農業物聯網技術采納過程演化分析及仿真模擬

吳 芳，付 娜，趙新海

（1.天津師范大學 管理學院，天津 300387；2.天津農學院 人文學院，天津 300384；3.天津農學院計算機與信息工程學院，天津 300384）

0 引言

物聯網(Internet of Things,IoT)在推動農業由粗放增長向技術驅動增長轉變過程中扮演著重要角色,政府推廣和技術采納者之間的關系對物聯網技術的有效擴散至關重要［1］。 各國紛紛制定了相關戰略,如日本的“戰略創新促進計劃(SIP)”,歐洲農業機械協會的“農業4.0”,英國的“未來農場計劃”和美國的“精確農業計劃”。 國際咨詢機構“Research and Market”預測,2025 年智慧農業的全球市場價值將達到182.1 億美元。 然而,中國農業物聯網的人均管理面積相當于日本的1/5,歐盟的1/50 和美國的1/300。 受限于教育程度和生產規模,農業物聯網技術擴散存在如下問題:(1)農民不愿支付巨額技術成本,拒絕采用農業物聯網技術。 (2)如何建立以農民和市場為主導的可持續發展機制？ (3)物聯網技術的快速發展對農民的技術采納有什么影響？ 上述問題阻礙了農業物聯網技術的擴散,亟待解決。

1 研究概述

當前,與本研究相關的內容主要有技術采納分析與策略進化博弈。

1.1 技術采納分析

關于技術采納分析,Jessica 等［2］分析了奶業、畜牧業和種植業中采用寬帶技術的情況。 研究發現,采納者的性別、收入、規模和受教育程度與寬帶技術的選擇密切相關,采納技術的最大障礙是數據隱私和安全。Aklin 等［3］對印度農民的太陽能用電進行調查,認為家庭支出、儲蓄和創新態度與采用太陽能技術水平密切相關,燃料支出、風險接受程度和社區信任與技術采納相關。 劉艷婷等［4］以江西農戶為研究對象,分析了社會網絡、信息成本對農戶生態耕種采納意愿的影響,發現社會網絡能夠促進采納,信息成本能夠抑制采納。Bukchin 等［5］使用多元回歸分析調查了尼泊爾采納防止土壤退化技術的過程,發現教育和溝通提高了農民采用新技術的比例。 Berhe 等［6］認為埃塞俄比亞農業家庭采用沼氣能源與木柴、木炭的使用正相關；性別、信貸服務影響了家庭的能源選擇。 可知,已有文獻缺乏關于農業物聯網技術采納的相關研究。

1.2 策略進化博弈

競爭市場中,策略選擇的動態變化引起了學者們的關注。 Kopel 等［7］構建了利潤與社會效用最大化并存的市場博弈模型,基于異步更新規則,研究了戰略轉型的穩定狀態和復雜動力行為。 Baiardi 等［8］構建了演化競爭模型,參與者可以選擇局部壟斷策略或梯度動態策略,分析了模型的全局穩定性,并解釋了演化穩定異質狀態的原因。 Ahmad 等［9］建立了雙寡頭經濟演化模型,其中兩個效用最大化的參與者具有不同的偏好結構。

上述文獻為技術推廣和競爭市場中的可持續采納提供了理論參考,但針對農業物聯網技術的相關研究幾乎為空白。 本文將考慮物聯網技術的發展特征,構建農業物聯網技術采納決策模型,研究采納水平動態演化,為農業物聯網的可持續發展提供策略參考。

2 模型假設

假設市場上有N個生產同類產品的農業企業,市場存在兩種生產技術:農業物聯網技術和傳統農業生產技術。 詳細假設如下。

2.1 農業物聯網技術成本

農業物聯網技術大大減少了農業生產的邊際成本。 固定成本來源于物聯網電子設備,由于技術進步,設備性能增長迅速并遵循摩爾定律。 根據Voller 等［10］的研究,成本的變化規律如公式(1)所示:

