至關重要,在這種管理中,大多數動物都採用嚴格的飼養方案,以確保它們可以通過高度自動化的處理系統輕鬆移動。測量溫度,脈搏和血壓的晶片和身體感測器以及其他指標,可以及早發現動物疾病,預防畜群感染並改善食品品質。農民已經在使用諸如SmartbowZoetis的一部分)之類的供應商所提供的耳標技術來監測奶牛的熱量,健康和位置,或者利用諸如Allflex之類的公司的技術來在疾病暴發時實施全面的電子追踪。

同樣,環境感測器可能會啟動穀倉通風或加溫的自動調整,從而減輕困擾並改善消費者日益關注的生活條件。

2030年,更好地監測動物健康和生長狀況可能會產生700億至900億美元的價值。

評論:Mckinsey之胡言亂語,在人體的應用都未成功,如何使用於畜產?

用例 3:農業建築和設備管理

用於監視和測量筒倉和倉庫高度的晶片和感測器可以啟動自動重新訂購,從而降低了農民的庫存成本,其中許多人已經在使用Blue Level Technologies等公司的此類系統。類似的工具還可以通過監視和自動化最佳存儲條件來提高資材的保存期並減少收穫後的損失。監視農業建築物和設備的狀況以及使用情況還可以減少能耗。

連接到設備並連接到預測維護系統的電腦視覺和感測器可以降低維修成本並延長機械和設備的使用壽命。到2030年,此類解決方案可以節省400億至600億美元的成本。

用例 4:無人機作業

農業使用無人機已經有大約二十年的歷史。全世界的農民都依靠雅馬哈RMAX遙控直升機等先驅者來幫助進行作物噴灑。現在下一代無人機已經開始對這一領域產生影響,它具有快速有效地調查廣闊地區農作物和牧群的能力,也可以作為將即時數據傳遞到其他連接的設備和裝置的中繼系統。無人機還可以使用電腦視覺來分析田間條件,並在作物最需要的地方提供精確的干預措施,例如肥料,養分和殺蟲劑。或者他們可以在偏遠地區播種,從而降低設備和勞動力成本。通過降低成本和提高產量,使用無人機可以產生850億至1150億美元的價值。

用例 5:自主農機

結合電腦視覺和感測器的更精確的GPS控制組件,可以促進智能和自主農業機械的部署。農民可以在田地上同時操作各種設備,而無需人工干預,從而節省了時間和其他資源。自主機器在現場的工作效率也比人工操作的機器更高,更精確,這可以節省燃料並提高產量。通過更好的連接性來提高機械的自主性,可以創造500億美元的收益。到2030年,增加價值600億美元。

 

其他價值來源

互聯技術提供了額外的間接利益,這些用例給出的估計值不包括其價值。全球農業產業高度分散,大部分勞動力由個體農場主負責。特別是在亞洲和非洲,很少有農場僱用外部工人。在此類農場上,採用連通性解決方案應可為農民騰出大量時間,他們可以將其用於耕種額外的土地以賺錢或從事行業以外的工作。

我們發現,在這些農場上部署高級連接以實現這樣的勞動效率的價值將近1200億美元,到2030年,增強的連接總價值(從直接和間接結果)將超過6200億美元。但是,在很大程度上取決於高級連接覆蓋範圍,在非洲以及亞洲較貧窮的地區和拉丁美洲和非洲,該覆蓋率預計較低,約為25%。在那些農業比北美和歐洲分散得多的地區,要實現為部署高級連接提供商業案例所需的關鍵數量的採用者,也將更加困難。

對農業生態系統的影響

隨著農業產業的數位化,新的價值口袋可能會被釋放。迄今為止,銷售種子,營養素,殺蟲劑和設備的資材提供者,在數據生態系統中發揮了關鍵作用,因為它們與農民緊密聯繫,他們自己的農學知識和創新記錄。例如,世界上最大的肥料分銷商之一現在提供施肥劑和軟體,該軟體可以分析田間數據,以幫助農民確定在哪裡施肥以及施肥量。同樣大型設備製造商正在開發精確控制,這些控制將利用衛星圖像和車輛之間的連接來提高現場設備的效率。

但是,高級連接性確實為外行者提供了進入該領域的機會。一方面電信公司和LPWAN提供商在安裝實現場上的數字應用程序所需的連接基礎結構方面,扮演著十分重要的角色。他們可以與公共機構和其他農業參與者合作,發展公共或私人農村網絡,從而在此過程中獲得一些新的價值。

農業技術公司是新的參與者進入農業領域的另一個例子。他們專門為農民提供創新產品,這些產品利用技術和數據來改善制定決策,從而提高產量和利潤。這樣的農業技術企業可以提供解決方案和定價模型,例如通過減少初始投資負擔並允許農民隨時退出的訂購模型,從而降低農民的感知風險,從而有可能更快地採用其產品。意大利的一家農業技術公司通過提供按季節,按英畝計的費用(包括硬件安裝,數據收集和分析以及決策支持)來監控釀酒廠的灌溉和作物保護來實現這一目標。Agritech也可以與農業綜合企業合作開發解決方案。

