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農業4.0IoT –歐洲觀點

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

資料來源:European Commission: Digital Transformation Monitor

Title: Industry 4.0 in agriculture: Focus on IOT aspects

Date: July 2017.

要義:農業設備與農業數據結合性的發展,可以導致農業技術重大進展,促使農業朝向精確化,增加產業的透明程度。但是這種工業技術與農業之結合也面臨了顯著性的挑戰。需要在企業生態系統中增加數據的交換,需要投資在新的設備新與投資基礎建設。

 

I.       農業的數位化

產業4.0正在轉化所有產業的生產能力,也包括了農業領域。在此轉換過程中,聯結性是一關鍵里程碑,而物聯網(IOT)促使農業達到此項技術。

1.          自產業4.0至農業4.0

產業4.0對產業的轉換是根基於數位技術,物聯網(Internet of Things),大數據(Big Data),人工智慧(Artificial Intelligence),與其他數位化之能力包括合作(cooperation),移動性(mobility)與創新技術(open innovation)。

在此顯示,此種轉換的基本建設為農場與農場之聯結,新農機具連結,曳引機與其他機具之聯結等。這些連結用以增加生產能力,生產品質與增進環境保護。連結作業同時對產品價值鏈產生修正,改變商業模式,而且更強調知識的收集,分析與交換。

2.          生產方法與工具的轉換

數位化農業是基於發展與引進新工具,新機具於生產作業。曳引機與其附屬設備是農業之關鍵設備。對上述設備,其連結技術與地區化技術是以GPS作為最佳化設備。可用以協助駕駛員進行最佳化路徑,最短收穫方式與最佳作物處理,因此減低燃料的消耗。

為了促使此精準作業,需要依據各種感測器。這種感測器結合了監測與控制,以進行作物處理,提高作業效率與生產力。

連結性也促使商業模式之新革命,因為更精確地使用設備,因此農機成本更為精確。

3.          自動化

農業生產過程另一個重要的轉換是加以提昇自動化的角色,減少人力需求以增加生產力,自動化包括農機之自動行駛,各種機械作業手臂。

4.         新的量測工具

轉化過程是基於收集更多的相關數據。量測參數包括土壤品質,灌溉水位,氣候,昆蟲與病源之存在狀態。感測器與曳引機/附屬設備相結合,用以直接量測田區與土壤特性,或是使用無人機或衛星影像以收集所需資料。

5.          IOT之需求:連結,耐用與技術合法性。

有項關鍵技術是網路之通訊能力,尤其在鄉間的通訊連結能力。此連結能力必須包覆大面積,成本不能太高,目前以2G網路與LPWA技術比較能夠通用。但是對長期永續使用而言,上述網路無法保證其使用年限,這種不確定性影響了IOT技術之選用。更先進的技術例如各種中繼連結能力,或是新一代網路(5G),其使用可能性都需要評估。

在鄉間,IOT之應用又要考慮特殊之環境(功率提供,灰塵,下雨,振動等等),這些環境限制因子也影響了IOT之選用。

6.          與現存技術結合

現代最新生產之曳引機具可以結合數位技術。但是傳統使用之曳引機及設備等,其折舊取代年限十分長久。以曳引機為例,其折舊年限為27.5年。這個漫長過程,使得機具汰舊並不容易。創新之IOT設備要能與傳統機具機合,這種更新與改造技術,需要有技術之相容性與標準化。

 

II.    機器與農場的連結

以農業4.0增進生產力之關鍵在於遠端收集,使用,與交換數據之能力。

1.          生產的透明度

使用IOT之第一件工作是收集已出版之資訊。可以使用的數位工具包括稅收紀錄,食品製程的可涉性等這些資訊之收集整合相對地容易。

2.          預防性的維護作業

另一種應用實例是將農機使用數據與原製造廠商加以結合,因此對於使用之農機具可以進行預先性維護。

感測器的連結與應用可以使得製造廠商得以追蹤其產品的使用情形,可以探查性能之損失與提供預防性維護作業。這些收集數據又可協助廠商瞭解使用者需要,以改善其生產線上的產品。

3.          共享知識使得農業生產最佳化

除上述之預防保養,使用收集的數據可直接改善實際的生產作業,包括作物與工具。

以知識共享的方法,可以最佳化的使用肥料,殺草劑與燃油。在一項研究中,知識共享可以增加20%之收入,減少化學品與燃油之使用量10%20%

但是這種知識之共享需要更廣泛之數據收集與交換。

4.          對農業企業模式與生態之衝擊

上述知識共享方式創造一個新工作之知識服務業。例如對於栽培知識之專業知識,對未來市場之預測與生產行事曆之服務工作。

使用IOT,對農業此產業創造了一個更複雜的價值網,而此價值網走可能衍生一個新身分連結供應者"。用以連結農機銷售商,生產商與使用者等。

這種連結者對農場管理需要提供更完備的服務,而與軟體產業等其他產業要有更多連結。

5.          生態系統之連結

精確農業的發展是基於數據收集與分析的能力。為了得到顯著的結果與最佳化生產,數據需要收集,以建立更高層次的知識,而不是只是農場作業的探查。

在此說明一個數據交換平台的重要性,需要許多數據收集者的相互合作,而這些收集者可能來自不同領域,而且其興趣相互衝突。

因此IOT之價值鏈與這種數據交換組織十分相關。IOT之應用必須能夠自數據產生之知識,而且建立一個最佳化服務之商業模式。

6.          數據平台之急迫性

與其他產業相同,農業要在應用IOT得到利益,就必須發展此IOT平台。

此產業之大型成員,例如John Deere農機製造商或是Monsanto種苗商,在IOT農業本來具有關鍵性角色,因為其本身已具有其技術與數據平台。

這種大型成員之技術平台,與其他技術的控制者結合,其重要性在於可以建立市場之安全性與標準。

然而此IOT農業最大的價值在於對數據之控制。藉由控制數據,提供服務,可促進生產過程之最佳化。在工業界,可以藉由數據之獨占性以建立強力障礙以阻止他人進入,並且獲取回收利益。此趨勢可以自工業界應用於農業。