2.2 傳統技術的生產成本

c2≠0,c2?c1,k2為固定成本參數。

2.3 農產品價格

3 模型

3.1 采納比例分析

假設有一個無限數量的農業企業群,并且它們在每個時間段都成對匹配以進行雙企業博弈［9］。 兩家農業企業的戰略選擇矩陣如表1 所示。

表1 選擇矩陣

使用傳統農業技術的預期收益如公式(8)所示:

3.2 技術采納水平的更新機制

根據文獻［7,9］,采納比率遵循異步更新機制:

λ(λ∈［0,1］) 被稱為策略可能性參數。 當λ＝0,農業主體決策遵循異步更新機制,當λ＝1,系統為非動態演化狀態。σ為選擇強度系數,表示農業主體對農業物聯網技術的敏感程度。 如果σ＝0,φ(t+1)＝φ(t) ；如果σ→∞,表示農業主體將毫不猶豫地采納農業物聯網技術。 采納技術和拒絕技術兩種策略下主體的利潤如公式(7)和(8)所示。

4 數值模擬

下面將使用數值模擬法分析農業物聯網技術采納的動態過程,令a＝2；k2＝0.01；ε＝0.182 555。 采納比例隨σ的變化如圖1—2 所示。

圖1 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3

4.1 技術采納失敗

圖1 中,φ＝0。 此時,農業主體選擇使用傳統農業技術,拒絕采納農業物聯網技術。

4.2 理想的技術采納

圖2 中,當c1＝0.08,c2＝0.5,t＝3.181 9 時φ＝1,表示所有企業均采納農業物聯網技術。

圖2 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3.181 9

4.3 內部均衡向理想采納的過渡

t≥3.181 9:在圖3 中,當σ≤5.16,φ＝φ*＝0.052；當σ∈(5.16,16.2］,φ進入均衡遷移狀態,此時φ∈［0.052,1］ ；當σ ＞16.2,φ＝1 時,所有企業均采納農業物聯網技術。

圖3 采納比例的均衡遷移過程

t ＜3.181 9:在圖4 中,內部均衡點φ*＝0.052 向φ＝0 演化。

圖4 采納比例φ 隨σ 的變化

圖5 中,采納比例φ隨著t的變化可以向0 和1 兩個方向演化。t為摩爾定律中的時間參數,其本質代表技術創新。 當t≥3.181 9,∏aa＞∏ba,∏ab＞∏bb,農業物聯網技術主導市場,采納比例由0.052 演化到全部采納1。 即市場上農業物聯網技術的采納水平大大提升。隨著t的增長,創新不斷加快,向全部采納轉變的過渡階段越來越小,意味著向理想狀態的進化越來越容易。當t＜3.181 9,∏ba＞∏aa,∏bb＞∏ab,傳統農業生產技術統治市場,采納比例參數由0.052 向0 演化。

圖5 采納比例φ 隨σ 和t 的演化

通過上述分析,應該從下面兩點著手推廣農業物聯網技術:第一,降低物聯網技術成本,提供補助,使得采納農業物聯網技術在市場上能夠贏得相對較高的利潤。 第二,持續加強技術研發,即增加參數t,減小過渡階段,促進內部均衡φ＝0.052 向理想采納φ＝1 演化。

5 結語

諾貝爾農業經濟學獎得主西奧多·W·舒爾茨［11］認為,農民在權衡收入和風險后,對先進技術的期望是最佳選擇。 內部平衡點的存在再次驗證了這一觀點。物聯網技術支持下的農業企業有望獲得高產,但對農業信息基礎和設備可靠性的要求很高。 另外,在中國的偏遠地區,由于運輸和物流能力低下,大量產品無法及時運出,因此“谷賤傷農”。 傳統的生產模式,盡管有其弊端,但可以確保穩定的產量。 因此,農民權衡利弊之后,內部平衡是最佳選擇。 但是,農業是國民經濟的重要組成部分,為了國民經濟均衡發展,傳統農業的提升和改造勢在必行。 應從以下幾點著手:(1)提供農業物聯網技術服務,幫助農民制定投資計劃,為農民提供必要的技能和知識。 (2)解決國內農業物聯網設備價格昂貴,故障率高的問題。 (3)農業物聯網技術的推廣和傳統農業的提升轉型是一項公益性工作,需要大量金錢和人力,需要政府統籌安排。