但是只有在許多農村地區都可以使用高速寬帶網絡之後,許多事情才能實現。我們設想可以通過三種主要方式進行必要的投資以實現這一目標:

電信驅動的部署。儘管高寬寬農村網絡的經濟狀況普遍較差,但隨著農民採用先進的應用程序和整合解決方案,農村地區對其帶寬的需求急劇增加,電信公司可能會從中受益。

提供程序驅動的部署。輸入供應商憑藉其現有的行業知識和合作關係,可能最有可能帶頭進行與連接相關的投資。他們可以與電信公司或LPWAN業務合作以開發農村連接網絡,然後為農民提供整合了連接技術,產品和決策支持的業務模型。

農民驅動的部署農場主人

單獨或與LPWAN小組或電信公司聯合使用,也可以推動投資。這將要求農民發展知識和技能,以在本地而不是通過第三方來收集和分析數據,這是一種不小的障礙。但是農民將保留對數據的更多控制權。

怎麼做

無論哪個小組為農業互聯互通投入必要的投資,沒有任何一個實體能夠獨自進行。這些所有進步將要求行業的主要參與者,將協作視為開展業務的重要方面。展望未來,為農業提供連通性的贏家將需要跨越各個領域的強大能力,從農場運營知識到高級數據分析,以及提供能夠輕鬆,順利地與其他平台和鄰近行業整合的解決方案的能力。例如,由曳引機自動收集的數據應無縫地流向控制灌溉設備的電腦,該電腦又應能夠使用氣象站數據來最佳化灌溉計劃。

但是,該行業的連通性先驅已經開始在內部開發這些新功能。組織出於保密和競爭原因而傾向於保留內部運營的專有數據。這種控制水平也使數據更易於分析,並有助於組織對於不斷發展的客戶需求做出更快的響應。

但是開發新功能並不是最終目標。能夠與電信公司或LPWAN參與者建立合作夥伴關係的農業參與者,將在新的互聯農業生態系統中獲得重要的影響。通過這些合作夥伴關係,他們不僅能夠更輕鬆,更經濟地購買連接硬體,而且隨著連接成為有利戰略地位,他們還將更有利於與農民建立緊密的關係。輸入提供者或分發者因此可以發現自己處於連接競賽中。如果投入品供應商設法建立這種夥伴關係,他們可以直接與農民聯繫並完全切斷分銷商。如果分銷商在競爭中勝出,他們將通過保持必要的中介機構(更接近農民的需求)鞏固其在價值鏈中的地位。

公共部門還可以通過改善發展寬帶網絡的經濟性來發揮作用,特別是在農村地區。例如,德國和韓國政府通過大力補貼頻譜或向電信公司提供稅收減免,使網絡發展更具吸引力方面。其他地區可以複制此模型,從而通過經濟高效地為投入提供者和農業技術公司提供可以提供服務的保證,從而加快連接產品的開發。LEO衛星星座的最終部署可能會產生類似的影響。

農業是世界上最古老的產業之一,處於技術十字路口。為了應對日益增加的需求和一些破壞性的趨勢成功,業界將需要以克服挑戰,以部署先進的連接。

這將需要對基礎設施進行大量投資,並需要重新調整傳統角色。這是一項巨大而關鍵的任務,所涉價值超過5,000億美元。這個地球上最古老的產業之一的成功與可持續發展很可能取決於這項技術轉型,而一開始就接受這一技術轉型的企業可能最有可能在農業以網絡為導向的未來中蓬勃發展。

關於MckinSey用例研究

我們的農業連通性用例的價值主要在於勞動效率,投入的最佳化,產量的增加,開銷的減少以及機械操作和維護的改進。每個用例都可以在那些有望提高農業生產率的領域中提供一系列改進手段。

我們將這些槓桿應用於農業生產的盈利驅動因素,以期為整個行業帶來經濟潛力。例如,一個用例可以使肥料用量減少5%至10%,為農民節省成本,或者使產量提高3%,從而為農民帶來更多的收入。事實上,更高的產量是最大的機會,無限個先進的連接潛力將增加約$ 3500億的價值或全球糧食產量。無需額外投入或勞動力成本。

如今,大多數物聯網網絡無法支持設備之間的圖像傳輸,更不用說自主圖像分析。也無法支持足夠高的設備數量和密度來準確監控大範圍。窄帶物聯網(NB-IoT)和5G有望解決這些帶寬和連接密度問題。到2030年,在土壤,農場設備和農場管理者之間使用更多和更平滑的網路聯繫,可以釋放1300億到1750億美元的價值。

(評論):提供鄉間網路需要多少成本?收益多少?外行公司述說內行話。空有口號不切實際。因此我稱為MckinSey之夢話。