 

III.  採用IOT之挑戰

雖然農業採用工業4.0技術,對農業有所幫助。但是採用過程與轉換需要時間。此農業在採用IOT技術,面臨顯著之挑戰。

1.          需要標準化

發展農業4.0,需要技術的標準化,以確立設備彼此之相容性。

在考慮農機設備之使用年限,標準化是基本要求,由此可使技術之選用可以交互配合。尤其在開發新機具。

在歐洲,農機標準化是來自AE下與AgGateway等機構,其制定標準內容描述於參考文獻(14)。

農業4.0之新挑戰在於數據交換與通訊標準化,用以連結不同系統,涵蓋所有農業領域。

2.          農場的現代化

IOT農業另一個挑戰是農民與農場需要再投資於現代化生產。但是由於農業利潤之考量,很少能夠給新的生產工具新的資金。

歐洲農業另一個問題是農業人口之老化,在2013年有56%之農民年齡大於55歲。因此有數位化能力之農民數目有限,需要額外投資經費以訓練。

此外,投資新技術之意願與能力十分分歧。

3.          基本建設之現代化

在鄉間發展通訊基本建設是IOT農業之重大挑戰,目前之無線通訊以都會區為主。

數據之交換與分析是農業4.0之關鍵。鄉間通訊網路設備是基本建設。以歐洲為例,目前鄉間無線通訊其覆蓋率為40%。

 

References

 

1.      Manufacturing.net, 2016, John Deere On Bringing The IoT To The Farm at: https://www.manufacturing.net/news/2016/05/john-   deere-bringing-iot-farm

2.       365 Farm Net, 2017, Agriculture 4.0 ensuring connectivity of agricultural equipment, Available at: http://www.xn--landtechnik-anschlussfhig-machen- 6yc.com/Whitepaper_Agriculture4.0_January2017.pdf

3.       Euractiv, 2016, Farming 4.0: The future of agriculture?, Available at:

https://www.euractiv.com/section/agriculture-   food/infographic/farming-4-0-the-future-of-agriculture/

4.       Wired, 2017, Robots Wielding Water Knives Are the Future of Farming, Available at:  https://www.wired.com/2017/05/robots-agriculture/

5.       MIT Technology Review, 2016, Six Ways Drones Are Revolutionizing Agriculture, Available at:   https://www.technologyreview.com/s/601935/six-ways-   drones-are-revolutionizing-agriculture/

6.       KraftfahrtBundesamt, 2016, Fahrzeugzulassungen (FZ) Bestand an Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern nach Fahrzeugalter, Available at:  http://www.kba.de/SharedDocs/Publikationen/DE/Statistik

/Fahrzeuge/FZ/2016/fz15_2016_pdf.pdf?  blob=publication File&v=2.

7.       Euractiv, 2017, Technology will make farming more transparent to consumers, Available at: https://www.euractiv.com/section/agriculture-   food/news/commission-technology-will-make-farming- more-transparent-to-consumers/

8.       Huawei, 2016, Agricultural Machinery Predictive Maintenance, Available at: http://developer.huawei.com/ict/en/news/oceaceanconnect -2016-08-31-intelligent

9.       Nesta, 2015, Precision Agriculture: almost 20% increase in income possible from smart farming, Available at: http://www.nesta.org.uk/blog/precision-agriculture-almost-   20-increase-income-possible-smart-farming

10.       Euractiv, 2016, ‘Farming 4.0’ at the farm gates, Available at: https://www.euractiv.com/section/agriculture-   food/opinion/farming-4-0-digital-technology-at-the-farm- gates/

11.       Harvard Business Review, 2014, How Smart, Connected Products Are Transforming Competition, Available at:   https://hbr.org/2014/11/how-smart-connected-products- are-transforming-competition

12.       The Motley Fool, 2014, Why Monsanto Might Be the Best Internet of Things Stock, Available at:  https://www.fool.com/investing/general/2014/12/06/mon   santo-might-be-best-internet-of-things-stock.aspx

13.       Business Insider, 2016, Why IoT, big data & smart farming are the future of agriculture, Available at:   http://www.businessinsider.fr/us/internet-of-things-smart- agriculture-2016-10/

14.       CEMA, 2017, Digital Farming: what does it really mean?, Available at: http://cema- agri.org/sites/default/files/CEMA_Digital%20Farming%20-%20Agriculture%204.0_%2013%2002%202017.pdf

15.       CEMA, 2017, Connected Agricultural Machines in Digital Farming, Available at: http://www.cema- agri.org/publication/connected-agricultural-machines-   digital-farming

16.       JRC, 2014, European farmers’ intentions to invest in 2014- 2020: survey results, Available at:  http://www.ab.gov.tr/files/ardb/evt/1_avrupa_birligi/1_6_r   aporlar/1_3_diger/agriculture_and_fisheries/European_Farm   ers_Intentions_to_Invest_in_2014-2020.pdf

17.       European Commission, 2017, European Digital Progress Report: review of Member States' progress towards digital priorities, Available at: https://ec.europa.eu/digital-single- market/en/news/european-digital-progress-report-review- member-states-progress-towards-digital-priorities